tổng hợp các bài tiểu luận từ trang 111 164

1a Trạng thái Bão hòa chất lỏng và Bảo hòa hơi nước Các đặc tính của bão hòa chất lỏng và bão hòa dạng hơi đối với nước được liệt kê trong Bảng A-4 và A-5.. 1b Bão hòa lỏng-hơi hỗn hợp

CHƯƠNG 3

CÁC ĐẶT TÍNH CỦA CHẤT TINH KHIẾT.

Chúng tôi bắt đầu chương này với việc giới thiệu các khái niệm của một vật lý của quá trình thay đổi pha Chúng tôi sau đó minh hoạ chất tinh khiết và một cuộc thảo luận của các cô đặc các sơ đồ tài sản khác nhau và PVT bề mặt của các chất tinh khiết Sau khi chứng minh việc

sử dụng của tài sản bàn, chất giả thuyết khí lý tưởng và lý tưởng khí phương trình trạng thái được thảo luận Các yếu tố nén, chiếm độ lệch của khí thật lý tưởng-ga hành vi, được giới thiệu, và một số các phương trình nổi tiếng nhất của nhà nước như van der Waals, Beattie-Bridgeman, và Benedict-Webb-Rubin phương trình trình bày

Mục tiêu Các mục tiêu của chương 3 là:

• Giới thiệu các khái niệm của một chất tinh khiết

• Thảo luận về vật lý của quá trình thay đổi pha

• Minh họa sơ đồ tài sản Pv, Tv, và PT và PVT bề mặt của các chất tinh khiết

• Thể hiện các thủ tục để xác định tính chất nhiệt của các chất tinh khiết từ các bảng dữ liệu tài sản

• Mô tả các chất giả thuyết "khí lý tưởng" và cácphương trình lý tưởng-khí của nhà nước

• Áp dụng các phương trình lý tưởng-khí của nhà nước trong việc giải quyết các vấn đề điển hình

• Giới thiệu các yếu tố nén, chiếm các độ lệch của khí thực từ hành vi lý tưởng-gas

• Hiện nay một số của các phương trình nổi tiếng nhất của nhà nước

3-1 CHẤT NGUYÊN CHẤT

Một chất có thành phần hóa học cố định trong suốt được gọi là tinh khiết chất Nước, nitơ, helium, và carbon dioxide, ví dụ, là tất cả các chất tinh khiết Một chất tinh khiết không phải

là của một nguyên tố hóa đơn hoặc hợp chất, tuy nhiên Một hỗn hợp của các yếu tố hóa học

và các hợp chất khác nhau cũng đủ điều kiện như là một chất tinh khiết miễn là hỗn hợp đồngnhất Air, ví dụ, là một hỗn hợp của nhiều chất khí, nhưng nó thường được coi là một chất tinh khiết bởi vì nó có một chất hóa học đồng phục thành phần (Hình 3-1) Tuy nhiên, một hỗn hợp của dầu và nước không phải là chất tinh khiết Vì dầu là không hòa tan trong nước,

nó sẽ thu thập trên đầu trang của các nước, tạo thành hai khu vực khác nhau về mặt hóa học Hỗn hợp A của hai hay nhiều giai đoạn của một chất tinh khiết vẫn là một chất tinh khiếtmiễn là các thành phần hóa học của tất cả các giai đoạn là giống nhau (Hình 3-2) Một hỗn hợp của đá và nước lỏng, ví dụ, là một chất tinh khiết vì cả hai giai đoạn có các thành phần

Số trang: 111-113

hóa học tương tự Một hỗn hợp của không khí lỏng và không khí, khí, tuy nhiên, không phải

là chất tinh khiết từ các thành phần của không khí hóa lỏng là khác nhau từ các thành phần của không khí, khí, và do đó hỗn hợp không còn đồng nhất về mặt hóa học Điều này là

do các thành phần khác nhau trong không khí ngưng tụ ở nhiệt độ khác nhau tại một áp lực nhất định

3-2 GIAI ĐOẠN CỦA MỘT CHẤT NGUYÊN CHẤT

Chúng ta đều biết từ kinh nghiệm rằng những chất tồn tại trong các giai đoạn khác

nhau Tại nhiệt độ phòng và áp suất, đồng là chất rắn, thủy ngân là một chất lỏng, và nitơ là một chất khí Dưới những điều kiện khác nhau, mỗi có thể xuất hiện trong một khác

nhau pha Mặc dù có ba giai đoạn chính-rắn, lỏng và khí-một chất có thể có một vài giai đoạntrong một giai đoạn chính, mỗi với một cấu trúc phân tử khác nhau Carbon, ví dụ, có thể tồn tại nhưthan chì hoặc kim cương trong chất rắn Helium có hai pha lỏng; sắt có ba giai đoạn rắn Ice có thể tồn tại bảy giai đoạn khác nhau ở áp suất cao Một giai đoạn được xác định là

có một sự sắp xếp phân tử riêng biệt mà là đồng nhất trong suốt và tách biệt nhau bởi các bề mặt ranh giới dễ nhận biết Hai giai đoạn của H2O trong nước đá đại diện cho một ví dụ tốt

về điều này Khi nghiên cứu giai đoạn hoặc pha của nhiệt động lực học, người ta không cần phải quan tâm đến cấu trúc phân tử và hành vi khác nhau giai đoạn Tuy nhiên, nó rất hữu ích

để có một số hiểu biết về các hiện tượng phân tử liên quan trong từng giai đoạn, và một cuộc thảo luận ngắn gọn về giai đoạn chuyển đổi sau Trái phiếu giữa các phân tử là mạnh nhất trong các chất rắn và yếu nhất trong các chất khí Một lý do là những phân tử trong chất rắn được đóng gói chặt chẽ với nhau, trong khi đó các loại khí chúng được ngăn cách bởi khoảng cách tương đối lớn Các phân tử trong chất rắn được sắp xếp trong một mô hình ba chiều (mạng) được lặp đi lặp lại trong suốt (Hình 3-3) Bởi vì khoảng cách nhỏ giữa các phân tử trong chất rắn, các lực hấp dẫn của các phân tử trên mỗi khác là rất lớn và giữ các phân tử ở

vị trí cố định (Hình 3-4) Lưu ý rằng lực hút giữa các phân tử chuyển sang lực đẩy là khoảng cách giữa các phân tử tiếp cận zero, do đó ngăn ngừa các phân tử từ chất đống trên đầu trang của mỗi khác Mặc dù các phân tử trong một chất rắn không thể di chuyển tương đối với nhau, họ liên tục dao động vềvị trí cân bằng của họ Vận tốc của các phân tử trong những daođộng phụ thuộc vào nhiệt độ Ở nhiệt độ đủ cao, các vận tốc (và do đó đà) của các phân tử có thể đạt đến một điểm nơi mà các lực lượng giữa các phân tử được khắc phục một phần và nhóm của các phân tử phá vỡ đi (Hình 3-5).Đây là sự khởi đầu của quá trình nóng

chảy Khoảng cách giữa các phân tử trong pha lỏng là không có nhiều khác biệt so với các pha rắn, trừ các phân tử không còn ở vị trí cố định tương đối với nhau và họ có thể xoay và dịch tự do Trong một chất lỏng, các lực giữa các yếu hơn so với các chất rắn, nhưng vẫn còn tương đối mạnh so với các loại khí Khoảng cách giữa các phân tử thường trải qua một sự gia tăng nhẹ như một chất rắn hóa lỏng, với nước là một đáng chú ý là ngoại lệ Trong giai đoạn khí, các phân tử ở xa nhau từ mỗi khác, và một trật tự phân tử là không tồn tại Các phân tử khí chuyển về một cách ngẫu nhiên, liên tục va chạm với nhau và các bức tường của các container họ đang ở Riêng ở mật độ thấp, các lực lượng giữa các phân tử rất nhỏ, và va chạm

là chế độ duy nhất của sự tương tác giữa các phân tử Các phân tử trong pha khí đang ở mức năng lượng cao hơn đáng kể hơn so với họ là trong pha lỏng hoặc rắn Do đó, các khí phải phát hành một số lượng lớn của năng lượng trước khi nó có thể ngưng tụ hoặc đóng băng

3-3 TIẾN TRÌNH GIAI ĐOẠN THAY ĐỔI CHẤT TINH KHIẾT

Có rất nhiều tình huống thực tế mà hai giai đoạn của một chất tinh khiết cùng tồn tại trong trạng thái cân bằng Nước tồn tại như là một hỗn hợp của chất lỏng và hơi trong nồi hơi và bình ngưng của một nhà máy điện hơi nước Các chất làm lạnh chuyển từ dạng lỏng thành hơi trong tủ đông lạnh của tủ lạnh Mặc dù nhiều nhà chủ sở hữu xem xét sự đóng băng của nước trong ống ngầm là nhất

113)…quá trình pha thay đổi, chú ý, trong phần ta nàytập trung vào dạng hơi ẩm và hỗn hợp của chúng Rấtquen thuộc, nước được sử dụng để chứng minh cácnguyên tắc cơ bản có liên quan Tuy nhiên, hãy nhớ rằng,tất cả các chất tinh khiết đều có tính đồng nhất như nhau.

