Giáo trình Nhiệt kỹ thuật – Trường Cao đẳng Dầu khí
Tổng quan về giáo trình
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (Mã môn học: CNH19MH10) là tài liệu giảng dạy chính thức được ban hành kèm theo Quyết định số 191/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 3 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Giáo trình do tập thể tác giả biên soạn, gồm ThS. Phạm Thị Nụ (Chủ biên), Nguyễn Thị Thùy, Trần Thu Hằng và Phạm Công Quang.
Chương trình đào tạo Cao đẳng Dầu khí
Trong cấu trúc chương trình đào tạo nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí trình độ cao đẳng (tổng khối lượng 93 tín chỉ, 2290 giờ), môn học Nhiệt kỹ thuật có thời lượng 2 tín chỉ (30 giờ học, bao gồm 28 giờ lý thuyết và 2 giờ kiểm tra). Môn học thuộc nhóm kiến thức kỹ thuật cơ sở (Mục II.1), được bố trí giảng dạy trước các mô đun chuyên môn nghề nhằm trang bị nền tảng tính toán nhiệt động và quá trình biến đổi năng lượng.
Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định cụ thể theo 3 nhóm chuẩn đầu ra:
- Về kiến thức (A1): Trình bày được các thông số trạng thái, phương trình trạng thái của chất khí; định nghĩa nhiệt lượng, công và phương pháp tính toán; nội dung và ý nghĩa vật lý của hai định luật nhiệt động lực học.
- Về kỹ năng (B1): Thiết lập và phân tích được các chu trình nhiệt động, chu trình Carnot thuận nghịch; giải quyết các bài toán nhiệt động cơ bản trong hệ thống kín và hệ thống hở.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Hình thành phương pháp làm việc khoa học, tính toán cẩn trọng, kỷ luật kỹ thuật và năng lực cộng tác nhóm.
Cấu trúc giáo trình gồm 3 chương chính, xây dựng dựa trên giả định người học đã có kiến thức nhiệt học trong môn Vật lý phổ thông. Giáo trình tập trung vào việc áp dụng các công thức tính toán và phân tích kỹ thuật, phục vụ trực tiếp cho việc tiếp thu các môn học chuyên ngành dầu khí.
Nội dung kiến thức cốt lõi
Các chương và chủ đề chính
Nội dung học thuật của giáo trình được tổ chức tuần tự qua 3 chương với logic phát triển từ khái niệm trạng thái đơn lẻ đến quá trình biến đổi và chu trình nhiệt động hoàn chỉnh:
Chương 1: Một số khái niệm cơ bản và phương trình trạng thái của vật chất ở thể khí (11 giờ)
Chương 1 thiết lập các khái niệm cơ sở về nhiệt động lực học kỹ thuật.
- Phân loại hệ nhiệt động: Hệ kín (lượng chất môi giới không đổi, ví dụ máy lạnh), hệ hở (chất môi giới xuyên qua ranh giới, ví dụ động cơ đốt trong, tuabin khí), hệ đoạn nhiệt (không trao đổi nhiệt với môi trường) và hệ cô lập (không trao đổi cả nhiệt và công).
- Nguồn nhiệt và chất môi giới: Khái niệm nguồn nóng, nguồn lạnh; định nghĩa chất môi giới và mô hình khí lý tưởng (thể tích bản thân phân tử bằng không, lực tương tác phân tử bằng không).
- Thông số trạng thái: Nhiệt độ ($T$ tính theo Kelvin, thang Celsius, Fahrenheit, Rankine với quan hệ $T_K = t^\circ\text{C} + 273$); Áp suất tuyệt đối ($p$), áp suất khí quyển ($p_0$), áp suất dư ($p_d = p - p_0$), độ chân không ($p_{ck} = p_0 - p$); Thể tích riêng ($v = V/G$) và khối lượng riêng ($\rho = G/V$); Nội năng ($u, U$), Enthalpy ($i = u + pv$), Entropy ($s$).
- Quá trình chuyển pha: Nóng chảy – đông đặc, hóa hơi (bay hơi và sôi ở nhiệt độ bão hòa) – ngưng tụ, thăng hoa – ngưng kết; quá trình thuận nghịch (chuẩn cân bằng) và không thuận nghịch.
