Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Bài: Tính chất của vật chất (Properties of Substances)

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