Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Phạm Hữu Hưng

 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN 
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC 
BỘ MÔN CN CƠ ĐIỆN LẠNH & ĐHKK 
----------------)***(---------------- 
ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG DÙNG CHUNG 
KỸ THUẬT NHIỆT 
(Dùng cho SV các ngành kỹ thuật - trình độ Đại học) 
Biên soạn: ThS. Phạm Hữu Hưng 
H-ng yªn, n¨m 2015 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 1 
LỜI NÓI ĐẦU 
 “KỸ THUẬT NHIỆT” là môn học nghiên cứu những quy luật biến đổi năng lƣợng (chủ 
yếu là quy luật biến đổi giữa nhiệt năng và cơ năng) và quy luật truyền nhiệt năng trong các vật nói 
chung hoặc trong thiết bị nhiệt nói riêng. 
Nhiệt năng là một dạng năng lƣợng, nó có khả năng cùng các dạng năng lƣợng khác chuyển 
hóa lẫn nhau và nó cũng có thể truyền từ chỗ này đến chỗ khác, từ vật này đến vật khác. 
Nhiệt năng có thể nhận đƣợc từ các phản ứng hóa học, nhất là phản ứng cháy của các nhiên 
liệu hữu cơ nhƣ củi, than, dầu, khí đốt; có thể từ phản ứng phân hủy hoặc tổng hợp của các hạt 
nhân, nguyên tửcó thể từ nguồn năng lƣợng bức xạ của mặt trời, từ nguồn địa nhiệt trong lòng 
đất  
 Nhiệt năng thƣờng đƣợc chuyển hóa thành cơ năng trong các động cơ nhiệt nhƣ máy hơi 
nƣớc, động cơ đốt trong, tua bin hơi, tua bin khí, động cơ phản lực, tên lửa Các động cơ nhiệt 
đƣơc dùng làm động lực trong nhiều máy móc, thiết bị nhƣng cũng đƣợc dùng nhiều để chạy máy 
phát, chuyển cơ năng thành điện năng trong các nhà máy nhiệt điện, điện nguyên tử, nhà máy điện 
mặt trời hoặc nhà máy địa nhiệt 
 Nhiệt năng còn đƣợc dùng rất phổ biến với mục đích cấp nhiệt ở phạm vi nhiệt độ khác 
nhau, ở nhiệt độ cao trong các ngành luyện kim, ở nhiệt độ vừa và thấp trong công nghệ bảo quản, 
chế biến nông lâm, hải sản, trong điều hòa không khí, nhất là trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của 
nƣớc ta. Ngoài ra thời gian gần đây bơm nhiệt bắt đầu đƣợc sử dụng và nó rất có triển vọng phát 
triển ở điều kiện khí hậu nƣớc ta. 
 Ngoài những mặt có lợi nói trên, không ít trƣờng hợp nhiệt năng có hại, nó có thể ảnh 
hƣởng đến quá trình công nghệ, làm giảm tuổi thọ, thậm chí là phá hủy thiết bị, nó còn ảnh hƣởng 
đến sức khỏe, đến khả năng làm việc của con ngƣời. 
 Do vậy muốn giải quyết có hiệu quả những vấn đề trên cần nắm vững môn “Kỹ thuật nhiệt”. 
Môn kỹ thuật nhiệt đƣợc chia thành hai phần: 
Phần “Nhiệt động kỹ thuật” nghiên cứu các quy luật về chuyển hóa năng lƣợng có liên quan 
đến nhiệt năng. 
Phần “Truyền nhiệt” nghiên cứu các quy luật về truyền nhiệt năng trong một vật hoặc giữa 
các vật có nhiệt độ khác nhau. 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 2 
PHẦN I: NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT 
Nhiệt động kỹ thuật là môn học nghiên cứu những quy luật biến đổi năng lƣợng có liên 
quan đến nhiệt năng trong các quá trình nhiệt động, nhằm tìm ra những phƣơng pháp biến đổi có 
lợi nhất giữa nhiệt năng và cơ năng. Do vậy môn “Nhiệt động kỹ thuật” phục vụ rộng rãi cho 
nhiều ngành trong nền khoa học kỹ thuật hiện đại; trƣớc hết nó phục vụ đắc lực cho ngành năng 
lƣợng. 
Hàng năm bình quân đầu ngƣời trên thế giới tiêu thụ khoảng 2 tấn nhiên liệu quy ƣớc, trong 
đó 80% phải trải qua ít nhất một lần dƣới dạng nhiệt năng, khoảng một nửa nhiện năng đƣợc 
chuyển hóa thành điện năng để dễ dàng truyền tải và sử dụng do vậy muốn sử dụng năng lƣợng có 
hiệu quả không thể không nắng vững môn “Nhiệt động kỹ thuật”. 
Cơ sở nhiệt động đã đƣợc xây dựng từ thế kỷ XIX, và lịch sử phát triển môn “Nhiệt động kỹ 
thuật” có liên quan mật thiết đến quá trình phát triển của các thiết bị nhiệt. 
Nhiệt động kỹ thuật đƣợc xây dựng trên cơ sở ba định luật: định luật nhiệt động thứ không, 
định luật nhiệt động I và định luật nhiệt động II. Định luật nhiệt động thứ không xác nhận khi 
nhiệt độ của hai vật bằng nhiệt độ của vật thứ ba thì nhiệt độ của hai vật đó bằng nhau. Định luật 
