7. Những đóng góp mới của luận ân
3.1.1.Lý thuyết tổng quan về câc quâ trình chuyển pha
3.1.1.1. Định nghĩa sự chuyển pha
Mỗi một chất đều có thănh phần hóa học xâc định, tùy theo điều kiện âp suất, nhiệt độ mă chúng có thểở trạng thâi khâc nhau (ví dụ như nước có thểở trạng thâi rắn, lỏng vă khí). Như vậy, khâi niệm về pha trong vật lý có thể được hiểu lă: câc trạng thâi khâc nhau mă vật chất có thể tồn tại cùng một cấu trúc vă tính chất vật lí.
Khi câc thông số trạng thâi thay đổi, vật chất có thể chuyển từ pha năy sang pha khâc gọi lă sự chuyển pha.
3.1.1.2. Phđn loại sự chuyển pha
Có 2 loại chuyển pha thường xảy ra trong kỹ thuật lă chuyển pha loại 1 vă chuyển pha loại 2.
Nếu chuyển pha đi kỉm sự thu hay tỏa một lượng nhiệt năo đó thì gọi lă sự chuyển pha loại1. Vậy đặc trưng của quâ trình chuyển pha loại 1 lă có sự trao đổi nhiệt lượng, nhưng nhiệt độ của vật không tăng.
Nếu chuyển pha mă không thu hay tỏa nhiệt, nhưng kỉm theo sự thay đổi nhiệt dung vă một số tính chất vật lí khâc thì được gọi lă sự chuyển pha loại 2.
3.1.1.3. Câc tính chất vă thông sốđặc trưng của sự chuyển pha
ă Sự thay đổi của entropy khi chuyển pha
Nếu trong quâ trình chuyển pha, khối lượng vật chất chuyển từ pha năy sang pha khâc lă m. Nhiệt lượng cung cấp (hoặc chuyển đi) từ hệđể chuyển pha hết một đơn vị khối lượng lă L (gọi lă nhiệt chuyển pha riíng) thì nhiệt lượng cần thiết để lăm chuyển pha m khối lượng vật chất lă : DQ=mL.
Khi chuyển pha nhiệt độ của hệ không đổi nín entropy (S) của hệ lă: DS = T L m T Q= . D .
Nếu quâ trình chuyển pha phải cung cấp nhiệt (như nóng chảy, bay hơi) thì nhiệt lượng DQ > 0 do đó DS > 0, vì vậy entropy của hệ tăng.
Nếu quâ trình chuyển pha giải phóng nhiệt (như kết tinh, ngưng tụ), DQ < 0 do đó DS < 0, vì vậy entropy của hệ giảm.
Ta thấy entropy của hệ tăng hay giảm tùy theo chiều của quâ trình chuyển pha lăm cho câc phđn tử hay nguyín tử của hệ trở nín hỗn loạn hơn hay trật tự hơn. Như vậy, xĩt quâ trình chuyển pha của một hệ nhiệt động entropy cũng lă đại lượng đểđo mức độ chuyển động nhiệt hỗn loạn của vật chất.
ă Sự phụ thuộc của nhiệt độ chuyển pha văo âp suất
Nhiệt độ chuyển pha lă nhiệt độ mă tại đó có sự chuyển pha từ trạng thâi năy sang trạng thâi khâc. Thông thường trong một hệ nhiệt động khi âp suất ổn định thì
nhiệt độ chuyển pha cũng ổn định, khi âp suất thay đổi dẫn đến nhiệt độ cũng thay đổi theo.
ă Sự phụ thuộc của nhiệt độ chuyển pha văo thời gian
Vật chất tồn tại trong tự nhiín ở bốn trạng thâi: rắn, lỏng, khí vă plasma. Để 1 kg vật chất chuyển pha theo chiều gia nhiệt (t↑), ta phải cấp cho nó một lượng nhiệt không đổi bằng r [J/kg] gọi lă nhiệt chuyển pha. Để chuyển pha theo chiều lăm lạnh (t↓), ta phải lấy ra khỏi vật một lượng nhiệt r bằng đúng giâ trị trín.
Đặc tính thời gian t(t) của câc quâ trình chuyển pha thuận (t↑) vă ngược (t↓) được mô tả trín hình 3.1. Quâ trình cấp nhiệt cho vật chất trải qua câc trạng thâi:
Hình 3.1. Đặc tính t(t) của câc quâ trình chuyển pha
F- C: cung cấp nhiệt, chất rắn tăng nhiệt độ từ tf đến tc trong thời gian tc1. C- L: quâ trình chuyển pha hóa lỏng, quâ trình năy cần cung cấp cho vật một nhiệt lượng rc, xảy ra đến thời gian tc2, trong quâ trình nhiệt độ không đổi bằng tc.
L- S: quâ trình tăng nhiệt của chất lỏng, xảy ra đến thời gian ts1.
S- H: quâ trình chuyển pha hóa hơi, quâ trình năy cần cung cấp cho vật một nhiệt lượng rs, xảy ra đến thời gian ts2, trong quâ trình nhiệt độ không đổi bằng ts.
H- I: quâ trình tăng nhiệt của chất khí, xảy ra đến thời gian ti1. Điểm K lă điểm ba trạng thâi, tại đđy vật chất tồn tại ở cả ba trạng thâi rắn, lỏng vă khí.
I- P: quâ trình chuyển pha ion hóa, quâ trình năy cần cung cấp cho vật một nhiệt lượng ri, xảy ra đến thời gian ts2, trong quâ trình nhiệt độ không đổi bằng ti.
t Hóa rắn t Hóa lỏng RẮN LỎNG Hóa hơi Ngưng tụ t t HƠI Khử ion Ion hóa t t PLASMA t
Quâ trình thu nhiệt cho vật chất cũng xảy ra tương tự nhưng theo chiều hướng ngược lại.
3.1.1.4. Câc khâi niệm liín quan đến vật ẩm
ă Vật ẩm
Vật ẩm lă những vật có chứa trong nó một khối lượng chất lỏng đâng kể (chủ yếu lă nước). Trạng thâi của vật ẩm được xâc định bởi độẩm vă nhiệt độ của nó. Độ ẩm của vật có thể biểu thị qua độẩm tuyệt đối, độẩm toăn phần [17]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
ăĐộẩm tuyệt đối
Độẩm tuyệt đối lă tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối. Độẩm tuyệt đối được ký hiệu ωo. Ta có:
ωo =
k n G
G 100 [%] (3.1)
Trong đó: Gn - khối lượng ẩm chứa trong vật liệu, [kg] Gk - khối lượng vật khô tuyệt đối, [kg]
Độẩm tuyệt đối có giâ trị từ 0% đến ∞. Vật có độ ẩm tuyệt đối 0% lă vật khô tuyệt đối vă vật có độẩm ∞ lă vật chứa toăn bộ nước.
ăĐộẩm toăn phần
Độ ẩm toăn phần lă tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng của vật ẩm toăn phần lă ω ta có:
ω= GGn 100 [%] (3.2)
Trong đó: G - khối lượng vật ẩm: G = Gn + Gk, [kg]
Độ ẩm toăn phần có giâ trị từ 0% đến 100%. Vật có độ ẩm toăn phần 0% lă vật khô tuyệt đối vă vật có độ ẩm toăn phần 100% lă vật toăn nước. Như vậy độ ẩm toăn phần luôn luôn nhỏ hơn 100%.
Từ câc biểu thức (3-1) vă (3-2) ta có được quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối vă độ ẩm toăn phần. Ta có: ωo = k n G G 100 = n G G.G-/100 w .100 = G Gn - 1 w
ωo = w-w
100 100 [%] (3.3)
3.1.1.5. Câc giai đoạn lạnh đông vật ẩm thông thường
Khi lăm lạnh đông vật ẩm, nước ở trong vật cũng lạnh đông theo vă chính nước lă nguyín nhđn lăm cho quâ trình lạnh đông vật ẩm xảy ra theo 3 giai đoạn (hình 3.2) [4].
