Bài giảng Môi chất biến đổi pha Chương 6

Chương 6:

MÔI CHẤT BIẾN ĐỔI PHA

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)

Air

 Nhiệt động kỹ thuật coi môi chất là chất có

N2

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

Water vapor

chất khí khó hóa lỏng (N2, CO2)

chất làm lạnh.

 Môi chất biến đổi pha: nước và hơi nước, môi

Water liquid

Pure substance

Pha của môi chất (Phase)

phân cách;

vapor

 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

 Chất lỏng (liquid): chỉ vật chất ở pha lỏng trong điều

kiện môi trường;

liquid

 Chất khí (gas): chỉ vật chất ở pha khítrong điều kiện

môi trường;

Solid

 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).

 Một số thuật ngữ dễ nhầm lẫn:

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 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)

 Khí hay hơi (gas or vapor)?

Sự đổi pha của môi chất

lỏng ở áp suất không đổi, giả sử là nước;

 Đun nóng môi chất ở trạng thái

Piston-cylinder dùng để duy trì áp suất không đổi

Nước trạng thái lỏng

 Quá trình diễn ra tương tự đối với các đơn chất khác (ví dụ: môi chất làm lạnh)

Quá trình biến đổi pha trên đồ thị T-v

Quá trình thay đổi pha trên đồ thị T-v

trường, nước ở trạng thái lỏng.

 Cylinder chứa nước ở 20oC áp suất môi

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.

 Gia nhiệt cho hệ thống với điều kiện giữ

Chất lỏng bão hòa (saturated liquid)

HÒA, và nhiệt độ bão hòa (Điểm 2 – saturated liquid)

 Trạng thái này gọi là TRẠNG THÁI BÃO

Giữa điểm 2 và 4 là hỗn hợp nước + hơi = hơi bão hòa ẩm

 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).

Hơi bão hòa (khô) – 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)

khác nhau cao hơn, nhận được các đường tương tự .

 Lặp lại thí nghiệm ở các áp suất

 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

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)

48,1 atm (4.870 kPa) 111,3 atm (11.280 kPa) 102 atm (10.300 kPa) 76,0 atm (7.700 kPa) 62,18 atm (6.300 kPa) 51,5 atm (5.220 kPa) 2,24 atm (227 kPa) 12,8 atm (1.300 kPa) 54,3 atm (5.500 kPa) 45,79 atm (4.640 kPa) 27,2 atm (2.760 kPa) 33,5 atm (3.390 kPa) 49,8 atm (5.050 kPa) 72,8 atm (7.380 kPa) 71,5 atm (7.240 kPa) 45,4 atm (4.600 kPa) 57,6 atm (5.840 kPa) 652 atm (66.100 kPa) 1.720 atm (174.000 kPa) 207 atm (21.000 kPa)

5.000 atm (510.000 kPa)

Argon Ammoniac Brom Clo Etanol Flo Heli Hydro Krypton CH4 (metan) Neon Nitơ Ôxy CO2 N2O H2SO4 Xenon Liti Thủy ngân Lưu huỳnh Sắt Vàng Nhôm Nước[5][6]

−122,4 °C (150,8 K) 132,4 °C (405,5 K) 310,8 °C (584,0 K) 143,8 °C (416,9 K) 241 °C (514 K) −128,85 °C (144,30 K) −267,96 °C (5,19 K) −239,95 °C (33,20 K) −63,8 °C (209,3 K) −82,3 °C (190,8 K) −228,75 °C (44,40 K) −146,9 °C (126,2 K) −118,6 °C (154,6 K) 31,04 °C (304,19 K) 36,4 °C (309,5 K) 654 °C (927 K) 16,6 °C (289,8 K) 2.950 °C (3.220 K) 1.476,9 °C (1.750,1 K) 1.040,85 °C (1.314,00 K) 8.227 °C (8.500 K) 6.977 °C (7.250 K) 7.577 °C (7.850 K) 373,946 °C (647,096 K)

217,7 atm (22,06 MPa)

Thay đổi pha trên đồ thị P-v khi T = const

constant.

 Giảm dần P, giữ T =

Psat. Điểm số mấy?

 Nước bắt đầu sôi khi đạt

 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.

Điểm ba thể (Triple point)

 Một số chất tồn tại điểm các pha rắn, lỏng, hơi cùng tồn tại gọi là điểm 3 thể.

điểm.