nhiệt động I thực chất là định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lƣợng viết cho sự chuyển hóa giữa 
nhiệt và công về mặt số lƣợng. Định luật nhiệt động II xác định điều kiện và mức độ chuyển hóa 
nhiệt năng thành cơ năng và các dạng năng lƣợng khác. 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 3 
CHƢƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 
1.1. Hệ thống nhiệt động 
1.1.1. Những khái niệm cơ bản 
- ĐN: Hệ thống nhiệt động (Hệ nhiệt động hay hệ) là một hay tập 
hợp các vật thể vĩ mô mà trong đó có sự biến đổi về năng lƣợng 
hoặc cả năng lƣợng và khối lƣợng. Phần bên ngoài của hệ thì 
đƣợc gọi là môi trƣờng. Hệ đƣợc giới hạn và ngăn cách với môi 
trƣờng bằng một bề mặt gọi là bề mặt phân cách (biên giới). 
Chú ý: Bề mặt phân cách có thể thay đổi tùy theo mục đích, yêu 
cầu xem xét đối tƣợng khảo sát. 
- Phân loại 
a) Theo sự biến đổi về khối lƣợng: Hệ kín và hệ hở 
 Hệ kín: có tính chất cơ bản sau: 
- Có trọng tâm của hệ không chuyển động (chuyển động vĩ mô) hay chuyển động với vận tốc 
không đáng kể để động năng của nó có thể bỏ qua; 
- Không trao đổi khối lƣợng với môi trƣờng. 
 Hệ hở: 
- Là hệ mà một hoặc hai tính chất trên đây không đƣợc thỏa mãn. Trong hệ hở, trọng tâm của hệ 
chuyển động với một vận tốc nào đó nên trong cân bằng năng lƣợng của hệ hở luôn có động năng. 
b) Theo sự biến đổi về năng lƣợng: Hệ cô lập và cô lập đoạn nhiệt 
- Hệ cô lập: không trao đổi năng lƣợng và khối lƣợng với môi trƣờng. 
- Hệ đoạn nhiệt: Không trao đổi nhiệt với môi trƣờng. 
1.1.2. Môi chất 
 - Muốn thực hiện việc chuyển hóa giữa nhiệt năng với các dạng năng lƣợng khác ta phải 
dùng chất trung gian gọi là môi chất (chất môi giới/ chất công tác). 
- Theo lý thuyết môi chất có thể là vật chất ở thể rắn, thể lỏng, thể khí hoặc hơi nhƣng 
thƣờng chọn là thể khí hoặc hơi vì chúng có khả năng biến đổi các đặc tính vật lý dễ dàng khi trao 
đổi năng lƣợng. 
 Chú ý: Khi khảo sát đặc tính nhiệt động của hệ thống nhiệt động chính là khảo sát tính chất 
của môi chất. Vậy môi chất có thể coi là hệ thống nhiệt động. 
1.1.3. Trạng thái của hệ nhiệt động 
- ĐN: Trạng thái của hệ nhiệt động là sự tồn tại của hệ ở một thời điểm nhất định. Trạng thái 
của hệ đƣợc xác định bởi các đại lƣợng vật lý của hệ. Các đại lƣợng vật lý đó gọi là thông số trạng 
thái. 
 Hình 1.1 
 Biên giới 
 Môi trƣờng 
Hệ thống 
nhiệt động 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 4 
Trạng thái cân bằng là trạng thái mà các đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho hệ đồng nhất tại mọi 
điểm nghĩa là giữa các vật thể trong hệ cũng nhƣ giữa hệ và môi trƣờng không có tƣơng tác. Thực 
tế không có trạng thái cân bằng tuy nhiên nếu các diễn biến xảy ra trong hệ là rất chậm thì vẫn có 
thể coi hệ ở trạng thái cân bằng. 
1.1.4. Thông số trạng thái 
- ĐN: Thông số trạng thái là những đại lƣợng vật lý xác định sự tồn tại của hệ nhiệt động ở 
mỗi thời điểm. 
- TSTT có nhiều loại có TSTT đo đƣợc trực tiếp, có TSTT không đo đƣợc trực tiếp, có loại 
có ý nghĩa vật lý rõ rệt, có loại không có ý nghĩa rõ rệt, có những TSTT độc lập với nhau nhƣng 
cũng có những thông số phụ thuộc lẫn nhau v.v 
- Trong nhiệt kỹ thuật thƣờng sử dụng 3 thông số có thể đo đƣợc trực tiếp và gọi đó là các 
thông số cơ bản gồm nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng. Các thông số còn lại gọi là hàm trạng thái 
vì chúng không đo đƣợc trực tiếp mà phải thông qua các thông số trạng thái cơ bản. 
Để xác định hoàn toàn trạng thái một hệ nhiệt động ở thể khí, cần biết 3 thông số trạng thái 
cơ bản là nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng. 
a) Nhiệt độ 
- Nhiệt độ là một thông số trạng thái biểu thị mức độ nóng lạnh của vật. 
- Theo thuyết động học phân tử nhiệt độ là đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho mức độ chuyển 
động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên hệ. 
 Nhiệt độ có thể trực tiếp đo đƣợc dựa trên cơ sở định luật nhiệt động thứ không: “Nếu hai vật 
(hệ) có nhiệt độ t1 và t2 cùng bằng nhiệt độ t3 của vật (hệ) thứ ba thì nhiệt độ của hai vật đó bằng 
