Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 2: Các định luật nhiệt động và các quá trình nhiệt động cơ bản - Ngô Phi Mạnh

CÁC ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG VÀ 
CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CƠ BẢN
CHƯƠNG 2:
1. Phát biểu:
a. Nội dung: Khi cấp cho HNĐ một nhiệt lượng một 
phần sinh công + một phần làm biến thiên nội năng của hệ.
(The change in internal energy of a system is equal to the heat added to the 
system minus the work done by the system)
b. Biểu thức:
c. Ý nghĩa:
Định luật nhiệt động 1  định luật bảo toàn và chuyển 
hóa năng lượng 
Q = L + ΔU
2. Các dạng biểu thức của định luật NĐ 1
a. Viết theo ĐN:
+ Viết cho G kg môi chất: Q = L + ΔU
+ Viết cho 1 kg môi chất: q = l + Δu
+ Dạng vi phân: q = pdv + du = l + du 
q = - vdv + di = lkt + di 
b. Định luật 1 viết cho hệ kín và hệ hở: 
Đối với KLT, biểu thức sau đây đều được viết chung cho cả 
hệ kín và hệ hở.
q = du + l = di + lkt
1. Cơ sở lý thuyết:
Để khảo sát quá trình nhiệt động ta dựa trên:
+ Đặc điểm quá trình (đẳng nhiệt, đẳng áp....)
+ Phương trình trạng thái KLT
+ Phương trình định luật 1
2. Các bước khảo sát:
B1: Tìm biểu thức đặc trưng cho quá trình
B2: Dựa vào PT trạng thái => mối qhệ giữa các thông số: p, t, v
B3: Tính Δu, Δi, l, lkt, q, Δs
B4: Biểu diễn trên đồ thị P-v và T-s
B5: Tính hệ số biến đổi năng lượng
q
u 
3. Khảo sát quá trình Đẳng tích:
4. Kháo sát quá trình Đẳng áp:
5. Khảo sát quá trình Đẳng nhiệt:
=> Sinh viên tự soạn theo các bước 
đã hướng dẫn
6. Khảo sát quá trình Đoạn nhiệt
a. ĐN: là quá trình nhiệt động xảy ra trong điều kiện môi chất 
không trao đổi nhiệt với môi trường
q = 0
b. Xác định biểu thức đặc trưng:
 q = 0 (1)
 q = CvdT + pdv = 0 (2)
 q = CpdT – vdp = 0 (3)
=> Cv.dT = - p.dv (4)
Cp.dT = v.dp (5)
Chia (5)/(4): Cp/Cv = -vdp/p.dv
k
dvP
dPv


 p.vk = Const
constkpv 
k
p
p
v
v
1
1
2
2
1
222
111
..
..
TRvp
TRvp
2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
6. Khảo sát quá trình Đoạn nhiệt
c. Quan hệ giữa các thông số trạng thái:
k
k
p
P
k
v
v
T
T
1
1
2
1
2
1
1
2
k
v
v
p
p
2
1
1
2
2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
6. Khảo sát quá trình Đoạn nhiệt
d. Tính toán các thông số:
• Tính Δu và Δi
- Biến thiên nội năng:
- Biến thiên Entanpi:
Tính cho 1 kg môi chất:Δu = Cv.(T2 – T1) [J/kg]
Tính cho G[kg] môi chất:Δ U=G.Δu = G.Cv.(T2 – T1) [J]
Tính cho 1 kg môi chất:Δi = Cp.(T2 – T1) [J/kg]
Tính cho G[kg] môi chất:Δ I=G.Δi = G.Cp.(T2 – T1) [J]
2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
6. Khảo sát quá trình đoạn nhiệt
d. Tính toán các thông số:
• Tính công thay đổi thể tích:
Theo định nghĩa ta có:
  
2
1
v
v
dvpl Với:
kk vpvp 11.. 
 2211
1
1
vpvp
k
l  
1
2
1 1..
1
1
T
T
TR
k
l
k
k
v
vp
p 1
1.
2
1
.
. 11
v
v
k
dv
v
vp
l
• Tính công kỹ thuật:
lkt = k.l ?????
2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
6. Khảo sát quá trình đoạn nhiệt
d. Tính toán các thông số:
• Tính nhiệt lượng trao đổi:
0 
T
q
ds

e. Đồ thị P-v, T-s:
•Tính biến thiên entropi:
0 q
Đồ thị p-v; T-s của quá trình đoạn nhiệt
•Hệ số biến đổi năng lượng: 
q
u
7. Khảo sát quá trình Đa biến
a. ĐN: là quá trình nhiệt động xảy ra trong điều kiện nhiệt dung 
riêng của quá trình không đổi
Cn = Const
b. Xác định biểu thức đặc trưng:
q = CndT (1)
 q = CvdT + pdv = Cn.dT (2)
 q = CpdT – vdp = Cn.dT (3)
=> (Cn – Cv).dT = p.dv (4)
(Cn – Cp).dT = -v.dp (5)
Đặt: n = (Cn – Cp)/ (Cn – Cv) = -vdp/p.dv
=> n
dvP
dPv


