Bài giảng kỹ thuật nhiệt chương 2c tính chất của vật chất (properties of substances)

1 Chapter#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 bi[.]

Chapter#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 (ideal 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

Một 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

Thuộc 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

Tiên 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

(kJ), 2

(kJ),

2

mgz mv mu me

PE KE U E

+ +

=

+ +

=

) / ( 2

2

kg kJ gz

v u pe ke u

Enthalpy – 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

Chất 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

N 2

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

Cấu 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

v

1 2

5

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.

 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

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, Tsatis

100oC Conversely, at a temperature of

100oC, Psatis 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

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;

v sat,l and v sat,gwill be the same and

we speak of P crit , T crt , and v crit