Vật lý chất rắn - Chương 6: Môi chất biến đổi pha

MÔI CHẤT BIẾN ĐỔI PHA Chương 6: Mục đích  Khái niệm về môi chất biến đổi pha.  Các loại đồ thị P-v, T-v, P-T (2-D), và P-v-T (3-D) của môi chất.  Xác định, tính toán các tính chất của môi chất dựa trên bảng số liệu.  Chu trình thiết bị động lực hơi nước.  Chu trình thiết bị làm lạnh Môi chất là chất thuần khiết (Pure substance)  Nhiệt động kỹ thuật coi môi chất là chất có thành phần hóa học đồng nhất, hay chất thuần khiết  Môi chất thường tồn tại ở 3 pha: Rắn, lỏng, khí.  Môi chất dạng lỏng và khí thường được sử dụng do tính lưu động và khả năng nén, giãn nở. Ví dụ về môi chất  Môi chất không biến đổi pha: không khí, các chất khí khó hóa lỏng (N2, CO2)  Môi chất biến đổi pha: nước và hơi nước, môi chất làm lạnh. N2 Air Water vapor Water liquid Pure substance Pha của môi chất (Phase)  Pha của một chất là trạng thái được đặc trưng bởi sự phân bố phân tử vật chất, sự bố trí phân tử của một pha môi chất là đồng nhất trong toàn bộ không gian;  Các pha khác nhau, nếu cùng tồn tại, sẽ tồn tại mặt phân cách;  Một số thuật ngữ dễ nhầm lẫn:  Chất lỏng (liquid): chỉ vật chất ở pha lỏng trong điều kiện môi trường;  Chất khí (gas): chỉ vật chất ở pha khítrong điều kiện môi trường;  Hơi (vapor): chỉ môi chất ở pha khí nhưng dễ chuyển thành pha lỏng, ví dụ hơi nước;  Tiếng Anh, trong kỹ thuật dùng thuật ngữ FLUID chung cho cả chất lỏng, chất khí;  Compressible fluid = môi chất ở thể khí (chất lỏng nén được);  Incompressible fluid = môi chất ở thể lỏng (chất lỏng không nén được). liquid Solid vapor Pha của môi chất  Chất rắn (solid): các phân tử có liên kết chặt chẽ, lực hấp dẫn lớn, các phân tử chỉ dao động xung quanh vị trí, nhiệt độ cao thì mức độ dao động tăng theo.  Khi nhiệt độ tăng cao, tốc độ chuyển động phân tử thắng lực hút, chất rắn chuyển thành chất lỏng (liquid) (melting point). Các phân tử bắt đầu chuyển động hỗn loạn, khoảng cách giữa các phân tử lớn hơn;  Chất khí (gas): các phân tử cách xa nhau, chuyển động hỗn loạn, lực hút nhỏ, năng lượng động học lớn.  Khí hay hơi (gas or vapor)?  Khí thường dùng mô tả môi chất xa trạng thái bão hòa (khó hóa lỏng);  Hơi là môi chất dạng khí nhưng ở gần đường bão hòa (dễ hóa lỏng) Sự đổi pha của môi chất  Đun nóng môi chất ở trạng thái lỏng ở áp suất không đổi, giả sử là nước;  Quá trình diễn ra tương tự đối với các đơn chất khác (ví dụ: môi chất làm lạnh) Piston-cylinder dùng để duy trì áp suất không đổi Nước trạng thái lỏng Tv 1 2 5 3 4 Quá trình biến đổi pha trên đồ thị T-v Quá trình thay đổi pha trên đồ thị T-v  Cylinder chứa nước ở 20oC áp suất môi trường, nước ở trạng thái lỏng.  Gia nhiệt cho hệ thống với điều kiện giữ nguyên áp suất (piston có thể dịch chuyển).  T và v tăng lên đến khi nhiệt độ đạt 1000C. Nước bắt đầu sôi, trong suốt quá trình sôi, nhiệt độ duy trì 1000C.  Trạng thái này gọi là TRẠNG THÁI BÃO HÒA, và nhiệt độ bão hòa (Điểm 2 – saturated liquid) Chất lỏng bão hòa (saturated liquid)  Tiếp tục cấp nhiệt, nước biến dần thành hơi, nhiệt độ duy trì không đổi, thể tích riêng tăng lên đến khi nước biến hoàn toàn thành hơi, Điểm 4 – Hơi bão hòa (saturated vapor).  