Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo dành cho giáo viên, học sinh chuyên môn hóa học - NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC.Trong nhiệt động lực học kĩ thuật, ta mặc định công nhận chất trong hệ hay thể tích điều khiển của chúng ta
Chương VI Thursday, October 08, 2009 CHẤT THUẦN KHIẾT § 6.1. Khái Niệm Chất thuần khiết: Là chất có thành phần hóa học đồng nhất và ổn đònh trong suốt quá trình khảo sát. Bao gồm: 9 Hỗn hợp nhiều pha của một chất thuần khiết. 9 Hỗn hợp đồng nhất của nhiều chất với điều kiện là thành phần hóa học của nó không bò biến đổi. Ví Dụ: x Hỗn hợp nước đá và nước. x Không khí khô. x Nhưng không khí trong quá trình hóa lỏng thì không (bởi vì các thành phần của không khí ngưng tụ ở nhiệt độ khác nhau ứng với áp suất đã cho o thay đổi tỷ lệ hòa trộn) Lưu ý: Chất thuần khiết là thuật ngữ chỉ một nhóm chất. ng dụng: 9 Trong các trung tâm nhiệt điện. 9 Trong các thiết bò động lực hơi nước. 9 Trong quá trình sấy. 9 Trong máy lạnh… 9 Trong xử lý không lý ẩm. 9 … Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 1 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết § 6.2. Pha Của Chất Thuần Khiết Pha Pha là một cấu trúc có sắp xếp phân tử rõ ràng, đồng nhất và được tách ra khỏi pha khác bằng bề phân pha. Chất thuần khiết tồn tại ở các pha khác nhau phụ thuộc vào mức năng lượng. T Q Trҥng thái rҳn Trҥng thái lӓng Trҥng thái hѫi Bay hѫi Nóng chҧy constp Hình trên mô tả sự thay đổi trạng thái của chất thuần khiết ở điều kiện áp suất hằng số khi được cung cấp thêm năng lượng bằng nhiệt lượng – ví dө đӕt nóng chảy một khối nước đá thành lỏng, sau đó biến thành hơi Nhận xét Trạng thái hơi chiếm năng lượng nhiều nhất Quá trình biến đổi pha thì nhiệt độ không thay đổi Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 2 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết 6.2.1 Pha rắn 9 Các phân tử được giữ cố đònh trong một mạng cấu trúc tinh thể, lực hấp dẫn giữa các phân tử rất lớn và ngăn cản chuyển động tự do của các phân tử. 9 Phân tử chyển động quanh vò trí cân bằng của nó và càng mạnh với nhiệt độ tăng lên. 9 Nếu nhiệt độ đủ cao, thì lực phân tử ở một phần nào đó trở nên vượt quá mức, và nhóm phân tử bắt đầu bò phá vỡ. Đây là sự bắt đầu của quá trình nóng chảy. Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 3 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết 6.2.2 Pha lỏng 9 Các phân tử chuyển động tự do xung quanh các phân tử khác, nhưng vẫn duy trì một cấu trúc có trật tự bên trong mỗi vùng. 9 Khoảng cách giữa các phân tử thông thường tăng rất ít khi biến đổi từ rắn sang lỏng (nhưng nước là một ngoại lệ). 6.2.3 Pha khí 9 Các phân tử rời ra xa các phân tử khác và các phân tử không được sắp xếp theo một trật tự nào. 9 Các phân tử chuyển động ngẫu nhiên và chiếm nhiều năng lượng hơn so với pha lỏng và pha rắn. Minh họa sau thể hiện “cấu trúc” ba pha của chất thuần khiết Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 4 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết § 6.3. Quá Trình Biến Đổi Pha Của Chất Thuần Khiết Ba pha của chất thuần khiết có thể chuyển biến qua lại: Dưới đây chúng ta khảo sát sự biến đổi trạng thái từ lỏng o hơi với đại diện của chất thuần khiết là nước. Hãy xem xét hệ thống piston-cylinder chứa nước lỏng ở 20oC và áp suất 1atm – là áp suất khí quyển. Trong quá trình khảo sát áp suất được giữ không đổi – lưu ý đến quá trình nấu nước hàng ngày trạng thái này – trạng thái 1 – nước tồn tại ở trạng thái lỏng được gọi là lỏng chòu nén hay lỏng quá lạnh do nó chưa thực hiện quá trình bay hơi liền (khi