Slide bài giảng Hóa lý 1

§ Công W là các dạng khác của năng lượng trao i giữa hệ và môi trường.. Công của quá trình.. § Độ lớn của công thực hiện là tích của lực đẩy F với khoảng cách di chuyển Dl của pit-tô

HÓA LÝ 1

¢Tên môn h c: Hóa lý 1

trình hóa h c, quá trình nhi t và thi t b nhi t và

các tính toán n gi n c a các quá trình và thi t

H C LI U

¢ H c li u b t bu c:

1.Tr ng V nh (2006/2012) Nhi t k thu t Giáo trình

B Môn Công Ngh Hóa H c, i h c Nông Lâm TP

HCM

¢ H c li u tham kh o:

2 Haberman W L , John J E A., (1986)

Engineering Thermodynamics with Heat Transfer,

Allyn and Bacon, Massachusettes

3 McMullan, J.T and Morgan, R (1981) Heat

pumps Adam Hilger Ltd, Briston

4 Lydersaen, A.L (1979) Fluid Flow and Heat

Transfer, John Wiley & Sons, Chichester

¢Hi n di n trên l p: sinh viên ph i có

chuy n hóa n ng l ng áp d ng trong l nh v c nhi t Cho

phép xác nh s l ng nhi t và công trao i trong quá

¢Là m t ph n c a không gian hay v t ch t c t

ra nghiên c u Nh ng v t khác không n m trong

h g i là môi tr ng xung quanh

1.1.2 Môi tr ng:

¢Ph n còn l i ngoài h , nó là ph n v tr xung quanh

h Gi a môi tr ng và h cách nhau b i ranh gi i

1.1 H NHI T NG & MÔI TR NG

1.1 H NHI T NG & MÔI TR NG

không có s trao i v t ch t v i môi tr ng

vH cô l p: là h không trao i gì v i môi tr ng

vH o n nhi t: là h ch thay i nhi t mà không

trao i nhi t v i môi tr ng

1.1 H NHI T NG & MÔI TR NG

1.1 H NHI T NG & MÔI TR NG

H óng v i th

tích không i

H óng v i th tích thay i

v N u s trao i n ng l ng có liên quan n s thay

i c ng chuy n ng phân t thì s trao i

n ng l ng này c th c hi n d i d ng nhi t (Q);

v N u s trao i n ng l ng có liên quan n s

chuy n d ch nh ng kh i l ng v t ch t d i tác

d ng c a nh ng l c nào ó thì s trao i n ng l ng này c th c hi n d i d ng công (W)

1.1 H NHI T NG & MÔI TR NG

1.1.4 Quy c v d u:

vH t a nhi t: Q<0

vH thu nhi t (nh n nhi t): Q>0

vH sinh công (t o công): W >0

vH nh n công: W<0

L u ý:

q, w – nhi t l ng và công tính cho 1kg (kJ/kg)

Q,W – nhi t l ng và công tính cho G (kg); (kJ)

Ta có: Q=G*q và W=G*w

¢C h t trung gian dùng truy n t i, trao i, và

chuy n hóa n ng l ng trong h nhi t ng Môi

enthalpy, entropy, exergy tính toán

thông qua các thông s khác

1.3 TR NG THÁI VÀ CÁC

THÔNG S TR NG THÁI

¢Hàm s tr ng thái:

vM t hàm c g i là hàm tr ng thái n u bi n thiên các i l ng ch ph thu c vào tr ng thái u và

tr ng thái cu i (không ph thu c vào cách th c

ØThang o nhi t bách phân (oC)

ØThang o nhi t tuy t i (K)

ØThang o nhi t Rankine (R)

ØThang o nhi t Fahrenheit (F)

1.3 TR NG THÁI VÀ CÁC

THÔNG S TR NG THÁI

1.3.1 Nhi t

¢Nhi t bách phân (Cellcious,°C) ký hi u là t, quy

c:

Ø0°C: nhi t n c á ang tan

Ø100°C: nhi t c a n c nguyên ch t ang sôi

ØChia thang o ra 100 ph n b ng nhau thì m i ph n

t ng ng v i 1°C

ØNhi t bách phân không ph n ánh m c

chuy n ng c a các phân t mà nó ph thu c vào

ch t dùng xây d ng thang o

1.3 TR NG THÁI VÀ CÁC

THÔNG S TR NG THÁI

1.3.1 Nhi t

¢Nhi t tuy t i (Kelvin,K) ký hi u T

ØD a vào m i quan h gi a nhi t và t c chuy n ng trung bình c a nguyên t , phân t

v t ch t

T c trung bình chuy n ng t nh ti n c a các phân t càng l n thì nhi t c a v t?

t ng tác c a các phân t ;

a = 1 v i khí lý t ng

1.3 TR NG THÁI VÀ CÁC

THÔNG S TR NG THÁI

1 mm H2O 10

-4

9,81 1 73,56.10

-3 9,81.10

d c o b ng manometer, chân không

c o b ng chân không k (vacumeter)

quan n l c t ng tác gi a các phân t nên nó

ph thu c vào kho ng cách gi a các phân t

c mà ph i tính toán thông qua các thông s khác

¢ Khi h thay i t tr ng thái này sang tr ng thái khác,

s thay i n i n ng ch ph thu c vào các thông s

¢ Enthalpy là m t thông s tr ng thái không o tr c ti p

c mà ph i tính toán thông qua các thông s khác

¢ Enthalpy c a khí th c ph thu c vào nhi t T và th

¢ Enttopy là m t thông s tr ng thái không o tr c ti p

c mà ph i tính toán thông qua các thông s khác

1.3 TR NG THÁI VÀ CÁC

THÔNG S TR NG THÁI

∆s = s2 – s1

¢ Ng c l i khi không có s ng nh t này

ngh a là h tr ng thái không cân b ng

1.3 TR NG THÁI VÀ CÁC

THÔNG S TR NG THÁI

1.3.9 Quá trình

¢ Quá trình là s thay i tr ng thái c a h

¢ Quá trình x y ra khi có ít nh t m t thông s tr ng thái c a

Dao ng c a con l c không ma sát

qQuá trình không thu n ngh ch: không th a mãn i u

ki n trên, ây là th c t Trong k thu t, các quá trình

¢ Quá trình ng nhi t: T = const

¢ Quá trình o n nhi t: là quá trình c th c

hi n trong i u ki n không có s trao i nhi t

l ng gi a h v i môi tr ng ngoài

1.3 TR NG THÁI VÀ CÁC

THÔNG S TR NG THÁI

Turbojet engine ng c nhi t

Máy i u hòa nhi t T l nh

Khí óng vai trò quan tr ng trong các thi t b nhi t?

f (T, p, v,…) = 0

2.2.1 nh lu t Boyle – Mariotte:

i v i m i khí nh t nh, khi nhi t không i thì tích s gi a th tích và áp

su t tuy t i b ng const

T = const pV = const ho c pv = const

2.2 PH NG TRÌNH TR NG THÁI

T: nhi t tuy t i c a ch t khí (K) R: h ng s ch t khí (J/kg.K)

qTh tích riêng ph n (phân th tích) c a m t ch t khí trong h n h p: là th tích c a ch t khí i khi tách riêng nó ra kh i h n h p thì v n gi nguyên áp

V i i

=

2.4.2 Tính ch t c a m t h n h p khí lí t ng:

§ Ta có: G=∑Gi

ågi = 1

2.4 H N H P KHÍ LÝ T NG

3.1 S TRAO I N NG L NG

§ Trong s t ng tác gi a h và mơi tr ng cĩ th

x y ra s trao i n ng l ng S trao i n ng

l ng này di n ra theo 2 cách:

• N u s trao i n ng l ng cĩ liên quan n s

thay i c ng chuy n ng phân t c a h

§ Nhiệt và công là các đại lượng đặc

trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa

h và môi trường khi thực hiện một

quá trình

§ Khi h trao đổi nhiệt v i mơi tr ng thì luôn tồn tại sự chênh lệch nhiệt độ

§ Khi h trao đổi công với môi trường thì kèm theo s chuyển d ch v trí

3.1 S TRAO I N NG L NG 3.1 S TRAO I N NG L NG

§ Nhiệt l ng là năng lượng trao i giữa

hệ và môi trường do sự khác biệt v nhiệt

độ

§ Ký hiệu: Q n u tính cho G (kg), n v : (kJ)

q n u tính cho 1 kg n v : (kJ/kg)