- Phương trình trạng thái khí lý tưởng: $$\begin{aligned} pv &= RT \quad (\text{với } 1\text{ kg môi chất}) \ pV &= GRT \quad (\text{với } G\text{ kg môi chất}) \ pV_\mu &= R_\mu T \quad (\text{với } 1\text{ kmol môi chất, } R_\mu = 8314\text{ J/kmol}\cdot\text{K}, V_\mu = 22{,}4\text{ m}^3\text{tc/kmol}) \end{aligned}$$
Chương 2: Định luật nhiệt động thứ I. Các phương pháp tính nhiệt và công (11 giờ)
Chương 2 trình bày các phương pháp tính toán trao đổi năng lượng và các quá trình nhiệt động cơ bản:
- Phương pháp tính nhiệt lượng: Tính theo biến thiên entropy ($q = \int T ds$) và tính theo nhiệt dung riêng ($dq = c dt$). Định nghĩa nhiệt dung riêng khối lượng ($c$), thể tích ($c'$), kmol ($\mu c$); nhiệt dung riêng đẳng tích ($c_v$), đẳng áp ($c_p$); hệ thức Mayer ($c_p - c_v = R = 8314/\mu$) và chỉ số đoạn nhiệt ($k = c_p/c_v$).
- Phương pháp tính công: Công thay đổi thể tích ($w_{tt} = \int p dv$, sinh công khi $dv > 0$, nhận công khi $dv < 0$) và công kỹ thuật trong hệ hở ($w_{kt} = -\int v dp$).
- Biểu thức Định luật nhiệt động I:
- Đối với hệ kín: $q = \Delta u + w_{tt} \implies dq = du + p dv = di - v dp = c_v dT + p dv = c_p dT - v dp$.
- Đối với hệ hở: Bảo toàn khối lượng ($G_{vào} = G_{ra}$) và bảo toàn năng lượng ($dq = du + d(pv) - v dp = di + \frac{d\omega^2}{2}$).
- Năm quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng:
- Quá trình đẳng tích ($v = \text{const}$): $\frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2}$; $w_{tt} = 0$; $q = \Delta u = c_v(T_2 - T_1)$; $\Delta s = c_v \ln\left(\frac{T_2}{T_1}\right)$.
- Quá trình đẳng áp ($p = \text{const}$): $\frac{v_1}{T_1} = \frac{v_2}{T_2}$; $w_{tt} = p(v_2 - v_1) = R(T_2 - T_1)$; $q = c_p(T_2 - T_1) = \Delta i$; $\Delta s = c_p \ln\left(\frac{T_2}{T_1}\right)$.
- Quá trình đẳng nhiệt ($T = \text{const}$): $p_1 v_1 = p_2 v_2$; $\Delta u = 0$; $q = w_{tt} = RT \ln\left(\frac{v_2}{v_1}\right) = RT \ln\left(\frac{p_1}{p_2}\right)$; $\Delta s = R \ln\left(\frac{v_2}{v_1}\right)$.
- Quá trình đoạn nhiệt ($q = 0, s = \text{const}$): Phương trình $p v^k = \text{const}$; quan hệ $\frac{T_2}{T_1} = \left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{\frac{k-1}{k}} = \left(\frac{v_1}{v_2}\right)^{k-1}$; $w_{tt} = -\Delta u = c_v(T_1 - T_2)$; $\Delta s = 0$.
- Quá trình đa biến ($p v^n = \text{const}$): Tổng quát hóa các quá trình với số mũ $n$; công $w = \frac{1}{n-1}(p_1 v_1 - p_2 v_2) = \frac{R}{n-1}(T_1 - T_2)$; nhiệt lượng $q = \Delta u + w$; $\Delta s = c_v \ln\left(\frac{T_2}{T_1}\right) + R \ln\left(\frac{v_2}{v_1}\right)$.
Chương 3: Định luật nhiệt động thứ II (8 giờ)
Chương 3 khảo sát chiều hướng diễn biến của các quá trình và đánh giá hiệu quả chuyển hóa năng lượng:
- Định luật nhiệt động II: Xác lập giới hạn biến đổi nhiệt thành công và điều kiện thực hiện các quá trình ngược chiều tự phát.
- Chu trình nhiệt động: Chu trình khép kín thuận chiều (động cơ nhiệt sinh công, hiệu suất nhiệt $\eta = \frac{W}{Q_1} = 1 - \frac{|Q_2|}{Q_1}$) và chu trình ngược chiều (bơm nhiệt với hệ số làm nóng $\phi = \frac{Q_1}{W}$, máy làm lạnh với hệ số làm lạnh $\epsilon = \frac{Q_2}{W}$).
