1Chapter#2 Tính chất
của vật chất
(Properties of
Substances)
Mục đích của chương
Làm quen với một số khái niệm về tính chất của vật chất, chất tinh khiết.
Làm quen với các dạng năng lượng và sự biến đổi năng lượng của hệ.
Nghiên cứu sự biến đổi pha của chất tinh khiết (phase-change).
Nghiên cứu các đồ thị P-v, T-v, P-T, và P-v-T của chất tinh khiết.
Nghiên cứu các bảng để tra cứu thông số của các chất tinh khiết.
Làm quen với các chất được giả định là KHÍ LÝ TƯỞNG (idea
25 trang |
Chia sẻ: Tài Huệ | Ngày: 19/02/2024 | Lượt xem: 110 | Lượt tải: 0
Tóm tắt tài liệu Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Bài: Tính chất của vật chất (Properties of Substances), để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
l gas) và
phương trình trạng thái của khí lý tưởng và áp dụng giải quyết các bài toán.
Nghiên cứu về khí thực (real gases) và so sánh sự khác nhau với khí lý
tưởng. Làm quen với phương trình trạng thái của một số khí thực.
Nhiệt dung riêng, nhiệt lượng và cách tính nhiệt lượng trao đổi.
2Một số định nghĩa
- Thuộc tính (property)
Để mô tả một hệ thống và dự đoán ứng xử của nó, cần kiến thức về các
thuộc tính của nó và mối quan hệ giữa chúng
Thuộc tính của một hệ thống là các đặc tính vĩ mô của nó.
Một số thuộc tính phổ biến là: áp suất (pressure-P), nhiệt độ (temperature-
T), thể tích (volume-V) và khối lượng (G) hoặc (mass-m).
Các thuộc tính 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 thuộc tính là độc lập. Mật độ hay khối lượng riêng
(density-ρ) là thuộc tính độc lập với áp suất và nhiệt độ. Mật độ và thể tích
riêng (specific volume-v) nghịch đảo nhau.
3Thuộc tính mở rộng (extensive properties)
Thuộc tính là các thông số không phụ thuộc
vào quy mô của hệ thống, ví dụ: nhiệt độ, áp
suất, khối lượng riêng.
Thuộc tính mở rộng là các thông số đặc trựng
cho quy mô của hệ thống, thường được ký
hiệu bằng chữ in hoa ví dụ: thể tích (V), năng
lượng toàn phần (E).
Cường tính (properties)
Thuộc tính mở rộng/quảng tính (extensive properties)
Chất đồng nhất và pha
Chất đồng nhất:
Có thành phần hóa học đồng nhất.
Có cấu trúc vật lý đồng nhất.
Ví dụ: Không khí, nước ở trạng thái lỏng.
Nước (H2O) đồng nhất về hóa học nhưng có thể thay đổi cấu trúc vật lý:
Khi làm lạnh, nước chuyển thành thể rắn (ice/solid).
Khi đun nóng, nước chuyển thành hơi (vapor).
Các trạng thái lỏng (liquid), rắn (solid), hơi (vapor) của nước gọi là pha
(phase).
Các quá trình nhiệt động, môi chất có thể chỉ tồn tại ở một pha đồng nhất:
Ví dụ, khí cháy trong động cơ đốt trong, không khí trong máy nén khí.
Môi chất cũng có thể biến đổi pha trong các thiết bị:
Ví dụ, nước và hơi nước trong chu trình nhà máy nhiệt điện; ga lạnh biến đổi
giữa dạng lỏng và dạng hơi trong các máy điều hòa không khí.
4Tiên 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 Tiên 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.
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)
Hoặc viết cho một đơn vị khối lượng:
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.
(kJ),
2
(kJ),
2
mgzmvmume
PEKEUE
++=
++=
)/(
2
2
kgkJgzvupekeue ++=++=
5Enthalpy – Một thông số trạng thái kết hợp
Khi nghiên cứu một số quá trình liên quan đến năng lượng và làm lạnh,
thường gặp sự kết hợp giữa internal energy U, và tích pressure-volume PV.
