Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 1: Những khái niệm cơ bản

hí, hay có biến đổi pha giữa lỏng 
 và hơi. 
■ Ví dụ: 
 ■ Khí cháy (không khí + nhiên liệu) trong các động cơ đốt trong, turbine khí;
 ■ Nước+hơi nước trong các nhà máy nhiệt điện;
 ■ Công chất lạnh (thể lỏng+hơi) trong các hệ thống làm lạnh, điều hòa không khí.
 Chất môi giới
 9
Tính chất (thông số) của hệ thống (Properties)
■ Để mô tả một hệ thống và dự đoán ứng xử 
 của nó, cần kiến thức về các tính chất của nó 
 và mối quan hệ giữa chúng
■ Tính chất của một hệ thống là các đặc tính vĩ 
 mô của nó.
■ Một số tính chất phổ biến là: áp suất 
 (pressure-P), nhiệt độ (temperature-T), thể 
 tích (volume-V) và khối lượng (mass-m).
■ Các thông số mô tả trạng thái của một hệ 
 thống chỉ khi hệ thống ở trạng thái ổn định 
 (cân bằng-equilibrium state).
■ Không phải tất cả các thông số là độc lập. 
 Mật độ hay khối lượng riêng (density- ) là 
 thuộc tính độc lập với áp suất và nhiệt độ. 
 Mật độ và thể tích riêng (specific volume-v) 
 nghịch đảo nhau.
Mật độ là một thuộc tính
■ Mật độ/Khối lượng riêng là khối lượng/đơn vị thể tích;
■ = mass/volume (kg/m3)
■ Tỷ trọng riêng (Specific gravity): là tỷ số giữa mật độ của một chất với mật độ của 
 một chất tiêu chuẩn ở điều kiện nhất định (thường lấy là nước ở 4 oC)
■ Thể tích riêng (specific volume) là thể tích của một đơn vị khối lượng.
■  = Volume/mass, (m3/kg)
■  = 1/ 
 Water
 Gases
 Liquids
 P T
 10
Tính chất mở rộng (extensive properties)
■ Tính chất của hệ là các thông số không phụ 
 thuộc vào quy mô của hệ thống, ví dụ: nhiệt 
 độ, áp suất, khối lượng riêng. 
■ Tính chất mở rộng là các thông số đặc trựng 
 cho quy mô của hệ thống, ví dụ: khối lượng 
 (G), thể tích (V), năng lượng toàn phần (E).
Trạng thái (state)
■ Một trạng thái của hệ thống được định nghĩa là một điều 
 kiện có thể được mô tả bằng một tập hợp các thông số 
 trạng thái nhất định (T, P, ,  ...). Nói cách khác: Trạng 
 thái được mô tả bằng các thông số trạng thái.
■ Ở hình trên, nếu không có tác động gì, tất cả các thuộc 
 tính của hệ thống được xác định và đồng nhất trong toàn 
 bộ hệ thống. Khi đó, hệ thống được mô tả bằng một loạt 
 thông số: gọi là trạng thái 1.
■ Nếu thay đổi chỉ một thông số, hệ thống chuyển sang 
 trạng thái 2 (hình dưới).
■ Câu hỏi: 
 ■ Điều gì làm hệ thống chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 
 2?
 ■ Ngoài thể tích thay đổi, còn thông số nào thay đổi, thay 
 đổi tăng hay giảm?
 11
Phương trình trạng thái (state equation)
■ Trạng thái của một hệ thống ở thời điểm nào đó được 
 mô tả bằng một tập hợp các thông số trạng thái nhất định 
 (T, P, ,  ...). Nói cách khác: Trạng thái được mô tả 
 bằng các thông số trạng thái.
■ Quan hệ giữa các thông số trạng thái được gọi là Phương 
 trình trạng thái:
 f (P, v, T, , )
■ Một trong những nhiệm vụ là tìm ra mối liên hệ giữa các 
 thông số trạng thái của hệ
Cân bằng (equilibrium)
■ Nhiệt động KT chỉ nghiên cứu hệ thống ở 
 trạng thái cân bằng (equilibrium states).
■ Trạng thái cân bằng là trạng thái các thông số 
 đồng nhất trong toàn hệ thống. 
