Bài giảng Kỹ thuật nhiệt: Chương 2 - TS. Lê Xuân Tuấn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:15

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 2: Môi chất và cách xác định trạng thái của chúng, cung cấp cho người học những kiến thức như khí lý tưởng và khí thực; sự chuyển pha của các đơn chất; quá trình hoá hơi đẳng áp của các chất lỏng;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật nhiệt: Chương 2 - TS. Lê Xuân Tuấn

Chương 2. Môi chất và cách xác định 1 trạng thái của chúng 2.1. KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THỰC 2.1.1. Sự khác nhau của khí thực so với khí lý tưởng 1 2.1.1. Sự khác nhau của khí thực so với khí lý tưởng 2 Khí lý tưởng Khí thực - Lực tác dụng giữa các phân tử: - Lực tác dụng giữa các phân tử: F=0 F≠0 !" !" - Độ nén: 𝑧 = ,z=1 - Độ nén: 𝑧= , z ≠ 1 và phụ #$ #$ thuộc áp suất, nhiệt độ và tính chất vật lý của khí đó. - Nhiệt dung riêng: hằng số và chỉ - Nhiệt dung riêng: phụ thuộc tính phụ thuộc tính chất của khí đó. chất của khí đó, nhiệt độ và áp suất. - Nội năng: u = f(T) - Nội năng: u = f(T, v/p) - Entanpi: i = f(T) - Entanpi: i = f(T, v/p) - Sự chuyển pha: không có - Sự chuyển pha: Rắn, lỏng, khí 2 1
2.1.2. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng và khí thực 3 1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng - Phương trình trạng thái được tìm từ thực nghiệm của: Boyle – Mariotte và Gay – Lussac. Ngày nay được tìm ra nhờ thuyết động học phân tử. - Dạng tổng quát: F(p, v, T) = 0, có nghĩa cứ biết 2 trong số 3 thông số trạng thái chúng ta sẽ xác định được hoàn toàn trạng thái của hệ. - Viết cho 1 kg khí lý tưởng: p𝓋 = RT p – Áp suất tuyệt đối, N/m2 𝓋 – Thể tích riêng, m3/kg R – Hằng số chất khí, J/kg.K T – Nhiệt độ Kelvin, 0K 3 1. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng (Tiếp theo) 4 - Viết cho G kg khí lý tưởng: p𝓋G = GRT ↔ pV = GRT - Viết cho 1 kmol khí lý tưởng: p𝓋𝜇 = 𝜇RT ↔ pV 𝜇= R 𝜇T - Ở điều kiện tiêu chuẩn (p = 760 mmHg, t = 00C), thể tích của 1 kmol chất khí là V 𝜇 = 22,4 m3. !"# p!! !$# .$%".&&,( R𝜇 = " = &)*,$+ = 8314 J/kmol.K Mặt khác: p𝓋 = RT ↔ p𝓋𝜇 = 𝜇RT ↔ pV 𝜇= 𝜇RT F R = , = .*$( - ! - 4 2
2. Phương trình trạng thái của khí thực 5 Ø Đối với khí thực không tồn tại phương trình trạng thái đúng cho tất cả các khí thực với mọi điều kiện áp suất, nhiệt độ và thể tích riêng. Các phương trình hiện nay chứa nhiều hằng số thực nghiệm, phụ thuộc vào từng chất khí. F Phương trình trạng thái của khí thực có sai số lớn nên không sử dụng. 5 2. Phương trình trạng thái của khí thực (Tiếp theo) 6 - Phương trình đơn giản nhất là Van der Walls / (p + 𝓋# )(𝓋 - b) = RT Các hệ số: a (N.m4/kg2) và b (m3/kg) là hằng số thực nghiệm và phụ thuộc vào bản chất của từng chất khí. / Trong đó 𝓋# đặc trưng cho lực tương tác giữa các phân tử; b thể tích bản thân các phân tử. F Trong những điều kiện cho phép chúng ta coi chúng là khí lý tưởng để tính toán. F Khi xem xét chúng là khí thực, chúng ta sử dụng các bảng số hoặc đồ thị để tính toán. 6 3
