Chương 1: Khái Niệm Cơ Bản Và PTTT Của Vật Chất Thể Khí Trang Chương 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ 1.1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG Nhiệt động lực học kỹ thuật phận vật lý học, môn học sở nhằm nghiên cứu thiết kế máy nhiệt nói riêng hệ thống nhiệt động nói chung Mục tiêu nghiên cứu quy luật biến đổi lượng (là nhiệt năng) biện pháp nâng cao hiệu biến đổi Cơ sở nhiệt động lực học định luật nhiệt động thứ nhiệt động lực thứ hai - Định luật đề cập đến vấn đề bảo toàn lượng (chủ yếu nhiệt công) khảo sát biến đổi lượng tổng chất môi giới trước sau trình - Định luật rõ q trình diễn hay không diễn ra, điều kiện để trình diễn ngược với chiều tự nhiên nó, mức giới hạn lượng dùng để chuyển đổi công động nhiệt Đối tượng nghiên cứu phạm vi nhiệt động lực học gọi hệ thống nhiệt động Bên hệ thống có chất mơi giới trạng thái chất mơi giới thay đổi hệ thống hoạt động Chính thay đổi trạng thái chất môi giới làm xuất trao đổi công nhiệt lượng chất môi giới môi trường Trong hệ thống nhiệt lượng vận chuyển từ nguồn nhiệt đến nguồn nhiệt khácqua trung gian chất môi giới Theo hướng chuyển động nhiệt lượng máy nhiệt chia thành hai lọai: - Máy nhiệt làm việc theo chu trình thuận chiều gọi chung động nhiệt - Máy nhiệt làm việc theo chu trình ngược chiều gọi chung bơm nhiệt hay máy làm lạnh Trong thực tế chất môi giới bên hệ thống nhiệt động biến đổi trạng thái liên tục tạo nên q trình có tính chất khép kín q trình có tính chất khép kín chu trình Nhiệt động lực học cần cho lĩnh vực: - Bơm máy nén - Hệ thống điều hịa khơng khí, máy lạnh, bơm nhiệt, thơng gió - Cơng nghệ tách khí hóa lỏng - Các lọai động turbine, động đốt trong, động phản lực - Các thiết bị sử dụng nước 1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA 1.2.1 Hệ thống nhiệt động Hệ nhiệt động vật nhiều vật tách riêng khỏi vật khác để nghiên cứu tính chất nhiệt động chúng Tất khơng nằm hệ thống không thuộc phạm vi khảo sát gọi môi trường Giữa môi trường chất môi giới tồn bề mặt ranh giới Chất môi giới hoạt động bên hệ thống trình làm việc chất môi giới biến đổi trạng thái để vận chuyển nhiệt lượng từ Trường ĐHCN Tp HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 1: Khái Niệm Cơ Bản Và PTTT Của Vật Chất Thể Khí Trang nguồn nhiệt đến nguồn nhiệt khác Hệ thống hoạt động phải có đầy đủ ba yếu tố: chất mơi giới, nguồn nóng nguồn lạnh Hệ thống nhiệt động phân nhiều loại: - Hệ kín hệ có: + Trọng tâm hệ khơng chuyển động (khơng có chuyển động vĩ mơ), có chuyển động với vận tốc nhỏ mà ta hồn tồn bỏ qua động + Khối lượng hệ không đổi + Môi chất bên hệ không qua bề mặt ranh giới hệ với môi trường Ví dụ: Mơi chất chứa bình kín, nước chu trình động lực nước nhà máy nhiệt điện, … - Hệ hở hệ có: + Trọng tâm hệ có chuyển động (chuyển động vĩ mô) + Khối lượng hệ thay