Khí thực và chuyển pha

Chơng 17 Khí thực v chuyển pha Bi giảng Vật lý đại cơng Tác giả: PGS. TS Đỗ Ngọc Uấn Viện Vật lý kỹ thuật Trờng ĐH Bách khoa H nội §1. Ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cña khÝ thùc •Ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i Clapayron-Medeleev ®èi víi 1 mol khÝ lý t−ëng: pV=RT (C¸c ph©n tö kh«ng kÝch th−íc, kh«ng t−¬ng t¸c) •ThùctÕph©n tö khÝ cã kÝch th−íc ~3.10 -8 cm chiÕm thÓ tÝch ~1,4.10 -23 cm 3 chiÕm 1/1000 thÓ tÝch khèi khÝ • thay V b»ng V-b; b -céng tÝch m 3 /mol ®Ó ý ®Õn thÓ tÝch do c¸c ph©n tö chiÕm ➞ p(V-b)=RT • Thùc tÕ cã t−¬ng t¸c gi÷a c¸c ph©n tö ➞ néi ¸p p i bæ chÝnh vμo¸p suÊt: a, b lμ c¸c h»ng sè phô thuéc vμochÊtkhÝ(tra b¶ng Trang 192 s¸ch bμi tËp) ¸p suÊt cμng cao th× ¶nh h−ëng cña néi ¸p vμ céng tÝch cμng râ. RT)bV)( V a p( 2 =−+ RT m )b m v)( v am p( 22 2 μ = μ − μ + V m v μ = μ m v m V μ = i p bV RT p − − = 2 2 i V a ) V N (~p ⇒ II I p i ~n 0 mËt ®é h¹t líp I vμ p i ~n 0 líp II ->p i ~n 0 2 => a-N.m 4 /mol 2 (phô thuéc b¶n chÊt chÊt khÝ) ❶ Mét mol khÝ thùc: ❷ m kg khÝ thùc: lμ sè mol vμ p i lμm p gi¶m §2.§−êng ®¼ng nhiÖt lý thuyÕt Van-der-Waals vμ ®−êng ®¼ng nhiÖt thùc nghiÖm Andrews 1. ®−êng ®¼ng nhiÖt lý thuyÕt • Khi T=T K ®−êng cã ®iÓm uèn K (tíi h¹n) t¹i p K ,V K - tiÕp tuyÕn song song víi trôc hoμnh. •Khi T>T K ®−êng ®¼ng nhiÖt gièng cña khÝ lý t−ëng (hypecbol). p V T>T K T<T K V K K p K T K •KhiT<T K ®−êng ®¼ng nhiÖt cã ®o¹n låi lâmkh¸cvíicñakhÝlýt−ëng 2 V a bV RT p − − = 0 dV dp = bR27 a8 ; b27 a p;b3V 2 KK0 === K T 0 dV pd 2 2 = 0 V a2 )bV( RT 3 K 2 K =+ − − 0 V a6 )bV( RT2 4 K 3 K =− − 3 K 3 K K V a )bV(3 RTV = − ☞ TÝnh c¸c gi¸ trÞ tíi h¹n K K K 2 K 2 P8 RT ; P64 TR27 a == b 2.Đờng đẳng nhiệt thực nghiệm Andrews p A T<T K :AB-Khí; BC-Khí &Hơi (hạt lỏng)=trạng thái bão ho; Bắt đầutừC-hoálỏng honton. lỏng khí T->T K thì BC->K. T K = 304K, p K = 73at V K =9,6.10 -5 m 3 /mol Chuông BKC & T K tạo thnh 4 vùng: 1- T>T K không thể hoá lỏng; 2- T<T K khí có thể hoá lỏng; 3- Hơi bão ho; 4- Khí hoá lỏng; Khí+hơi V C V K V B V T>T K T<T K T K K B C 3 4 1 2 Nén đẳng nhiệt khí CO 2 tại T khác nhau T>T K không thể hoá lỏng-> giống hypecbol nh khí LT D 3. So sánh đờng đẳng nhiệt lý thuyết Van-der-Waals v đờng đẳng nhiệt thực nghiệm Andrews: Phơng trình Van-der-Waals cho đờng đẳng nhiệt của khí thực trừ trạng thái hơi bão ho: T>T K giống nhau; T K giống nhau: Cùng có điểm tới hạn K với tiếp tuyến song song với OV T<T K Khác nhau chỗ lồi lõm v vùng hơi bão ho, nhng nếu khí sạch trên đờng thực nghiệm có đoạn chậm hoá lỏng v chậm bay hơi giống một đoạn của lý thuyết ứng dụng: Hoá lỏng khí ở T<T K v p cao §3.Néi n¨ng cña khÝ thùc, hiÖu øng Joule-Thompson δA i - c«ng do néi ¸p p i cña ph©n tö g©y ra dV: ∑ ∑ +=+= j tnj j dnjtndn WWWWU RT 2 im W j dnj ∑ μ = dV V a dVpA 2 ii ==δ ∫∫ ∞∞ ∞ −==δ=− V 2 V i)(tn)V(tn V a dV V a AWW V am RT 2 im U 2 2 μ − μ = 1. Néi n¨ng cña khÝ thùc: §éng n¨ng: VËy néi n¨ng khÝ thùc: U=U(T,V) 2. Hiệu ứng Joule-Thompson L hiện tợng nhiệt độ của khí thực thay đổi khi giãn nở đoạn nhiệt v không trao đổi công với bên ngoi (T <0 hiệu ứng dơng -> lmlạnh, T > 0 hiệu ứng âm) HƯ âm, dơng phụ thuộc vo nhiệt độ xảy ra đối với khí cụ thể: HƯ dơng đối với H 2 ở T<200K, He 2 ởT<40K P 1 V 1 P 2 P 1 P 2 P 1 P 2 V 2 P 2 P 1 Trạng thái 1(p 1 ,V 1 ,T 1 ) Trạng thái 2(p 2 ,V 2 ,T 2 ) Khí ở bên trái M, 1 nén, 2 giãn. p 1 , p 2 không đổi v p 1 > p 2 . Pit tông 1 ép sát M-> V 1 =0 Bên trái khối khí nhận công: A 1 =-p 1 (0-V 1 )=p 1 V 1 Bên phải nhận công:A 2 =-p 2 (V 2 -0)=-p 2 V 2 Tổng công cả hệ nhận: A=A 1 +A 2 =0 Nội năng: U= Q+A=0 m U=U(T,V) p 1 V 1 p 2 T 1 M1 2 M 21 p 1 V 2 p 2 T 2 1, 2 -pit tông M-vách xốp p 1 > p 2 ,V 2 >V 1 Trạng thái đầu (p 1 ,V 1 ,T 1 ) Trạng thái cuối (p 2 ,V 2 ,T 2 ) 0dV T ) V U (dT V ) T U (dU = + = dV>0 -> dT<0 V 0->T 0 . Giãn: V 2 >V 1 -> T 1 T 2 -> T = T 2 -T 1 [...]... lỏng khí ở T&p phù hợp  Tự đọc: Đ4 Sự chuyển pha: Định nghĩa pha, chuyển pha Chuyển pha loại I: ẩn nhiệt chuyển pha Điều kiện cân bằng 2 pha, 3 pha Số pha trong hệ nhiều cấu tử: Qui tắc pha của Gibbs: r n+2 Phơng trình Clapayron-Clausius: dT T Xác định sự phụ thuộc của nhiệt = V độ chuyển pha vo áp suất: dP Q ý nghĩa, ứng dụng của phơng trình ClapayronClausius Đ4 Sự chuyển pha 1 Khái niệm về chuyển. .. pha 1 Khái niệm về chuyển pha: ĐN: Pha l tập hợp các phần vĩ mô đồng tính (cùng tính chất) cùng tồn tại trong một hệ nhiệt động 2 pha Chuyển pha: Quá trình biến đổi H2O hơi hệ từ pha ny sang pha khác Hơi H2O 3 pha > Lỏng ->Rắn Chuyển pha loại I: Thuận nghịch, có hấp thụ hoặc toả nhiệt, V v S thay đổi đột ngột: Đạo hm bậc nhất của các hm nhiệt động thay đổi đột ngột Chuyển pha loại II: V,U,S Biến đổi... p T 2 p T N Tnc S Bac Ba t(s) Chuyển pha loại II S Chuyển pha loại I G S = ( )p T S T1 G C p = T( 2 ) p T 2 G V = ( )T p T T1 Cp T Cp T1 T T1 T V V T1 T T1 T 2 điều kiện cân bằng pha Phơng trình Clapeyron-Clausius Điều kiện cân bằng 2 pha: Chuyển p phaI a pha xảy ra ở nhiệt độ v áp suất xác định -> đờng cân bằng giữa 2 pha: * T1=T2; p1=p2 * dG=0 phaII T =>Số hạt hai pha n1+n2=n=const =>dn= dn1+dn2=0... 