nhau, tức là t1 = t2”. Để đo nhiệt độ ngƣời ta sử dụng dụng cụ đo và goị là nhiệt kế. Có nhiều loại 
nhiệt kế với các thang đo khác nhau nhƣng ta thƣờng gặp một số thang đo nhƣ sau: 
 Thang nhiệt độ bách phân t , 0C 
 Thang nhiệt độ tuyệt đối hay nhiệt độ Kelvin T, K 
T = t + 273,15 (1) 
 Thang nhiệt độ Farenheit 0F 
 0 0
5
t C t F 32
9
 (2)
 Thang nhiệt độ Rankin 0R 
0 05t C t R 273,15
9
 (3) 
 Trong thang nhiệt độ bách phân 0oC ứng với nhiệt độ tan của nƣớc đá nguyên chất dƣới áp 
suất tiêu chuẩn 760 mmHg và 100oC ứng với nhiệt độ sôi của nƣớc nguyên chất cũng ở áp suất tiêu 
chuẩn. Từ 0oC tới 100oC ngƣời ta chia làm 100 phần bằng nhau và mỗi phần ứng với 1oC. 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 5 
Chú ý rằng giá trị một độ trong thang nhiệt độ tuyệt đối và nhiệt độ bách phân là nhƣ nhau 
( T t và dT = dt). Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ tuyệt đối tỷ lệ thuận với động năng 
của các phân tử. Vậy nhiệt độ thấp nhất của vật chất là nhiệt độ ứng với trạng thái vật chất mà trong 
đó phân tử ngừng chuyển động, nhiệt độ thấp nhất này gọi là nhiệt độ không tuyệt đối 0K. 
b) Áp suất 
- Áp suất là tổng hợp lực của các phân tử môi chất tác dụng theo phƣơng vuông góc lên một 
đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc. 
- Đơn vị đo áp suất thƣờng dùng là: N/m2 hay còn gọi là Pascal (Pa), bar, mmHg (torr); 
mmH2O; atm (1atm = 760mmHg); at (1at = 0,981bar); poundal/feet
2
 (psf) (lbf/ft
2
 = 47,88Pa); 
kG/cm
2
 (1at = 1kG/cm
2
); psi (lpf/in
2) (1psi = 144 psf) 
Quan hệ giữa các đơn vị: 
2 5 5
2
1 1 1
1Pa 1N / m mmH O mmHg 10 bar= 10 at
9,81 133,32 0,981
 (4)
 Trong thực tế thƣờng gặp các khái niệm: áp suất tuyệt đối, áp suất dƣ, độ chân không. 
- Áp suất tuyệt đối (p) là thông số trạng thái chính là áp suất thật của chất khí, có thể trực tiếp đo 
đƣợc ví dụ nhƣ áp suất tuyệt đối của khí trời (pk) đƣợc đo bằng baromet. Tuy nhiên thƣờng hay đo 
gián tiếp qua áp suất khí trời và phần sai khác giữa áp suất khí trời và áp suất tuyệt đối. 
- Áp suất dƣ (pd) là phần áp suất tuyệt đối lớn hơn áp suất khí trời. 
- Độ chân không (pck) là phần áp suất khí trời lớn hơn áp suất tuyệt đối. 
- Quan hệ giữa các loại áp suất: 
Ký hiệu: p, pk, pd, pck- áp suất tuyệt đối, áp suất khí trời, áp suất dƣ và độ chân không 
Khi p > pk p = pk+pd (5) 
Khi p < pk p = pk- pck (6) 
Dụng cụ đo áp suất dƣ gọi là áp kế hay manomet. Dụng cụ đo độ chân không gọi là chân không kế 
hay vacuummet. 
c) Thể tích riêng 
- Thể tích riêng (v) là một trong ba thông số cơ bản đƣợc định nghĩa là thể tích của một đơn 
vị khối lƣợng 
V
v
G
(7) 
Trong đó: V- Thể tích môi chất, m3 
 G- Khối lƣợng môi chất, kg 
 v- thể tích riêng, m3/kg 
- Khối lƣợng riêng hay mật độ ( , kg/m3) là khối lƣợng của một đơn vị thể tích 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 6 
1
v
(8) 
1.1.5. Phương trình trạng thái 
a) Dạng tổng quát 
 Giữa các thông số trạng thái của một hệ nhiệt động luôn tồn tại mối quan hệ định lƣợng. Và 
biểu thức mô tả mối quan hệ giữa các thông số trạng thái của hệ ở trạng thái cân bằng gọi là phƣơng 
trình trạng thái. Đối với hệ khí thì phƣơng trình trạng thái có dạng tổng quát: 
 F (p, v, T) = 0 (9) 
Hình 1.2 
(9) là phƣơng trình mô tả mặt không gian trong hệ tọa độ OpvT và gọi đó là mặt nhiệt động. 
Một điểm M thuộc mặt nhiệt động biểu diễn một trạng thái cân bằng xác định của hệ với các thông 
số trạng thái có giá trị là p0, T0, v0. 
b) Phƣơng trình trạng thái khí lý tƣởng 
 Đặc điểm của khí lý tƣởng: 
- Khí lý tƣởng là khí bỏ qua thể tích bản thân phân tử, giữa chúng không có lực tƣơng tác và 
không có sự biến đổi pha (nghĩa là khí lý tƣởng không có pha lỏng hoặc pha rắn) 
 Phƣơng trình trạng thái 
- Xét một khối khí lý tƣởng khối lƣợng G kg, nhiệt độ tuyệt đối T K, áp suất tuyệt đối p N/m2, 
thể tích V ,m3. Phƣơng trình trạng thái của khối khí đó đƣợc viết nhƣ sau: 
pV = GRT (10) 
ở đây: R (J/kgK) là hằng số khí lý tƣởng đƣợc xác định theo công thức: 
8314
R 