đổi + Môi chất bên hệ qua bề mặt ranh giới hệ với mơi trường Ví dụ: Các động nhiệt có trao đổi nhiệt với mơi trường qua đường khí thải, qua xylanh máy có trao đổi công qua pittông - Hệ đoạn nhiệt hệ không trao đổi nhiệt với môi trường - Hệ cô lập hệ khơng có trao đổi lượng hay khơng có trao đổi nhiệt cơng với mơi trường 1.2.2 Động nhiệt, bơm nhiệt và máy lạnh 1.2.2.1 Động nhiệt: Là loại máy nhận nhiệt dùng để sinh công Các máy làm việc theo nguyên lý: Mơi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng giãn nở để biến phần nhiệt thành cơng sau nhả phần nhiệt cịn lại cho nguồn lạnh Ví dụ: Động đốt trong, động phản lực, má nước v.v 1.2.2.2 Bơm nhiệt và máy lạnh: Về nguyên lý bơm nhiệt máy làm lạnh giống Các máy nhận cơng từ bên ngồi để chuyển nhiệt lượng từ mơi trường có nhiệt độ thấp đến mơi trường có nhiệt độ cao Về phạm vi họat động khác nhau: - Máy lạnh: nhiệt lượng chuyển từ nơi có nhiệt độ thấp mơi trường xung quanh đến môi trường xung quanh hay máy lạnh dùng làm lạnh vật - Bơm nhiệt: nhiệt lượng chuyển từ môi trường xung quanh đến nơi có nhiệt độ cao mơi trường xung quanh hay bơm nhiệt để sưởi ấm, sấy vật 1.2.3 Nguồn nhiệt: Là nơi cung cấp nhận nhiệt chất mơi giới chu trình Trong chu trình phải có nguồn nhiệt, nguồn nóng có nhiệt độ T 1, nguồn lạnh có nhiệt độ T2 (T1 > T2) Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, số trường hợp người ta quy ước nhiệt độ nguồn khơng thay đổi suốt q trình trao đổi nhiệt với chất môi giới 1.2.4 Chất môi giới Trường ĐHCN Tp HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 1: Khái Niệm Cơ Bản Và PTTT Của Vật Chất Thể Khí Trang Là chất trung gian dùng để thực trình biến đổi nhiệt cơng hệ thống nhiệt động Chất mơi giới trạng thái rắn, lỏng, khí Trong máy nhiệt thường gặp dạng khí, thể khí có khả thay đổi thể tích lớn có khả sinh cơng lớn Mọi chất khí tự nhiên khí thực, tập hợp vơ số phân tử nguyên tử, phân tử ngun tử tích có lực tương tác định Để đơn giản cho việc nghiên cứu ngừơi ta đưa khái niệm khí lý tuởng khí mà phân tử nguyên tử khơng có lực tương tác khơng tích thân Có thể xem khí hyđro, oxy, nitơ, khơng khí … khí lý tưởng 1.2.5 Cơng và nhiệt lượng Khi vật tác dụng lẫn nhau, chúng trao đổi cho lượng Sự truyền lượng thực hai cách: Thực hiện một công của vật này đối với vật kia: Lúc lượng vật tăng lên lượng lượng vật Công nhiệt động kỹ thuật ký hiệu L quy ước công vật sinh dương ngược lại công vật nhận âm Năng lượng truyền từ vật nóng sang vật lạnh chúng tiếp xúc với nhau: Năng lượng trao đổi dạng gọi nhiệt lượng Nhiệt lượng nhiệt động kỹ thuật ký hiệu Q quy ước nhiệt lượng vật nhận dương vật thải âm Đơn vị để đo công nhiệt lượng Juole hay kiloJuole (ký hiệu J, hay kJ), ngồi nhiệt lượng cịn đo đơn vị calo, kilocalo (ký hiệu Cal, kCal), theo đơn vị quốc tế dùng Juole, Juole Calo có quan hệ sau: Calo = 4,1868 J 1.2.6 Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch Quá trình thuận nghịch trình cân biến đổi trạng thái từ sang ngược lại từ sang theo trạng thái trung gian chất môi giới điểm mà không làm thay đổi trạng thái hệ thống mơi trường bên ngồi hay khơng gây tổn thất lượng (Nghĩa là: không bị ma sát, khơng có sức cản q trình chuyển động) Đây q trình lý tưởng khơng tồn thực tế, ta coi chuyển động học không ma sát, chuyển động thể lỏng khơng ma sát, truyền nhiệt khơng có độ chênh lệch nhiêt độ trình thuận nghịch Ngược lại q trình khơng thỏa mãn điều kiện gọi q trình khơng thuận nghịch Nghĩa q trình khơng thể quay trạng thái ban đầu, muốn trở phải cung cấp lượng (vì trình chuyển động ma sát, sức cản khơng khí, lượng tổn thất mơi trường xung quanh) Nói cách khác hệ thống mơi trường khơng trì trạng thái ban đầu sau q trình diễn Tóm lại tất trình diễn thực tế trình khơng thuận nghịch Ví dụ: Q trình trao đổi nhiệt vật nóng vật lạnh có độ chênh lệch nhiệt độ ΔT = T1 – T2 lúc dịng nhiệt chuyển từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp Trường ĐHCN Tp HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 1: Khái Niệm Cơ Bản Và PTTT Của Vật Chất Thể Khí Trang Nếu muốn trình diễn ngược lại nghĩa dịng nhiệt di chuyển từ vật có nhiệt độ thấp sang vật có nhiệt độ cao phải sử dụng thiết bị phải tốn công, nghĩa phải cung cấp cơng từ bên ngồi mơi trường xung quanh biến đổi Vì trình khơng thuận nghịch Nếu ΔT = q trình trao đổi nhiệt diễn theo chiều không làm biến đổi môi trường => q trình thuận nghịch ( khơng xảy thực tế) 1.3 THƠNG SỚ TRẠNG THÁI Mơi chất tồn ba trạng thái: rắn, lỏng, khí Ở điều kiện khác mơi chất tồn trạng thái khác Ở điều kiên không đổi môi chất tồn trạng thái Trạng thái môi chất xác định thông qua điều kiện vật lý mà tồn tại, điều kiện vật lý thơng số trạng thái Thông số trạng thái đại lượng vật lý có giá trị xác định trang thái xác định Thơng số trạng thái hàm phụ thuộc vào trạng thái mà không phụ thuộc vào trình Để xác định trạng thái phải dùng hai thơng số trạng thái độc lập Các thông số trạng thái: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng thơng số trạng thái chúng đo trực tiếp Các thơng số trạng thái cịn lại hàm trạng thái phải thơng qua thơng số đo 1.3.1 Nhiệt độ (Temprature) Nhiệt độ đại lượng vật lý, biểu thị mức độ nóng, lạnh vật, yếu tố định hướng chuyể động dòng nhiệt Nhiệt độ nhiệt động kỹ thuật nhiệt độ tuyệt đối, ký hiệu T, đơn vị °K (nhiệt độ Kelvin) Dụng cụ để đo nhiệt độ gọi nhiệt kế Để đo nhiệt độ người ta dựa vào tính chất vật lý vật thay đổi theo nhiệt độ Trong nhiệt động kỹ thuật thường dùng hai thang đo nhiệt độ nhiệt độ bách phân nhiệt độ tuyệt đối - Nhiệt độ bách phân thang nhiệt độ Celcius, kí hiệu t, đơn vị °C xây dựng sở lấy điểm nước đá tan 0°C nước sôi 100°C điều kiện áp