- Chu trình Carnot thuận nghịch: Khảo sát chu trình gồm hai quá trình đẳng nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt xen kẽ.
Bảng tổng hợp đặc tính các quá trình nhiệt động của khí lý tưởng
| Quá trình | Điều kiện | Phương trình trạng thái | Công thay đổi thể tích ($w_{tt}$) | Nhiệt lượng trao đổi ($q$) | Biến thiên Entropy ($\Delta s$) |
|---|---|---|---|---|---|
| Đẳng tích | $v = \text{const}$ | $\frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2}$ | $0$ | $c_v(T_2 - T_1) = \Delta u$ | $c_v \ln\left(\frac{T_2}{T_1}\right)$ |
| Đẳng áp | $p = \text{const}$ | $\frac{v_1}{T_1} = \frac{v_2}{T_2}$ | $p(v_2 - v_1) = R(T_2 - T_1)$ | $c_p(T_2 - T_1) = \Delta i$ | $c_p \ln\left(\frac{T_2}{T_1}\right)$ |
| Đẳng nhiệt | $T = \text{const}$ | $p_1 v_1 = p_2 v_2$ | $RT \ln\left(\frac{v_2}{v_1}\right)$ | $w_{tt} = RT \ln\left(\frac{p_1}{p_2}\right)$ | $R \ln\left(\frac{v_2}{v_1}\right)$ |
| Đoạn nhiệt | $q = 0$ | $p v^k = \text{const}$ | $c_v(T_1 - T_2) = -\Delta u$ | $0$ | $0$ ($s = \text{const}$) |
| Đa biến | $c = \text{const}$ | $p v^n = \text{const}$ | $\frac{R}{n-1}(T_1 - T_2)$ | $\Delta u + w_{tt}$ | $c \ln\left(\frac{T_2}{T_1}\right)$ |
Kiến thức nền tảng được xây dựng
Giáo trình định hình hệ thống lý luận kỹ thuật dựa trên các nguyên lý nhiệt động học thực nghiệm:
- Hệ thống thông số và hàm trạng thái: Xây dựng quan hệ giữa các thông số cơ bản ($p, v, T$) và các hàm trạng thái ($u, i, s$), giúp xác định trạng thái nhiệt động của đơn chất và hỗn hợp khí lý tưởng.
- Nguyên lý bảo toàn và chuyển hóa năng lượng (Định luật I): Cung cấp phương pháp thiết lập phương trình cân bằng nhiệt và cân bằng công cho các thiết bị nhiệt tĩnh (bình chứa, lò hơi) và thiết bị dòng chảy liên tục (máy nén, tuabin, ống tăng tốc).
- Hệ thống đồ thị nhiệt động ($p-v$ và $T-s$): Rèn luyện phương pháp biểu diễn trực quan các quá trình; xác định công bằng diện tích dưới đường biểu diễn trên đồ thị công ($p-v$) và xác định nhiệt lượng trao đổi bằng diện tích trên đồ thị nhiệt ($T-s$).
Kỹ năng phát triển
- Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Tính toán chuyển đổi giữa các thang nhiệt độ ($^\circ\text{C}, \text{K}, ^\circ\text{F}, ^\circ\text{R}$) và các đơn vị áp suất ($\text{Pa}, \text{bar}, \text{at}, \text{mmHg}, \text{mmH}_2\text{O}, \text{psi}$); xác định thành phần thể tích, thành phần khối lượng, phân áp suất và hằng số chất khí của hỗn hợp khí đốt, khí khói lò hơi ($CO_2, CO, O_2, N_2, H_2$).
- Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích trạng thái làm việc của chất môi giới trong chu trình lạnh Freon qua van tiết lưu, thiết bị bốc hơi, máy nén và thiết bị ngưng tụ; đánh giá biến thiên năng lượng ($\Delta u, \Delta i, \Delta s$) trong các máy nhiệt.
- Năng lực thực tế (Practical competencies): Giải quyết các bài toán kỹ thuật như xác định nhiệt lượng cấp trong lò gia nhiệt, tính công tiêu thụ của máy nén khí nhiều cấp, tính toán thông số chân không bình ngưng tuabin hơi.
Phương pháp giảng dạy và học tập
Phương pháp tiếp cận sư phạm
Giáo trình áp dụng các phương pháp giảng dạy tích cực nhằm kết hợp giữa lý thuyết nhiệt động và bài toán kỹ thuật:
- Đối với giảng viên: Kết hợp thuyết trình ngắn, phương pháp nêu vấn đề (Problem-based learning), hướng dẫn tra cứu tài liệu chuyên ngành, phân chia nhóm học tập và tổ chức thảo luận theo chủ đề kỹ thuật.