Tiếp tục cấp nhiệt, cả nhiệt độ và thể tích riêng đều tăng. Trạng thái hơi đồng nhất sau điểm 4 gọi là hơi quá nhiệt (Superheated vapor)  Lặp lại thí nghiệm ở các áp suất khác nhau cao hơn, nhận được các đường tương tự .  Nhận xét: thể tích riêng của nước bão hòa tăng lên theo áp suất, trong khi thể tích riêng của hơi bão hòa thì nhỏ dần Giữa điểm 2 và 4 là hỗn hợp nước + hơi = hơi bão hòa ẩm Hơi bão hòa (khô) – saturated vapor Nhiệt độ và áp suất bão hòa (Saturation temperature, pressure)  Nước ở áp suất 101.325 kPa, Nhiệt độ bão hòa là 100oC. Ngược lại, ở nhiệt độ bão hòa 100oC, P bão hòa là 101.325 kPa.  Nhiệt ẩn (Latent heat): tan chảy, hóa hơi (fusion, vaporization).  Độ lớn của nhiệt ẩn phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ của quá trình tan chảy hay hóa hơi. Trạng thái bão hòa  Trạng thái môi chất bắt đầu chuyển pha gọi là trạng thái bão hòa;  Tương ứng có Nhiệt độ bão hòa, Áp suất bão hòa (bảng áp suất/nhiệt độ bão hòa)  Câu hỏi: nhiệt độ bão hòa của nước là bao nhiêu? Điểm tới hạn  Nối các điểm trạng thái lỏng bão hòa và hơi bão hòa được đường cong gặp nhau tại đỉnh gọi là Điểm tới hạn (critical point). Trạng thái này không còn phân biệt lỏng/hơi.  Điểm tới hạn có các thông số tới hạn đặc trưng (P, v, T). Đường nối các trạng thái lỏng bão hòa, hơi bão hòa chia vật chất thành 3 vùng: Vùng lỏng (compressed liquid); Vùng lỏng/hơi bão hòa (vùng sôi) – (saturated liqud-vapor); Vùng hơi quá nhiệt (superheated vapor). Điểm tới hạn một số chất Chất Nhiệt độ tới hạn Á/suất tới hạn (tuyệt đối) Argon −122,4 °C (150,8 K) 48,1 atm (4.870 kPa) Ammoniac 132,4 °C (405,5 K) 111,3 atm (11.280 kPa) Brom 310,8 °C (584,0 K) 102 atm (10.300 kPa) Clo 143,8 °C (416,9 K) 76,0 atm (7.700 kPa) Etanol 241 °C (514 K) 62,18 atm (6.300 kPa) Flo −128,85 °C (144,30 K) 51,5 atm (5.220 kPa) Heli −267,96 °C (5,19 K) 2,24 atm (227 kPa) Hydro −239,95 °C (33,20 K) 12,8 atm (1.300 kPa) Krypton −63,8 °C (209,3 K) 54,3 atm (5.500 kPa) CH4 (metan) −82,3 °C (190,8 K) 45,79 atm (4.640 kPa) Neon −228,75 °C (44,40 K) 27,2 atm (2.760 kPa) Nitơ −146,9 °C (126,2 K) 33,5 atm (3.390 kPa) Ôxy −118,6 °C (154,6 K) 49,8 atm (5.050 kPa) CO2 31,04 °C (304,19 K) 72,8 atm (7.380 kPa) N2O 36,4 °C (309,5 K) 71,5 atm (7.240 kPa) H2SO4 654 °C (927 K) 45,4 atm (4.600 kPa) Xenon 16,6 °C (289,8 K) 57,6 atm (5.840 kPa) Liti 2.950 °C (3.220 K) 652 atm (66.100 kPa) Thủy ngân 1.476,9 °C (1.750,1 K) 1.720 atm (174.000 kPa) Lưu huỳnh 1.040,85 °C (1.314,00 K) 207 atm (21.000 kPa) Sắt 8.227 °C (8.500 K) Vàng 6.977 °C (7.250 K) 5.000 atm (510.000 kPa) Nhôm 7.577 °C (7.850 K) Nước[5][6] 373,946 °C (647,096 K) 217,7 atm (22,06 MPa) Thay đổi pha trên đồ thị P-v khi T = const  Giảm dần P, giữ T = constant.  Nước bắt đầu sôi khi đạt Psat. Điểm số mấy?  Từ 2 - 4, không thay đổi áp suất, (P=constant), giữ T = constant bằng cách cấp nhiệt để bay hơi.  Tới điểm 4, tiếp tục giảm áp suất, giữ T = const.  