§ Qui ước:

q > 0: vật nhận (thu) nhiệt

q < 0: vật tỏa nhiệt

§ dq Nhi t là 1 hàm c a quá trình

§ NDR ph thu c vào b n ch t, p, và T mơi ch t

Theo đơn vị đo môi chất :

Theo quá trình nhi t ng:

+ Quá trình có áp su t không i:

Theo quá trình nhi t ng:

B NG NHI T DUNG RIÊNG C A KHÍ LÝ T NG

Lo i khí k=C p /C v C v

[kJ/kmol.K]

C p [kJ/kmol.K]

12,6 20,9 29,3

20,9 29,3 37,7

§ Nếu bi t NDR trung bình từ 0 đến t

1

và t 0 n t

2 thì NDR trung bình t t

1 n t

2 c tính nhsau:

§ Nếu có dạng đường thẳng thì:

C, C’, Cµ – NDR kh i l ng, NDR th tích, NDR kmol

3.2.1 NHI T DUNG RIÊNG C A H N H P

§ Nhiệt lượng tiêu tốn để nâng nhiệt độ hỗn hợp

lên 1 độ = tổng nhiệt lượng tiêu tốn để nâng

nhiệt độ các khí thành phần lên 1 đ

§ G.Chh = G1.C1 + G2.C2 + + Gn.Cn

C hh = g1.C1 + g2.C2 + + gn.Cn =

C’hh = r1.C’1 + r2.C’2 + + rn.C’n =

C hh = r1.C1m + r2.C2m + + rn.Cnm=

Với gi - thành phần khối lượng

r - thành phần thể tích

§ Công (W) là các dạng khác của năng lượng

trao i giữa hệ và môi trường

Công của quá trình

§ Độ lớn của công thực hiện

là tích của lực đẩy F với khoảng

cách di chuyển Dl của pit-tông

3

)

§ Các loại công:

+ Cơng thay i th tích (công giãn n , cơng c

h c);

+ Công lưu động (công thay đổi vị trí),

+ Công kỹ thuật (công thay đổi áp suất)

§ dl = p.A.dx = p.dv

§ Công thay i th tích trong quá trình (1) và (2):

§ Khi hệ hở, có sự trao đổi chất bên ngoài với hệ

nên mơi ch t chuyển động sinh ra công lưu

FNhi t l ng không mất đi biến đổi qua lại

FTổng nhi t l ng trong 1 hệ kín là không đổi

3.4.3 Các dạng biểu thức

v Quá trình ng tích: v=const hay dv=0

§ Nhi t ẳng áp:

— Khi hệ cân bằng một trạng thái các

thông số có giá trị xác định

— Khi môi chất hoặc hệ trao đổi nhiệt và công

với môi trường ít nhất một thông số thay đổi thực hiện quá trình nhiệt động

vQuá trình nhi t đ ng là quá trình bi n đ i

liên t c c a các thông s tr ng thái t tr ng thái cân b ng này sang m t tr ng thái cân

b ng khác

4

1 M C CH NGHIÊN C U

— Xác định mối quan hệ các dạng năng lượng

Cơ sở tính toán dựa vào 2 ph ng trình của

3 CÁC BƯỚC NGHIÊN CỨU

üB3: Xác định quan hệ giữa các thông s

các tr ng thái (d a vào c i m quá trình)

2 QU TR NH NG T CH

Định nghĩa: Là quá trình thay đổi trạng

thái của chất khí ở điều kiện thể tích

Áp suất tỷ lệ thuận với nhiệt độ

— Công thay i th tích: v= const ; l= 0 (J/kg)

— Công kỹ thuật:

— Hệ số biến hóa năng lượng: =

Quá trình đẳng tích, nhiệt lượng tham gia chỉ làm thay đổi nội năng hệ

— Bài 1: người ta đốt nóng 1 kg không khí trong điều

kiện áp suất không đổi p=4 bar từ nhiệt độ 33

o

C đến nhiệt độ 107

— T = const (pv=const)

— p

1v1= RT1p

4 QU TR NH NG NHI T

—Công thay i th tích:

l = RT ln = RT ln = p1v1 ln (J/kg)

—Công kỹ thuật: lkt = l

—Nhi t lượng, nội năng và enthalpy:

“Toàn bộ lượng nhiệt tham gia quá trình

dùng để sinh công”

Định nghĩa: quá trình thay đổi trạng

thái chất khí trong điều kiện không trao

đổi nhiệt với môi trường

5 QU TR NH O N NHI T

D =

nhận công thay đổi thể tích -471kJ Xác định biến

đổi nội năng, nhiệt độ cuối, và bi n i enthalpy

Định nghĩa: Là quá trình mà nhiệt dung

riêng của môi ch t không đổi

6 QU TR NH A BI N

— Quan hệ giữa các thông số:

Đ 2 Chu trình

nhi t chuy n hóa thành công ho c ng c l i

» Tuy nhiên L1 không cho ta bi t trong i u

ki n nào thì nhi t có th bi n i thành công

và li u toàn b nhi t có th bi n i hoàn toàn

5.2.1 Khái ni m

» Là m t hay t p h p m t s quá trình x y ra

liên ti p mà ch t môi gi i c a tr l i

tr ng thái ban u

» Chu trình thu n chi u: theo chi u kim ng

h , môi ch t nh n nhi t sinh công (l>0) Ví d :

ng c nhi t

» Chu trình ng c chi u: ng c chi u kim ng

h , môi ch t tiêu hao công ho c nh n n ng

Chu trình sinh công

lo > 0 - t ng công sinh ra c a chu trình

ánh giá m c hoàn thi n c a s

T4 = 20 °C Tính l ng nhi t c p, l ng nhi t th i, công

» Chu trình thu n ngh ch th c hi n nh 2 ngu n

nhi t (T1 & T2) trao i nhi t v i ngu n nhi t

5.3.2 Chu trình Carnot thu n chi u

v4-1: Nén o n nhi t

5.3.2 Chu trình Carnot thu n chi u

1

q 1

q

h =

-5.3.2 Chu trình Carnot thu n chi u

» h ch ph thu c nhi t ngu n nóng (T1)

và ngu n l nh (T2) mà không ph thu c

b n ch t c a ch t môi gi i

» h càng l n khi nhi t ngu n nóng càng cao và nhi t ngu n l nh càng th p

» h luôn < 1, h =1 khi T1 ¥ ho c T2 = 0 là không th x y ra

Nhi t không th bi n hoàn toàn

thành công ( nh lu t 2)

5.3.2 Chu trình Carnot thu n chi u

» Khi T1=T2 thì h = 0 không th sinh

công khi ch có m t ngu n nhi t ( nh

5.3.3 Chu trình Carnot ng c chi u

-5.3.2 Chu trình Carnot ng c chi u

» e ch ph thu c nhi t ngu n nóng và

ngu n l nh mà không ph thu c b n ch t

c a ch t môi gi i

» e càng l n khi nhi t ngu n nóng càng

th p và nhi t ngu n l nh càng cao

» V i chu trình b t k , Clausius chia

nó thành nhi u chu trình Carnot vi

c p:

n ®¥

d d

: nh n nhi t

: t a nhi t

5.4.1 Chu trình không thu n ngh ch

» Th c t các quá trình là không thu n ngh ch nên chu

trình c ng không thu n ngh ch, công sinh ra th p h n,

nhi t th i ra q2l n h n

h

• Nhi t l ng nh n vào sinh công nh h n công lý t ng

• Nhi t l ng t a ra t n th t nhi u h n công lý t ng

» N u c p cho h g m nhi u phân t c a m t ch t

khí m t nhi t l ng q các phân t gia t ng

chuy n ng có s xáo tr n trong h

» Nhi t l ng q càng l n, s xáo tr n?