 p.vn = Const
;1
2
2
1
n
v
v
p
p
constnpv
n
p
p
v
v
1
1
2
2
1
2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
7. Khảo sát quá trình Đa biến
c. Quan hệ giữa các thông số trạng thái:
n
n
p
P
n
v
v
T
T
RTvpRTvp
1
1
2
1
2
1
1
2
222
;
111
2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
7. Khảo sát quá trình Đa biến
d. Tính toán các thông số:
• Tính Δu và Δi
- Nhận xét: Đối với khí lý tưởng, vì nội năng u và entanpi i là các hàm trạng 
thái nên biến thiên của chúng Δu và Δi chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng 
thái cuối của quá trình mà không phụ thuộc vào đường đi.
 Công thức tính Δu và Δi được tính cho các quá trình của KLT:
- Biến thiên nội năng:
- Biến thiên Entanpi:
Tính cho 1 kg môi chất:Δu = Cv.(T2 – T1) [J/kg]
Tính cho G[kg] môi chất:Δ U=G.Δu = G.Cv.(T2 – T1) [J]
Tính cho 1 kg môi chất:Δi = Cp.(T2 – T1) [J/kg]
Tính cho G[kg] môi chất:Δ I=G.Δi = G.Cp.(T2 – T1) [J]
2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
7. Khảo sát quá trình Đa biến
d. Tính toán các thông số:
• Tính nhiệt dung riêng Cn:
Đối với quá trình đa biến, do Cn phụ thuộc vào hệ số đa biến n nên 
cần phải xác định:
Ta có: 
vn
Pn
CC
CC
n
 Pvn CCnnC   1
v
P
vn
C
C
nCnC 1
 knCnC vn  1
1 
 
n
kn
CC vn
2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
7. Khảo sát quá trình Đa biến
d. Tính toán các thông số:
• Tính công thay đổi thể tích:
Theo định nghĩa ta có:
  
2
1
v
v
dvPl
Với: 
=>
n
n
nn
v
vP
PvPvP 1111

  
 

2
1
11
v
v n
n
dv
v
vP
l
 2211
1
1
vPvP
n
l  
 

1
21 1
1 T
T
n
TR
lOr: 
2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
3. Khảo sát quá trình Đa biến
d. Tính toán các thông số:
• Tính công kỹ thuật:
lkt = n.l
).(
1 12
TT
n
kn
Cq
v
 
• Tính nhiệt trao đổi với môi trường:
q = Cn.(T2-T1)
• Tính hệ số đa biến:
Từ mối quan hệ giữa các thông số, ta có thể tính n theo công thức sau:
2
1
1
2
ln
ln
v
v
P
P
n


2
1
1
2
ln
ln
1
v
v
T
T
n


2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
7. Khảo sát quá trình Đa biến
d. Tính toán các thông số:
• Tính biến thiên entropi:
T
dTC
T
q
ds n


1
2ln
T
T
Cs n  
e. Tính hệ số biến hóa năng lượng:
 12
12
1
TT
n
kn
C
TTC
q
u
v
v
 

 
kn
n
1
2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
7. Khảo sát quá trình Đa biến
f. Biểu diễn quá trình đa biến trên đồ thị:
* Tổng quát quá trình:
- Khi n = 0 p.v0 = const
p = const (đẳng áp)
Cn = Cp
- Khi n = 1 p.v = const
T = const (đẳng nhiệt)
Cn = ±∞
- Khi n = ±∞ p1/∞ .v = const
v = const (đẳng tích)
Cn = Cv
- Khi n = k p.vk = const
Đoạn nhiệt
Cn = 0
2.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của KLT
7. Khảo sát quá trình Đa biến
f. Biểu diễn quá trình đa biến trên đồ thị:
p
v
n = 0
T
s
n = 0
n = 
0
n 
= 
0
n = 1 n = 1
n
 =
 1
n = 1
pv = const
n
 =
 k
n = k
p
v k
 =
 co
n
st
n
 =
 k
n
 =
 k
n
 =
 ±
 ∞
n
 =
 ±
 ∞
n
 =
 ±
 ∞
n =
 ± 
∞
L > 0
L > 0
q > 0q
 >
 0
u
 >
 0
u >
 0
dT
/d
s 
= 
T/
C p
dT
/d
s =
 T
/C
v
2.3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II
1. Các loại chu trình:
a. Khái niệm chu trình nhiệt động:
- Chu trình:
- Chu trình thuận nghịch:
- Chu trình không thuận nghịch:
b. Chu trình thuận nghịch thuận chiều:
- Định nghĩa: là chu trình sinh công , môi 
chất nhận nhiệt q1 của nguồn nóng, nhả nhiệt q2
cho nguồn lạnh và sinh công l
- Đặc điểm:
+ Chu trình diễn ra theo chiều kim đồng 
hồ trên đồ thị p-v, T-s.
+ Chu trình sinh công => l > 0
2.3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II
1. Các loại chu trình:
b. Chu trình thuận nghịch thuận chiều:
- Hiệu suất của chu trình:
1q
l
ηt 
1
2
1
21
1
q
q
q
qq
t 
 