suất tiêu chuẩn 760 mmHg - Nhiệt độ tuyệt đối Kelvin, kí hiệu T, đơn vị °K, tính số nhiệt độ bách phân cộng thêm 273,15 nghĩa là: T = t + 273,15 ≈ t + 273 (1.1) Ngoài hệ thống nhiệt độ Mỹ, Anh số nước khác dùng thang nhiệt độ Fahrenheit, ký hiệu °F; nhiệt độ Rankine ký hiệu °R Quan hệ nhiệt độ C, nhiệt độ F nhiệt độ R sau: (1.2) °C = (°F _ 32) 9 °F = °C + 32 (1.3) °F = °R _ 460 (1.4) Trường ĐHCN Tp HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 1: Khái Niệm Cơ Bản Và PTTT Của Vật Chất Thể Khí Trang 1.3.2 Áp suất (Pressure) Áp suất lực tác dụng phần tử chất khí theo phương pháp tuyến lên đơn vị diện tích thành bình chứa chất khí đó, áp suất ký hiệu p F Ta có: [N/m²] hay [Pa] (1.5) p= , S Trong đó: - F: tổng lực tác dụng phân tử khí bình chứa [N] - S: diện tích thành bình chứa chất khí [m2] Đơn vị áp suất N/m2, pascal (Pa), N/m2 nhỏ nên thực tế người ta thường dùng bội số N/m2 gọi bar, bar = 105 N/m2, N/m2 gọi pascal (Pa) Trước người ta dùng đơn vị áp suất kg/ cm2 gọi atmosphere kỹ thuật (at) dùng mm cột thuỷ ngân (mmHg) mm cột nước (mmH 2O) quan hệ thông số biểu thị sau: at = kg/ cm2 = 0,981 bar = 0,981× 105 N/m2 mmH2O = 0,1 at = 0,098 bar mmHg =133,322 N/ m2 kPa = 103 Pa; MPa = 106 Pa Ngoài Mỹ, Anh người ta dùng số đợn vị khác PSI (Pound per Square Inch, Lb/ in2), công thức chuyển đổi sau: kg/ cm2 = 14,2 PSI PSI = 0,07at Áp suất thật chất khí áp suất tuyệt đối, kí hiệu p thông số trạng thái Áp suất tuyệt đối khí kí hiệu p 0, phần áp suất chất khí lớn áp suất khí áp suất dư kí hiệu p d , phần áp suất nhỏ áp suất khí gọi độ chân khơng kí hiệu pck Ta có: p = po + pd p = po – pck (1.6) (1.7) Dụng cụ để đo áp suất gọi áp kế, thực tế áp kế có ba loại: - Áp kế dùng để đo áp suất khí gọi Barometer - Áp kế dùng để đo áp suất dư gọi Manometer - Áp kế dùng để đo chân không gọi Vacuumeter hay chân không kế 1.3.3 Thể tích riêng(specific Volume) và khối lượng riêng (specific Mass) Thể tích riêng thể tích đơn vị khối lượng, ký hiệu v, xác định biểu thức: Trường ĐHCN Tp HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 1: Khái Niệm Cơ Bản Và PTTT Của Vật Chất Thể Khí Trang v= Trong đó: V , G [m3/kg] (1.8) V: thể tích vật (m3) G: khối lượng vật (kg) Đại lượng nghịch đảo thể tích riêng khối lượng riêng, ký hiệu ρ ρ= G = , kg / m V V (1.9) 1.3.4 Nội năng: - Ký hiệu là: U (J) khối lượng chất môi giới G kg hay u (J/kg) khối lượng chất môi giới kg - Nội toàn dạng lượng bên vật - Nội gồm: nội nhiệt (liên quan đến chuyển động hỗn loạn phân tử, nguyên tử) dạng lượng khác (hoá năng, lượng nguyên tử, ) Trong nhiệt động không xảy phản ứng hoá học, phản ứng hạt nhân… dạng lượng khác không thay đổi hay biến đổi chúng không, nên ta xét đến thành phần nội nhiệt Và nói đến nội có nghĩa nội nhiệt Nội gồm: - Nội động chuyển động phân tử nguyên tử gây nên phụ thuộc vào