 (11) 
  là phân tử lƣợng của chất khí 
VD: Đối với không khí,  = 28,9 nên R 287 J/kgK. Đối với khí O2,  = 32 nên R 260 
J/kgK. 
- Nếu viết cho l kg khí lý tƣởng, ta có phƣơng trình: 
p 
 v 
T0 
p0 
 T 
M v0 
p0 
0 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 7 
 pv = RT (12) 
Ở đây v là thể tích riêng (m3/kg) 
- Viết cho 1Kmol: 
 p.Vμ = Rμ.T (13) 
 ở đây: p, N/m2 - áp suất tuyệt đối 
 Vμ, m
3
/Kmol - thể tích của 1 Kmol 
 T , K - nhiệt độ tuyệt đối 
 Rμ , J/Kmol độ- hằng số khí , Rμ = 8314 
Phƣơng trình (10), (12), (13) đƣợc gọi là phƣơng trình Clapeyron 
 Mặc dù trong thực tế không tồn tại khí lý tƣởng, nhƣng ở điều kiện nhiệt độ không quá 
thấp, áp suất không quá cao, ta vẫn có thể coi một cách gần đúng các chất khí thông thƣờng (không 
khí, ôxy, nitơ...) là khí lý tƣởng và áp dụng phƣơng trình Clapeyron để khảo sát trạng thái của 
chúng. 
c) Phƣơng trình trạng thái của khí thực 
Khí thực là khí mà có thể tích phân tử, có lực tƣơng tác giữa chúng và có sự biển đổi pha. 
Để mô tả chính xác trạng thái của khí thực, ngƣời ta đã đƣa ra rất nhiều phƣơng trình khác 
nhau, phần lớn đƣợc thiết lập bằng phƣơng pháp thực nghiệm. Một trong những phƣơng trình trạng 
thái của khí thực thƣờng đƣợc đề cập đến là phƣơng trình Van der Waals: 
2
( )( ) .
a
p v b RT
v
 (14) 
trong đó : 
 a, b là các hệ số đƣợc xác định bằng thực nghiệm. 
2
a
v
 - số hiệu chỉnh kể đến tƣơng tác giữa các phân tử của chất khí thực; 
 b - số hiệu chỉnh kể đến kích thƣớc riêng của phân tử khí thực. 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 8 
1.2. Năng lƣợng của hệ nhiệt động 
 Ta biết rằng vật chất luôn luôn vận động và năng lƣợng của một hệ là đại lƣợng xác định 
mức độ vận động của vật chất ở trong hệ đó. Ở mỗi trạng thái, hệ có các dạng vận động xác định và 
do đó có một năng lƣợng xác định. Khi trạng thái của hệ thay đổi thì năng lƣợng của hệ có thể thay 
đổi và thực nghiệm xác nhận rằng: độ biến thiên năng lƣợng của hệ trong một quá trình biến đổi chỉ 
phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào quá trình biến đổi. Nhƣ vậy 
năng lƣợng chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ, suy ra năng lƣợng là một hàm trạng thái. 
Một vật thể thì có thể có nhiều dạng năng lƣợng nhƣng trong hệ nhiệt động ta chỉ quan tâm 
tới các dạng năng lƣợng sau: 
1.2.1. Năng lượng toàn phần của hệ nhiệt động 
 Khi ký hiệu năng lƣợng toàn phần của hệ nhiệt động W, J và w = W/G, J/kg ta có biểu thức 
sau: 
d tW U D W W (1) 
2
w u d gh
2