Người ta gọi nó là ENTHALPY.
Là đơn vị năng lượng:
Viết cho hệ bấy kỳ:
= +
Viết cho hệ gồm 1kg môi chất:
ℎ = +
Trước 1930, h thường được gọi là heat content or total heat.
Sau 1930, được gọi là enthalpy (theo tiếng Hy Lạp, enthalpien nghĩa là
heat)
Sự chuyển pha, đồ thị pha, tính
chất của chất tinh khiết
6Chất tinh khiết
Hóa học định nghĩa đơn chất và hợp chất.
Nhiệt động học coi chất tinh khiết (pure
substance) là chất có thành phần hóa học đồng
nhất.
Ví dụ
Water, nitrogen, helium, and carbon dioxide, for
example, are all pure substances.
A mixture of water liquid and water vapor, for
example, is a pure substance because both
phases have the same chemical composition.
N2
Air
Water
vapor
Water
liquid
Pure substance
Các pha của chất tinh khiết (nước)
Vật chất có thể biến đổi giữa các pha (rắn, lỏng, khí).
Các pha khác nhau có sắp xếp phân tử khác nhau.
Các pha phân tách với nhau bởi các bề mặt phân cách.
liquid
Solid
vapor
7Cấu trúc phân tử các pha
Đặc điểm chuyển động phân tử?
- Solid;
- Liquid;
- Vapor (Gas).
Biến đổi pha Nước-Hơi
Điều gì xảy ra khi cấp nhiệt cho môi chất ở thể lỏng (nước) với áp suất
không đổi?
Piston cylinder
device –
maintains
constant
pressure
Liquid Water
8T
v
1
2
5
3 4
Quá trình hóa
hơi (chuyển
pha) trên đồ thị
T-v
Phase Change Processes on a T-v diagram
Consider a piston-cylinder device with water
inside at 20oC and 1 atm pressure .
At this P and T, water is called compressed
(or subcooled) liquid state.
Compressed liquid means that it is not about
to vaporize.
The system is heated and the piston is allowed
to float and thus the pressure will be constant.
T and v will increase until the system reaches
100 C at which any addition of heat will cause
some of the liquid to vaporize
The temperature at which a pure substance
changes phase is called the saturation
temperature, Tsat.
At Tsat, Liquid and vapor phases are in
equilibrium.
A liquid that is about
to vaporize is called
Saturated Liquid.
9 Adding more heat will cause
boiling to start. Liquid gradually
evaporates (state 3) but
temperature will remain constant,
Why?
The only change is the increase in
the specific volume (v) until it
reaches state 4 (saturated vapor).
Heating the system further, will
increase both the temperature and
specific volume (state 5). This
single-phase state is called
“Superheated vapor”
Repeat this experiment for higher
pressures.
Similar curves will be obtained but
at higher sat. temperature.
Note that the sat. liquid specific
volume (vsat,l ) will increase while
the sat. vapor specific volume
(vsat,g ) will decrease
A substance between
saturated liquid (state 2) and
saturated vapor (state 4) is
called saturated liquid-vapor
mixture.
A vapor that is about to
condense is called
Saturated vapor.
Nhiệt độ và áp suất bão hòa (Saturation
Temperature and Pressure)
Water at a pressure of 101.325 kPa, Tsat is
100oC. Conversely, at a temperature of
100oC, Psat is 101.325 kPa.
Nhiệt ẩn (Latent heat): ngưng tụ, hóa hơi
(fusion and vaporization).
The magnitude of the latent heats depend
on the temperature or pressure at which
the phase change occur.
10
Saturation Temperature and Pressure
At a given pressure, the temperature at which a
pure substance changes phase is called the
saturation temperature. Likewise the pressure.
Điểm tới hạn (Critical Point)
Điểm tới hạn: Trạng thái lỏng bão
hòa (saturated liquid) và hơi bão hòa
(saturated vapor) không phân biệt.