Trạng thái lỏng chưa sôi và lỏng sôi

Khảo sát một thiết bị piston xi-lanh có chứa nướclỏng ở 20° C và áp suất 1 atm (trạng thái 1, hình 3-6).Dưới những điều kiện này, nước tồn tại ở dạng lỏng và

nó được gọi là trạng thái lỏng chưa sôi, hoặc một chất lỏng quá lạnh, điều đó nghĩa là nó không thể bốc hơi.

Sau đó nhiệt được cấp thêm vào nước cho đến khi nhiệt

độ của nó tăng lên đến 400C Khi nhiệt độ tăng lên, thểtích nước cũng tăng theo một lượng nhỏ và do đó khốilượng của nó tăng lên Sự giãn nở này làm piston dichuyển lên trên Áp suất trong xi lanh vẫn không đổi ởmức 1 atm trong quá trình này vì nó phụ thuộc vào ápsuất không khí bên ngoài và trọng lượng của piston, cảhai đều là hằng số Nước vẫn là một chất lỏng nén tạigiai đoạn này và chưa bắt đầu bốc hơi

Tiếp tục cung cấp nhiệt cho đến khi nó đạt đến100°C (giai đoạn 2, hình 3-7) Tại thời điểm này nướcvẫn là một chất lỏng, nhưng bất kỳ sự gia tăng thêmnhiệt nào cũng sẽ là nguyên nhân gây ra sự bốc hơi.Đây là một giai đoạn chuẩn bị cho quá trình thay đổi từdạng lỏng thành hơi Một chất lỏng bốc hơi được gọi là

lỏng sôi Do đó, giai đoạn 2 là một giai đoạn lỏng sôi.

Số trang: 114-116

Nhiệt

Giai đoạn 1

Hình 3-8 Khi gia nhi t nhi u h n, ệ ề ơ

m t ph n ch t l ng b c h i ộ ầ ấ ỏ ố ơ

Nhiệt

Trạng thái hơi bão hòa khô và hơi quá nhiệt

Khi chất lỏng bắt đầu sôi, nhiệt độ ngừng tăng lên cho đến khi chất lỏng đượchoàn toàn bốc hơi Nghĩa là, nhiệt độ sẽ giữ nguyên trong suốt quá trình thay đổi phanếu áp suất được không đổi Điều này có thể dễ dàng được xác định bằng cách đặt mộtnhiệt kế vào nước tinh khiết đun sôi trên bếp Ở mực nước biển (P= 1 atm), nhiệt kế sẽluôn luôn chỉ 100 °C (nếu bình đun không được che đậy hoặc che đậy bằng bằng mộtnắp rất nhẹ) Trong một quá trình đun sôi, sự thay đổi duy nhất chúng ta sẽ quan sát là

sự gia tăng lớn trong khối lượng và một giảm đều đặn trong các mức chất lỏng, đó làkết quả của một lượng chất lỏng đã bị bốc hơi

Giai đoạn giữa của quá trình bốc hơi (giai đoạn, hình 3-8), các xi lanh chứamột lượng chất lỏng và hơi bằng nhau Khi chúng ta tiếp tục truyển nhiệt,quá trình bayhơi tiếp tục cho đến giọt lỏng cuối cùng biến thành hơi (giai đoạn 4, hình 3-9) Tạithời điểm này, toàn bộ xi lanh được làm đầy với hơi Bất kỳ sự tổn thất nhiệt nào củahơi nước lúc này sẽ làm hơi ngưng tụ lại (giai đoạn thay đổi từ thể hơi sang thể lỏng)

Hơi nước ngưng tụ được gọi là hơi bão hòa Do đó, giai đoạn 4 là một trạng thái hơi bão hòa Một chất ở trạng thái giữa 2 và 4 được gọi là hơi bão hòa ẩm và hơi

cùng tồn tại trong trạng thái cân bằng tại giai đoạn này

Một khi quá trình thay đổi pha được hoàn thành, chúng ta trở lại với vùng giaiđoạn đơn (lúc bốc hơi) và kết quả của việc gia tăng nhiệt độ là sự gia tăng cả về nhiệt

độ và thể tích (Hình 3-10).Tại giai đoạn 5, nhiệt độ của hơi là 300 °C; và nếu chúng

ta chuyển một số nhiệt từ hơi, nhiệt độ có thể giảm xuống một chút nhưng quá trìnhngưng tụ sẽ không diễn ra và miễn là nhiệt độ vẫn trên 100 ° C (cho P=1 atm) Mộtloại hơi mà không ngưng tụ (tức là, không phải là hơi bão hòa khô) được gọi là hơiquá nhiệt Do đó, nước ở trạng thái 5 là một hơi quá nhiệt Quá trình thay đổi phakhông đổi áp lực này được minh họa trên một sơ đồ T-v trong hình 3-11

Nếu toàn bộ quá trình được mô tả ở đây là đảo

ngược bằng cách làm nguội trong khi nước duy trì áp

lực tại các giá trị như nhau, nước sẽ trở về giai đoạn 1

cùng một cách thức, và khi làm như vậy, lượng nhiệt

phát ra sẽ chính xác bằng với lượng nhiệt bổ sung

trong suốt quá trình làm nóng

Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, khi

nói tới nước tức là nước lỏng và hơi nước là nói đến

nước ở thể hơi Tuy nhiên, trong nhiệt động lực học,

cả hai nước và hơi nước chỉ là một thứ duy nhất: H2O

Nhiệt độ bão hòa và độ bão hòa áp suất

Một điều hoàn toàn bình thường đối với chúng ta

đó là, nước bắt đầu sôi ở 100 ° C Nhưng thật sư, việc

khẳng định "nước sôi ở 100 ° C" là không chính xác

Khẳng định chính xác phải là "nước sôi ở 100 ° C ở áp

suất 1 atm." Lý do duy nhất khiến nước bắt đầu sôi ở

100 ° C là vì nước có tổ chức hằng số áp lực 1 atm

(101,325 kPa) Nếu áp suất bên trong xi lanh đã được

nâng lên 500kPa bằng cách thêm trọng lượng trên đầu

trang của các piston, nước sẽ bắt đầu sôi ở151,8 ° C

Điều này có nghĩa là nhiệt độ mà tại đó nước bắt đầu sôi

phụ thuộc vào áp suất; Vì vậy,

nếu áp suất được cố định, thì gọi

là nhiệt độ sôi

Tại một áp suất cho trước,

nhiệt độ mà tại đó làm chuyển

pha của một chất tinh khiết được

gọi là nhiệt độ bão hòa Tsat

Tương tự như vậy, ở một nhiệt

Nhiệt

Giai đoạn 4

Hình 3-9 áp su t 1atm, nhi t đ ở ấ ệ ộ

v n gi 100 ẫ ữ ở 0 C cho t i khi ch t ớ ấ

l ng b c h i h t ỏ ố ơ ế

Giai đoạn 5

Hình 3-10 Ti p t c cung c p nhi t, ế ụ ấ ệ nhi t đ h i n ệ ộ ơ ướ c b t đ u tăng ( quá ắ ầ nhi t) ệ

Nhiệt

độ nhất định, áp suất mà tại đó làm chuyển pha của một chất tinh khiết được gọi là ápsuất bão hòa Psat Ở áp suất 101,325 kPa, Tsat là 99,97 ° C.Ngược lại, ở nhiệt độ 99,97 °

C, Psat là 101,325 kPa (Tại 100.00 °C, Psat là 101,42 kPa trong ITS-90 đã nói đến ởChương 1)

Bảng bão hòa là danh sách áp suất bão hòa tỉ lệ nghịch với nhiệt độ (hoặc nhiệt

độ bão hòa nghịch lại với áp lực) thì đúng cho tất cả các chất thông thường Đối vớinước, các thông số được cho trong bảng 3-1 Bảng này chỉ ra rằng áp lực trong quátrình nước thay đổi pha (đun sôi hoặc ngưng tụ) ở 25 ° C phải là 3.17 kPa, và áp lựccủa nước phải được duy trì ở mức 3976 kPa (khoảng 40 atm) để nước sôi ở 250 ° C.Ngoài ra, nước có thể được làm lạnh bằng cách hạ áp lực của nó dưới 0,61 kPa