■ Một hệ thống ở trạng thái cân bằng nhiệt động 
 khi duy trì cân bằng về nhiệt (thermal), về cơ 
 (mechanical), về pha (phase) và về hóa học 
 (chemical).
 12
Cân bằng về nhiệt (Thermal Equilibrium)
■ Là không có sự khác nhau về nhiệt độ trong toàn bộ hệ thống. 
 20 C 30 C 32 C 32 C
 30 C
 32 C
 35 C 40 C
 32 C 32 C
 No thermal equilibrium Thermal equilibrium
Cân bằng về cơ học (Mechanical 
Equilibrium) 
■ Là không có sự khác nhau về áp suất trong toàn bộ hệ thống.
 13
Cân bằng về pha (Phase Equilibrium) 
■ Cân bằng pha nghĩa là lượng vật chất ở các pha đạt trạng thái ổn định và 
 không thay đổi.
 Vapor, P
 Vacuum Vapor, P = Pv
 t= 0, P = 0
 Water Water Water
 After some time
 At t = 0 After long time
Cân bằng hóa học (Chemical Equilibrium) 
■ Nghĩa là không có thay đổi về thành phần hóa học của vật chất. 
Định đề trạng thái (State Postulate)
■ Cần bao nhiêu thông số để xác định một trạng thái phụ thuộc vào mức 
 độ phức tạp của hệ thống.
■ Theo Định đề trạng thái, cần hai thông số độc lập để xác định một trạng 
 thái. 
■ Hai thông số được coi là độc lập khi một thông số có thay đổi mà thông 
 số còn lại giữ không đổi. Ví dụ: nhiệt độ và thể tích riêng. 
■ Nhiệt độ và áp suất có thể không phải là thông số độc lập khi môi chất 
 có biến đổi pha. Ví dụ khi nước đang sôi. 
■ Định luật pha:
 ■ Môi chất đơn nhất, không biến đổi pha: cần 2 thông số;
 ■ Môi chất có biến đổi pha: cần 1 thông số.
 14
Quá trình và chu trình (Processes and 
Cycles)
■ Sự thay đổi của hệ từ một trạng thái cân bằng 
 sang trạng thái cân bằng khác gọi là quá trình. 
■ Quá trình thường được biểu diễn trên đồ thị 
■ Tập hợp những trạng thái mà hệ đi qua là 
 đường đi của quá trình. Nhiệt động KT thường 
 chỉ quan tâm trạng thái đầu và cuối.
■ Một quá trình có trạng thái đầu và cuối giống 
 nhau gọi là chu trình. 
■ Quá trình đẳng nhiệt (Isothermal 
 process) T = constant .
■ Quá trình đẳng áp (Isobaric 
 process) P = constant .
■ Qua trình đẳng tích (Isochoric 
 process/constant volume).
 15
 Quá trình thuận nghịch 
 (Quasi-Equilibrium process)
 ■ Là quá trình tạo bởi tập hợp các trạng thái 
 cân bằng. 
 ■ Quá trình thuận nghịch có tính chất hai chiều 
 (nếu diễn ra theo chiều ngược lại sẽ trùng).
 ■ Công sinh ra hoặc tiêu tốn là lớn nhất. Là 
 mục tiêu để hướng tời và là tiêu chuẩn để so State 2 Process path
 P
 sánh. Intermediate 
 states
- Ví dụ: Nén thật chậm không khí trong 20 State 1
cyliner, áp lực khí nén sẽ tự giãn nở và 
đẩy piston ngược lại. V
- Quá trình thuận nghịch chỉ diễn ra với 
điều kiện lý tưởng (không có ma sát, 20 pa 20 pa
truyền nhiệt). Thực tế không tồn tại. 20 pa
 20 pa 20 pa
 (a) Slow compression (quasi-equilibrium)
 Quá trình không thuận nghịch (Non-Quasi-
 Equilibrium process)
 ■ Quá trình nén diễn ra nhanh, 
 không đạt được yếu tố cân bằng 
 cho các trạng thái trung gian. 
 ■ Các trạng thái trung gian là 
 không thể xác định. Không vẽ 
 được đường đi của quá trình. Mô 
 tả bằng nét đứt. Intermediate 
 states can not be determined and 
 the process path can not be 
 defined. Instead we represent it 
 as dashed line.