Nhận xét: trong vùng hỗn hợp (vùng ẩm), đường P = const và T = const trùng nhau. 1 2 3 4 5 Điểm ba thể (Triple point)  Một số chất tồn tại điểm các pha rắn, lỏng, hơi cùng tồn tại gọi là điểm 3 thể.  Trên đồ thị P-v là đường triple line, cùng áp suất, nhiệt độ.  Trên đồ thị P-T, triple line là một điểm.  Với nước điểm 3 thể có T= 0.01 0C, P=0.6113 Kpa  P-T được gọi là đồ thị pha vì mỗi pha ngăn cách bởi 1 đường:  Expand on freezing = nở ra khi đông đặc (nước);  Contract on freezing = co lại khi đông đặc (các chất ngoài nước) P-v-T đồ thị 3D P T T v P v viewTop  Phương trình trạng thái của môi chất biến đổi pha (khí thực) quá phức tạp. Thường sử dụng bảng để tra cứu các thông số trạng thái.  Với các vùng đơn pha, 2 thông số bất kỳ có thể xác định trạng thái;  Trong vùng 2 pha, 2 thông số bất kỳ (trừ P và T) có thể xác định trạng thái. Trong vùng 2 pha, P và T phụ thuộc lẫn nhau.  Các bảng tra thông số của nước, hơi nước xem phần Phụ lục;  Với các chất khác có thể tìm kiếm trên internet (NH3, ga lạnh R22, R134A, ) Bảng nước và hơi bão hòa (B1, B2, B3, B4) Bảng của môi chất biến đổi pha Sử dụng bảng  Hãy xác định nhiệt độ của nước trong nồi hơi có áp suất đo bằng áp kế là 6bar?  Hãy xác định áp suất của nước trong nồi hơi nếu nhiệt độ là 150 0C? P = c on st . Saturated Liquid and Saturated Vapor States Table A-5  In Table A-5 (page 832), Pressure is listed in the left column as the independent variable.  Use whichever table is convenient.  Enthalpy of vaporization or latent heat  the amount of energy needed to vaporize a unite mass of saturated liquid at a given temperature or pressure fgfg vvv  fgfg hhh  Example 2-1: Saturated Liquid and Saturated Vapor  A rigid tank contains 50 kg of saturated liquid water at 90oC. Determine the pressure in the tank and the volume of the tank. (Table A-4) (Answers: 70.14 kPa, 0.0518 m3) Example 2-2: Saturated Liquid and Saturated Vapor  A piston-cylinder device contains 2 ft3 of saturated water vapor at 50-psia pressure. Determine the temperature of the vapor and the mass of the vapor inside the cylinder. (Table A-5E) (Answers: 281.03oF, 0.235 lbm) Example 2-3: Saturated Liquid and Saturated Vapor  A mass of 200 g of saturated liquid water is completely vaporized at a constant pressure of 100 kPa. Determine (a) the volume change and (b) the amount of energy added to the water. (Answers: 0.3368 m3, 451.6 kJ)  Trong vùng bão hòa, cần thêm thông số xác định tỷ lệ hơi và lỏng, gọi là độ khô (x):  Hoặc khái niệm độ ẩm: y = 1-x  Derivation:  Nếu gọi  là thông số trạng thái bất kỳ của hơi ẩm thì: Hỗn hợp nước + hơi ở trạng thái bão hòa total g gf g m m mm m x    f ggf   Gas mg vg Liquid mf vf fgfg fgf fgf gf ggfg ggff gf vvvwhere xvvv vvxvv xvvxv vmvmm vmvmmv VVV        )( )1( )( xxx)-(1 x g fg f f       X = 0 Đường giới hạn dưới X = 1 Đường giới hạn trên Saturated Liquid-Vapor Mixture Quality is an intensive property P= co ns t. vvvg T=const. P Psat P    mixture saturated ff ff gf sat sat Tor Pgiven at h h h Tor Pgiven at u u u Tor Pgiven at v vv Tgiven at P P Pgiven at T T      Example 2- 4: Saturated Liquid-vapor mixture (continued)  A rigid tank