Phải mất một lượng lớn năng lượng để làm tan chảy một chất rắn hoặc làm bốchơi một chất lỏng Các lượng năng lượng hấp thụ hoặc phát ra trong một quá trìnhthay đổi pha là gọi là nhiệt ẩn Cụ thể hơn, lượng năng lượng hấp thụ trong quá trìnhnóng chảy gọi là nhiệt ẩn của phản ứng tổng hợp và tương đương với lượng nănglượng giải phóng trong quá trình đóng băng Tương tự như vậy, lượng năng lượng hấpthụ trong quá trình bay hơi được gọi là nhiệt ẩn của sự bay hơi và tương đương vớinăng lượng giải phóng trong quá trình ngưng tụ Độ lớn của sự nóng tiềm ẩn phụthuộc vào nhiệt độ hoặc áp suất mà tại đó sự chuyển pha xảy ra Tại áp suất1 atm,nhiệt ẩn của sự hợp nhất của nước là 333,7kJ / kg và nhiệt ẩn của sự bay hơi là 2256,5

kJ / kg

Trong suốt quá trình thay đổi pha, áp suất và nhiệt độ là rõ ràng tính phụ thuộc,

và có một mối liên hệ chặc chẽ với nhau, đó là,Tsat = f (Psat) Một mặt khác của Tsat đốivới Psat, một ví dụ với nước trong hình 3-12, được gọi là một đường cong bão hòalỏng-hơi Đường cong này là đặc trưng của tất cả các chất tinh khiết

Chúng ta có thể thấy rõ từ hình 3-12 rằng Tsat tăng cùng với Psat Như vậy, mộtchất ở áp suất cao hơn sẽ sôi ở nhiệt độ cao hơn Ví dụ, trong nhà bếp, nếu nhiệt độsôi cao hơn nghĩa là thời gian nấu ngắn hơn và tiết kiệm năng lượng Với món thịt bòhầm, có thể mất 1-2 h để nấu ăn trong một chảo thông thường ở áp suất 1 atm, nhưng

chỉ có 20 phút trong một nồi áp suất hoạt động ở 3 atm (nhiệt độ sôi tương ứng:134°C).

Với ảnh hưởng của áp suất khí quyển, nhiệt độ sôi của nước giảm dần theo độcao Do đó, phải mất nhiều thời gian để nấu ăn ở độ cao cao hơn so với mực nướcbiển (trừ khi chúng ta sử dụng nồi áp suất) Ví dụ, áp suất khí quyển chuẩn ở độ cao

2000 m là 79.50kPa, tương ứng với nhiệt độ sôi của nước là 93,3 ° C, mà không phải

là 100 ° C khi ở mực nước biển (độ cao bằng 0) Sự biến thiên của nhiệt độ sôi nướcvới độ cao ở điều kiện khí quyển chuẩn được đưa ra trong Bảng 3-2 Mỗi khi 1.000 m

so với mực nước, nhiệt độ …(trang117)

Họ và tên: (không có thông tin)

Số trang: 117-119

Đã xảy ra Phía trên quan trọng, không có đường phân cách

Khu vực lỏng nén và vùng hơi quá nhiệt Tuy nhiên, nó là

phong tục để tham khảo các chất như quá nhiệt hơi ở nhiệtđộ

cao hơn nhiệt độ quan trọng và như chất lỏng nén ở nhiệt độ

dưới nhiệt độ tới hạn.

Các trạng thái lỏng bão hòa trong hình 3-16 có thể được nối với nhau bằ ng một dây chuyền gọi Dòng bão hòa chất lỏng, và tiểu bang hơi bão hòa ở cùng một con số có thể được nối với nhau bằng một dòng khác, gọi là đường hơi bão hòa hai

đường gặp nhau tại các thời điểm quan trọng, tạo thành một mái vòm như hình 3-18 Toàn bộ các trạng thái lỏng nén được đặt tại khu vực bên trái của sự bão hòa

đánh giá dòng chất lỏng, được gọi là khu vực lỏng nén Tất cả các quá nhiệt trạng thái hơi được đặt ở bên phải của dòng hơi bão hòa, được gọi là

quá nhiệt vùng hơi Trong hai khu vực này, các chất tồn tại trong một

giai đoạn duy nhất, một chất lỏng hoặc hơi nước.

Sơ đồ, nhưng T = dòng lien tục trên sơ đồ này có một xu hướng xuống phường, như đượ chiển thị

Trong hình 3-19 Hãy xem xét lại một thiết bị piston xi-lanh có chứa nước lỏng ở

1MPa và 150 ° C Nước ở trạng thái này tồn tại như một chất lỏng nén Bây giờ trọng lượng trên đầu trang của các piston được loại bỏ từng cái một để áp lực bent rong xi lanh giảm dần (Hình 3-20) Các nước được phép

nhiệt trao đổi với môi trường xung quanh nên nhiệt độ của nó vẫn không đổi.

áp lực giảm, khối lượng của nước tăng nhẹ Khi

áp suất đạt đến giá trị bão hòa áp suất ở nhiệt độ quy định

(0,4762MPa), nước bắt đầu sôi Trong quá trình bay hơi này,

cả nhiệt độ và áp suất không thay đổi, nhưng nguyện cụ thể

tăng Một khi giọt cuối cùng của chất lỏng bay hơi, tiếp tục giảm

kết quả áp lực trong việc tăng them về khối lượng cụ thể Chú ý rằng trong suốt quá trình thay đổi pha, chúng tôi đã không loại bỏ bấ kỳ trọng lượng Làm như vậy sẽ gây áp lực và do đó nhiệt độ giảm xuống [từ T = f (pasr)], và các

quá trình sẽ không còn là đẳng nhiệt Khi quá trình này được lặp lại cho khác nhiệt độ, đường dẫn tương tự là

thu được cho các quá trình thay đổi pha Kết nối lỏng bão hòa

và các nước hơi bão hòa bởi một đường cong, chúng ta có được sơ đồ P-v củamộtchất tinh khiết, như thể hiện trong hình 3-19

Mở rộng sơ đồ để Bao gồm

Giai đoạn rắn

Hai sơ đồ trạng thái cân bằng được phát triển cho đến nay đại diện cho trạng thái cân bằng

bang liên quan đến chất lỏng và pha hơi chỉ Tuy nhiên, các dia-gram dễ dàng

có thể được mở rộng để bao gồm các pha rắn cũng như các

rắn-lỏng và các vùng bão hòa rắn hơi Các nguyên tắc cơ bản dis-rủa kết hợp với quá trình thay đổi pha lỏng-hơi áp dụng

như nhau đối với các chất rắn và quá trình thay đổi pha rắn hơi Phần lớn

hợp đồng chất trong một kiên cố (ví dụ, đông lạnh) quá trình Khác,

như nước, mở rộng khi họ đóng băng P-vdiagrams cho cả hai nhóm tiểu Stances được đưa ra trong Figs 3-21 và 3-22 Hai sơ đồ chỉ khác nhau

độ bão hòa khu vực rắn-lỏng Các biểu đồ T-v trông rất giống

Sơ đồ Pv, đặc biệt là cho các chất đó hợp đồng đóng băng.

Thực tế là nước mở rộng khi đóng băng có những hậu quả quan trọng trong Thiên nhiên Nếu nước ký hợp đồng về đóng băng như hầu hết các chất khác làm, băng

hình thành sẽ nặng hơn so với các nước ở dạng lỏng, và nó sẽ lắng xuống

đáy sông, hồ, và đại dương thay vì ở trên cùng Của mặt trời

Độ bão hòa khu rắn lỏng Các biểu đồ T-v trông rất giống Sơ đồ P-v , đặc biệt là chocác chất đó đóng băng lại Thực tế là nước mở rộng khi đóng băng, có những hậu quảquan trọng trong thiên nhiên Nếu nước co lại khi đóng băng như hầu hết các chấtkhác, băng hình thành sẽ nặng hơn so với nước ở dạng lỏng, và nó sẽ lắng xuống đáysông, hồ, và đáy đại dương thay vì ở trên Các tia sáng mặt trời sẽ không bao giờ tiếpcận những lớp băng và dưới đáy của nhiều con sông, hồ, đại dương và có lúc sẽ đượcbao phủ trong băng, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến cuộc sống biển, chúng ta đềuquen thuộc với hai giai đoạn ở trạng thái cân bằng , nhưng theo một số điều kiện thìtất cả ba giai đoạn của một chất tinh khiết cùng tồn tại trong trạng thái cân bằng ( hình 3-23 )

Số trang: 122-124

Thể lỏng

Hình 3 – 21: Đồ thị P – v của một chất tinh khiết co lại trong băng lạnh

Thể rắn + thể lỏng Thể rắn

Thể rắn + thể hơi Đường ba

Thể lỏng + thể hơi

Thể hơi Điểm tới hạn

Trên sơ đồ P-v và T-v , những trạng thái ba pha tạo thành một

dòng gọi là dòng ba Các trạng thái trên dòng ba của một chất có

cùng áp lực và nhiệt độ nhưng khối lượng cụ thể khác nhau

Dòng ba xuất hiện như là một điểm trên sơ đồ PT và do đó

thường được gọi là điểm ba, nhiệt độ điểm ba và áp lực của các

chất khác nhau được cho trong bảng 3.3 Đối với

nước, nhiệt độ triple-point và áp suất là 0,01 ° C và

0,6117 kPa tương ứng Đó là, tất cả ba giai đoạn của

cùng tồn tại nước ở trạng thái cân bằng nếu như nhiệt

độ và áp suất chính xác những giá trị này Không có

chất nào có thể tồn tại trong giai đoạn lỏng ở ổn định trạng thái cân bằng với áp suất

dưới áp lực triple-point Điều tương tự cũng có thể nói cho nhiệt độ cho chất đóng

băng co lại

Tuy nhiên, các chất ở áp suất cao có thể tồn tại dạng pha lỏng ở nhiệt độ thấp

hơn nhiệt độ của điểm ba Ví dụ, nước không thể tồn tại ở dạng lỏng trong trạng thái

cân bằng tại áp suất khí quyển và ở nhiệt độ dưới 0oC, nhưng nó có thể tồn tại nhưmột chất lỏng ở-20oC tại áp suất 200MPa Ngoài ra, băng tồn tại bảy pha rắn khácnhau ở áp suất trên 100MPa.