nhiệt độ tăng lên nhiệt độ tăng - Nội năng lực tác động tương hỗ phân tử tạo nên phụ thuộc vào khoảng cách phân tử hay thể tích riêng Khi thể tích riêng khối khí thay đổi, khoảng cách thay đổi, nội thay đổi Như nội chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ thể tích riêng chất khí, nghĩa phụ thuộc vào hai thông số độc lập Nội thông số trạng thái nên biến thiên khơng phụ thuộc vào đặc tính q trình, phụ thuộc vào trạng thái đầu cuối Vậy nội hàm nhiệt độ thể tích Ta có: u = f (T,v) Đối với khí lý tưởng khơng có lực tương tác phân tử nên nội 0, nội khí lý tưởng phụ thuộc vào nhiệt độ hay nội hàm nhiệt độ : u = f (T) Trong nhiệt động học không yêu cầu xác định giá trị tuyệt đối nội mà cần tính độ biến thiên nội ∆u nên chọn điểm gốc tùy ý mà nội có giá trị kJ = 0,2392 kCal; hay kCal = 4,18 kJ 1.3.5 Entanpi (i) Ký hiệu: hay I [J] khối lượng chất môi giới G kg i [J/kg] hay h [J/kg] khối lượng chất môi giới kg Trường ĐHCN Tp HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 1: Khái Niệm Cơ Bản Và PTTT Của Vật Chất Thể Khí Trang Trong nhiệt động, entanpi định nghĩa biểu thức: I = U + pV Hay i = u + p (1.10) Đối với khí lý tưởng, u pv phụ thuộc vào nhiệt độ i phụ thuộc vào nhiệt độ, entanpi (i) hàm số nhiệt độ i = f (T) Đối với khí thực entanpi hàm phụ thuộc vào hai ba thông số trạng thái p, v, t Entanpy không trực tiếp đo mà phải tính tốn Trong nhiệt động kỹ thuật ta cần biết lượng biến đổi entanpi ∆i, chọn điểm tùy ý để làm gốc mà tạo giá trị entanpi 1.3.6 Entropi (s) Ký hiệu hay S (J/kg.oK) khối lượng chất môi giới G kg s (kJ/kg.oK) khối lượng chất môi giới kg Entropy khơng đo trực tiếp mà phải tính tốn Trong nhiệt động entropy định nghĩa sau: dq ds= (1.11) T Độ biến đổi entropy không phụ thuộc vào đặc tính q trình thay đổi trạng thái chất khí mà phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối trình 1.4 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ 1.4.1 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng: Khí lý tưởng khí lực tương tác phân tử khơng thể tích thân phân tử khơng Phương trình trạng thái khí lý tưởng rút từ tổng kết kết thực nghiệm, sau chứng minh lý luận nhờ vào thuyết động học phân tử Vào khoảng năm 1662 R.Boyle năm 1676 E.Mariotle từ thực nghiệm phát mối liên hệ thể tích riêng áp suất tuyệt đối khí lý tưởng điều kiện nhiệt độ không đổi, gọi định luật Boyle biểu thị phương trình sau : pv = const T = const Năm 1802 J.L Gay- Lussac phát mối liên hệ thể tích riêng v nhiệt độ tuyệt đối T biểu thị phương trình sau: v = const p = const T Sau theo lý thuyết động học phân tử, người ta rút phương trình trạng thái khí lý tưởng - Phương trình trạng thái khí lý tưởng cho kg chất khí: pv = RT (1.12) Trường ĐHCN Tp HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 1: Khái Niệm Cơ Bản Và PTTT Của Vật Chất Thể Khí Trang 10 (1.12) gọi phương trình Clapeyron - Phương trình trạng thái khí lý tưởng cho G kg pV = GRT Trong đó: R số chất khí lý tưởng, R = 8314/ µ (J/kg.