Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 2c: Tính chất của vật chất (Properties of Substances)

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 2c: Tính chất của vật chất (Properties of Substances). Mục đích của chương này nhằm: 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);… Mời các bạn cùng tham khảo.

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

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)

 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:

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

 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

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

 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

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

 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 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, 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;

 Vùng hơi quá nhiệt.

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

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

Độ khô – Trạng thái của môi chất trên đồ thị pha

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

1

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

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

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

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

lỏng, vùng hơi quá nhiệt), cần

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 =

ost.

Saturated Liquid and Saturated Vapor States

Table A-5

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

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 2m3hơi 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:

g f

g

m

m m

fg f

f g f

g f

g g f g

g g f f

g f

v v v

where

xv v

v

v v x v

v

xv v x v

v m v m m

v m v

) 1

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)

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

T=c onst.

P sat

P

Lỏng chưa sôi (Compressed liquid): Table A-7

 Vùng phía bên phải môi chất tổn tại ở thể lỏng

Compressed Liquid

P=c

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)

80

Approximate value Precise valueAcceptable

Phép nội suy (sử dụng khi tra bảng)

5 100

1

x x

x x

y

−

− +

 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?

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

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

- Lỏng;

- Lỏng bão hòa;

- Hơi bão hòa ẩm (hỗn hợp);

- Hơi bão hịa khơ;

- Hơi q nhiệt

Biến đổi pha P-v diagram

... class="page_container" data-page="12">

P-v diagrams with Solid Phase

 Đồ thị P – v với vật chất co lại

đông đặc

 P – v với vật chất giãn... class="page_container" data-page="19">

Example 2-5 :

Saturated Liquid-vapor mixture (continued)

 An 80-L vessel contains kg of refrigerant 134a