contains 10 kg of water at 90oC. If 8 kg of water is in the liquid form and the rest is in the vapor form, determine (a) the pressure in the tank and (b) the volume of the tank. (Answers: 70.14 kPa, 4.73 m3) Example 2-5: Saturated Liquid-vapor mixture (continued)  An 80-L vessel contains 4 kg of refrigerant 134a at a pressure of 160 kPa. Determine a) the temperature of the refrigerant, b) the quality, c) the enthalpy of the refrigerant, and d) the volume occupied by the vapor phase. (Answers: -15.62oC, 0.158, 62.7 kJ/kg, 0.0777 m3) Hơi quá nhiệt  Vùng bên phải đường x = 1 P vvvg T=const. Superheated Vapor    vapordsuperheate g g g sat sat Tor Pgiven at h h Tor Pgiven at u u Tor Pgiven at v v Tgiven at P P Pgiven at T T     P=co ns t. vvvg T=const. P Psat P Compressed liquid Table A-7  In the region to the left of the saturated liquid line, a substance exists as compressed liquid. Compressed Liquid    liquid compressed f f f sat sat Tor Pgiven at h h Tor Pgiven at u u Tor Pgiven at v v Tgiven at P P Pgiven at T T     P=c on st . A general approximation  In the absence of compressed liquid data, a general approximation is to treat compressed liquid as saturated liquid at the given temperature. Such that  If the compression is moderate, the properties do not vary significantly with pressure. But they do vary with temperature Tf yy @  264 T vvvf P = 5 M pa . 80 Approximate value Precise value Acceptable Linear Interpolation A B 100 5 200 10 130 y 510 5 100200 100130      y Linear Interpolation (Continued) Now T Psat X1= 140 y1= 0.3615 X = 143 y = ? X2= 145 y2= 0.4154 Psat 0.3615 143 140 145 140 0.4154 0.3615( ) Psat 0.394 kPa )( 12 12 1 1 yy xx xx yy     1 1 2 1 2 1 y y x x y y x x      Example 2-7 Superheated Vapor  Determine the temperature of water at a state of P = 0.5 MPa and h = 2890 kJ/kg. (Answers: 216.4 oC) Example on Compressed Liquid Example 2-8:  Determine the internal energy of compressed liquid water at 80oC and 5 MPa using (a) data from the compressed liquid table and (b) saturated liquid data. What is the error involved in the second case? (Answers: 333.72 kJ/kg, 334.86 kJ/kg, 0.34%) 80 99263. 80 The Use of Steam Table to Determine Properties Example 2-9:  Determine the missing properties and the phase descriptions in the following table for water. Reference State and Reference Values  The values of u, h, and s cannot be measured directly, and they are calculated from measurable properties using the relations between thermodynamic properties. However, those relations give the changes in properties, not the values of properties at specified state.  For water, the state saturated liquid at 0.01oC is taken as the reference state, and the internal energy and entropy are assigned zero values at that sate.  For refrigerant 134a, the state saturated liquid at -40oC is taken as the reference state, and the enthalpy and entropy are assigned zero values at that state.  In thermodynamics we are concerned with the changes in properties, and the reference chosen has no consequences in the calculations.