độ) (1.13) V thể tích chất khí ( m3) p: áp suất tuyệt đối (N/m2) T: nhiệt độ tuyệt đối (0K) v: thể tích riêng (m3/kg) - Ngồi người ta cịn viết phương trình trạng thái cho kmol chất khí sau: Từ (1.12), nhân vế với µ ta có: pvµ = µ R T (1.14) Trong đó: - vµ = Vµ : thể tích kmol chất khí (m3/ kmol) - µR = Rµ : số kmol chất khí (J/ kmol.0K ) -µ : phân tử lượng hỗn hợp khí Vậy ta có phương trình trạng thái cho kmol chất khí sau: p Vµ = Rµ T (1.15) Từ pt (1.15) ta tính Rµ sau: Rµ = pV µ T Theo định luật Avơgađrơ điều kiện tiêu chuẩn (p = 760 mmHg, t = 0C) thể tích kmol khí lý tưởng Vµ = 22,4 m3 Vậy ta có: 760 x 10 x 22,4 Rµ = 750 = 8314 J / kg K 273,15 ( Như số chất khí R xác định: R = Đối với M kmol bất kỳ, ta có: ( ) 8314 J / kg K µ ) (1.16) pVµ M = M Rµ T Hay pV = M Rµ T (vì Vµ M = V) (1.17) 1.4.2 Phương trình trạng thái của khí thực Các chất khí thực tế khí thực Khí thực bỏ qua tương tác phân tử thể tích thân chúng Vì khí thực khơng thể áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng Phương trình trạng thái khí thực rút từ thực nghiệm, có 200 phương trình trạng thái khí thực Trường ĐHCN Tp HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 1: Khái Niệm Cơ Bản Và PTTT Của Vật Chất Thể Khí Trang 11 cơng bố phương trình gần phạm vi ứng dụng giới hạn Năm 1871 Vander Walls đưa phương trình trạng thái khí thực dựa phương trình trạng thái khí lý tưởng (p + a )(v − b) = RT v2 (1.18) Trong đó: b: đại lượng hiệu chỉnh có kể đếế́n thể tích thân phân tử, thể tích phân tử kg chất khí a - hệ số hiệu chỉnh có kể đến lực tương tác phân tử v2 Nếu chất khí có áp suất thấp nhiệt độ cao thể tích riêng v lớn nên trị a số nhỏ giá trị (v-b) tiến tới v Như phương trình tiến tới v phương trình trạng thái khí lý tưởng 1.5 HỖN HỢP KHÍ LÝ TƯỞNG 1.5.1 Tính chất: Trong thực tế người ta thường gặp chất môi giới hỗn hợp vài chất khí Ví dụ khơng khí hỗn hợp O2, N2, CO2, H2 , nước Hỗn hợp khí hỗn hợp học chất khí thành phần khơng xảy phản ứng hóa học Hỗn hợp khí tạo nên từ chất khí gọi khí lý tưởng xem khí lý tưởng đồng Các chất khí thành phần phân bố tồn thể tích hỗn hợp khí, có nhiệt độ - Áp suất khí thành phần tuân theo định luật Dalton: “Trong điều kiện khơng có phản ứng hoá học, áp suất hỗn hợp khí lý tưởng bằng tổng các áp suất riêng phần (còn gọi là phân áp suất) của các chất khí thành phần” n p = p1 + p + + p n = ∑ pi (1.19) i =1 Trong đó: p: Áp suất hỗn hợp khí pi: Áp suất khí thành phần hay phân áp suất - Định luật Amagat (như Hệ định luật Dalton): Thể tích hỗn hợp tổng thể tích riêng phần thành phần n V =V1 +V2 + +V , n = ∑Vi i =1 Thể tích riêng phần Vi thể tích chốn chỗ thành phần thứ i thành phần điều kiện áp suất