 16
Một số câu hỏi
■ Nhiệt động học kỹ thuật nghiên cứu sự biến đổi giữa 2 đại lượng cơ bản 
 là gì?
■ Có mấy loại hệ thống nhiệt, lấy ví dụ?
■ Sự khác nhau giữa HT kín và HT hở?
■ Người ta sử dụng chất môi giới để làm gì, kể tên một số chất môi giới?
■ Thế nào là trạng thái, quá trình, cân bằng, thuận nghịch, chu trình?
4. Đơn vị, Thứ nguyên, Hệ SI
 17
 Đơn vị và thứ nguyên
 ■ Thứ nguyên: Là đại lượng bất kỳ nào đó có thể đo được:
 ■ Ví dụ: Chiều dài, khối lượng, thời gian, 
 ■ Đơn vị: Là hệ thống số đo cho mỗi thứ nguyên, ví dụ:
 ■ Thứ nguyên Chiều dài có các đơm vị là mm, cm, m, km, ;
 ■ Thứ nguyên Khối lượng có đơn vị là g, kg, tấn, ;
 ■ Thứ nguyên Thời gian có đơn vị là giây (s), phút (min), giờ (h), 
 ■ Hệ đơn vị quốc tế (SI): Là hệ thống các thứ nguyên/đơn vị được sử dụng 
 rộng rãi nhất.
 7 thứ nguyên cơ bản trong hệ SI
- Đơn vị cơ bản (base unit): Là đơn vị 
chuẩn.
- Đơn vị dẫn xuất: Là đơn vị có thể suy 
ra từ các đơn vị gốc.
- Ví dụ: Thể tích là dẫn xuất từ đơn vị 
gốc là chiều dài (V = L3)
 Symbol Name Quantity
 The SI base A ampere electric current
 units K kelvin temperature
 s second time
Hãy truy cập internet và tìm m metre length
kiếm với từ khóa “unit kg kilogram mass
converter” và làm quen với cd candela luminous intensity
công cụ chuyển đổi đơn vị 
 mol mole amount of substance
 18
Dimensions and Units
 SI British System Conversion 
 Length Meter (m) Foot (ft) 1 ft = 0.3048 m 
 Time Second (s) Second (s) 
 Slug 1 slug =14.59 kg 
 Pound mass (lbm) 1 lbm = 0.4536 kg 
 Mass Kg 1 slug = 32.2 lbm 
 Newton (N) Pound force (lbf) 
 Force 1 N = (1Kg).(1 m/s2) 1 lbf = (1 slug)(1. ft/s2) 1 lbf = 4.448 N 
 Definition Newton (N): is the force Pound force (lbf) is the force C = (5/9)*(F –32) 
 of required to give a mass of required to give a mass of 1 
 Unit force 1 kg an acceleration of 1 slug an acceleration of 1 ft/s2. R = (9/5)*K 
 m/s2. 
 Degree Celsius.(C) Degree Fahrenheit (F) C = (5/9)*(F –32) 
 Tempe- Absolute Temp.: Kelvin (K). Absolute Temp.: Rankine (R) 
 rature K = C + 273.15 R = F + 459.67 R = (9/5)*K 
5. Nhiệt độ
 19
 Nhiệt độ và Định luật nhiệt động thứ 
 Không (Temperature and the Zeroth Law)
 ■ Nhiệt độ: là đại lượng biểu thì sự nóng, 
 lạnh của vật chất.
 ■ The zeroth law of thermodynamics states 
 that: If two bodies are in thermal 
 equilibrium with the third body, they are 
 also in thermal equilibrium with each 
 other.
 ■ Quan điểm vi mô: Nhiệt độ là đại lượng 
 tỷ lệ với động năng của chuyển động 
 phân tử và có thể tính được.
 ■ Quan điểm vĩ mô: Nhiệt độ đo bằng các 
 thiết bị đo
 Nhiệt độ và đơn vị đo 
 T K T oC 273.15
 (Temperature scales)
 T R T o F 459.67
■ Nhiệt độ Kelvin, hay nhiệt độ tuyệt đối, T(K) – lưu ý 
 không có ký hiệu “0”. T R 1.8T K 
■ Nhiệt độ Celcius, hay nhiệt độ bách phân, T(0C). T o F 1.8T oC 32
■ Nhiệt độ Fahrenheit, T(0F).
 o
■ Nhiệt độ Rankine, T(0R) T K T C 
 T R T o F
■ T(K) = 0: độ không tuyệt 
 đối, vật chất không chuyển 
 động.