 Trên đồ thị P-v là đường triple line, cùng áp suất, nhiệt độ.  Trên đồ thị P-T, triple line là một

0C, P=0.6113 Kpa

 Với nước điểm 3 thể có T= 0.01

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-T được gọi là đồ thị pha vì mỗi

T P-v-T đồ thị 3D

Top

view

v

Bảng của môi chất biến đổi pha  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.

thông số bất kỳ có thể xác định trạng thái;

Bảng nước và hơi bão hòa (B1, B2, B3, B4)

 Với các vùng đơn pha, 2

 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, …)

Sử dụng bảng

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?

 Hãy xác định nhiệt độ của

P = const.

Saturated Liquid and Saturated Vapor States Table A-5

Pressure is listed in the left column as the independent variable.

 In Table A-5 (page 832),

convenient.  v v







h g

 Use whichever table is

latent heat

 Enthalpy of vaporization or

vaporize a unite mass of saturated liquid at a given temperature or pressure

 the amount of energy needed to

Example 2-1: Saturated Liquid and Saturated Vapor

pressure in the tank and the volume of the tank. (Table A-4)

(Answers: 70.14 kPa, 0.0518 m3)

 A rigid tank contains 50 kg of saturated liquid water at 90oC. Determine the

Example 2-2: Saturated Liquid and Saturated Vapor

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)

 A piston-cylinder device contains 2 ft3 of saturated water vapor at 50-psia

Example 2-3: Saturated Liquid and Saturated Vapor

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)

 A mass of 200 g of saturated liquid water is completely vaporized at a

Hỗn hợp nước + hơi ở trạng thái bão hòa  Trong vùng bão hòa, cần thêm thông số xác định tỷ lệ hơi và lỏng, gọi là độ

khô (x):





g  mm

total

Gas mg vg



Liquid mf vf

)





gg

f



 g  Nếu gọi là thông số trạng thái bất kỳ của hơi ẩm thì:

x)-(1



  f

 g

  f   f

 Hoặc khái niệm độ ẩm: y = 1-x  Derivation:  VV f g mv   vmvm gg f f ( )    vmvmm f g gg  vx 1( ) v   xv f v vx ( v   v  xv  v  v f where  v v

X = 0

X = 1

Đường giới hạn dưới

Đường giới hạn trên

Saturated Liquid-Vapor Mixture

given



P=const.

given



T sat P sat  v v

given

Tor



given

Tor

P

Psat

T =co

h  f

nst.

P

g u u f  h h at given P Tor     f saturated mixture

v

vg

Quality is an intensive property

Example 2- 4: Saturated Liquid-vapor mixture (continued)

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)

 A rigid tank contains 10 kg of water at 90oC. If 8 kg of water is in the

Example 2-5: Saturated Liquid-vapor mixture (continued)

(Answers: -15.62oC, 0.158, 62.7 kJ/kg, 0.0777 m3)

 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.

Hơi quá nhiệt

 Vùng bên phải đường x = 1

P

T=co

nst.

v

vg

Superheated Vapor

P=const.

given

 T T sat  P P sat

 v v

given

Tor

P

given

Tor

Psat

given

T =co

nst.

P

g  u u g  h h P Tor g      superheate d vapor

v

vg

Compressed liquid Table A-7  In the region to the left of the saturated liquid line, a substance exists as

compressed liquid.

Compressed Liquid

P=const.

given



 T T sat P sat

 v v

given

Tor

given

Tor

given

f  u u f  h h at    f compressed

P Tor   liquid

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

Acceptable

T

pa. 5 M P=

264

v vf

v

Approximate value

Precise value

y

@ fy

 If the compression is moderate, the properties do not vary significantly with

pressure. But they do vary with temperature

Linear Interpolation

100

130

200



130 200

 

100 100

y 10

 5  5

Linear Interpolation (Continued)

Now

T Psat



y = ?

143

y y

 

y 1 y

x x

 x 1  x

X1= 140 y1= 0.3615 X = X2= 145 y2= 0.4154









(



)

y 1



x 2

x 1 x 1 143



140



0.3615





(

) 0.4154 0.3615 

Psat

145



140



0.394

kPa

Psat

Example 2-7 Superheated Vapor

kJ/kg.

(Answers: 216.4 oC)

 Determine the temperature of water at a state of P = 0.5 MPa and h = 2890

Example on Compressed Liquid

263.

99 80

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%)

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.

state, and the internal energy and entropy are assigned zero values at that sate.

 For water, the state saturated liquid at 0.01oC is taken as the reference

reference state, and the enthalpy and entropy are assigned zero values at that state.

 For refrigerant 134a, the state saturated liquid at -40oC is taken as the

the reference chosen has no consequences in the calculations.

 In thermodynamics we are concerned with the changes in properties, and