Có hai cách để một chất có thể chuyển từ pha rắn thành pha hơi: hoặc đầu tiên nótan chảy thành chất lỏng và sau đó bay hơi, hoặc nó bay hơi trực tiếp mà không tanchảy đầu tiên Sau này xảy ra tại áp suất thấp hơn giá trị điểm ba, kể từ khi một chấttinh khiết không thể tồn tại dạng pha lỏng ở những áp lực đó (Hình 3-24) Đi trực tiếp

từ pha rắn vào giai đoạn bay hơi được gọi làthăng hoa Đối với các chất rằng có một áp lựcđiểm ba bên trên áp suất khí quyển như CO2rắn (đá khô), thăng hoa là cách duy nhất đểthay đổi từ rắn để pha hơi ở điều kiện khíquyển

3 SƠ ĐỒ P-T Hình 3-25 cho thấy sơ đồ PT của một chất tinhkhiết Sơ đồ này là thường được gọi là biểu đồ pha vì cả ba giai đoạn được tách ra từ nhau bởi ba dòng Các dòng thăng hoa tách rắn

và vùng hơi, các đường bay hơi tách các vùng lỏng và hơi, và các nóng chảy (hoặc nhiệt hạch) dòng chia tách các vùng rắn và lỏng, ba đường gặp nhau tại điểm ba, nơi

mà tất cả ba giai đoạn cùng tồn tại trong trạng thái cân bằng Dòng bay hơi kết thúc tạiđiểm quan trọng bởi vì không có sự phân biệt có thể thực hiện giữa giai đoạn lỏng và hơi trên điểm quan trọng Các chất làm mở rộng và đóng băng co lại chỉ khác nhau trong dòng nóng chảy trên sơ đồ P-T

Thể rắn Thể hơi

Hình 3-24: Ở áp suất thấp (giá

trị dưới điểm ba), chất rắn bay

hơi đầu tiên (thăng hoa)

Hình 3-25 Sơ đồ P-T của các chất tinh khiết

Số trang:125-127

Fig 3-27 P-V-T bề mặt của 1 vật chịu nén giãn nở trong băng

Trạng thái của 1 khối chất chịu nén đơn giản là sự kết hợp cảu 2 phần riêng biệt có thuộc tính mạnh Một trong 2 thuộc tính thích hợp được kết hợp với nhau, tất cả các thuộc tính còn lại trở nên phụ thuộc lẫn nhau Ghi nhớ 1 vài phương trình với 2 giá trị độc lập trong công thức z=z(x, y) biểu diễn 1 bề mặt trong không gian, chúng ta có thể biểu diễn trạng thái P- V-T của vật chịu nén như 1 bề mặt trong không gian và đc trình bày ở Figs 3-26, 3-27.

Chương 3 125

P-V-T bề mặt của 1 vật chịu nén…trong sự đông đặc

Đc xem như là những giá trị độc lập và P như 1 giá trị phụ thuộc.

độc lập biến (cơ sở) và P như là phụ thuộc vào biến (chiều cao).

Tất cả các điểm trên bề mặt đại diện cho pha cân bằng Tất cả pha dọc theo

đường dẫn của một quasi-cân bằng quá trình nằm trên bề mặt v pham kể từ đó một

quá trình phải đi qua kỳ cân bằng Các khu vực một pha

xuất hiện dưới dạng các bề mặt cong trên mặt v Pham, và các vùng hai pha

như bề mặt vuông góc với mặt phẳng P-T Đây dự kiến kể từ khi các hình chiếu của các khu vực 2 pha trên mặt phẳng P-T là dòng.

Tất cả các sơ đồ hai chiều, chúng tôi đã thảo luận cho đến nay là chỉ đơn thuần là dự của bề mặt này ba chiều vào những chiếc mặt phẳng thích hợp P v

Sơ đồ là chỉ là một hình chiếu của bề mặt v Pham trên chiếc mặt phẳng P-v, và T v

Sơ đồ là gì khác hơn là xem mắt của bề mặt này P-v-T

bề mặt trình bày rất nhiều thông tin cùng một lúc, nhưng ở một nhiệt

phân tích nó là thuận tiện hơn để làm việc với sơ đồ hai chiều, như vậy

như sơ đồ pham và T-v.

3-5 ■BẢNG THUỘC TÍNH

Đối với hầu hết chất, các mối quan hệ giữa các tính chất nhiệt là

quá phức tạp để được thể hiện bởi phương trình đơn giản Vì vậy, tài sản là

thường xuyên biểu diễn bằng dạng bảng Một số thuộc tính nhiệt

có thể đo được một cách dễ dàng, nhưng những người khác không thể và được tính toán bằng cách sử dụng các

quan hệ giữa họ và đo lường tính chất Kết quả của các phép đo và tính toán được trình bày trong bảng trong một định dạng thuận tiện Ở

Các cuộc thảo luận sau, hơi nước bảng được sử dụng để chứng minh việc sử dụng

thuộc tính nhiệt bảng Thuộc tính bảng của các chất khác được sử dụng

trong cách tương tự.

Cho mỗi chất, các tính chất nhiệt được liệt kê trong hơn

một bảng Trong thực tế, một bảng riêng biệt chuẩn bị cho mỗi khu vực quan tâm

chẳng hạn như thì hơi, chất lỏng nén và bão hòa (hỗn hợp)

khu vực Thuộc tính bảng được đưa ra trong phụ lục cả SI và tiếng Anh

đơn vị Các bảng trong tiếng Anh đơn vị thực hiện số lượng các bảng tương ứng trong SI, theo sau là một định danh E Bảng A-6 và chiếc A-6E cho

Ví dụ, danh sách tài sản thì hơi nước, trước đây trong SI và các

sau này trong các đơn vị Anh Trước khi chúng tôi nhận được vào các cuộc thảo luận bảng thuộc tính, chúng tôi xác định một tài sản mới được gọi là enthalpy.

Enthalpy — một tài sản kết hợp

Một người nhìn vào các bảng sẽ thông báo hai mới tính: enthalpy

s h và dữ liệu ngẫu nhiên các dữ liệu ngẫu nhiên là một tài sản gắn liền với định luật hai

nhiệt động lực học, và chúng tôi sẽ không sử dụng nó cho đến khi nó đúng định nghĩa trong Chap.

7 Tuy nhiên, nó là thích hợp để giới thiệu enthalpy tại thời điểm này.

Trong phân tích của một số loại quy trình, đặc biệt là trong máy phát điện và điện lạnh (hình 3-28), chúng tôi thường xuyên gặp phải sự kết hợp

thuộc tính u Pv Vì lợi ích của sự đơn giản và thuận tiện, sự kết hợp này được định nghĩa là một tài sản mới, enthalpy, và h: biểu tượng

h u Pv¬¬1kJ > kg2 (3-1).

Nhiệt động học

Hình 3-29: Áp suất x khối lượng => đơn vị

Hoặc,

H=U+PV (kJ)

Entanpy (hàm trạng thái nhiệt động của hệ) tổng (H) và entanpy chính

xác (h) đơn giản đều thể hiện nhiệt động tùy theo trường hợp lưu ý rằng

những phương trình nêu trên là đồng nhất điều đó có nghĩa là, đơn vị

của áp suất – khối lượng của vật có thể khác với đơn vị của nội năng bởi

chỉ một yếu tố (Hình 3-29) Ví dụ,ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng 1 kPa •

m3 = 1 kJ Trong nhiều trường hợp thực tế, nội năng u có thể không được

liệt kê ra, nhưng nó có thể được suy ra từ phương trình u=h-Pv.