■ Thang đo T(K) = T(0C).
 20
Đo nhiệt độ
■ Nhiệt kế
■ Cảm biến 
 nhiệt độ
■ Đo từ xa 
 bằng cảm 
 biến hồng 
 ngoại 
 (súng bắn 
 nhiệt)
6. Áp suất
 21
 Áp suất (Pressure)
 . Áp suất là lực của môi chất tác dụng lên một diện tích bề mặt.
 F
 P (N / m2 )
 A
 . Đơn vị hệ quốc tế (SI) là Pascal: Pa=N/m2. Thường dùng kPa 
 (x1000) và Mpa (x106). 
 . Đơn vị hệ Anh (British): psf = lbf/ft2, psi = lbf/in2 (psf = pound per 
 square foot, psi = pound per squar inch),144 in2 = 1 ft2. 
 . Các nước châu Âu hay dùng đơn vị bar.
 N 1 1
 1Pa 1 mmH O mmHg 10 5 bar
 m2 9,81 2 133,32
 1bar 105 Pa 0.1MPa 100kPa
 1atm 101,325 Pa 101.325kPa 1.01325bars 14.696 psi
 Note: mm(m)H2O gọi là mm(mét) cột nước, mmHg - mm cột 
 thủy ngân
 Pressure (Continued)
Áp suất tuyệt đối (Absolute 
pressure), là áp suất tính so với 
độ chân không tuyệt đối 
(absolute vacuum hay absolute 
zero pressure.)
Áp suất dư (Gage pressure), là 
phần áp suất lớn hơn áp suất 
môi trường (atmospheric 
pressure)
Áp suất chân không (Vacuum), 
là phần áp suất nhỏ hơn áp 
suất môi trường
 Pgage Pabs Patm for pressure above Patm 
 Pvac Patm Pabs for pressure below Patm 
 22
 Pressure (continued)
 Sự thay đổi áp suất theo độ sâu 
Với chất lỏng có trọng lượng riêng không đổi:
 P + Z = constant 
 Or P1+ Z1 = P2 + Z2
Z là tọa độ theo độ cao (positive upward).
 là tỷ trọng riêng của chất lỏng, (N/m3)
  g
Với chất khí, trong phạm vi chênh lệch về chiều cao 
không lớn (vài chục mét) coi như áp suất không đổi 
do trọng lượng riêng chất khí rất nhỏ.
 Pressure (continued)
 Pressure at a Point
 • Áp suất trong chất lỏng đồng nhất có giá trị như 
 nhau theo mọi hướng khi cùng độ sâu.
 23
 Pressure (continued)
 Áp suất ở cùng mặt nằm ngang
 Áp suất tại các điểm trên 
 cùng mặt nằm ngang thì 
 bằng nhau. (Pascal’s 
 principle.)
 F1 F2 F2 A2
P1 P2 .
 A1 A2 F1 A1
 Do P1 = P2, tỷ số A2/A1 sẽ quyết định giá trị lực nâng. Nếu sử dụng kích 
 thủy lực (hydraulic jack) có tỷ số A2/A1 = 10, một người có thể nâng 
 chiếc xe nặng 1000kg chỉ với một lực tác động 100kg (= 908 N). 
 Đo áp suất - The Manometer
 Thiết bị đo áp suất dư 
 dựa trên nguyên lý P + Z 
 = constant gọi là 
 manometer, thường dùng 
 để đo áp suất dư hoặc độ 
 chân không giá trị nhỏ 
 đến trung bình. P2 = Patm + h
 Tỷ trọng (Specific 
 gravity) – so với nước
  f g f f
 S s 
  w g w w
 24
 Đo áp suất – Áp kế/chân không kế 
 (pressure/vacuum gauge)
■ Áp kế kiểu ống Bourdon Tube (đo áp suất dư)
■ Áp kế hỗn hợp (đo áp suất dư và độ chân không)
 Đo áp suất – Áp kế/chân không kế 
 (pressure/vacuum gauge)
■ Áp kế điện tử
■ Cảm biến áp suất (pressure sensor)
 25
 FIGURE 1–61
 Schematic for Example 1–8.
