NHA TRANG UNIVERSITY
Faculty of Mechanical Engineering
Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận
Engineering Thermodynamics
(Textbook Compiled for Students
at the Faculty of Mechanical Engineering)
NHA TRANG - 2008
- 2 -
Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
Our modern technological society is based largely on the replacement of
human and animal labor by animate, power-producing machinery. Examples of such
machinery are steam power plants that generate electricity, locomotives that pull
freight and passenger trains, and internal combustion engines that power automobiles.
In each of these examples, working fluids such as steam and gases are generated by
combustion of a fuel-air mixture and then are caused to act upon mechanical devices
to produce power. Predictions of how much energy can be obtained from the working
fluid and how well the extraction of energy from the working fluid can be
accomplished are the province of an area of engineering called thermodynamics.
Thermodynamics is based on two experimentally observed laws. The first is
the law of conservation of energy, familiar to the student from the study of classical
mechanics. Whereas in mechanics only potential and kinetic energies are involved, in
thermodynamics the law of conservation of energy is extended to include thermal and
other forms of energy. When an energy transformation occurs, the same total energy
must be present after the transformation as before; in other words, according to the
first law, all the different types of energy must be accounted for and balanced out
when a transformation occurs. For example, in an internal combustion engine, a
specific quantity of thermal energy is released due to the combustion of gasoline in
the engine cylinders. Some of this energy goes out the tailpipe as heated exhaust gases
and is lost; some is converted to useful work in moving the car; and some is dissipated
to the air via the cooling system. Whereas the distribution of these various types of
energy is clearly of important to the engineer, who wants to obtain as much useful
work as possible from a given quantity of fuel, the first law merely states that energy
can be neither created nor destroyed; it does not provide information as to the ultimate
distributions of the energy in its various forms.
The second law provides further information about energy transformations. For
example, it places a limitation on the amount of useful mechanical work that can be
obtained from combustion of the fuel in an internal combustion engine. The first law
states that energy must be conserved. Thus, according to the first law, all the thermal
energy available from combustion of the fuel could be converted to useful mechanical
work with no losses. Intuitively, however, we know that thermal and other losses are
present in the engine. The second law provides a quantitative prediction of the extent
of these losses.
An understanding of thermodynamics and the limitations it imposes on the
conversion of energy from one to another is very relevant to what is going on in the
world today. With limited supplies of conventional energy resources of oil and gas,
and with increased demands for an improved standard of living and an accompanying
increased demand for energy, it is important that we obtain the maximum utilization
of our oil, gas, and coal reserves. Conversion of the chemical energy available in these
fuels to usable form should be done as efficiently as possible. Further, we must
examine the potential of new sources of energy, such as the sun and the oceans.
Again, thermodynamics will be used to evaluate new energy sources and methods of
converting the available energy to useful form.
- 3 -
Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
REFERENCE
1. Bùi Hải, Trần Thế Sơn (2002), Kỹ thuật nhiệt, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà
Nội
2. Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú (2003), Bài tập cơ sở Kỹ thuật nhiệt, NXB Giáo
dục.
3. Trần Quang Nhạ, Bùi Hải, Hoàng Đình Tín, Ng. Hoài Văn (1978), Bài tập Nhiệt
kỹ thuật, NXB Đại học và THCN.
4. William L. Haberman, James E. A. John, Engineering Thermodynamics with
Heat Transfer, ISBN 0-205-12076-8.
- 4 -
Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
Chương 1
High-temperature reservoir (T
1
)
High-temperature reservoir (T
1
)
KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1. THIẾT BỊ NHIỆT
Thiết bị nhiệt là loại thiết bị có chức năng biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng.
Thiết bị nhiệt được chia thành 2 nhóm : động cơ nhiệt và máy lạnh. Động cơ
nhiệt (ví dụ : động cơ hơi nước, turbine khí, động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ
phản lực, v.v.) có chức năng biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. Máy lạnh có chức
năng chuyển nhiệt năng từ nguồn lạnh (ví dụ : phòng lạnh) đến nguồn nóng (ví dụ :
khí quyển).
13
4
2
Q
out
Q
in
W
out
Low-temperature reservoir (T
2
)
Heat Engine
Q
out
Q
in
W
out
H. 1.1-1. Nguyên lý hoạt động của turbine hơi nước
1- Nồi hơi, 2- Turbine, 3- Thiết bị ngưng tụ, 4- Bơm nước
13
4
2
Q
out
Q
in
W
in
Low-temperature reservoir (T
2
)
Refrigerator
Q
out
Q
in
W
in
H. 1.1-2. Nguyên lý hoạt động của máy lạnh và bơm nhiệt
dùng tác nhân lạnh là chất lỏng dễ bay hơi
1- Giàn lạnh, 2- Máy nén, 3- Giàn nóng, 4- Van tiết lưu
- 5 -
Assoc. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008
1.2. HỆ NHIỆT ĐỘNG
Hệ nhiệt động (HNĐ) là một vật hoặc nhiều vật được tách riêng ra khỏi các vật
khác để nghiên cứu những tính chất nhiệt động của chúng. Tất cả những vật ngoài
HNĐ được gọi là môi trường xung quanh. Vật thực hoặc tưởng tượng ngăn cách hệ
nhiệt động và môi trường xung quanh được gọi là ranh giới của HNĐ.
Hệ nhiệt động được phân loại như sau :
Rigid
vessel
System
boundaries
Water
vapor
Liquid
water
Cylinder
System
boundaries
Gases
Piston
Electrical
power in
Water
pump
a) b)
c)
H. 1.2-1. Hê nhiệt động
a) HNĐ kín với thể tích không đổi
b) HNĐ kín với thể tích thay đổi
c) HNĐ hở
• Hệ nhiệt động kín - HNĐ trong đó không có sự trao đổi vật chất giữa hệ
và môi trường xung quanh.
• Hệ nhiệt động hở - HNĐ trong đó có sự trao đổi vật chất giữa hệ và môi
trường xung quanh.
• Hệ nhiệt động cô lập - HNĐ được cách ly hoàn toàn với môi trường xung
quanh.