được cung cấp nhiệt) Khi được cung cấp nhiệt lượng thì nhiệt độ sẽ tăng lên, chất lỏng giãn nở nhẹ và như vậy thể tích riêng tăng lên cũng rất nhẹ Nhiệt độ sẽ tiếp tục tăng khi được cung cấp nhiệt lượng cho đến khi nước đạt 100oC Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 5 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết Nước lỏng đang ở trạng thái 100oC Khi được cung cấp thêm nhiệt lượng thì nhiệt độ không tăng – năng lượng thêm vào này được sử dụng thực hiện sự chuyển pha – trên bề mặt một số phân tử nước tách khỏi lực liên kết của các phân tử khác để chuyển sang trạng thái hơi – pha hơi Quá trình biến đổi pha lỏng o hơi cứ thế tiếp diễn khi được cung cấp thêm nhiệt lượng nếu vẫn còn lỏng trong hệ thống Nhiệt độ phần lỏng vẫn giữ không đổi 100oC khi diễn ra sự chuyển pha, hơi xuất phát từ lỏng 100oC nên nhiệt độ cũng là 100oC Trạng thái hai pha lỏng hơi cùng tồn tại trong hệ thống – trạng thái 3 – được gọi là hơi bão hòa ẩm trạng thái cân bằng, do chênh lệch về khối lượng riêng nên pha lỏng luôn nằm ở phía trên, bề mặt phân pha là mặt phẳng nằm ngang Nhiệt lượng được cung cấp tiếp tục Quá trình chuyển pha kết thúc khi lượng lỏng cuối cùng biến mất Trong hệ thống hoàn toàn là hơi – giống như trạng thái khí – biến đổi trạng thái khi được cung cấp thêm nhiệt lượng là tăng nhiệt độ Trạng thái hơi có nhiệt độ lớn hơn 100oC – trạng thái 5 – gọi là hơi quá nhiệt Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 6 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết Lưu ý Nhiệt độ 100oC gọi là nhiệt độ chuyển pha hay nhiệt độ bão hòa Trạng thái hơi bão hòa ẩm 3 là sự hòa trộn của hai trạng thái – lỏng ở nhiệt độ bão hòa 2 và hơi ở nhiệt độ bão hòa 4 Lỏng ở nhiệt độ sôi gọi là lỏng sôi hay lỏng bão hòa Hơi ở nhiệt độ sôi gọi là hơi bão hòa khô Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 7 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết Sự thay đổi nhiệt độ và thể tích trên đồ thò T-v Một số thuật ngữ cần ghi nhớ 9 Trạng thái 1 lỏng có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ biến đổi pha được gọi là lỏng chưa sôi, còn gọi là lỏng quá lạnh – ý nói có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bão hòa ứng với áp suất đang tồn tại. Ngoài ra còn có tên gọi khác lỏng chòu nén – ý nói áp suất hiện tại lớn hơn áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ đang tồn tại. 9 Trạng thái 2 lỏng ở nhiệt độ biến đổi pha được gọi là lỏng bão hòa hay lỏng sôi bởi vì nó bắt đầu biến thành hơi nếu được cung cấp nhiệt lượng. 9 Trạng thái 4 hơi ở nhiệt độ biến đổi pha được gọi là hơi bão hòa vì nó bắt đầu biến thành lỏng nếu lấy nhiệt lượng ra khỏi hệ thống hay làm lạnh, thường gọi hơi bão hòa khô để phân biệt trạng thái hơi nhưng có chứa lỏng cùng tồn tại. Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 8 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết 9 Trạng thái 3 chất thuần khiết tồn tại một phần lỏng và một phần hơi ở nhiệt độ biến đổi pha được gọi là hơi bão hòa ẩm. Trạng thái cụ thể của hỗn hợp lỏng – hơi bão hòa được xác đònh theo tỷ lệ khối lượng hơi trong hỗn hợp. 9 Trạng thái 5 hơi có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ biến đổi pha ở áp suất đang tồn tại được gọi là hơi quá nhiệt. Nhiệt độ bão hòa và áp suất bão hòa Nhiệt độ sôi của nước (chất thuần khiết nói chung) phụ thuộc vào áp suất mà hệ thống đang chòu Đồ thò sau thể hiện quan hệ của nhiệt độ sôi phụ thuộc vào áp suất trong trường hợp của nước áp suất đã cho, nhiệt độ mà chất thuần khiết bắt đầu sôi được gọi là nhiệt độ bão hòa, Tbh. Cũng vậy, ở nhiệt độ đã cho, áp suất của chất thuần khiết bắt đầu sôi được gọi là áp suất bão hòa, Pbh. Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 9 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết § 6.4. Đồ Thò Trạng Thái Của Quá Trình Biến Đổi Pha 6.4.1 Đồ thò T-v Quá trình biến đổi pha của nước ở 1atm đã được mô tả và vẽ ra trên đồ thò T-v. Quá trình này sẽ được lặp lại với nhiều áp suất không đổi khác (bằng cách thêm trọng lượng vào piston) và trình bày trên đồ thò T-v Khi áp suất của hệ thống tăng lên, nước sẽ sôi ở nhiệt độ cao hơn. Thể tích riêng của lỏng bão hòa cũng lớn hơn, và thể tích riêng của hơi bão hòa thì nhỏ hơn. Do đó đường nằm ngang nối các trạng thái lỏng bão hòa và hơi bão hòa cũng nhỏ hơn, và cuối cùng nó trở thành 1 điểm. Điểm này được gọi là điểm tới hạn. Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 10 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết Điểm tới hạn là điểm mà ở đó trạng thái của lỏng bão hòa và hơi bão hòa không thể phân biệt được. Nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng ở điểm này được gọi tương ứng là nhiệt độ tới hạn Tcr, áp suất tới hạn Pcr, và thể tích riêng tới hạn vcr. Các trạng thái điểm tới hạn của một số chất được cho ở bảng sau: Ctoc KTc barPc ¸¹·¨©§U3cmkg He - 267,91 5,24 2,261 69,3 H2 - 239,91 33,24 12,80 31,0 N2 - 147,1 162,2 33,49 31,0 O2 - 118,82 154,33 49,713 430 CO2 31,0 304,1 72,497 460,8 NH3 132,3 405,4 113 SO2 157 430 75,245 520 CH3CO2OH 243,1 516,2 63,11 275,5 H2O 373,95 647,1 220,6 322 Hg >1550 >1820 >500 310.54 y áp suất trên áp suất tới hạn, sẽ không có quá trình biến đổi pha (giữa lỏng và hơi)! Và, chất thuần khiết tương tự như hơi, nhưng chúng ta không thể nói ở nơi nào xảy ra sự thay đổi. ƠÛ trên trạng thái tới hạn, sẽ không có đường phân biệt giữa trạng thái lỏng chưa sôi và hơi quá nhiệt. Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 11 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết Các trạng thái lỏng bão hòa có thể được nối lại bằng một đường và được gọi là đường lỏng bão hòa. Trạng thái hơi bão hòa cũng có thể nối lại để tạo ra đường hơi bão hòa. Hai đường này sẽ gặp nhau ở điểm tới hạn. Vùng phía trái của đường lỏng bão hòa gọi là vùng lỏng chưa sôi (hay vùng lỏng chòu nén, vùng lỏng quá lạnh) Tất cả trạng thái hơi quá nhiệt nằm về bên phải của đường hơi bão hòa nằm trong một vùng được gọi là vùng hơi quá nhiệt. Tất cả trạng thái hỗn hợp lỏng – hơi bão hòa nằm trong vùng ở phía dưới cái vòm (nối bởi đường lỏng sôi và đường hơi bão hòa khô) được gọi là vùng hỗn hợp lỏng – hơi bão hòa, hay là vùng ẩm. Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 12 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết 6.4.2 Đồ thò P-v Dạng chung của đồ thò P-v của chất thuần khiết rất giống đồ thò T-v, nhưng đường đẳng nhiệt (đường constT ) trên đồ này có phương hướng xuống phía dưới. Khảo sát lại hệ thống piston-cylinder chứa nước ở áp suất 1Mpa và nhiệt độ 150oC. Nước ở trạng thái này tồn tại ở dạng lỏng chưa sôi. Bây giờ trọng lượng trên piston được lấy đi từ từ, do đó áp suất sẽ giảm tương ứng, thể tích thì tăng lên. Hệ thống luôn được lưu ý tới ảnh hưởng với môi trường, bằng việc cung cấp thêm nhiệt lượng ta duy trì nhiệt độ không đổi. Khi đạt đến áp suất bão hòa (0,4762 MPa) thì nước bắt đầu sôi. Trong quá trình sôi áp suất và nhiệt độ giữ không đổi, thể tích tăng nhanh. Khi lượng lỏng hóa hơi hoàn toàn thì tiếp tục giảm áp suất và duy trì nhiệt độ, thể tích tăng. Việc này được lặp lại với các giá trò nhiệt độ khác nhau, ta được đồ thò P-v như sau: Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 