S xáo tr n t l thu n v i q cung c p

» Cùng nhi t l ng q, n u c p cho h ang nhi t

cao h ang nhi t th p?

5.5.2 Xét chu trình thu n ngh ch b t k

q

T

q T

q T q

T

q T

Mà 1b2 là quá trình thu n ngh ch nên:

5.5.5 Ý ngh a c a entropy trong hóa h c

» Trong hóa h c, entropy c dùng v i ý ngh a c nh t do c a m t h hóa h c

» M t h bi n i t tr ng thái u n tr ng thái cu i, v i tr ng thái cu i ít t do h n

vTrong CN: dùng un, n u, s y, h p vTrong sinh ho t: dùng s y, s i

üH i n c có nhi u u i m nh : có nhi u trong thiên nhiên, r ti n, không c h i v i môi tr ng và không n mòn thi t b

6.1 H I N C

üH i n c th ng c s d ng trong th c t

tr ng thái g n tr ng thái bão hòa nên không

th b qua th tích b n thân phân t và l c hút

•C ng bay h i ph thu c vào b n ch t

và nhi t ch t l ng Nhi t càng cao thì

üNhi t bão hòa: là nhi t sôi ts = f(p)

üÁp su t bão hòa: là áp su t tr ng thái sôi

6.1 H I N C

6.1.3 H i bão hòa:

üH i bão hòa khô: h i bão hòa mà trong ó

n c ã hoàn toàn bi n thành h i (không

6.1 H I N C

6.1.4 H i quá nhi t

üN u ti p t c c p nhi t cho h i bão hòa khô,

ta c h i quá nhi t có nhi t cao h n

üH i quá nhi t là h i có nhi t l n h n

ü ng A…A3: ng cong bi u th tr ng thái

n c sôi (x=0) ng

gi i h n d i

ü ng C…C3: ng cong bi u th tr ng thái

h i bão hòa khô (x=1)

6.1 H I N C

6.1.6 Các thông s c tr ng:

vo, uo, io, so, qo : n c ch a sôi

v ’, u’, i’, s’, q’ : n c sôi

v’’, u’’, i’’, s’’,q’’ : h i bão hòa khô

6.1 H I N C

üB ng h i n c:

1/ H i bão hòa khô, n c sôi, h i quá

nhi t : các tr ng thái c xác nh khi bi t

p và t có 2 d ng b ng (theo p và t)

2/ H i bão hòa m : d a vào các thông s

c a h i bão hòa khô và n c sôi dùng

là các ng cong i lên

• ng t =const : trong vùng h i bão hòa m là ng n m ngang

6.1 H I N C

6.1.7 B ng và th h i n c:

ü th h i n c:

BÀI T P:

1.Xác nh th tích riêng, enthalpy, entropy c a n c sôi

và h i bão hòa khô t i 275°C

2.Xác nh th tích riêng, enthalpy, entropy c a n c sôi

và h i bão hòa khô t i 2,9 bar

3.Xác nh th tích riêng, enthalpy, entropy c a n c

ch a sôi và h i quá nhi t t i 40 bar và 280°C

4.Xác nh th tích riêng, enthalpy, entropy c a h i bão

hòa m t i 2 bar, khô 0,9

§Vì phân áp su t c a h i n c trong không

khí m r t nh , nên h i n c trong không khí m có th xem là khí lí t ng , và

üKhông khí m quá BH: là kk m ch a

l ng h i n c l n h n Gh.max H i n c

ây là h i BH m , t c là ngoài h i n c BH khô còn có m t l ng n c ng ng nh t nh (Gn) VD: s ng mù

hòa H i n c trong không khí m ch a bão

hòa là h i quá nhi t

C1: theo ng BA1 C2: theo ng BA2

p

= kk khô

= kk m bão hòa

ph: phân áp su t h i n c trong kk m ch a bão hòa

ph.max: áp su t h i n c trong kk m bão hòa

ch ch lên phía trên

khi g p ng t=100°C s là ng

th ng ng

vùng, phía trên là kk m ch a BH, phía d i là kk m quá BH

su t c a h i n c trong kk m