2 ( p, T ) b Điều kiện cân bằng 3 pha: Trạng thái Tới hạn p L T1=T2= T3; p1=p2=p3; 1=2= 3 p2 R 1 ( p, T ) = 2 ( p, T ); K p1 M Điểm M Tc T chập 3 1 ( p, T ) = 3 ( p, T ); T =Tc: LK,RK v RL loại I không liên tục T>Tc: chuyển pha LK liên tục, T p2 Pit tông 1 ép sát M-> V1=0 Bên trái khối khí nhận công: A1=-p1(0-V1)=p1V1 Bên phải nhận công:A2=-p2(V2-0)=-p2V2 Tổng công cả hệ nhận: A=A1+A2=0 Nội năng: U= Q+A=0 m U=U(T,V) U U dV>0 -> dTT 0 Giãn: V2>V1-> T1 T2-> T = T2 - T1 Không xảy ra đối với khí lý tởng ứng dụng: x Lm lạnh: nén khí ở... tử (k) Ni i=1, 2,3, r pha k C (k) i k = 1 Suy ra có (n-1)r nồng độ độc lập Số thông số độc lập (biến) của hệ l (n-1)r+2 (số 2 l của p,T) Số phơng trình cân bằng l (r-1)n: ( p, T ) = ( p, T ) = = ( p, T ) (k) 1 (k) 2 (k) n Qui tắc pha của Gibbs (n-1)r+2 (r-1)n (số biến r n+2 số phơng trình), hay: 2 phơng trình Clapeyron-Clausius: Xác định sự phụ thuộc của nhiệt độ chuyển pha vo áp suất Xét chu... Vùng bão ho khí thực T1=T2+dT p1=p2+dp p dT ( p1 p2 ) p1 T1 T2 = dp p2 Q1 1 4 T1 2 T2 3 dV V V1V4 V2V3 V Công giãn đẳng nhiệt 12: A1=p1(V1-V2) Công nén 34: A2=-p2(V4-V3)=-p2 (V1-V2) Công cả chu trình: A=A1+A2=(p1-p2)(V1-V2) (Công giãn, nén đoạn nhiệt 23,41: A23A410; U0) A' T1 T2 dT ( p1 p 2 ) ( p1 p 2 )( V1 V2 ) = = = = Q1 T1 dP T1 Q1 dT T1 = V dP Q1 dT T = V dP Q Nhiệt độ chuyển pha T>0 dT ẩn... T2 dT ( p1 p 2 ) ( p1 p 2 )( V1 V2 ) = = = = Q1 T1 dP T1 Q1 dT T1 = V dP Q1 dT T = V dP Q Nhiệt độ chuyển pha T>0 dT ẩn nhiệt Q>0: nhiệt toả ra hoặc thu dP vo trong quá trình chuyển pha ~ V  Kết luận: Nhiệt độ chuyển pha tỷ lệ với áp suất ứng dụng: trong nồi hơi, nồi áp suất, P cao nhiệt độ sôi cao ( đến 200oC) Trên núi cao P thấp, nớc sôi dới 100oC . chuyển pha Chuyển pha loại I: ẩn nhiệt chuyển pha Điều kiện cân bằng 2 pha, 3 pha Số pha trong hệ nhiều cấu tử: Qui tắc pha của Gibbs: r n+2 Phơng trình Clapayron-Clausius: Đ4. Sự chuyển pha 1 Clapayron-Clausius: Đ4. Sự chuyển pha 1. Khái niệm về chuyển pha: Chuyển pha: Quá trình biến đổi hệ từ pha ny sang pha khác. Hơi - > Lỏng ->Rắn H 2 O H 2 O hơi 2 pha ĐN: Pha l tập hợp các phần vĩ mô đồng. khí lý tởng ứng dụng: Lm lạnh: nén khí ở nhiệt độ phù hợp với hiệu ứng dơng v cho giãn nở trong các ống kín. Hoá lỏng khí ở T&p phù hợp. Tự đọc: Đ4. Sự chuyển pha: Định nghĩa pha, chuyển