 (2) 
1.2.2. Ngoại động năng 
Là năng lƣợng do hệ chuyển động tạo thành và đƣợc tính bằng: 
2
dW G
2

 ; J (3) 
 Ở đây: G, kg – khối lƣợng của vật; 
 ω, m/s – Vận tốc của vật. 
- Ngoại động năng chỉ có trong hệ hở 
1.2.3. Ngoại thế năng 
Là năng lƣợng do hệ đặt trong trƣờng lực nào đó tạo thành: trƣờng hấp dẫn, trƣờng điện từ. 
Nếu chỉ có trọng trƣờng : 
tW G.g.h ; J (4) 
 Ở đây: h, m – độ cao của vật so với mặt đất; 
 g, m/s
2
 – Gia tốc trọng trƣờng. 
- Trong nhiệt động giá trị của đại lƣợng ngoại thế năng và biến đổi ngoại thế năng thƣờng nhỏ so 
với các dạng năng lƣợng khác nên thƣờng bỏ qua. 
1.2.4. Nội năng 
ĐN: Nội năng là năng lƣợng của các phần tử vi mô tạo nên hệ (nhƣ phân tử, nguyên tử). 
Nội năng gồm nội động năng Uđ và nội thế năng Ut. Nội động năng Uđ là năng lƣợng do chuyển 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng  ... tm1) = 
L1 m1
1 1
t t
1
F
; 
2 1 m1 m2Q F (t t )


 = m1 m2
1
t t
F


 Q3 = 2F2 (tm2 - tL2) = 
m2 L2
2 2
t t
1
F
; 
Do Q1 = Q2 =Q3 , nên dẫn tới : 
 Q = L1 L2
1 1 1 2 2
t t
1 1
F .F F

  
 (5) 
 Mật độ dòng nhiệt : 
 q = 
1
Q
F
 = L1 L2
1
1 2 2
t t
F1 1
.
F

  
 (6) 
Thấy rằng số hạng 1
2 2
F1
.
F 
 ở mẫu giảm do F2 > F1 nên mật độ dòng nhiệt q tăng lên. 
7.1.2. Hạn chế truyền nhiệt 
 Nhƣ đã nói ở trên, trong cuộc sống cũng nhƣ trong kỹ thuật đôi khi chúng ta lại cần hạn chế 
truyền nhiệt. Cũng giống tăng cƣờng truyền nhiệt để hạn chế truyền nhiệt chúng ta cũng cần xem 
xét các hiện tƣợng truyền nhiệt cụ thể để tìm cách hạn chế nó một cách có lợi nhất. 
a) Vách phẳng 
F1 cánh F2 
Q1 Q2 Q3 
 
 1 2 
Hình 1 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 107 
 Từ 
1 2
1
k
1 1

  
 và 1 2
1 2
1 2
.1
k
1 1
 ta thấy khi cho thêm một lớp vật liệu có hệ 
số dẫn nhiệt λcn càng bé với chiều dày δcn càng lớn thì nhiệt trở càng tăng và mật độ dòng nhiệt 
càng giảm. Khi đó chọn vật liệu cách nhiệt nào, với chiều dày bao nhiêu chỉ là vấn đề kinh tế. 
b) Vách trụ và đƣờng kính tới hạn của lớp cách nhiệt 
 Nếu bề mặt truyền nhiệt là hình trụ thì vấn đề không đơn giản nhƣ vậy. Nhiệt trở của vách 
trụ khi có thêm lớp cách nhiệt là: 
cn2
1 1 1 cn 2 2 c
dd1 1 1 1
R ln ln
d 2 d 2 d d
   
 (7) 
d1 là đƣờng kính trong của vách 
d2 là là đƣờng kính ngoài của vách 
dcn là đƣờng kính ngoài của lớp cách nhiệt 
Khi bề dày cách nhiệt tăng tức là 
dcn tăng sẽ dẫn tới 
cn
cn 2
d1
ln
2 d 
tăng nhƣng 
2 cn
1
.d 
 giảm. Vì vậy 
nhiệt trở toàn phần có thể giảm. Do 
vậy cần phải xét mối quan hệ giữa 
nhiệt trở toàn phần và đƣờng kính 
cách nhiệt. Ta đạo hàm nhiệt trở 
theo đƣờng kính cách nhiệt: 
 2cn cn cn 2 cn
d R 1 1
d d 2 d d
  
Nhiệt trở toàn phần nhỏ nhất khi: 
 cn
d R
0
d d
 nghĩa là 
2
cn cn 2 cn
1 1
0
2 d d
  
Đƣờng kính cách nhiệt ứng với R nhỏ nhất gọi là đƣờng kính cách nhiệt tới hạn dth. Đƣờng kính 
cách nhiệt tới hạn bằng: 
cn
th
2
2
d