nhiệt độ hỗn hợp Ta có: pVi = Gi Ri T - Nhiệt độ khí thành phần Ti = nhiệt độ hỗn hợp T: Ti = T Trường ĐHCN Tp HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 1: Khái Niệm Cơ Bản Và PTTT Của Vật Chất Thể Khí Trang 12 Gọi: V, T: thể tích nhiệt độ hỗn hợp khí pi: áp suất riêng phần chất khí thành phần thứ i hỗn hợp Gi : khối lượng chất khí thành phần thứ i hỗn hợp Ri: số chất khí thành phần thứ i hỗn hợp Ta có phương trình trạng thái khí thành phần hỗn hợp: piV = GiRiT (1.20) 1.5.2 Thành phần của hỗn hợp: Thành phần khối lượng (gi): Là tỷ số khối lượng chất khí thành phần với khối lượng hỗn hợp khí gi = Trong đó: Gi G (1.21) gi: Thành phần khối lượng Gi: Khối lượng chất khí thành phần ( kg) G: Khối lượng hỗn hợp khí (kg) n G = G1 + G2 + + Gn = ∑ Gi Ta có: i =1 gi = Nên ta có: Gi n ⇒ gi = ∑ gi = n ∑G i =1 i =1 i (1.22) n Gi G1 G2 Gn = + + + ⇒ g = g + g + + g = gi Hoặc viết : ∑ n G G G G i =1 Thành phần thể tích (ri): Là tỷ số thể tích riêng phần (cịn gọi phân thể tích) chất khí thành phần so với thể tích hỗn hợp V ri = i (1.23) V Trong đó: : thể tích riêng phần ri : thành phần thể tích hỗn hợp khí V: Thể tích hỗn hợp khí n n Vi n V r = = ∑ Vi = = Như ta có: ∑ ∑ i V i =1 V i =1 i =1 V Vi (1.24) Thành phần mol: Là tỷ số số mol (Mi) chất khí thành phần với tổng số mol hỗn hợp khí(M) mi = Ta có: Mi M (1.25) Mi: số mol khí thành phần M: tổng số mol hỗn hợp khí Trường ĐHCN Tp HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 1: Khái Niệm Cơ Bản Và PTTT Của Vật Chất Thể Khí Trang 13 Theo định luật Avogadro: điều kiện nhiệt độ áp suất, thể tích kmol tất khí lý tưởng nghĩa là: Vμ i = Vμ M i Vμi M V Như ta có: ri = i = = i MVμ V M => Như thành phần thể tích bằng thành phần mol: ri = mi 1.5.3 Xác định các đại lượng của hỗn hợp: Phân tử lượng của hỗn hợp (µ hh): tỷ số khối lượng G số mol M hỗn hợp µhh = Ta có G = M ∑ Miµ M n = ∑ μ i ri (1.26) i =1 G G G n n n g G = µhh = = = ∑ i ∑ i M ∑ Mi i =1μ i i =1 i =1 μ i Ta có: Hằng sớ chất khí R của hỗn hợp khí (Rhh) 8314 n gi 8614 Rhh = = n = 8314 ∑ µ hh ∑ μ i ri i =1 µ i Ta có: i =1 Ngồi ta có: n pi V= GiRiT n GiR iT i =1 V hay ∑ p i = ∑ i =1 mà pV = GRT n G i R i T GRT = ∑ p i = P V i =1 V i =1 n ∑ Do ta có: n n Và ta có Rhh = ∑ G i Ri T n ∑G R V = i =1 i i = ∑ g i R i × GT i =1 G i =1 V (1.27) Thể tích riêng và khối lượng riêng của hỗn hợp - Thể tích riêng hỗn hợp khí (v): n n g Gi ∑V V i v= = i =1 i = ∑ =∑ G ρ i i =1ρ i G G (1.28) - Khối lượng riêng hỗn hợp khí (ρ) Trường ĐHCN Tp HCM Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 1: Khái Niệm Cơ Bản Và PTTT Của Vật Chất Thể Khí Trang 14 n ρ=G = V ∑Gi i =1 V = n n ∑ Vi ρ i = ∑ ri ρ i V i =1 i =1 (1.29) Áp suất riêng phần (pi): Ta có: piV = phhVi pi = Vi p = riphh Vhh hh VÍ DỤ: Bài 1: Chỉ số manomet lò 0,3 at, số baromet oC 785 mmHg Xác định áp suất