2.2. SỰ CHUYỂN PHA CỦA CÁC ĐƠN CHẤT 7 Ø Vật chất tồn tại ở ba trạng thái: Rắn, lỏng, khí và được gọi chung là pha. Ø Trong thực tế còn tồn tại trạng thái plasma (điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao), tuy nhiên trong nhiệt động không xét trạng thái plasma. Ø Khi chuyển từ pha này sang pha khác cần một lượng nhiệt nhất định gọi là nhiệt chuyển pha. 7 2.2. SỰ CHUYỂN PHA CỦA CÁC ĐƠN CHẤT 8 Nước đá ở trạng thái rắn bị tan chảy chuyển sang trạng thái lỏng ở điều kiện nhiệt độ T > 0oC 8 4
2.2. SỰ CHUYỂN PHA CỦA CÁC ĐƠN CHẤT 9 Nước bị đóng băng khi nhiệt độ môi trường xuống dưới 0oC 9 2.2. SỰ CHUYỂN PHA CỦA CÁC ĐƠN CHẤT 10 Nhiệt chuyển pha 10 5
2.2.1. Đồ thị pha 11 O – Điểm 3 thể: rắn, lỏng, hơi. K – Điểm tới hạn (nhiệt hóa hơi bằng 0) 2.2.2. Các quá trình chuyển pha Ø Rắn ⟷ lỏng: Nóng chảy (Q < 0), đông đặc (Q > 0); Ø Lỏng ⟷ khí: Hoá hơi (Q < 0), đông đặc (Q > 0); Ø Rắn ⟷ khí: Thăng hoa (Q < 0), ngưng kết (Q > 0). Hình 2.2. Đồ thị pha của H20 11 2.3. QUÁ TRÌNH HOÁ HƠI ĐẲNG ÁP CỦA CÁC CHẤT LỎNG 12 2.3.1. Quá trình hoá hơi đẳng áp Ø Quá trình hóa hơi là quá trình vật chất chuyển pha từ pha lỏng sang pha hơi; Ø Điều kiện: p > po (áp suất điểm 3 thể) Ø Trong thực tế thường gặp quá trình hóa hơi đẳng áp. Ví dụ: Trong bình ngưng, bình bay hơi ... 12 6
2.3.1. Quá trình hoá hơi đẳng áp (Tiếp theo) 13 Ø Quá trình bay hơi: là quá trình hóa hơi chỉ xảy ra trên bề mặt thoáng của chất lỏng ở áp suất và nhiệt độ nào đó. Cường độ bay hơi phụ thuộc vào bản chất chất lỏng, áp suất và nhiệt độ chất lỏng. Ø Quá trình sôi: Là quá trình hóa hơi xảy ra không chỉ trên bề mặt thoáng mà còn xảy ra trong toàn bộ không gian của chất lỏng. Quá trình sôi chỉ chỉ xảy ra ở nhiệt độ nhất định (áp suất nhất định) gọi là nhiệt độ sôi, nhiệt độ sôi phụ thuộc bản chất và áp suất: ts = f(p). Ø Trong công nghiệp và đời sống người ta thường sử dụng hơi nước, hoá hơi thường xảy ra trong điều kiện đẳng áp và đặc điểm hoá hơi của các chất lỏng là như nhau nên chúng ta xét quá trình hoá hơi của nước như sau: 13 2.3.1. Quá trình hoá hơi đẳng áp (Tiếp theo) 14 Hình 2.3. Mô tả quá trình sôi 14 7