 (8) 
Hoặc 2 th
cn
d
2

q , R 
 qmax 
Rt = min 
d 
qM 
dC
* 
dC' 
Rt 
qN 
d2 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 108 
Ứng với dth thì tổn thất nhiệt là lớn nhất, vậy muốn cách nhiệt phải lƣu ý đến điều kiện trên, 
nghĩa là cn thd d . Từ hình 7.13 ta thấy chỉ khi nào chọn λcn để d2 > dth thì việc bọc cách nhiệt mới 
dẫn đến giảm q. Điều này có nghĩa là phải chọn vật liệu cách nhiệt đảm bảo điều kiện 2 2
cn
d
2
 . 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 109 
7.2. Thiết bị trao đổi nhiệt 
1. Định nghĩa 
 Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là thiết bị trong đó thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữa 
các chất tải nhiệt có nhiệt độ khác nhau, ví dụ thiết bị sấy, bình ngƣng, bình bay hơi v.v 
2. Phân loại: 
Tùy theo mục đích sử dụng mà các thiết bị trao đổi nhiệt có cấu tạo và tên gọi khác nhau, 
nhƣng về nguyên lý làm việc chúng đƣợc chia thành các loại sau: 
a) Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn 
 Trong thiết bị trao đổi nhiệt loại này, các chất tải nhiệt trao đổi nhiệt với nhau một cách liên 
tục qua vách ngăn cách. Sự trao đổi nhiệt đƣợc thực hiện một cách liên tục và ở chế độ ổn định. Ví 
dụ các bình ngƣng hơi, các bộ quá nhiệt 
b) Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt 
 Trong TBTĐN loại này, các chất tải nhiệt trao đổi nhiệt với nhau qua bộ nhận nhiệt trung 
gian gọi là bộ tích nhiệt. Bộ tích nhiệt có thể đứng yên hay quay tròn. Sự trao đổi nhiệt ở thiết bị 
loại này đƣợc tiến hành qua hai giai đoạn. Giai đoạn đầu cho chất tải nhiệt có nhiệt độ cao đi qua, 
chất tải nhiệt sẽ nhả nhiệt cho bộ phận tích nhiệt, sau đó cho chất tải nhiệt có nhiệt độ thấp đi qua, 
chất tải nhiệt sẽ nhận nhiệt từ bộ phận tích nhiệt. Vậy sự trao đổi nhiệt ở đây có tính chu kỳ và 
không ổn định. TBTĐN kiểu này trong các thiết bị lò cao, trong một số nhà máy nhiệt điện để đốt 
nóng dòng không khí nhờ dòng khói có nhiệt độ cao. 
c) Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp 
 Trong TBTĐN kiểu hỗn hợp các chất tải nhiệt trao đổi nhiệt với nhau khi chúng hỗn hợp 
với nhau. Đặc điểm của loại này là quá trình trao đổi nhiệt xẩy ra đồng thời với quá trình trao đổi 
chất. Ví dụ các tháp giải nhiệt, thiết bị điều tiết không khí kiểu phun 
3. Các phương trình cơ bản tính nhiệt 
 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt có thể là tính toán thiết kế hay tính toán kiểm tra. Mục đích 
của tính toán thiết kế là xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt theo những yêu cầu đề ra. Còn tính 
toán kiểm tra nhằm mục đích kiểm tra lại chế độ làm việc của thiết bị trao đổi nhiệt đã làm việc sau 
một thời gian, ở đây chủ yếu là kiểm tra nhiệt độ cuối của những chất tải nhiệt. Tuy nhiệm vụ có 
khác nhau nhƣng các tính toán đều phải dựa vào hai phƣơng trình cơ bản là phƣơng trình truyền 
nhiệt và phƣơng trình cân bằng nhiệt. 
a) Phương trình truyền nhiệt 
Q kF t (1) 
Ở đây: Q, W – dòng nhiệt (lƣợng nhiệt trao đổi giữa hai chất tải nhiệt trong một đơn vị thời gian) 
 k, W/m
2
 – Hệ số truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt 
 F¸ m
2
 – Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 110 
 Δt – Độ chênh nhiệt độ trung bình. Tùy theo yêu cầu về độ chính xác mà độ chênh nhiệt độ 
trung bình có thể tính theo phƣơng pháp logarit hay phƣơng pháp số học. 
b) Phương trình cân bằng nhiệt 
 ' " ' "1 1 1 2 2 2Q G i i G i i (2) 
Ở đây: 
 Chỉ số “1” tƣơng ứng với chất tải nhiệt nóng, còn chỉ số “2” tƣơng ứng với chất tải nhiệt 
lạnh 
 Dấu „ tƣơng ứng với các thông số khi đi vào thiết bị. 
 Dấu “ tƣơng ứng với các thông số khi đi ra khỏi thiết bị. 
 G – Lƣu lƣợng khối lƣợng¸ kg/s 
 i – entanpi, J/kg 
Nếu các chất tải nhiệt không biến đổi pha và có nhiệt dung riêng không đổi thì phƣơng trình cân 
bằng nhiệt có thể viết: 
 ' '' '' '1 p1 1 1 2 p2 2 2Q G C t t G C t t (3) 
 Cp – Nhiệt dung riêng khối lƣợng đẳng áp, J/kgK 
 t – Nhiệt độ , oC 
Ta đặt pW GC , W/k gọi là đƣơng lƣợng nƣớc (hay nhiệt dung toàn phần) 
Khi đó 
 ' '' '' '1 1 1 2 2 2Q W t t W t t (4) 
Từ đó suy ra: 
' ''
1 1 1 2
'' '
2 2 2 1
t t t W
t t t W
 