tuyệt đối lò Giải: Áp suất lò hơi: p = p d + p = 0,3 + 785 = 1,367 at = 1,34 bar 735,6 Bài 2: Xác định áp suất tuyệt đối khí bình chứa có nhiệt độ 170 oC, manomet 500 mmHg Áp suất khí trời đo baromet 760 mmHg nhiệt độ 30 oC hai trường hợp a Coi chiều cao chiều cao cột thủy ngân áp kế không đổi theo nhiệt độ b Coi chiều cao chiều cao cột thủy ngân h áp kế phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ h0 = h(1-0,000172t) Trong h0 chiều cao cột thủy ngân oC Giải: a) p = p d + p = 500 + 760 = 1260 mmHg = 1260 = 1,68 bar 750 b) Chiều cao cột thủy ngân manomet quy oC: h0 = h(1 − 0,000172t ) = 500(1 − 0,000172 × 100) = 491,4 mmHg Trong đó: t tính theo nhiệt độ trung bình cột thủy ngân nhiệt độ ngồi trời bình t= 170 + 30 = 100 0C Chiều cao cột thủy ngân banomet quy oC: h0 = h(1 − 0,000172t ) = 760(1 − 0,000172 × 30) = 756 mmHg Vậy áp suất tuyệt đối bình: p = p d + p = 491,4 + 756 = 1247,4 mmHg = Sai số a so với b trường hợp: Trường ĐHCN Tp HCM 1247,4 = 1,663 bar 750 1,68 − 1,663 = 1% 1,663 Khoa CN Nhiệt - Lạnh Chương 1: Khái Niệm Cơ Bản Và PTTT Của Vật Chất Thể Khí Trang 15 Từ ta thấy nhiệt độ bình ngồi trời khơng cao ta bỏ qua việc hiệu chỉnh chiều cao cột thủy ngân áp kế chất lỏng thủy ngân Bài 4: Dùng không khí nén bình chứa, áp suất khơng khí giảm từ 60 bar đến 45 bar Tính lượng khơng khí dùng Biết bình chứa tích 70 lít, nhiệt độ khơng khí 27 0C Hằng số chất khí khơng khí R = 287 J/ kg.độ Giải: Viết phương trình trạng thái khơng khí chứa bình chứa trước sau dùng: p1V = G1 RT ; p 2V = G2 RT Lượng khơng khí dùng G = G1 − G2 = P1V P2V V − = ( p1 − p2 ) RT RT RT 70 1000 Thay số vào ta có: G = (60 − 45) × 10 = 1.2 kg 287(273 + 27) Bài 5: Thành phần thể tích hỗn hợp khí sau: rCO2 = 12%, rO2 = 5%, rH 2O = 3% rN = 80% Xác định khối lượng riêng hỗn hợp điều kiện tiêu chuẩn: n Giải: Ta có: µ = ∑ µ i ri = µ O rO + µ CO rCO + µ H O rH O + µ N rN i =1 2 2 2 2 Thay số vào ta có: µ = 32× 0,05+ 44× 0,12+ 18× 0,03+ 28× 0,8 = 29,82kg/ kmol Khối lượng riêng hay gọi mật độ riêng hỗn hợp điều kiện tiêu chuẩn: ρ tc = µ 29,82 = = 1,331kg/ m3 22,4 22,4 Thể tích riêng điều kiện tiêu chuẩn: vtc = Trường ĐHCN Tp HCM 1 = = 0,751m3 / kg ρ tc 1,331 Khoa CN Nhiệt - Lạnh ... thái chất khí mà phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối trình 1.4 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHẤT Ở THỂ KHÍ 1.4.1 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng: Khí lý tưởng... (1.17) 1.4.2 Phương trình trạng thái của khí thực Các chất khí thực tế khí thực Khí thực khơng thể bỏ qua tương tác phân tử thể tích thân chúng Vì khí thực khơng thể áp dụng phương trình... 1: Khái Niệm Cơ Bản Và PTTT Của Vật Chất Thể Khí Trang 10 (1.12) gọi phương trình Clapeyron - Phương trình trạng thái khí lý tưởng cho G kg pV = GRT Trong đó: R số chất khí lý tưởng, R = 8314/