ứng dụng phổ biến nhất đặc tính entanpy là do Giáo sư Richard Mollier,

người đã nhận ra tầm quan trọng của tổng u+Pv trong việc phân tích

tua-bin hơi nước và những đặc tính của hơi nước dưới dạng bảng hoặc đồ

họa (như trong Biểu đồ Mollier) Mollier gọi tổng u+Pv là nhiệt hàm và

hàm lượng nhiệt Những thuật ngữ này tương đối phù hợp với các thuật

ngữ của nhiệt động lực học hiện đại và được thay thế bởi thuật ngữ

entanpy trong những năm 1930 (xuất phát từ tiếng Hy Lạp enthalpien có

nghĩa là sức nóng).

1a Trạng thái Bão hòa chất lỏng và Bảo hòa hơi nước

Các đặc tính của bão hòa chất lỏng và bão hòa dạng hơi đối với nước

được liệt kê trong Bảng A-4 và A-5 Hai Bảng này cho ta những thông tin

giống nhau Điều khác biệt duy nhất là Bảng A-4 tính bằng đơn vị nhiệt độ

còn Bảng A-5 tính bằng đơn vị áp suất Vì thế, ta sẽ dùng Bảng A-4 khi

nhiệt độ được cho sẵn và dùng Bảng A-5 khi áp suất được cho sẵn.Việc sử

dụng Bảng A-4 được minh họa trong Hình 3-30.

Chỉ số dưới f được dùng để biểu thị các đặc tính của một chất lỏng bị bão

hòa, và chỉ số dưới G được dùng để biểu thị các đặc tính của bão hòa

dạng hơi Những kí hiệu này được sử dụng phổ biến trong nhiệt động lực

học và có nguồn gốc từ tiếng Đức Một chỉ số khác cũng được sử dụng

phổ biến là fg, dùng để biể thị sự khách nhau giữa những giá trị của trạng

thái bão hòa ở dạng lỏng và bão hòa ở dạng hơi của cùng một chất Ví dụ:

Vf= khối lượng ở trạng thái bão hòa lỏng

Vg= khối lượng ở trạng thái bão hòa lỏng

Vfg= chênh lệnh giữa Vf và Vg (Vfg= Vf - Vg)

hfg được gọi là nhiệt bay hơi (hoặc nhiệt ẩn bay hơi) Nó đại diện cho

lượng năng lượng cần thiết để làm bốc hơi một đơn vị khối lượng chất

lỏng bão hoà ở một nhiệt độ hoặc áp suất nhất định Nó sẽ giảmkhi nhiệt

độ hoặc áp suất tăng lên và =0 tại điểm tới hạn.

Chương 3

Hình 3-30: Trích Bảng A-4

Ví dụ 3-1 Áp lực bão hòa chất lỏng trong một xe tăng

Một chiếc xe tăng cứng chứa 50 kg của nước lỏng bão hòa ở 90 ° C xác định

áp suất trong bình và khối lượng của bể

Giải pháp Một bể chứa nước cứng nhắc lỏng bão hòa Áp suất và khối lượng của xe tăng sẽ được xác định

Phân tích trạng thái của nước lỏng bão hòa được thể hiện

trên sơ đồ Tv trong hình 3-31 Vì điều kiện bão hòa có

Ví dụ 3-2 Nhiệt độ bão hòa hơi trong một xi lanh

Một thiết bị piston xi-lanh có chứa 2 ft3 bão hòa hơi nước ở 50-psia

áp lực Xác định nhiệt độ và khối lượng của hơi nước bên trong

xi lanh

Giải pháp Một xi lanh chứa hơi nước bão hòa Nhiệt độ và

khối lượng của hơi nước phải được xác định

Phân tích trạng thái của hơi nước bão hòa được thể hiện trên sơ đồ Pv

trong hình 3-32 Kể từ khi xi lanh chứa hơi bão hòa ở 50 psia, các

nhiệt độ bên trong phải có nhiệt độ bão hòa ở áp suất này:

T = Tsat @ 50 psia = 280.99°F¬

Thể tích riêng của hơi nước bão hoà ở 50 psia là

v = vg @ 50 psia = 8.5175 ft3 >lbm

Số trang: 128-130

Sau đó, khối lượng của hơi nước bên trong xi lanh trở thành

m = V/ v =( 2 ft3 )/(8.5175 ft3 / lbm )= 0.235 lbm

Ví dụ 3-3 Khối lượng và năng lượng trong quá trình bay hơi đổi

Một khối lượng 200 g của nước lỏng bão hòa hoàn toàn bốc hơi tại một hằng số

áp lực của 100 kPa Xác định (a) sự thay đổi khối lượng và (b)

các

Lượng năng lượng chuyển giao cho các nước

Giải pháp bão hòa nước thể lỏng bay hơi ở áp suất không đổi

khối lượng

thay đổi và năng lượng chuyển chưa được xác định

Phân tích (a) Quá trình mô tả được minh họa trên một sơ đồ Pv

trong hình 3-33

Sự thay đổi khối lượng mỗi đơn vị khối lượng trong quá trình

bay hơi là một VFG, mà là sự khác biệt giữa VG và vf

(b) Mức năng lượng cần thiết để làm bốc hơi một đơn vị khối lượng của một chất ở

áp suất là nhiệt bay hơi ở áp suất đó, mà là hfg?

2257,5 kJ / kg nước ở 100 kPa Như vậy, lượng năng lượng được chuyển giaomhfg = (0.2 kg)(2257.5 kJ>kg) = 451.5 kJ

Thảo luận Lưu ý rằng chúng tôi đã xem xét bốn chữ số thập phân đầu tiên của VFG

và bỏ qua phần còn lại Điều này là bởi vì vg có số lượng đáng kể cho

bốn chữ số thập phân đầu tiên chỉ, và chúng tôi không biết những con số trong khácchữ số thập phân Sao chép tất cả các chữ số từ các máy tính có nghĩa là

chúng ta giả định vg = 1.694100, mà không nhất thiết phải là trường hợp Nó có thểrất tốt có thể được vg = 1.694138 kể từ khi con số này, quá, sẽ cắt ngắn để

1,6941 Tất cả các chữ số trong kết quả của chúng tôi (1,6931) là rất lớn Nhưng nếu chúng ta đã làm

không cắt ngắn kết quả, chúng ta sẽ có được VFG= 1.693057, mà sai

ngụ ý rằng kết quả của chúng tôi là chính xác đến chữ số thập phân thứ sáu

1b Bão hòa lỏng-hơi hỗn hợp

Trong một quá trình bay hơi, một chất tồn tại như một phần chất lỏng và một phầnhơi Nghĩa là, nó là một hỗn hợp của chất lỏng bão hòa và hơi bão hòa

(Hình 3-34) Để phân tích hỗn hợp này đúng, chúng ta cần phải biết tỷ lệ

của pha lỏng và hơi trong hỗn hợp Điều này được thực hiện bằng cách xác địnhmột thuộc tính mới gọi là chất lượng x là tỉ lệ giữa khối lượng của hơi nước để tổng khối lượng của hỗn hợp:

x = mhơi nước /mtoàn bộ

tại

mtoàn bộ = mchất lỏng + m hơi nước = mf + mg

Chất lượng có ý nghĩa cho chỉ hỗn hợp bão hòa Nó không có ý

nghĩa trong chất lỏng nén hoặc quá nhiệt vùng hơi Giá trị của nó là

giữa 0 và 1 Chất lượng của một hệ thống bao gồm các chất lỏng

bão hòa là 0 (hoặc 0 phần trăm), và chất lượng của một hệ thống bao gồm hơi bão hòa

là 1 (hoặc 100 phần trăm) Trong hỗn hợp bão hòa, chất lượng có thể phục vụ như là một trong hai tính chất thâm độc lập cần thiết để mô tả một trạng thái Lưu ý tính chất của các chất lỏng bão hòa là như nhau cho dù nó tồn tại một mình hoặc trong một hỗn hợp với hơi bão hòa Trong quá trình bay hơi, chỉ có lượng thay đổi chất lỏng bão hòa,không phải thuộc tính của nó Điều tương tự cũng có thể nói khoảng một hơi bão hòa.Một hỗn hợp bão hòa có thể được coi như là một sự kết hợp của hai hệ thống con:chất lỏng bão hòa và hơi bão hòa Tuy nhiên, số lượng đại chúng

cho mỗi giai đoạn thường không được biết đến Do đó, nó thường là

thuận tiện hơn

để tưởng tượng rằng hai giai đoạn được trộn đều, tạo thành một đồng nhất

hỗn hợp (Hình 3-35) Sau đó, các thuộc tính của "hỗn hợp" này sẽ chỉ đơn giản là được

các tài sản trung bình của hỗn hợp lỏng-hơi bão hòa được xem xét

Dưới đây là làm thế nào nó được thực hiện

Hãy xem xét một bể có chứa một hỗn hợp lỏng-hơi bão hòa khối lượng

chiếm bởi chất lỏng bão hòa là VF

Và thể tích chiếm bởi bão hòa

Hơi này VG Tổng khối lượng V là tổng của hai:

Chia cho sản lượng mt

Các phân tích ở trên có thể được lặp đi lặp lại cho năng lượng nội bộ và enthalpyvới kết quả như sau:

trong đó y là v, u, hoặc h "trung bình" (cho "trung bình") thường được giảm

cho đơn giản Các giá trị của các tài sản trung bình của hỗn hợp là

luôn luôn giữa các giá trị của chất lỏng bão hòa và hơi bão hòa

tài sản ( 3-37) Đó là,

yf ≤yavg yg

Cuối cùng, tất cả các bang hỗn hợp bão hòa được đặt dưới sự bão hòa

đường cong, và để phân tích hỗn hợp bão hòa, tất cả chúng ta cần phải được bão hòa chất lỏng

và dữ liệu hơi bão hòa (Bảng A-4 và A-5 trong trường hợp nước)

Trích từ Thermodynamics An Engineering Approach

Ví dụ 3-4 Áp suất và thể tích của một hỗn hợp bão

hòa

Một chiếc thùng/bể cứng chứa 10 kg nước ở 900C Nếu 8

kg nước ở dạng lỏngvà phần còn lại ở dạng hơi, xác định

(a) áp suất trong bể và (b) thể tích của bể.

Số trang: 131-133

Giải pháp một bể cứng chứa hỗn hợp bão hòa Áp suất và thể tích của bể được xác định.

Phân tích (a) điều kiện của hỗn hợp lỏng – hơi bão hòa được thể hiện ở hình

3-38 Kể từ khi hai pha/giai đoạn cùng tồn tại ở sự cân bằng, chúng ta có hỗn hợp bão hòa, và áp suất phải có áp lực bão hòa ở nhiệt độ nhất định:

Thảo luận Phương pháp đầu tiên xuất hiện dễ dàng hơn trong trường hợp này

vì khối lượng của mỗi giai đoạn được đưa ra Tuy nhiên, trong hầu hết trường hợp, khối lượng mỗi gia đoạn thì không có sẵn, và phương pháp thứ hai trở nên thích hợp hơn.

Ví dụ 3-5 Đặc tính của hỗn hợp lỏng - hơi bão hòa

Một thùng chứa 80 – L chứa 4 kg chất làm lạnh – 134a ở áp suất của 160 kPa Xác định (a) nhiệt độ, (b) tính chất, (c) enthalpy của chất làm lạnh, và (d) khối lượng chiếm giữ bởi các giai đoạn hơi.

Giải pháp một thùng chứa đầy chất làm lạnh – 134a một số tính chất của chất làm lạnh được xác định.

Phân tích điều kiện của hỗn hợp lỏng – hơi bão hòa

được thể hiện trong hình 3-39 Tại thời điểm này chúng

ta không biết có chăng chất làm lạnh là trong chất lỏng

nén, chất hơi nhiều nhiệt, hay khu vực hỗn hợp bão

hòa Điều này có thể được xác định bằng cách so sánh

một đặc tính phù hợp với các giá trị chất lỏng bão hòa

và chất hơi bão hòa Từ thông tin đưa ra, chúng ta có

V < < V V

và, các chất làm lạnh thì ở khu vực hỗn hợp bão hòa Do

đó, nhiệt độ phải đạt được nhiệt độ bão hòa ở áp suất cụ thể:

(Bảng A – 12)

Thể tích còn lại (2,5L) bị chiếm giữ bởi chất lỏng.

Bảng đặc tính cũng có sẵn cho các hỗn hợp chất rắn - hơi bão hòa Các tính chất của hỗn hợp hơi nước đá bão hòa, ví dụ, được liệt ke ở Bảng A – 8 Hỗn hợp chất rắn – hơi bão hòa có thể được xử lí chỉ như là hỗn hợp lỏng – hơi bão hòa.

2 Khí siêu nhiệt/quá nhiệt

Tại khu vực bên phải của dòng hơi bão hòa và ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ điểm quan trọng, một chất tồn tại như khí siêu nhiệt Kể từ khi khu vực siêu nhiệt là một khu vực nhất pha (chỉ có pha hơi), nhiệt độ và áp suất không phụ thuộc

nhiều vào tính chất và nó có thể thuận lợi được dùng

như hai tính chất độc lập trong bảng Định dạng của các

bảng khí siêu nhiệt được minh họa trong hình 3 – 40.

Trong những bảng đó, đặc tính được liệt kê ngược lại

nhiệt độ cho áp suất được lựa chọn ban đầu với các dữ

liệu hơi bão hòa Nhiệt độ bão hòa được đưa ra trong

dấu ngoặc đơn sau giá trị áp suất.

So sánh với hơi bão hòa, khí siêu nhiệt được đặc trưng

bởi

Các áp suất thấp hơn (P < PSAT tại T cho trước)

Các nhiệt độ cao hơn (T > TSAT tại P cho trước)

Thể tích cụ thể cao hơn (v > vg tại P hay T cho trước)

Năng lượng nội bộ cao hơn (u > ug tại P hay T cho trước)

Enthalpies cao hơn (h >hg tại P hay T cho trước)

Ví dụ 3 – 6 Năng lượng nội bộ của khí siêu nhiệt

Xác định năng lượng của nước ở 20 psia và 400oF

Giải pháp năng lượng nội bộ của nước ở điều kiện nhất định được xác định.

Phân tích ở 20 psia, nhiệt độ bão hòa là 227.92oF Kể từ T > TSAT, nước nằm trong khu vực khí siêu nhiệt.

Sau đó năng lượng nội bộ ở nhiệt độ cho trước và áp suất

được xác định từ bảng khí siêu nhiệt ( Bảng A – 6E ) để

dược

u = 1145.1 Btu / Ibm

Ví dụ 3 – 7 Nhiệt độ của khí siêu nhiệt

Xác định nhiệt độ của nước ở trạng thái P = 0.5 Mpa và h = 2890 kJ/kg

Giải pháp nhiệt độ của nước ở trạng thái cụ thể được xác định

Phân tích ở 0.5 Mpa, the enthalpy của bão hòa hơi nước là hg = 2748.1 kJ/kg

Từ h > hg, như đã biết ở Hình 3 – 41, chúng ta lại có khí siêu nhiệt Dưới 0.5 Mpa ở Bảng A - 6, chúng ta đọc

Trang 134-136_Tên: Di p Duy Duy _ MSSV: 2002130278 _L p: 04DHDT04_Th 3_Ti t 3-4 ệ ớ ứ ế

Trong tr ườ ng h p không có d li u l ng nén, m t x p x nói ợ ữ ệ ỏ ộ ấ ỉ chung là đ đi u tr l ng nén nh ch t l ng bão hòa nhi t đ ể ề ị ỏ ư ấ ỏ ở ệ ộ

nh t đ nh (Hình 3-42) Đi u này là do các tính ch t l ng nén ph ấ ị ề ấ ỏ ụ thu c vào nhi t đ nhi u h n n a m nh mẽ h n h làm trên áp ộ ệ ộ ề ơ ữ ạ ơ ọ

l c Do đó, ự

cho ch t l ng nén, trong đó y là v, u, ho c h Trong giá tr , giá tr ấ ỏ ặ ị ị

nh y c m nh t v i các bi n đ i trong áp là h enthalpy M c dù ạ ả ấ ớ ế ổ ặ

k t qu x p x trên trong l i không đáng k trong ế ả ấ ỉ ỗ ể

v và u, các l i trong h có th đ t m c mong mu n Tuy nhiên, các ỗ ể ạ ứ ố

l i trong h m c th p đ n trung bình áp l c và nhi t đ có th ỗ ở ứ ấ ế ự ệ ộ ể

đ ượ c gi m đáng k b ng cách đánh giá nó t ả ể ằ ừ

thay vì dùng nó đ đ ể ượ c ch hf L u ý, tuy nhiên, các x p x công ỉ ư ấ ỉ ở

th c 3-9 không mang l i b t kỳ s c i thi n đáng k trung bình ứ ạ ấ ự ả ệ ể ở

đ n cao nhi t đ và áp su t cao, và th m chí nó có th ph n tác ế ệ ộ ấ ậ ể ả

d ng và cho k t qu cao h n l i do đi u ch nh quá m c nhi t ụ ế ả ơ ỗ ề ỉ ứ ở ệ

đ r t cao và áp l c (xem ch ộ ấ ự ươ ng 4).