At the critical pressure, there will be
no distinct phase change process.
Instead, the specific volume of the
substance will continually increase
and at all times there will be only
one phase present.
Các trạng thái lỏng bão hòa tạo
thành đường saturated liquid line.
Các trạng thái hơi bão hòa nối với
nhau tạo thành đường saturated
vapor line.
Hai đường trên cắt nhau tại đỉnh là
Critical Point. Đồ thị pha được chia
3 vùng:
Vùng lỏng;
Vùng hỗn hợp lỏng-hơi bão hòa;
Vùng hơi quá nhiệt.
vsat,l and vsat,g will be the same and
we speak of Pcrit, Tcrt, and vcrit.
11
Độ khô – Trạng thái của môi chất trên đồ thị pha
Vùng nằm giữa đường lỏng bão hòa và
đường hơi bão hòa luôn tồn tại một
phần môi chất ở trạng thái lỏng bão hòa
và một phần hơi bão hòa.
Tỷ lệ giữa phần hơi trên tổng lượng
môi chất được gọi là ĐỘ KHÔ
(x=0÷1):
=
ơ
ỗ ợ
Đường saturated liquid có x=0 (còn gọi
là đường giới hạn dưới);
Đường saturated vapor có x=1 (còn gọi
là đường giới hạn trên).
Phân biệt các vùng trạng thái:
- Lỏng;
- Lỏng bão hòa;
- Hơi bão hòa ẩm (hỗn hợp);
- Hơi bão hòa khô;
- Hơi quá nhiệt.
Biến đổi pha trên P-v diagram
Decrease P gradually but
keep T constant.
Water boils at Psat
The pressure at which a
pure substance changes
phase is called the
saturation pressure Psat.
At Psat, Liquid and vapor
phases are in equilibrium.
From State 2 to 4, no
weights are removed
(P=constant) and T is kept
constant but heating
causes liquid to vaporize.
1
2 3 4
5
12
P-v diagrams with Solid Phase
Đồ thị P – v với vật chất co lại khi
đông đặc
P – v với vật chất giãn khi đông
đặc (nước)
Điểm ba thể - Triple point
Under some conditions all three
phases of substance coexist in
equilibrium at states along the
triple line.
The states on the triple line of
substance have the same pressure
and temperature but different v.
The triple line appears as a point
on the P-T diagram.
The triple point of water occurs
at T= 0.01 C and P=0.6113 Kpa
13
Property Diagrams
P-T diagram
(or Phase diagram)
The P-T diagram is often called
phase diagram since all three
phases are separated by three lines,
namely the sublimation line
(between solid and vapor regions),
the vaporization line (between
liquid and vapor regions), and the
melting line (between solid and
liquid).
P-v-T surfaces
P
T
T
v
P
v
viewTop
14
Nhận xét
Một số môi chất, khi thực hiện các quá trình nhiệt động trong các thiết bị,
xảy ra biến đổi pha, chủ yếu giữa hai pha LIQUID và VAPOR. Ví dụ tiêu
biểu là NƯỚI và HƠI NƯỚC trong các chu trình nhà máy nhiệt điện; môi
chất lạnh (REFRIGERANT) trong các hệ thống làm lạnh, điều hòa không
khí
Quá trình đặc trưng cho việc biến đổi pha là BAY HƠI và NGƯNG TỤ.
BAY HƠI, NGƯNG TỤ thường xảy ra ở áp suất nhất định và là quá trình
vừa đẳng áp vừa đẳng nhiệt.
Việc nghiên cứu các môi chất biến đổi pha có thể sử dụng các đồ thị như ở
trên.
Người ta cũng lập ra các bảng tra cứu các thông số của môi chất ở các trạng
thái đặc trưng như phần sau đây.
Bảng nhiệt động - Thermodynamics Tables
Quan hệ giữa các thông số của môi chất có biến đổi pha khá phức tạp nên
không thuận lợi khi sử dụng các công thức. Người ta xây dựng các bảng tra
cứu.