 
 (5) 
δ1 – sự thay đổi nhiệt độ của chất tải nhiệt nóng 
δ2 – Sự thay đổi nhiệt độ của chất tải nhiệt lạnh 
Ta thấy sự thay đổi nhiệt độ của chất tải nhiệt tỷ lệ nghịch với nhiệt dung toàn phần của 
chúng. Bên cạnh sự thay đổi nhiệt độ các chất tải nhiệt còn phụ thuộc vào chiều chuyển động của 
chúng. Trong thiết bị trao đổi nhiệt, các chất tải nhiệt có thể chuyển động theo các cách khác nhau: 
chuyển động song song cùng chiều, chuyển động song song ngƣợc chiều và chuyện động cắt nhau. 
 Cùng chiều Ngƣợc chiều Cắt nhau 
Hình 1 
4. Tính độ chênh trung bình của nhiệt độ giữa hai chất lỏng 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 111 
 Thiết lập công thức tính độ chênh nhiệt độ trung bình chính xác của thiết bị trao đổi nhiệt có 
vách ngăn cho trƣờng hợp hai dòng dịch thể chuyển động song song cùng chiều. Sơ đồ xác định độ 
chênh nhiệt độ trung bình cho trƣờng hợp dịch thể song song cùng chiều cho ở hình 2 
Hình 2. Phƣơng pháp xác định độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit 
Xét quá trình trao đổi nhiệt giữa hai dịch thể tại hai điểm bất kỳ của bề mặt truyền nhiệt Fx 
và Fx+dFx. Dọc theo phân tố dFx nhiệt độ của dịch thể nóng và dịch thể lạnh thay đổi một lƣợng 
tƣơng ứng bằng dt1 và dt2. Vì phân tố dFx là vô cùng nhỏ nên hoàn toàn có thể xem độ chênh nhiệt 
độ giữa hai dịch thể trong khoảng dF là không đổi và bằng Δtx. Khi đó, phƣơng trình truyền nhiệt 
viết cho phân tố bề mặt truyền nhiệt dF bằng: 
x xdQ kdF t (6) 
 Theo ký hiệu trên hình 2, vi phân nhiệt độ của dịch thể nóng dt1 sẽ lấy giá trị âm. Do đó, 
nhiệt lƣợng dQ theo phƣơng trình cân bằng nhiệt đƣợc viết dƣới dạng: 
1
1
dQ
dt
W
 (7) 
2
2
dQ
dt
W
 (8) 
Trừ từng vế của hai phƣơng trình (7) và (8) cho nhau ta đƣợc: 
 1 2
1 2
1 1
dt dt ( )dQ
W W
Hay 
1 2
1 2
1 1
d(t t ) dQ
W W
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 112 
Đặt 
1 2
1 1
m
W W
 (9) 
Khi đó 1 2d(t t ) mdQ 
Nhƣ trên ta nói, trong phạm vi bề mặt truyền nhiệt vô cùng nhỏ dF ta có thể xem (t1 - t2) không đổi 
và bằng xt . Do đó, thay giá trị dQ bằng biểu thức (6) vào quan hệ trên ta đƣợc: 
 x
x
x
d t
mkdF
t
 (10) 
Khi tích phân hai vế phƣơng trình (10) với xt biến đổi từ ' '1 1 2t t t và với biến số Fx từ 0 đến 
Fx ta đƣợc: 
 x x
1
t F
x
x
xt 0
d t
mkdF
t
Hay x x
1
t
ln mkF
t
Do đó x
mkdF
x 1t t e
 (11) 
Công thức (11) biểu diễn quy luật thay đổi của độ chênh nhiệt độ xt theo bề mặt truyền nhiệt Fx. 
Từ quan hệ hàm số x xt f F dạng (11) dễ dàng tính đƣợc độ chênh nhiệt độ trung bình. Theo 
khái niệm giá trị trung bình của một hàm số ta có: 
x
F F mkF
mkF 1
x x 1 x
0 0
t (e 1)1 1
t t dF t e dF
F F mkF
 (12) 
Mặt khác từ (11) thay '' ''x 2 1 2t t t t và Fx = F ta đƣợc 
mkF
2 1t t .e
Hay 
mkF 2
1
t
e
t
 (13) 
=> 2
1
t
mkF ln
t
 (14) 
Thay (13) và (14) vào (12) ta đƣợc giá trị nhiệt độ trung bình Logarit 
2 1
2
1
t t
t
t
ln
t
 (15) 
Hay 1 2
1
2
t t
t
t
ln
t
 (16) 
Trong đó: ' '1 1 2t t t và '' ''2 1 2t t t 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 113 
Nhận xét: 
1. Trong trƣờng hợp hai dịch thể chuyển động song song và ngƣợc chiều giá trị m trong (9) đổi 
hình dạng: 
1 2
1 1
m
W W
Bằng phƣơng pháp tƣơng tự chúng ta cũng chứng minh đƣợc rằng độ chênh lệch nhiệt độ trung 
bình Logarit trong trƣờng hợp hai dịch thể chuyển động song song ngƣợc chiều nhau cũng lấy gần 
đúng dạng (15) và (16) nhƣng khi đó 
 ' ''1 1 2t t t và '' '2 1 2t t t 
2. Nhƣ vậy, độ chênh nhiệt độ 1t và 2t trong cả hai trƣờng hợp song song cùng chiều và song 
song ngƣợc chiều đều dẫn đến độ chênh ở ban đầu vào (F = 0) và đầu ra (F = F) của thiết bị giữa 
dịch thể nóng và dịch thể lạnh. Vì vậy, để tránh lấy logarit một số nhỏ hơn 1 và tránh mọi nhầm lẫn 
khác khi dùng chung một công thức để tính độ chênh nhiệt độ trung bình cho cả hai trƣờng hợp 
cùng chiều và ngƣợc chiều chúng ta có thể sử dụng công thức 
max min
max
min
t t
t
t
ln
t
 (17) 
 Trƣờng hợp sự biến thiên nhiệt độ của chất lỏng dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt tƣơng đối ít 
 max mint / t 2 thì có thể dùng độ chênh nhiệt độ trung bình số học thay cho độ chênh nhiệt độ 
trung bình Logarit mà sai số không vƣợt quá 4%. 
3. Trong trƣờng hợp hai dịch thể chuyển động cắt nhau, độ chênh nhiệt độ trung bình cnt sẽ đƣợc 
tính theo độ chênh nhiệt độ trung bình khi hai dịch thể chuyển động ngƣợc chiều nct với một hệ số 
điều chỉnh t  theo công thức: 
cn t nct . t  (18) 
Hệ số hiệu chỉnh t  đƣợc xác định bằng thực nghiệm theo hai tham số P và R: 
'' '
2 2
' '
1 2
t t
P
t t
 và 
' ''
1 1
'' '
2 2
t t