Nói chung, m t ch t l ng nén đ ộ ấ ỏ ượ c đ c tr ng b i ặ ư ở

Áp su t cao h n (P > P ấ ơ sat t i m t T cho tr ạ ộ ướ c ) Nhi t đ th p (T<T ệ ộ ấ sat T i m t P cho tr ạ ộ ướ c)

Gi m kh i l ả ố ượ ng c th (V < V ụ ể f v i P cho hay T) ớ Năng l ượ ng n i năng th p h n (u < u ộ ấ ơ f v i P hay T) ớ Enthalpies th p (h < h ấ f v i P hay T) ớ

Nh ng không gi ng nh quá nhi t h i, các tính ch t l ng nén ư ố ư ệ ơ ấ ỏ không khác nhi u so v i giá tr l ng bão hòa t ề ớ ị ỏ ươ ng ng ứ

Ví d 3-8 T o x p x nén l ng nh bão hòa l ng ụ ạ ấ ỉ ỏ ư ỏ Xác đ nh năng l ị ượ ng n i t i c a n ộ ạ ủ ướ ỏ c l ng nén 80 ° C và 5MPa, ở

s d ng (a) d li u t b ng l ng nén và (b) ch t l ng bão hòa d ử ụ ữ ệ ừ ả ỏ ấ ỏ ữ

li u Các l i liên quan đ n tr ệ ỗ ế ườ ng h p th hai là gì? ợ ứ

Gi i pháp ả giá tr chính xác và g n đúng c a năng l ị ầ ủ ượ ng n i t i ộ ạ

c a ch t l ng n ủ ấ ỏ ướ c ph i đ ả ượ c xác đ nh ị

Phân tích 80 ° C, áp su t bão hòa c a nỞ ấ ủ ướ c là 47,416 kPa, và k ể

t 5MPa? PSAT, chúng tôi rõ ràng đã nén ch t l ng, nh th hi n ừ ấ ỏ ư ể ệ trong hình 3-43.

đó là ít h n 1 ph n trăm ơ ầ

Tham kh o tr ng thái và các giá tr tham kh o ả ạ ị ả

Các giá tr c a u, h, và s không th đ ị ủ ể ượ c đo tr c ti p, và h đang tính toán ự ế ọ

t đ c tính đo l ừ ặ ườ ng đ ượ ử ụ c s d ng các m i quan h gi a nhi t đ ng l c ố ệ ữ ệ ộ ự

h c thu c tính Tuy nhiên, nh ng m i quan h cho nh ng thay đ i trong ọ ộ ữ ố ệ ữ ổ giá tr , không ph i giá tr c a tr ng thái quy đ nh Vì v y, chúng ta c n ị ả ị ủ ạ ị ậ ầ

ph i ch n tình tr ng tham kh o thu n ti n và gán giá tr là zero cho m t ả ọ ạ ả ậ ệ ị ộ thu n ti n tài s n ho c b t đ ng s n t i tr ng thái đó Đ i v i n ậ ệ ả ặ ấ ộ ả ạ ạ ố ớ ướ c,

tr ng thái c a ch t l ng bão hoà 0.01 ° C đ ạ ủ ấ ỏ ở ượ c th c hi n nh là nhà ự ệ ư

n ướ c tham kh o, và năng l ả ượ ng n i t i và entropy đ ộ ạ ượ c phân công nh n ậ giá tr không tr ng thái đó Đ i v i môi ch t l nh-134a, tình tr ng bão ị ở ạ ố ớ ấ ạ ạ hòa l ng T= 40 ° C đ ỏ ở ượ c th c hi n nh là nhà n ự ệ ư ướ c tham kh o, và ả enthalpy và entropy đ ượ c phân công nh n giá tr không tr ng thái đó ậ ị ở ạ

L u ý r ng m t s đ c tính có th có giá tr âm là k t qu c a tình tr ng ư ằ ộ ố ặ ể ị ế ả ủ ạ tham kh o l a ch n ả ự ọ

Nó c n ph i nói r ng đôi khi các b ng khác nhau li t kê các giá tr khác ầ ả ằ ả ệ ị nhau đ i v i m t s đ c tính tr ng thái gi ng nh m t k t qu c a ố ớ ộ ố ặ ở ạ ố ư ộ ế ả ủ

vi c s d ng m t tài li u tham kh o khác nhau ti u bang Tuy nhiên, ệ ử ụ ộ ệ ả ể trong nhi t đ ng l c h c, chúng tôi đang quan tâm đ n nh ng thay đ i ệ ộ ự ọ ế ữ ổ trong tài s n, và tình tr ng tham kh o l a ch n là không có h u qu ả ạ ả ự ọ ậ ả trong tính toán mi n là chúng ta s d ng giá tr t m t t p quán duy ễ ử ụ ị ừ ộ ậ

c a 200 kPa Sau đó, nhi t đ ph i đ ủ ệ ộ ả ượ c nhi t đ bão hòa áp su t nh t ệ ộ ở ấ ấ

đ nh: ị

T = Tsat @ 200 kPa ≈ 120.21°C (B ng A-5)ả

T i 200 kPa, chúng tôi cũng đ c t B ng A-5 mà u ạ ọ ừ ả f = 504,50 kJ / kg và u fg = 2024,6kJ / kg Sau đó, năng l ượ ng n i t i trung bình c a h n h p là: ộ ạ ủ ỗ ợ

u = u f _ xufg

= 504.50 kJ/kg + (10,62)(12024,6 kJ/kg)

= 1719.26 kJ/kg

(b) th i gian này nhi t đ và năng l ờ ệ ộ ượ ng n i b đ ộ ộ ượ c đ a ra, nh ng ư ư

chúng ta làm không bi t mà b ng đ s d ng đ xác đ nh các tính ch t ế ả ể ử ụ ể ị ấ

còn thi u vì chúng tôi không có đ u m i nh h n h p cho dù chúng ta đã ế ầ ố ư ỗ ợ

bão hòa, ch t l ng nén, hay quá nhi t h i Đ xác đ nh các khu v c chúng ấ ỏ ệ ơ ể ị ự

tôi đang trong, đ u tiên chúng tôi đi đ n ở ầ ế

b ng bão hòa (B ng A-4) và xác đ nh các giá tr u ả ả ị ị F và u g t i đ ạ ượ c nhi t đ ệ ộ

125 ° C, chúng ta đ c u

chúng ta so sánh các giá tr u cho các u ị f và giá tr u ị g , gi trong nh r ng ữ ớ ằ

n u ế u < uf chúng tôi đã nén l ngỏ

n u ế uf ≤ u ≤ ug chúng tôi đã bão hòa h n h pỗ ợ

n u ế u > ug chúng tôi có quá nhi t h iệ ơ

Trong tr ườ ng h p c a chúng tôi giá tr u đ a ra là 1600, mà n m gi a u ợ ủ ị ư ằ ữ f

và giá tr u ị g 125 ° C Do đó, chúng tôi đã bão hòa h n h p l ng-h i Sau ở ỗ ợ ỏ ơ

đó, áp l c ph i có áp l c bão hòa nhi t đ nh t đ nh: ự ả ự ở ệ ộ ấ ị

P = Psat @ 125°C = 232.23 kPa (b ng A-4)ả

Ch t l ấ ượ ng đã đ ượ c xác đ nh t ị ừ

Các tiêu chí trên đ xác đ nh li u chúng tôi đã nén ch t l ng, h n h p ở ể ị ệ ấ ỏ ỗ ợ bão hòa, ho c h i quá nhi t cũng có th đ ặ ơ ệ ể ượ ử ụ c s d ng khi enthalpy h hay

c th kh i l ụ ể ố ượ ng v đ ượ c đ a ra thay vì u năng l ư ượ ng n i b , ho c khi áp ộ ộ ặ

su t là cho tr ấ ướ c thay c a nhi t đ ủ ệ ộ (c) Đi u này cũng t ề ươ ng t nh tr ự ư ườ ng h p (b), ngo i tr áp l c đ ợ ạ ừ ự ượ c

đ a ra thay vì nhi t đ Sau khi l p lu n đ a ra trên, chúng ta đ c u ư ệ ộ ậ ậ ư ở ọ f và giá tr ug t i áp su t quy đ nh T i 1 MPa, chúng tôi đã u ị ạ ấ ị ạ f = 761,39 kJ / kg

và u g = 2582,8 kJ / kg Giá tr u quy đ nh là 2950 kJ / kg, mà là l n h n giá ị ị ớ ơ

tr u ị g = 1 MPa Do đó, chúng tôi có h i quá nhi t, và nhi t đ t i đây nhà ơ ệ ệ ộ ạ

n ướ c đ ượ c xác đ nh t b ng h i quá nhi t b ng cách n i suy đ ị ừ ả ơ ệ ằ ộ ượ c

Chúng tôi sẽ đ tr ng c t ch t l ể ố ộ ấ ượ ng trong tr ườ ng h p này vì ch t l ợ ấ ượ ng không có nghĩa là cho m t h i quá nhi t ộ ơ ệ