Trong vùng đơn pha (vùng
lỏng, vùng hơi quá nhiệt), cần
2 thông số bất kỳ để xác định
trạng thái.
Trong vùng hỗn hợp, P và T
phụ thuộc lẫn nhau, nên cần 2
thông số độc lập bất kỳ để
xác định trạng thái.
Các bảng tra cứu xem tài liệu:
Appendix Tables
15
Bảng nước và hơi nước bão hòa- Saturated
Liquid and Saturated Vapor States Table A-4
Saturated liquid-vapor
mixture nằm dưới đường giới
hạn trên các đồ thị P-v (or T-
v).
Tra cứu thông số từ các bảng:
Water Tables A-4 and A-5
(theo T và theo P – vì trong
vùng bão hòa 2 thông số này
phụ thuộc nhau)
P
=
c
o
n
st
.
Saturated Liquid and Saturated Vapor States
Table A-5
Bảng Table A-5: Nước và hơi
nước bão hòa theo áp suất.
Enthalpy của quá trình bay hơi
– Nhiệt ẩn (latent heat): là
lượng nhiệt cần cung cấp để
làm một đơn vị chất ở trạng
thái lỏng bão hòa biến hết
thành hơi ở áp suất nào đó.
16
Example 2-1:
Saturated Liquid and Saturated Vapor
Một két chứa 50 kg of nước bão hòa ở 90oC. Hãy xác định áp suất của
nước trong két và thể tích của két. (Table A-4)
Example 2-2:
Saturated Liquid and Saturated Vapor
Một két chứa 2m3 hơi bão hòa ở áp suất 2bar. Hãy xác định nhiệt độ của
hơi và khối lượng hơi trong két. (Table A-5)
Example 2-3:
Saturated Liquid and Saturated Vapor
200 g nước ở trạng thái bão hòa được cấp nhiệt để hóa hơi hoàn toàn ở áp
suất không đổi là 100kPa. Hãy xác định sự thay đổi thể tích của hệ thống
và lượng nhiệt cần thiết cung cấp.
Trạng thái của môi chất vùng hỗn hợp
Vùng hỗn hợp (saturated liquid-vapor)
luôn tồn tại môi chất ở hai pha (đang
sôi).
Quan hệ giữa các thông số trạng thái
như thể tích riêng (v), nội năng (u),
enthalpy (h) theo quan hệ sau:
= 1 −
+
.
Trong đó:
- y là một trong các thông số v, u, h;
- x là độ khô;
- yl , yh là các thông số của phần lỏng và
phần hơi.
17
Độ khô
Derivation:
Hỗn hợp lỏng-hơi bão hòa (vùng đang sôi)
total
g
gf
g
m
m
mm
m
x =
+
≡
υfυ gυgf υυυ <<
Gas
mg vg
Liquid
mf vf
fgfg
fgf
fgf
gf
ggfg
ggff
gf
vvvwhere
xvvv
vvxvv
xvvxv
vmvmm
vmvmmv
VVV
−=
+=
−+=
+−=∴
+−=
+=
+=
)(
)1(
)(
Average Properties
Trong vùng bão hòa, thông số của hỗn hợp được xác định như sau:
Trong đó:
f (hoặc l) là ký hiệu phần lỏng, g (hoặc h) là phần hơi;
= −
y y x y y
y x y
f g f
f fg
= + −
= +
( )
18
X = 0 X = 1
Example 2- 4:
Saturated Liquid-vapor mixture (continued)
Một bình kín chứa 10kg nước ở 90oC. Nếu 8 kg ở thể lỏng và phần còn lại
ở thể hơi:
(a) xác định áp suất trong bình;
(b) xác định thể tích bình.
(Answers: 70.14 kPa, 4.73 m3)
19
Example 2-5:
Saturated Liquid-vapor mixture (continued)
An 80-L vessel contains 4 kg of refrigerant 134a at a pressure of 160 kPa.