13 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 14 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết 6.4.3 Đồ thò khối p-v-T Đồ thò T-v và P-v chỉ trình bày các trạng thái cân bằng bao gồm ở pha lỏng và pha hơi. Các đồ thò này có thể mở rộng để thêm vào pha rắn, Chất thuần khiết được chia làm hai nhóm dựa vào quá trình đông đặc sẽ giãn nở hay co lại. Nguyên tắc cơ bản của quá trình biến đổi pha lỏng – hơi áp dụng như nhau đối với quá trình biến đổi pha rắn – lỏng và rắn – hơi. 1. Chất thuần khiết nén khi đông đặc Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 15 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết Và hình chiếu lên mặt phẳng p-v có dạng Chất thuần khiết nén khi đông đặc Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 16 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết 2. Chất thuần khiết giãn nở khi đông đặc Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 17 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết Và hình chiếu lên mặt phẳng p-v có dạng Chất thuần khiết giãn nở khi đông đặc (ví dụ nước) 3. Đường 3 thể trạng thái cân bằng thì dưới một số điều kiện cả ba pha của chất thuần khiết đều tồn tại đồng thời, trạng thái này trên đồ thò gọi là trạng thái ba thể. Trên đồ thò khối p-v-T thì trạng thái ba thể có cùng nhiệt độ và áp suất, thể tích khác nhau gọi là đường ba thể. Trên đồ thò p-T nó xuất hiện là một điểm, nên còn gọi là điểm ba thể trên đồ thò p-T Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 18 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết 6.4.4 Đồ thò P-T Đồ thò P-T của chất thuần khiết được gọi là đồ thò pha do cả ba pha được tách riêng biệt khỏi các pha khác bằng những đường phân pha. Cả ba đường gặp nhau ở điểm ba thể là nơi mà cả ba pha cùng tồn tại cân bằng. Đường hơi kết thúc ở điểm tới hạn bởi vì không có sự phân biệt giữa pha lỏng và pha hơi ở trên điểm tới hạn. Chất có tính chất giãn nở hoặc co lại khi đông đặc chỉ khác nhau ở đường nóng chảy trên đồ thò P-T. Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 19 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết Có 2 cách để một chất có thể biến đổi pha từ rắn sang hơi: 9Hoặc là nóng chảy rồi sau đó biến thành hơi. 9Hoặc đi trực tiếp sang pha hơi. Quá trình sau diễn ra ở áp suất thấp hơn áp suất điểm ba thể và tạo thành quá trình gọi là thăng hoa (ví dụ: đá khô). Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 20 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết [...]... of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 6. 6.4 Đồ thò i-s 34 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết ( 6- 1 4) N Wkt w kt G 'i , kW 'i , kJ kg di Gw kt 'u12 i2 i1 v p2 p1 0 q 12 'u12 w tt Chương VI – Chất Thuần Khiết ( 6- 2 2) i 2 i1 p 2 v 2 p1 v1 35 of 35 ( 6- 2 1) T s2 s1 q12 Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 'u12 ( 6- 1 9) ( 6- 1 8) ( 6- 1 7) ( 6- 2 0) u2... toanphong@gmail.com 26 of 35 - T - giá trò ở trạng thái hơi bão hòa khô - T - giá trò ở trạng thái lỏng sôi Chương VI – Chất Thuần Khiết - Tx - giá trò của thông số tại trạng thái lỏng-hơi bão hòa đang xét Tổng quát, đặt T là đại diện của các thông số: nội năng, enthalpy, entropy, thể tích riêng hay vx chia hai vế cho Gt: Điểm quan trọng: x Tx T' T"T' 1 x T' x T" T' x T"T' ( 6- 1 1) ( 6- 1 0) ( 6- 9 ) Nguyễn... lượng của hệ thống Nó có giá trò biến đổi từ 0 (hoàn toàn lỏng bão hòa) đến 1 (hoàn toàn hơi bão hòa) đây, ta xác đònh một thông số nhiệt động mới đối với hỗn hợp lỏng – hơi bão hòa được gọi là độ khô x 6. 