R
t t
Các trƣờng hợp chuyển động phức tạp khác cũng tính tƣơng tự theo công thức (18) và hệ số 
t  tƣơng ứng xem phụ lục các sách chuyên môn. 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 114 
MỤC LỤC 
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 1 
PHẦN MỘT: NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT .................................................................... 2 
CHƢƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN .......................................................... 3 
1.1. Hệ thống nhiệt động .................................................................................................... 3 
1.2. Năng lƣợng của hệ nhiệt động .................................................................................... 8 
CHƢƠNG II: QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG - ĐỊNH LUẬT 1 NHIỆT ĐỘNG HỌC11 
2.1. Quá trình nhiệt động, trao đổi năng lƣợng trong quá trình ....................................... 11 
2.2. Định luật 1 nhiệt động học ........................................................................................ 17 
2.3. Các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tƣởng .................................................... 20 
2.4. Quá trình nén khí trong máy nén. ............................................................................. 27 
2.5. Quá trình lƣu động và tiết lƣu của chất khí và hơi .................................................... 33 
CHƢƠNG III: CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG, ĐỊNH LUẬT II NHIỆT ĐỘNG ...... 41 
3.1. Chu trình nhiệt động ................................................................................................. 41 
3.2. Chu trình Carnot ....................................................................................................... 44 
3.3. Entropi....................................................................................................................... 46 
3.4. Định luật hai nhiệt động ............................................................................................ 49 
3.5. Chu trình Động cơ đốt trong ..................................................................................... 50 
3.6. Chu trình máy lạnh dùng không khí và hơi nén ........................................................ 58 
PHẦN HAI: TRUYỀN NHIỆT ................................................................................. 61 
CHƢƠNG IV: DẪN NHIỆT ..................................................................................... 62 
4.1. Những khái niệm cơ bản ........................................................................................... 62 
4.2. Phƣơng trình vi phân dẫn nhiệt ................................................................................. 65 
4.3. Dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng điều kiện biên loại 1 và loại 3 ........................... 69 
4.4. Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ điều kiện biên loại 1 và loại 3 ................................. 74 
CHƢƠNG V: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƢU .......................................................... 79 
5.1. Những khái niệm cơ bản ........................................................................................... 79 
Bài giảng Kỹ thuật Nhiệt 
GV Soạn: Th.S Phạm Hữu Hƣng 115 
5.2. Hệ phƣơng trình miêu tả TĐNĐL ............................................................................. 82 
5.3. Khái quát về lý thuyết đồng dạng ............................................................................. 85 
5.4. Một số phƣơng trình tiêu chuẩn tỏa nhiệt đối lƣu ..................................................... 92 
CHƢƠNG VI: TRAO ĐỔI NHIỆT BỨC XẠ .......................................................... 97 
6.1. Những khái niệm cơ bản ........................................................................................... 97 
6.2. Các định luật bức xạ cơ bản ...................................................................................... 99 
6.3. Trao đổi nhiệt bức xạ giữa hai tấm phẳng song song ............................................. 101 
CHƢƠNG VII: TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ................ 105 
7.1. Tăng cƣờng và hạn chế truyền nhiệt ....................................................................... 105 
7.2. Thiết bị trao đổi nhiệt .............................................................................................. 109