1
2
1
q
q
t 
- Ứng dụng thực tế:
+ Chu trình các động cơ đốt trong
+ Chu trình nhà máy nhiệt điện, động cơ hơi nước
2.3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II
1. Các loại chu trình:
c. Chu trình thuận nghịch ngược chiều:
- Định nghĩa: chu trình có môi chất nhận nhiệt q2 của nguồn lạnh, nhả 
nhiệt q1 cho nguồn nóng nhưng tiêu tốn công l
Truyeàn 
nhieät 
vaøo
Truyeàn 
nhieät ra
Daøn laïnh Daøn noùng
nhieät
nhieät
nhieät nhieät
nhieät
nhieät
nhieät
nhieätnhieät
2.3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II
1. Các loại chu trình:
c. Chu trình thuận nghịch ngược chiều:
- Hệ số làm lạnh của chu trình:
l
q2 
21
2
qq
q
 
- Ứng dụng thực tế:
+ Chu trình lạnh: điều hòa, tủ lạnh
- Đặc điểm:
+ Chu trình diễn ra ngược chiều kim đồng hồ
trên đồ thị p-v, T-s.
+ Chu trình nhận công => l < 0
2.3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II
1. Các loại chu trình:
d. Chu trình Carnot thuận chiều:
- Định nghĩa:
Chu trình có 2 quá trình đoạn nhiệt 
và đẳng nhiệt tiến hành xen kẽ nhau, 
thực hiện giữa 2 nguồn nhiệt T1 và T2
không đổi và T1 > T2
- Hiệu suất:
1
21
1 q
qq
q
l
c
 
1
21
T
T
ηc 
- Nhận xét:
+ Hiệu suất CT Carnot chỉ phụ thuộc T1và T2
+ ηc tăng T1 tăng và T2 giảm
+ T1 = T2 => ηc = 0 => không Tồn tại động cơ vĩnh 
cửu loại 2 (nhiệt không thể hoàn toàn biến thành 
công)
+ ηc Carnot cao nhất so với tất cả các chu trình 
khác cùng nguồn nóng và lạnh.
2.3. ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG II
2. Phát biểu và ý nghĩa của ĐL NĐ II:
a. Phát biểu:
- Nhiệt không thể tự truyền từ vật có nhiệt độ thấp đến vật 
có nhiệt độ cao hơn. Muốn thực hiện được điều này thì cần 
phải tốn một năng lượng bên ngoài.
- Không thể biến đổi toàn bộ nhiệt nhận từ nguồn nóng 
thành công, mà luôn phải mất một lượng nhiệt thải cho 
nguồn lạnh.
- Không thể nhận công từ một nguồn nhiệt duy nhất vì khi 
đó T1 = T2 => ηc= 0. 
b. Ý nghĩa:
- Định luật nhiệt động 2 cho phép chúng ta biết được điều 
kiện xảy ra quá trình biến đổi nhiệt thành công và ngược lại.
- Cho phép chúng ta biết được chiều hướng xảy ra các quá 
trình truyền nhiệt và mức độ xảy ra của các quá trình.
Bài Tập cuối chương
1. Cho 2 kg không khí có nhiệt độ ban đầu là t1 = 30
0C, thể tích V1 = 1500 lít, 
tiến hành quá trình nén đa biến với n = 1,2 đến áp suất p2 = 10bar. Hãy:
a. Tính nhiệt độ không khí sau khi nén
b. Xác định ∆U, ∆I, q, l, lkt
2. Một kg không khí được nén đa biến đến thể tích v2 = 0,2.v1, nhiệt độ tăng từ 
100C đến 1000C, áp suất ban đầu của không khí p1 = 2bar. Xác định áp suất và 
thể tích cuối, số mũ đa biến, U, I, công nén và nhiệt lượng toả ra.
3. Một bình kín có thể tích V = 0,015 m3 chứa không khí ở áp suất đầu p1 = 2 
bar, nhiệt độ t1 = 30
0C. Cung cấp cho không khí trong bình một lượng nhiệt 16 
kJ. Xác định nhiệt độ cuối, áp suất cuối quá trình và lượng biến đổi entropi của 
không khí (lấy  = 29).
4. 1 kg không khí có áp suất đầu p1 = 1 at, thể tích v1 = 0,8 m
3/kg nhận một 
lượng nhiệt 100kcal/kg trong điều kiện áp suất không đổi. Xác định nhiệt độ 
đầu và cuối, thể tích cuối quá trình, công thay đổi thể tích.