c6 chat thuan khiet

Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 6: CHẤT THUẦN KHIẾT CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -1- CHƯƠNG 6 C C H H A A Á Á T T T T H H U U A A À À N N K K H H I I E E Á Á T T 1. TỔNG QUÁT RẮN LỎNG KHÍ (HƠI) NÓNG CHẢY BỐC HƠI (SÔI) ĐÔNG ĐẶC NGƯNG TỤ THĂNG HOA NGƯNG KẾT Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 6: CHẤT THUẦN KHIẾT CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -2- Chất thuần khiết là chất có tính đồng nhất và ổn đònh về thành phần hóa học. Chất thuần khiết có thể tồn tại ở nhiều pha khác nhau, dù ở pha nào thì thành phần hóa học vẫn được giữ như cũ. Ví dụ nước ở thể rắn, lỏng hay hơi đều có công thức là H 2 O Phân biệt khí và hơi: không có một ranh giới rõ ràng giữa khí và hơi. Có thể xem: - Môi chất ở thể khí nếu như trạng thái của nó cách khá xa trạng thái bão hòa, thường các chất này có nhiệt độ tới hạn thấp. - Môi chất ở thể hơi khi nó có nhiệt độ tới hạn khá cao so với trạng thái của môi chất. 2. QUÁ TRÌNH HÓA HƠI ĐẲNG ÁP Khảo sát hệ thống xy lanh pittông bên trong chứa 1kg chất thuần khiết là nước ở áp suất 1bar và nhiệt độ 30 o C. Để giữ áp suất trong xy lanh không đổi ta tác động lên trên pittông một lực là P. Cung cấp nhiệt Q cho xylanh ta thấy nhiệt độ nước tăng lên đồng thời thể tích nước cũng tăng lên, đến trạng thái b thì nước sôi ở nhiệt độ t s . Tiếp tục cung cấp nhiệt, ta thấy hơi nước bốc lên phía trên xylanh cho đến khi giọt lỏng cuối cùng biến thành hơi thì nhiệt độ vẫn là t s không thay đổi. Tiếp tục cấp nhiệt thì nhiệt độ hơi tăng lên (t e > t s ) Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 6: CHẤT THUẦN KHIẾT CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -3- Q P P P P P Q Q Q Q (a) Lỏng chưa sơi, nhiệt độ t (b) Lỏng sơi, nhiệt độ t s > t (c) Hơi bão hòa + Lỏng bão hòa, nhiệt độ t s > t (d) Hơi bão hòa khô, nhiệt đđđđộ t s > t (e) Hơi quá nhiệt, nhiệt độ t e > t s THỜI GIAN NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT HƠI BH ẨM LỎNG CHƯA SÔI LỎNG SÔI HƠI BH KHÔ v p 1bar 1 2 LỎNG SÔI HƠI BH KHÔ HƠI QUÁ NHIỆT HƠI BH ẨM LỎNG CHƯA SÔI v' v'' t s Để phân biệt các trạng thái trong vùng hơi bão hòa ẩm ta đưa ra khái niệm độ khô x (không có khái niệm độ khô trong vùng lỏng chưa sôi) hl h GG G x   Trong đó: G h – lượng hơi bão hòa khô có trong hơi bão hòa ẩm G l – lượng lỏng có trong hơi hơi bão hòa ẩm x = 0 : trạng thái lỏng sôi x = 1 : trạng thái hơi bão hòa khô Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 6: CHẤT THUẦN KHIẾT CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -4- Tiến hành thí nghiệm tương tự như trên với các áp suất p 2 , p 3 , … lớn hơn 1bar. Tương tự như trên ta tìm được các điểm lỏng sôi 1’, 1’’ … và điểm hơi bão hòa khô 2’, 2’’ … v p 1bar p 1 p 2 1 2 2' 2'' 1' 1'' Ta thấy điểm 1’ dòch về phía bên phải so với điểm 1 và điểm 2’ xê dòch về phía trái so với điểm 2. Giải thích: áp suất tăng thì nhiệt độ sôi tăng do đó thể tích riêng tăng, do 2 và 2’ là hơi bảo hòa khô, mà đối với thể hơi hay khí thì áp suất tăng thể tích giảm. v p K t=const x = 0 x = 1 x=const Tập hợp các điểm lỏng sôi ở áp suất khác nhau tạo thành đường lỏng sôi x=0, tập hợp các điểm hơi bảo hòa khô tạo thành đường hơi bão hòa khôi x=1. Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 6: CHẤT THUẦN KHIẾT CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -5- Hai đường này gặp nhau tại điểm K gọi là điểm tới hạn. Ta thấy đường lỏng sôi nghiêng ít hơn đường hơi bão hòa khô vì hơi có tính chòu nén tốt. Trong vùng hơi bão hòa ẩm, ta thấy còn có các đường x=const, các đường này đều xuất phát từ điểm K. Nhiệt độ tới hạn T K là nhiệt độ lớn nhất của một chất thuần khiết nào đó mà ở đó pha lỏng và pha hơi còn có thể tồn tại ở trạng thái cân bằng. Quá trình biến đổi từ lỏng sôi sang hơi bảo hòa khô là quá trình bay hơi, quá trình biến đổi từ hơi bão hòa khô sang lỏng sôi gọi là quá trình ngưng tụ. Hai quá trình này diển ra ở nhiệt độ và áp suất không đổi. * Quá trình hoá rắn (đông đặc): thông thường quá trình đông đặc diển ra ở áp suất khí quyển từ trạng thái lỏng chưa sôi đến trạng thái rắn ở nhiệt độ thích hợp. VD như quá trình làm nước đá, đông lạnh thực phẩm … Tương tự như quá trình hoá hơi, trong giai đoạn chuyển pha từ rắn sang lỏng nhiệt độ môi chất vẫn không thay đổi. THỜI GIAN 0 o C t đ t c NƯỚC NƯỚC ĐÁ t o C Nhiệt lượng cần lấy để đông đặc G (kg) nước đá từ nhiệt độ t đ (>0) đến nhiệt độ t c (<0) là Q = G[(c pl (t đ – 0) + r + c pr (0 – t c )], kJ C pl = 4,18kJ/kg.K - nhiệt dung riêng của nước Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 6: CHẤT THUẦN KHIẾT CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -6- c pr = 2,09kJ/kg.K – nhiệt dung riêng của nước đá r = 333,6kJ/kg – ẩn nhiệt nóng chảy Năng suất lạnh cần thiết đề làm đông đặc trong thời gian t (s): t Q Q  0 , kW Năng suất lạnh này chỉ là điều kiện cần để làm đông đặc từ nhiệt độ t đ đến t c trong thời gian t vì còn phụ thuộc nhiệt độ của nguồn cung cấp lạnh qua nhiệt bò trao đổi nhiệt. Do đó cần phải thoả mãn thêm phương trình truyền nhiệt Q = kF t . Một cách tổng quát bài toán truyền nhiệt cần phải thoả mãn hai phương trình: phương trình cân bằng nhiệt và phương trình truyền nhiệt:      tkFQ QQQ nhậnnhả (học trong môn Truyền nhiệt) 3. BIỂU DIỂN MỘT SỐ QUÁ TRÌNH TRÊN CÁC ĐỒ THỊ KHÁC S T p=const i lgp T=const Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 6: CHẤT THUẦN KHIẾT CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -7- s i K p=const T=const s=const i lgp 4. CÁCH XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA CHẤT THUẦN KHIẾT Không dùng phương trình trạng thái khí lý tưởng để giải. Dùng các công cụ sau: - Đồ thò - Bảng tra - Phương trình hóa (từ đồ thò, bảng tra) 4.1. BẢNG CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA … Ở TRẠNG THÁI BÃO HÒA Thông thường bảng có dạng: t o C p bar v’ m 3 /kg v’’ m 3 /kg i’ kJ/kg i’’ kJ/kg r kJ/kg s’ kJ/kg.K s’’ kJ/kg.K … Trong đó các thông số có ký hiệu ‘ là các thông số của trạng thái lỏng sôi, các thông số có ký hiệu ‚ là các thông số của trạng thái hơi bão hòa khô. Thông số r: biểu diển ẩn nhiệt hóa hơi, là nhiệt lượng cần cấp để làm cho 1kg nước từ trạng thái lỏng sôi thành trạng thái bão hòa khô (hay nhiệt lượng cần lấy đi để làm cho 1kg nước từ trạng thái hơi bão hoà không thành lỏng sôi). r = i’’ – i’ (kJ/kg) Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 6: CHẤT THUẦN KHIẾT CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -8- Xác đònh các thông số trạng thái của hơi bão hòa ẩm: Từ bảng CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA … Ở TRẠNG THÁI BÃO HÒA kết hợp với các tính toán chúng ta tìm được các thông số trạng thái của hơi bão hòa ẩm. Gọi ' đại diện cho các i’, v’, u’, s’  đại diện cho các thông số i, v, u, s ở trạng thái hơi bão hòa ẩm '' đại diện cho các thông số i’’, v’’, u’’, s’’ Ta luôn có ' <  < '' Sử dụng công thức sau để tính  :  = (1 – x) ' + x '' Hay ''' ' x    Để xác đònh tên gọi của một trạng thái nào đó khi biết thông số trạng thái  ở áp suất (hoặc nhiệt độ), ta cần tra bảng CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA … Ở TRẠNG THÁI BÃO HÒA theo áp suất (hoặc nhiệt độ) đó để xác đònh ' và '' : - Nếu  < ' : lỏng chưa sôi - Nếu  = ' : lỏng sôi - Nếu ' <  < '' : hơi bão hòa ẩm - Nếu  = '' : hơi bão hòa khô - Nếu  > '' : hơi quá nhiệt Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 6: CHẤT THUẦN KHIẾT CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -9- 4.2. BẢNG CÁC TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG CỦA … Ở TRẠNG THÁI LỎNG CHƯA SÔI VÀ HƠI QUÁ NHIỆT Các bảng tra trong giáo trình chỉ có bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt (nước và hơi nước), còn các chất thuần khiết khác như frêon, amoniac … chỉ có phần hơi quá nhiệt. Để tìm các thông số v, i, s, của hơi quá nhiệt chúng ta cần biết hai thông số nhiệt độ và áp suất. 5. BÀI TẬP  Xác đònh các thông số ở trạng thái lỏng sôi và hơi bão hòa khô của nước và R22 trong các trường hợp sau: (i) p = 1,5bar (ii) t = 80 o C (iii) t = 83,4 o C Xác đònh các thông số ở trạng thái bão hòa của nước biết khối lượng riêng ở trạng thái lỏng sôi tương ứng là 3 31958 m/kg,'  Xác đònh các thông số trạng thái nước trong các trường hợp sau: (i) p=12bar; t=100 o C (ii) p=8bar; t=220 o C (iii) p=14bar; t=198 o C  Một bình kín thể tích 200lít chứa 3,5kg nước và hơi nước, áp kế chỉ 9bar. (i) Xác đònh trạng thái của nước và hơi nước (ii) Tính nhiệt lượng cấp vào để áp suất tăng thêm 2 bar. Xác đònh nước và hơi nước lúc đó.  Tính nhiệt lượng cần thiết [kJ] để gia nhiệt đẳng áp (p=1bar) 5kg nước từ nhiệt độ 30 o C đến nhiệt độ 100 o C. Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 6: CHẤT THUẦN KHIẾT CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -10-  5kg hơi nước ở trạng thái ban đầu có P=1,2bar, v=0,1m 3 /kg. Sau khi gia nhiệt đẳng áp hơi nước có nhiệt độ t=200 o C Xác đònh: a) Các thông số trạng thái của hơi nước trước và sau khi gia nhiệt b) Lượng nhiệt cung cấp 1 kg hơi nước ở trạng thái 1 có thông số p 1 = 6 bar và x 1 = 0,594 được cung cấp nhiệt và biến thiên theo quá trình đẳng tích đến trạng thái 2 có nhiệt độ t 2 = 240 0 C. a/ Biểu diễn quá trình trên đồ thò T-s, p-v, i-s. b/ Xác đònh áp suất p 2 , nhiệt lượng cung cấp cho quá trình q 12 và độ biến thiên entropy s 12 .  Một bình kín có thể tích V = 200 lít bên trong có chứa 1,6 kg hơi nước. Sau khi nhận vào một nhiệt lượng Q, người ta thấy nhiệt độ của hơi nước trong bình tăng thêm 25,3 o C. Cho biết vào lúc ban đầu số chỉ của áp kế là 1,3 bar. a. Nêu đúng tên gọi của trạng thái đầu và trạng thái cuối. Xác đònh rõ vào cuối quá trình áp kế chỉ bao nhiêu? Biểu diễn quá trình trên đồ thò p-v. b. Tính toán giá trò của Q. Trong quá trình tính toán xem như áp suất khí quyển có giá trò là 1 bar.  Khảo sát một bình kín chứa R-22. Cho biết vào lúc ban đầu bình đang ở trạng thái cân bằng nhiệt với mơi trường xung quanh, trạng thái R-22 trong bình là bão hòa ẩm với độ khơ là x 1 = 0,42. Sau khi lấy bớt R-22 ra khỏi bình và chờ cho đến khi bình trở lại trạng thái cân bằng nhiệt với mơi trường xung quanh, người ta thấy thể tích riêng của R-22 tăng gấp đơi so với giá trị lúc ban đầu. Xác định: a. Áp suất chỉ bởi áp kế gắn trên bình tương ứng với trạng thái đầu và trạng thái cuối. b. Khối lượng của R-22 có trong bình tương ứng với trạng thái đầu và trạng thái cuối. c. Vẽ đồ thị p-v minh họa.