1-17
 Barometer và áp suất môi trường 
 (Atmospheric Pressure)
 • Áp suất môi trường được đo 
 bằng barometer
 PZPZBBCC  
 PPC vapor 0 
 PPZZB atm  () C B
 Hg gh
 26
 Barometer và áp suất môi trường 
 • Áp suất môi trường tiêu chuẩn là chiều 
 cao 760mm cột Hg ở nhiệt độ 0oC. Đơn vị 
 mmHg còn được gọi là torr (Evangelista 
 Torricelli, 1608 1647).
 • Áp suất môi trường tại một nơi nào đó 
 thực chất là lực của không khí tác dụng 
 lên đơn vị diện tích bề mặt. Patm thay đổi 
 theo độ cao và điều kiện thời tiết.
 • Lưu ý: Khái niệm Patm đôi khi dễ lẫn lộn
 Chiều dài hay diện tích 
 P 760 mmHg torr 101 .325 kPa mặt cắt của ống đo 
 atm không ảnh hưởng đến 
1torr 133 .3 Pa chiều cao cột thủy 
 P1000 m 89 .88 kPa ; P1610 m:Denver 83 .4 kPa ngân trong barometer.
 P5000 m 54 .05 kPa ; P10 ,000 m 26 .5 kPa
 7. Năng lượng, Nhiệt, Công
 27
Các dạng năng lượng (Forms of Energy)
■ Trong hệ ổn định (không tồn tại ảnh hưởng của điện, từ, ), năng lượng toàn phần 
 (E) của hệ bao gồm: Động năng (kinetic-KE), thế năng (potential-PE) và nội năng 
 (internal-U)
 E U KE PE (kJ),
 mv2
 me mu mgz (kJ), 
 2
■ Hoặc viết cho một đơn vị khối lượng:
 v2
 e u ke pe u gz (kJ / kg)
 2
■ Năng lượng vĩ mô của hệ là năng lượng toàn phần so với xung quanh, bao gồm 
 động năng và thế năng. 
■ Năng lượng vi mô của hệ liên quan đến cấu trúc phân tử của hệ thống và độc lập 
 với bên ngoài. Đó là nội năng. 
■ Sự thay đổi của năng lượng toàn phần E của một hệ tĩnh tại (closed system) chính 
 bằng sự thay đổi nội năng U. Ví dụ: khi đun nóng vật chất trong một bình kín.
Forms of Energy (continued) 
Nội năng của hệ (internal energy) có thể tồn tại dưới các 
 dạng:
1. Động năng phân tử: kinetic energies of the molecules 
 is called the sensible energy.
2. Sự tồn tại các pha của vật chất (lỏng/hơi): phase of a 
 system is called the latent energy.
3. Năng lượng của các phân tử: atomic bonds in a 
 molecule is called chemical energy.
4. Thế năng của hệ: Static energy (stored in a system)
5. Động năng của hệ: Dynamic energy: energy 
 interactions at the system boundary (i.e. heat and work)
 28
Trao đổi năng lượng dạng nhiệt
■ Năng lượng có thể trao đổi với xung quanh dạng Nhiệt hoặc Công;
■ Hệ có thể nhận hoặc nhả nhiệt.
Trao đổi năng lượng dạng công
 29
Sự thay đổi năng lượng của hệ
Summary
■ Ghi nhớ:
 ■ Khái niệm hệ thống nhiệt, tính chất của hệ thống, đơn vị đo, hệ SI;
 ■ Các khái niệm nhiệt độ, phương pháp đo, đơn vị đo;
 ■ Áp suất: Các loại áp suất, đơn vị đo, các thiết bị đo áp suất dư, độ chân không, 
 áp suất môi trường;
 ■ Năng lượng của hệ: Nhiệt năng, Công năng, Nội năng, ví dụ về sự biến đổi 
 năng lượng của hệ dạng nhiệt, công, nội năng.
■ Bài tập về nhà:
 ■ Làm các bài tập chương 1 như danh mục bài tập đã giao;
 ■ Đọc chương 2 giáo trình.
■ Lưu ý: Yêu cầu SV đăng nhập nhóm facebook/diemphd
 Hãy tìm kiếm trên Internet với từ khóa unit converter, truy 
 cập và làm quen với công cụ chuyển đổi các đơn vị đã học
 30