(d) Trong tr ườ ng h p này, nhi t đ và áp su t đ ợ ệ ộ ấ ượ c đ a ra, nh ng m t ư ư ộ

l n n a, chúng tôi không th nói cho mà b ng đ s d ng đ xác đ nh các ầ ữ ể ả ể ử ụ ể ị tính ch t còn thi u vì chúng ta làm không bi t li u chúng ta đã bão hòa ấ ế ế ệ

h n h p, ch t l ng nén, ho c quá nhi t h i Đ xác đ nh các khu v c ỗ ợ ấ ỏ ặ ệ ơ ể ị ự chúng tôi đang trong, chúng tôi đi đ n bão hòa (B ng A-5) và xác đ nh ở ế ả ị các giá tr nhi t đ bão hòa áp l c nh t đ nh T i 500 kPa, chúng tôi có ị ệ ộ ở ự ấ ị ạ

T sat = 151,83 ° C Sau đó chúng ta so sánh giá tr T cho giá tr T ị ị sat này, hãy

nh r ng ớ ằ

n u ế T < T sat@cho p chúng tôi đã nén l ng ỏ

n u ế T = T sat@ cho p chúng tôi đã bão hòa h n ỗ

h p ợ

n u ế T > T sat@ cho p chúng tôi có quá nhi t h i ệ ơ

Trong tr ườ ng h p c a chúng tôi, giá tr T đ ợ ủ ị ượ c đ a ra là 75 ° C, th p h n ư ấ ơ

so v i giá tr T ớ ị sat t i áp su t quy đ nh L ng Do đó, chúng tôi đã nén (hình ạ ấ ị ỏ 3-44), và thông th ườ ng chúng tôi sẽ xác đ nh giá tr năng l ị ị ượ ng n i b t ộ ộ ừ nén b ng l ng Nh ng trong tr ả ỏ ư ườ ng h p này áp l c đ a ra là th p h n ợ ự ư ấ ơ

nhi u so v i giá tr áp su t th p nh t trong b ng l ng nén (đó là 5 MPa), ề ớ ị ấ ấ ấ ả ỏ

và do đó chúng tôi là h p lý đ đi u tr các ch t l ng nén nh ch t l ng ợ ể ề ị ấ ỏ ư ấ ỏ bão hòa nhi t đ nh t đ nh (không áp l c): ở ệ ộ ấ ị ự

NGUYỄN NHẬT DUY

NHIỆT ĐỘNG HỌC (THEMODYNAMICS)

CHƯƠNG 3: TÍNH CHẤT CỦA CÁC CHẤT TINH KHIẾT

(PROPERTIES OF PURE SUBSTANCES)

3 – 6 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG KHÍ LÝ TƯỞNG

Bảng thuộc tính cung cấp thông tin rất chính xác về đặc tính, nhưng chúng lại cồng kềnh và dễ bị lỗi in Một thực tế hơn và cách tiếp cận mong muốn sẽ có một số quan hệ đơn giản giữa các đặc tính đó là đầy đủ và chính xác

Bất kỳ phương trình có liên quan tới áp suất, nhiệt độ, và khối lượng cụ thể củamột chất được gọi là một phương trình của hệ trạng thái Những mối quan hệ về thuộctính có liên quan đến các đặc tính khác của một chất ở trạng thái cân bằng cũng được gọi là phương trình trạng thái Có một số phương trình của trạng thái khí lí tưởng, một

số thì đơn giản và một số khác lại rất phức tạp Các phương trình đơn giản nhất và nổi biết đến nhiều nhất của chất trong từng giai đoạn của khí là phương trình trạng thái khí lý tưởng-khí Phương trình này dự đoán P-v-T trạng thái của một chất khí khá chính xác trong một số khu vực

Khí và hơi nước thường được sử dụng như những từ đồng nghĩa với nhau Các pha hơi của một chất thông thường được gọi là một chất khí khi nó trên nhiệt độ tới hạn Hơi thường ám khí đó không xa từ một trạng thái ngưng tụ

Trong năm 1662, Robert Boyle, một người Anh, quan sát thấy trong các thí nghiệm của mình với một buồng chân không áp lực của chất khí tỉ lệ nghịch đến khối lượng của chúng Năm 1802, J Charles và J Gay-Lussac, Người Pháp, thực nghiệm xác định rằng ở áp suất thấp khối lượng của một chất khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ của nó

Đó là,

Số trang: 137-139

tử khối lượng của một chất có giá trị bằng số giống nhau trong cả hai hệ thống đơn vị

vì cách nó được định nghĩa Khi chúng ta nói khối lượng mol của nitơ là 28, nó chỉ đơn giản có nghĩa là khối lượng của 1 kmol của nitơ là 28 kg, hoặc khối lượng của 1 lbmol của nitơ là 28 lbm Đó là, M = 28 kg / kmol = 28 lbm / lbmol

Khối lượng của một hệ thống tương đương với sản phẩm có khối lượng phân tửcủa nó M và số mol N:

Các giá trị của R và M của nhiều chất này được đưa ra trong Bảng A-1

Phương trình lý tưởng-khí của hơi nước có thể được viết bằng các hình thức khác nhau:

Trong đó v là khối lượng mol cụ thể, đó là, khối lượng trên một đơn vị mol (ở

m3 / kmol hay ft3 / lbmol) Một thanh trên một tài sản giá trị biểu thị trên một đơn mol cơ sở trong suốt văn bản này (Hình 3-46)

vị-Hình 3-46: Thuộc tính đơn vị mol

Bằng cách viết phương trình 3-13 hai lần cho một khối lượng cố định và đơn giản hóa, các thuộc tính của một chất khí lý tưởng ở hai trạng thái khác nhau có liên quan với nhau bằng

Một chất khí lý tưởng là một chất tưởng tượng mà tuân theo Pv liên quan = RT (Hình 3-47)

Hình 3-47: Các mối quan hệ khí lý tưởng thường không áp dụng đối với các loại khí

thực Do đó, cần phải cẩn thận khi sử dụng nó.

Nó đã được thử nghiệm quan sát thấy rằng các mối quan hệ khí lý tưởng cho xấp xỉ với các hoạt động Pvt khí thực ở mật độ thấp Ở áp suất thấp và nhiệt độ cao, mật độ của khí giảm , và khí hoạt động như một chất khí lý tưởng trong điều kiện này Những gì tạo ra áp suất thấp và nhiệt độ cao sẽ được giải thích sau

Trong phạm vi thiết thực, nhiều loại khí quen thuộc như không khí, nitơ, oxy, hydro, heli, argon, neon, krypton, và thậm chí nặng hơn khí như carbon dioxide có thểđược coi là khí lý tưởng với sai lệch không đáng kể (thường ít hơn 1 phần trăm) Khí dày đặc như hơi nước trong hơi các nhà máy điện và hơi lạnh trong tủ lạnh, tuy nhiên, không nên xem nó như khí lý tưởng Thay vào đó, các bảng tính nên được sử dụng cho các chất

Ví dụ 3-10 Khối lượng của không khí trong một căn phòng

Xác định khối lượng của không khí trong một căn phòng có kích thước là 4 m 5 m

6 m ở 100 kPa và 25 ° C

Giải pháp khối lượng của không khí trong một phòng là để được xác định

Phân tích một phác thảo của căn phòng được đưa ra trong hình 3-48 Không khí ở điều kiện nhất định có thể được coi như là một chất khí lý tưởng Từ Bảng A-1, hằng số khí của không khí là R = 0,287 kPa • m3 / kg • K, và nhiệt độ tuyệt đối là T =

25 ° C + 273 = 298 K Khối lượng của phòng là

V = (4m)(5m)(6m) = 120 m 3

Khối lượng của không khí trong phòng được xác định từ các mối quan hệ lý tưởng-khílà

m = = = 140,3 kg

Là hơi nước một khí lý tưởng?

Câu hỏi này không thể trả lời đơn giản có hoặc không Sai lệch liên quan đến việc xem hơi nước như một khí lý tưởng được tính toán và vẽ trong

Hình 3-49

Hình 3-49 Rõ ràng là từ con số này ở áp suất dưới 10 kPa nước hơi có thể đượccoi như là một chất khí lý tưởng, bất kể nhiệt độ của nó, với sai lệch không đáng kể (íthơn 0,1 phần trăm).Tuy nhiên, ở áp suất cao hơn, khí lí tưởng giả định sai lệch không thể chấp nhận, đặc biệt là ở các vùng lân cận của điểm quan trọng và các dòng hơi bãohòa (trên 100 phần trăm).Vì vậy, trong ứng dụng điều hòa không khí, hơi nước trong không khí có thể được coi là một khí lý tưởng với bản chất không sai lệch bởi vì áp suất của hơi nước là rất thấp Trong các ứng dụng nhà máy điện hơi nước, tuy nhiên,

áp suất tham gia thường rất cao; Do đó, mối quan hệ khí lý tưởng không nên được sửdụng