5.2 Hỗn hợp lỏng-hơi bão hòa vx v' v"v' ( 6- 6 ) ( 6- 5 ) ( 6- 4 ) i ( 6- 7 ) ( 6- 8 ) i' x i" i' i' x r u u' x u" u' Phân tích tương tự đối với nội năng và enthalpy, ta được biểu thức sau: Ta xem thể... 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết Tham khảo cách xác đònh trạng thái trên đồ thò sau, tương tự chung cho nhóm T Đồ thò P-v Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 6. 6.1 31 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết § 6. 6 Một Số Dạng Đồ Thò Thường Sử Dụng Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 6. 6.2 Đồ thò T-s 32 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết Đồ thò log p-i Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 6. 6.3... dùng trong chu trình lạnh (R-12 , R-22 , R-134a, ) Đối với hầu hết các chất, quan hệ giữa các thông số nhiệt động quá phức tạp để có thể biểu diễn bằng những phương trình Do đó, các thông số nhiệt động thường được trình bày ở dạng bảng § 6. 5 Bảng Các Tính Chất Nhiệt Động Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 23 of 35 u i p v.10 3 kJ kg Chương VI – Chất Thuần Khiết ( 6- 1 ) Lưu ý Số liệu trong bảng... 'u12 ( 6- 1 9) ( 6- 1 8) ( 6- 1 7) ( 6- 2 0) u2 u1 1 ³ p dv 2 6. 7.4 Quá trình đẳng nhiệt q12 wtt Ví Dụ: Gia nhiệt nước chứa trong một bình kín 6. 7.3 Quá trình đẳng tích Về độ lớn: Gq di v dp 0 Đây là quá trình lý tưởng xảy ra ở máy nén, turbine 6. 7.2 Quá trình đoạn nhiệt ( 6- 1 6) ( 6- 1 5) Q G 'i , kW q 'i , kJ kg Gq di v dp Gq di Đònh luật nhiệt động thứ nhất, ta có: Ví Dụ: bình ngưng tụ, bình bốc... Do áp suất và nhiệt độ phụ thuộc nhau trên đường bão hòa nên bảng bão hòa được tra theo nhiệt độ hoặc áp suất 6. 5.1 Trạng thái lỏng bão hòa và hơi bão hòa r i" i' - ẩn nhiệt hóa hơi ( 6- 2 ) Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 24 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết Ẩn nhiệt hóa hơiù giảm với sự gia tăng áp suất và nhiệt độ cho tới khi bằng không ( r 0 ) ở điểm tới hạn n nhiệt hóa hơi là nhiệt lượng... quá nhiệt là vùng một pha! Hơi quá nhiệt được mô tả bởi: Ví dụ bảng quá nhiệt của R134a Trong những bảng này, hãy ghi nhớ các tính chất nhiệt động được liệt kê theo nhiệt độ với việc bắt đầu là chọn áp suất với dữ liệu hơi bão hòa 1 Vùng hơi quá nhiệt Thông số các điểm cho theo nhiệt độ và áp suất T T' Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com Tổng quát 29 of 35 ( 6- 1 3) Chương VI – Chất Thuần Khiết 9 Entropy... giãn nở hay co lại Đồ thò T-v và P-v chỉ trình bày các trạng thái cân bằng bao gồm ở pha lỏng và pha hơi Các đồ thò này có thể mở rộng để thêm vào pha rắn, 6. 4.3 Đồ thò khối p-v-T Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 16 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết Chất thuần khiết nén khi đông đặc Và hình chiếu lên mặt phẳng p-v có dạng Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com 17 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết... toanphong@gmail.com 27 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết 6. 5.3 Vùng hơi quá nhiệt và Lỏng chòu nén Sau khi ước lượng các thông số nhiệt động (u, v, i, s) của hỗn hợp bão hòa, các giá trò tính toán phải nằm giữa các trạng thái lỏng sôi và hơi bão hòa Nếu không, kiểm tra lại kết quả tính toán! và Tx Tx Ta có: T' d Tx d T" T ! T" Nguyễn Toàn Phong – toanphong@gmail.com Tổng quát 28 of 35 ( 6- 1 2) Chương VI – Chất . ' ( 6- 1 9) 6. 7.4 Quá trình đẳng nhiệt 1212ssTq ( 6- 2 0) 11221212v.pv.piiu ' ( 6- 2 1) 1212ttuqw ' ( 6- 2 2) Nguyễn Toàn. iwkt' , kgkJ ( 6- 1 6) iGWNkt' , kW ( 6- 1 7) 6. 7.3 Quá trình đẳng tích Ví Dụ: Gia nhiệt nước chứa trong một bình kín. ( 6- 1 8) ³ 21tt0dvpw