1 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 bi[.]
Chapter#2 Tính chất vật chất (Properties of Substances) Mục đích chương Làm quen với số khái niệm tính chất vật chất, chất tinh khiết Làm quen với dạng lượng biến đổi lượng hệ Nghiên cứu biến đổi pha chất tinh khiết (phase-change) Nghiên cứu đồ thị P-v, T-v, P-T, P-v-T chất tinh khiết Nghiên cứu bảng để tra cứu thông số chất tinh khiết Làm quen với chất giả định KHÍ LÝ TƯỞNG (ideal gas) phương trình trạng thái khí lý tưởng áp dụng giải toán Nghiên cứu khí thực (real gases) so sánh khác với khí lý tưởng Làm quen với phương trình trạng thái số khí thực Nhiệt dung riêng, nhiệt lượng cách tính nhiệt lượng trao đổi Một số định nghĩa - Thuộc tính (property) Để mơ tả hệ thống dự đốn ứng xử nó, cần kiến thức thuộc tính mối quan hệ chúng Thuộc tính hệ thống đặc tính vĩ mơ Một số thuộc tính phổ biến là: áp suất (pressure-P), nhiệt độ (temperatureT), thể tích (volume-V) khối lượng (G) (mass-m) Các thuộc tính mơ tả trạng thái hệ thống hệ thống trạng thái ổn định (cân bằng-equilibrium state) Không phải tất thuộc tính độc lập Mật độ hay khối lượng riêng (density-ρ) thuộc tính độc lập với áp suất nhiệt độ Mật độ thể tích riêng (specific volume-v) nghịch đảo Thuộc tính mở rộng (extensive properties) Cường tính (properties) Thuộc tính thơng số khơng phụ thuộc vào quy mơ hệ thống, ví dụ: nhiệt độ, áp suất, khối lượng riêng Thuộc tính mở rộng/quảng tính (extensive properties) Thuộc tính mở rộng thông số đặc trựng cho quy mô hệ thống, thường ký hiệu chữ in hoa ví dụ: thể tích (V), lượng tồn phần (E) Chất đồng pha Chất đồng nhất: Có thành phần hóa học đồng Có cấu trúc vật lý đồng Ví dụ: Khơng khí, nước trạng thái lỏng Nước (H2O) đồng hóa học thay đổi cấu trúc vật lý: Khi làm lạnh, nước chuyển thành thể rắn (ice/solid) Khi đun nóng, nước chuyển thành (vapor) Các trạng thái lỏng (liquid), rắn (solid), (vapor) nước gọi pha (phase) Các trình nhiệt động, mơi chất tồn pha đồng nhất: Ví dụ, khí cháy động đốt trong, khơng khí máy nén khí Mơi chất biến đổi pha thiết bị: Ví dụ, nước nước chu trình nhà máy nhiệt điện; ga lạnh biến đổi dạng lỏng dạng máy điều hịa khơng khí Tiên đề trạng thái (State Postulate) Cần thông số để xác định trạng thái phụ thuộc vào mức độ phức tạp hệ thống Theo Tiên đề trạng thái, cần hai thông số độc lập để xác định trạng thái Hai thông số coi độc lập thơng số có thay đổi mà thơng số cịn lại giữ khơng đổi Ví dụ: nhiệt độ thể tích riêng Nhiệt độ áp suất khơng phải thơng số độc lập mơi chất có biến đổi pha Ví dụ nước sôi Định luật pha: Môi chất đơn nhất, không biến đổi pha: cần thông số; Mơi chất có biến đổi pha: cần thơng số Các dạng lượng (Forms of Energy) Trong hệ ổn định (không tồn ảnh hưởng điện, từ, …), lượng toàn phần (E) hệ bao gồm: Động (kinetic-KE), (potential-PE) nội (internal-U) E = U + KE + PE (kJ), me = mu + mv + mgz (kJ), Hoặc viết cho đơn vị khối lượng: e = u + ke + pe = u + v2 + gz (kJ / kg ) Năng lượng vĩ mô hệ lượng toàn phần so với xung quanh, bao gồm động Năng lượng vi mô hệ liên quan đến cấu trúc phân tử hệ thống độc lập với bên Đó nội Sự thay đổi lượng toàn phần ∆E hệ tĩnh (closed system) thay đổi nội ∆U Ví dụ: đun nóng vật chất bình kín Enthalpy – Một thông số trạng thái kết hợp Khi nghiên cứu số trình liên quan đến lượng làm lạnh, thường gặp kết hợp internal energy U, tích pressure-volume PV Người ta gọi ENTHALPY Là đơn vị lượng: Viết cho hệ kỳ: = + Viết cho hệ gồm 1kg môi chất: ℎ = + Trước 1930, h thường gọi heat content or total heat Sau 1930, gọi enthalpy (theo tiếng Hy Lạp, enthalpien nghĩa heat) Sự chuyển pha, đồ thị pha, tính chất chất tinh khiết Chất tinh khiết Hóa học định nghĩa đơn chất hợp chất Air Nhiệt động học coi chất tinh khiết (pure substance) chất có thành phần hóa học đồng N2 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 Water vapor Water liquid Pure substance Các pha chất tinh khiết (nước) Vật chất biến đổi pha (rắn, lỏng, khí) Các pha khác có xếp phân tử khác Các pha phân tách với bề mặt phân cách vapor liquid Solid Cấu trúc phân tử pha Đặc điểm chuyển động phân tử? - Solid; - Liquid; - Vapor (Gas) Biến đổi pha Nước-Hơi Điều xảy cấp nhiệt cho môi chất thể lỏng (nước) với áp suất không đổi? Liquid Water Piston cylinder device – maintains constant pressure T Q trình hóa (chuyển pha) đồ thị T-v v Phase Change Processes on a T-v diagram Consider a piston-cylinder device with water inside at 20oC and 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 temperature, Tsat At Tsat, Liquid and vapor phases are in equilibrium A liquid that is about to vaporize is called Saturated Liquid 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 (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 A substance between 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 áp suất bão hòa (Saturation Temperature and Pressure) Water at a pressure of 101.325 kPa, Tsat is 100oC Conversely, at a temperature of 100oC, Psat is 101.325 kPa Nhiệt ẩn (Latent heat): ngưng tụ, hóa (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) vsat,l and vsat,g will be the same and we speak of Pcrit, Tcrt, and vcrit Điểm tới hạn: Trạng thái lỏng bão hòa (saturated liquid) bão hịa (saturated vapor) khơng 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 bão hòa nối với tạo thành đường saturated vapor line Hai đường cắt đỉnh Critical Point Đồ thị pha chia vùng: Vùng lỏng; Vùng hỗn hợp lỏng-hơi bão hòa; Vùng nhiệt 10 ... (density-ρ) thuộc tính độc lập với áp suất nhiệt độ Mật độ thể tích riêng (specific volume-v) nghịch đảo Thuộc tính mở rộng (extensive properties) Cường tính (properties) Thuộc tính thơng số khơng... pha, đồ thị pha, tính chất chất tinh khiết Chất tinh khiết Hóa học định nghĩa đơn chất hợp chất Air Nhiệt động học coi chất tinh khiết (pure substance) chất có thành phần hóa học đồng N2 Ví dụ... dụ: nhiệt độ thể tích riêng Nhiệt độ áp suất khơng phải thơng số độc lập mơi chất có biến đổi pha Ví dụ nước sơi Định luật pha: Môi chất đơn nhất, không biến đổi pha: cần thơng số; Mơi chất