Hình 3.2. Câc giai đoạn lạnh đông vật ẩm thông thường
Giai đoạn 1- hạ nhiệt độ vật ẩm từ t1 xuống t0:
Trong giai đoạn năy, nhiệt độ của vật được hạ từ nhiệt độ t1 ban đầu xuống nhiệt độ đóng băng t0 với thời gian lăm lạnh t1. Lúc năy, cả khối vật ẩm cùng hạ nhiệt độ, giai đoạn 1 kết thúc khi nhiệt độ vật ẩm đạt t0.
Giai đoạn 2- Giai đoạn chuyển pha hóa rắn:
Nhiệt độ trong vật lúc năy không đổi bằng t0, nhưng nước ở trong vật bắt đầu chuyển pha từ dạng lỏng sang dạng rắn tương ứng với thời gian t2 . Sự chuyển pha bắt đầu từ những điểm kết tinh đầu tiín, sau đó lan dần trở thănh mạng lưới kết tinh. Mạng lưới phât triển lớn dần vă cuối cùng toăn bộ vật ẩm trở thănh khối băng đông cứng. Vật ẩm sau quâ trình chuyển pha sẽ biến đổi về chất lượng rất lớn, đặc biệt đối với câc tế băo, sau quâ trình năy, câc tế băo không còn khả năng hoạt động bình thường. Trong quâ trình bảo quản câc tế băo, người ta hạn chế giai đoạn chuyển pha
t
hóa rắn bằng câch thím văo câc chất chống đông, hoặc bảo quản lạnh ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ đóng băng.
Giai đoạn 3- Giai đoạn hạ nhiệt độ của vật rắn:
Lúc năy toăn bộ vật ẩm đê trở nín một khối rắn, việc hạ nhiệt độ của vật ẩm đơn thuần chỉ hạ nhiệt độ của một khối rắn đóng băng diễn ra trong thời gian t3.
Đối với quâ trình lạnh đông vật ẩm thông thường (ví dụ lăm lạnh vật ẩm có nhiệt độ ban đầu t1 = 370C, xuống nhiệt độ tk = -500C), trong 3 giai đoạn nói trín, nhiệt lượng cần lấy đi tại giai đoạn 2 lă lớn nhất. Để kiểm chứng điều năy, ta đưa ra băi toân với câc giả thiết như sau:
Cần lạnh đông khối thịt bò có khối lượng m= 1kg từ nhiệt độ ban đầu t1 = 370C, xuống nhiệt độ tk = -500C. Tính nhiệt lượng cần lấy đi ứng với 3 giai đoạn lạnh đông vật ẩm. Biết câc thông số vật lý của thịt bò: w = 75%, nhiệt dung riíng khi còn dạng ẩm c1= 3,45 kJ/kg.K; nhiệt hóa rắn của nước rc = 334 kJ/kg; nhiệt dung riíng sau khi đóng băng hóa rắn ck = 2,67 kJ/kg.K; nhiệt độ đóng băng của nước t0 = 00C.
Sử dụng câc công thức tính nhiệt, ta có nhiệt lượng cần lấy đi của vật ứng với câc giai đoạn:
Q1= c1.m.(t1- t0) = 3,45.1.37 = 127,7 [kJ]. Q2 = w.m.rc = 0,75.1. 334 = 250,5 [kJ]. Q3 = ck.m.(t0 – tk) = 2,67.1. 50 = 133,5 [kJ]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong đó Q1, Q2, Q3 lă nhiệt lượng cần lấy đi ứng với giai đoạn 1, 2, 3. Vậy Q2 = 1,97.Q1 = 1,88.Q3.
Hay Q1 = 0,508.Q2 (3.4)