Determine a) the temperature of the refrigerant, b) the quality, c) the
enthalpy of the refrigerant, and d) the volume occupied by the vapor phase.
(Answers: -15.62oC, 0.158, 62.7 kJ/kg, 0.0777 m3)
Hơi quá nhiệt: Table A-6
Trong vùng phía bên phải đồ thị pha, môi chất là hơi quá nhiệt (single
phase).
P
vvvg
T=const.
20
Superheated Vapor
P
=c
on
st
.
vvvg
T=const.
P
Psat
P
Lỏng chưa sôi (Compressed liquid): Table A-7
Vùng phía bên phải môi chất tổn tại ở thể lỏng.
21
Compressed Liquid
P
=c
on
st
.
Giả thiết gần đúng
Trong vùng lỏng, thể tích riêng của môi chất coi như không đổi ở các áp suất khác
nhau (chất lỏng không chịu nén – incompressible substance).
Khi thay đổi nhiệt độ thì thể tích riêng của môi chất lỏng thay đổi.
Tfyy @≅
264
T
vv vf
P
=
5
M
p
a
.
80
Approximate value
Precise value
Acceptable
22
Phép nội suy (sử dụng khi tra bảng)
A B
100 5
200 10
130 y
510
5
100200
100130
−
−
=
−
− y
Linear Interpolation (Continued)
Now
T Psat
X1= 140 y1= 0.3615
X = 143 y = ?
X2= 145 y2= 0.4154
Psat 0.3615
143 140−
145 140−
0.4154 0.3615−( )⋅+:=
Psat 0.394= kPa
)( 12
12
1
1 yy
xx
xx
yy −×
−
−
+=
1 1
2 1 2 1
y y x x
y y x x
− −
=
− −
23
Example 2-7
Superheated Vapor
Determine the temperature of water at a state of P = 0.5 MPa and h = 2890
kJ/kg.
(Answers: 216.4 oC)
Example on Compressed Liquid
Example 2-8:
Determine the internal energy of
compressed liquid water at 80oC
and 5 MPa using (a) data from the
compressed liquid table and (b)
saturated liquid data. What is the
error involved in the second case?
(Answers: 333.72 kJ/kg, 334.86
kJ/kg, 0.34%)
80
99263.
80
24
Tra bảng nước-hơi nước
Example 2-9:
Determine the missing properties and the phase descriptions in the
following table for water.
Trạng thái tham khảo – Thông số tham khảo
Reference State and Reference Values
Các đại lượng u, h, s không đo được mà phải tính toán tự các thông số đo
được theo các quan hệ nhiệt động học. Khi đó, hầu như chỉ xác định được
sự thay đổi của các thống số trên.
Để thuận lợi, người ta quy ước lấy trạng thái nước bão hòa (nước sôi) ở
nhiệt độ 0.01oC làm trạng thái tham khảo. Ở trạng thái này, nội năng (u) và
entropy của nước có giá trị bằng 0.
Với refrigerant 134a, trạng thái lỏng bão hòa ở -40oC là trạng thái tham
khảo.
Khi nghiên cứu, chúng ta chỉ quan tâm đến sự thay đổi của các thông số. Vì
vậy, việc chọn trạng thái tham khảo (mốc) không ảnh hưởng đến kết quả
nghiên cứu.
25
Ghi nhớ
Hiểu được sự thay đổi pha của chất thuần khiết (nước) và bản chất của môi
chất (nước lỏng, lỏng bão hòa, hơi ẩm, hơi bão hòa khô, hơi quá nhiệt) trên
đồ thị pha;
Biết cách tra các đồ thị của nước, hơi nước (tương tự đối với các môi chất
có biến đổi pha khác (môi chất lạnh như R22, R134a, ).
Áp dụng để làm các bài tập.
X = 0 X = 1
Các file đính kèm theo tài liệu này:
bai_giang_ky_thuat_nhiet_bai_tinh_chat_cua_vat_chat_properti.pdf