- Đối với người học: Yêu cầu nghiên cứu bài học trước khi đến lớp; tham gia thảo luận nhóm (quy mô 8–10 học viên/nhóm), thực hiện bài tập tình huống và phân công thành viên phụ trách từng nội dung chuyên đề.
Bài tập và bài toán kỹ thuật thực tế
Hệ thống bài tập trong giáo trình (gồm 29 câu hỏi/bài tập ở Chương 1 và 15 bài tập tính toán định lượng ở Chương 2) phản ánh trực tiếp các tình huống kỹ thuật thực tế:
- Xác định áp suất tuyệt đối của bình ngưng tuabin hơi dựa trên chỉ số chân không kế và baromet.
- Tính toán nhiệt lượng đốt nóng không khí và sản phẩm cháy trong buồng đốt lò hơi.
- Tính công tiêu thụ và biến thiên entanpi khi nén đoạn nhiệt khí trong máy nén từ 1 at lên 8 at.
- Xác định các thông số trạng thái của khí methane ($CH_4$) và hỗn hợp khí trong xilanh piston.
Phương thức đánh giá và quy chuẩn học tập
Quy trình đánh giá kết quả học tập tuân thủ Quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy theo Thông tư số 09/2017/TT-LĐTBXH của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội:
Trọng số đánh giá môn học (CNH19MH10)
- Thang điểm: Điểm thành phần và điểm thi chấm theo thang điểm 10 (làm tròn đến 1 chữ số thập phân), tổng hợp theo trọng số rồi quy đổi sang thang điểm chữ và thang điểm 4 theo quy chế đào tạo tín chỉ.
- Điều kiện dự thi: Người học phải tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết (vắng quá 30% tổng thời lượng phải học lại môn học).
Điểm nổi bật và cập nhật
- Văn bản ban hành và tính chuẩn hóa: Giáo trình được phê duyệt chính thức theo Quyết định số 191/QĐ-CĐDK năm 2020 của Trường Cao đẳng Dầu khí, chuẩn hóa theo chương trình khung của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội cho các nhóm nghề vận hành và sửa chữa thiết bị chế biến, khai thác dầu khí và nhà máy nhiệt điện.
- Định hướng ứng dụng kỹ thuật thực tiễn: Giáo trình lược giản các chứng minh toán học thuần túy, chuyển trọng tâm sang việc sử dụng các công thức nhiệt động để giải quyết các bài toán vận hành thiết bị cơ sở (lò hơi, máy nén, bình trao đổi nhiệt, hệ thống làm lạnh Freon).
- Tích hợp dữ liệu và bảng tra cứu chuyên dụng: Cung cấp sẵn các bảng số liệu nhiệt động như Bảng 2.1 về Chỉ số đoạn nhiệt ($k$) và nhiệt dung riêng của khí lý tưởng ($\mu c_v, \mu c_p$ cho khí 1 nguyên tử, 2 nguyên tử và nhiều nguyên tử), giúp sinh viên tra cứu trực tiếp khi giải bài tập mà không cần tài liệu bổ trợ phức tạp.
- Kết nối trực tiếp với chuỗi mô đun chuyên ngành: Kiến thức từ giáo trình đóng vai trò điều kiện tiên quyết cho các mô đun kỹ thuật tiếp theo trong chương trình đào tạo:
- CNH19MĐ16: Vận hành thiết bị tách dầu khí (45 giờ).
- CNH19MĐ18 & CNH19MĐ19: Vận hành máy thuỷ khí I & II (250 giờ).
- CNH19MĐ20: Vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt (75 giờ).
- CNH19MĐ22: Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô (145 giờ).
Đối tượng sử dụng giáo trình
- Sinh viên và học viên:
- Học sinh, sinh viên hệ Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề thuộc các chuyên ngành: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khai thác dầu khí, Khoan khai thác dầu khí, Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí, Sửa chữa thiết bị khai thác dầu khí, Sửa chữa bơm quạt máy nén và Vận hành nhà máy nhiệt điện.
- Yêu cầu kiến thức tiên quyết: Đã hoàn thành học phần nhiệt học trong chương trình Vật lý phổ thông; nắm vững các phép tính vi phân, tích phân cơ bản và kỹ năng đọc bản vẽ kỹ thuật.
- Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm đề cương và tài liệu giảng dạy chuẩn cho môn học Nhiệt kỹ thuật (30 giờ lý thuyết trên lớp kết hợp hướng dẫn bài tập tình huống); làm căn cứ xây dựng ngân hàng câu hỏi kiểm tra thường xuyên, định kỳ và đề thi kết thúc môn.
- Kỹ thuật viên và cán bộ kỹ thuật: Dùng làm tài liệu tra cứu các công thức tính toán cân bằng nhiệt, công suất nén, áp suất làm việc và hệ số làm lạnh trong quá trình vận hành thiết bị nhiệt tại các nhà máy lọc hóa dầu, xưởng chế biến khí và nhà máy nhiệt điện.
Câu hỏi thường gặp
1. Giáo trình này được thiết kế dành riêng cho đối tượng nào?
Giáo trình là tài liệu bắt buộc dành cho học viên và sinh viên các hệ Cao đẳng nghề, Trung cấp nghề thuộc nhóm ngành Dầu khí và Năng lượng của Trường Cao đẳng Dầu khí (như Vận hành thiết bị chế biến/khai thác dầu khí, Sửa chữa thiết bị dầu khí, Vận hành nhà máy nhiệt điện).
2. Người học cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học?
Người học cần nắm vững kiến thức phần Nhiệt trong môn Vật lý bậc Trung học phổ thông, bao gồm các khái niệm cơ bản về nhiệt độ, nhiệt lượng, sự chuyển thể của các chất và phương trình trạng thái khí cơ bản.
3. Giáo trình có điểm gì khác biệt so với các tài liệu lý thuyết nhiệt động lực học thông thường?
Giáo trình không đi sâu vào lý thuyết hàn lâm phức tạp mà tập trung trực tiếp vào các công thức tính toán kỹ thuật, biểu diễn quá trình trên đồ thị công ($p-v$) và đồ thị nhiệt ($T-s$), gắn liền với các thiết bị công nghiệp cụ thể như lò hơi, máy nén khí, tuabin và chu trình làm lạnh.
4. Quy trình tự học và hoàn thành môn học được quy định như thế nào?
Sinh viên cần đọc trước nội dung từng chương, tham gia tối thiểu 70% thời lượng bài giảng trên lớp, thành lập nhóm 8–10 người để giải quyết các chủ đề thảo luận và bài tập tình huống, tham gia đầy đủ các bài kiểm tra định kỳ sau 10 giờ, 21 giờ và 30 giờ học.
5. Giáo trình đề xuất những tài liệu tham khảo bổ trợ nào?
Người học có thể tham khảo thêm 3 giáo trình chuyên ngành đã được liệt kê trong đề cương môn học:
- Cơ sở kỹ thuật nhiệt – PGS.TS Phạm Lê Dần, GS.TSKH Đặng Quốc Phú (NXB Khoa học và kỹ thuật).
- Nhiệt kỹ thuật – TS. Bùi Hải, PGS.TS Trần Thế Sơn (NXB Khoa học và kỹ thuật).
- Nhiệt kỹ thuật – Phạm Hữu Tân; Hiệu đính: PGS. Trần Hồng Hà (NXB Hàng Hải).
Kết luận
Giáo trình Nhiệt kỹ thuật (CNH19MH10) của Trường Cao đẳng Dầu khí đóng vai trò kết nối kiến thức khoa học tự nhiên cơ bản với các kỹ năng vận hành công nghệ chuyên sâu trong ngành chế biến và khai thác dầu khí.
Lộ trình học tập đề xuất:
- Hoàn thành khối kiến thức khoa học cơ bản và kỹ thuật cơ sở (Vẽ kỹ thuật
CK19MH01, Điện kỹ thuậtKTĐ19MĐ06). - Học tập môn Nhiệt kỹ thuật (
CNH19MH10) để nắm vững thông số trạng thái, phương trình khí lý tưởng, định luật I, định luật II và 5 quá trình nhiệt động cơ bản. - Chuyển tiếp sang các mô đun chuyên ngành vận hành thiết bị nhiệt: Vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt (
CNH19MĐ20), Vận hành máy thủy khí (CNH19MĐ18,CNH19MĐ19) và Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô (CNH19MĐ22).
Tài liệu là một phần trong hệ thống giáo trình lưu hành nội bộ phục vụ đào tạo kỹ thuật viên tại Trường Cao đẳng Dầu khí, được khuyến nghị sử dụng đồng thời với các tài liệu tham khảo chuyên ngành nhiệt của Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật và Nhà xuất bản Hàng Hải.