2.3.1. Quá trình hoá hơi đẳng áp (Tiếp theo) 15 Ø Điểm O: nước chưa sôi t < ts; Ø OA: quá trình đốt nóng nước ở nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ sôi ts; Ø AC: quá trình sôi t = ts; Ø CD: hơi quá nhiệt t > ts; Ø Điểm nước sôi A có các thông số: i’, s’, v’, u’; Ø Điểm hơi bão hòa ẩm B có các thông số: ix, sx, vx, ux trong đó x là 1 1 độ khô và được xác định như sau: x = 2$ = 2 32 $ % & $ Ø Điểm hơi bão hòa khô C có các thông số: i”, s”, v”, u”; Ø Nhiệt hóa hơi r (kJ/kg): là lượng nhiệt cấp cho 1 kg chất lỏng sôi biến thành hơi bão hòa khô. 15 Hình 2.4. Đồ thị trạng thái p-v Hình 2.5. Đồ thị trạng thái T-s 16 Ø Biểu diễn trên đồ thị p-v như hình 2.4 ta được: + O là đường gần như thẳng đứng vì thể tích của nước không đổi theo p; + Nối các điểm A được đường cong giới hạn dưới: x = 0; + Nối các điểm C được đường cong giới hạn trên: x = 1; F Hai đường C và A gặp nhau tại điểm K gọi là điểm tới hạn. Trạng thái tại điểm K gọi là trạng thái tới hạn. Ví dụ: H2O có pk = 221 bar, tk = 3740C, vk = 0,00326 m3/kg 16 8
2.3.1. Quá trình hoá hơi đẳng áp (Tiếp theo) 17 Ø Nhiệt cấp cho 1kg nước chưa sôi ở nhiệt độ t0 (entanpi i0) biến thành hơi quá nhiệt ở nhiệt độ t (entanpi i): q = qn + r + qh Ø Nhiệt cần đốt nóng nước từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ sôi ts: qn = Cp.(ts – t0) Ø Nhiệt hóa hơi r: r = i” – i’ Ø Nhiệt cần đốt nóng hơi bão hòa khô thành hơi quá nhiệt: qh = i – i” 17 2.3.2. Bảng và đồ thị của hơi 18 Ø Khi sử dụng đồ thị và bảng sẽ tra được thông số trạng thái của lỏng sôi (x = 0) hoặc hơi bão hoà khô (x = 1) khi biết nhiệt độ hoặc áp suất. Ø Hơi bão hoà ẩm phải biết thêm 1 thông số (ngoài nhiệt độ hoặc áp suất) là độ khô x hoặc thông số khác. Ø Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt cần phải biết 2 thông số là nhiệt độ và áp suất. Ø Hơi bão hoà ẩm người ta thường xác định qua độ khô x và các thông số khác. 18 9
1. Bảng hơi nước 19 - Cấu tạo các bảng số của các loại hơi hoàn toàn giống nhau nên ở đây chỉ trình bày về bảng hơi nước. a. Bảng nước sôi và hơi bão hòa khô - Nước sôi và hơi bão hoà đã biết được một thông số độc lập là độ khô x, do đó chỉ cần biết một thông số độc lập khác là áp suất hoặc nhiệt độ để có thể xác định các thông số còn lại khác. - Bảng 3, 4. Nước sôi và hơi bão hoà t p v’ v’’ r’’ i’ i’’ r s’ s’’ OC bar m3/kg m3/kg kg/m3 kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kgK kJ/kgK 100 1,013 0,00104 1,673 0,5977 419,1 2676 2257 1,3071 7,3547 150 4,760 0,00109 0,3926 2,547 632,2 2746 2114 1,8418 6,8383 19 b. Bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt 20 - Đối với lỏng chưa sôi và hơi quá nhiệt cần biết 2 thông số trạng thái độc lập là nhiệt độ và áp suất để xác định các thông số trạng thái còn lại. - Khi sử dụng bảng thông số trạng thái của nước chưa sôi và hơi quá nhiệt cần phân biệt đâu là nước chưa sôi và đâu là hơi quá nhiệt. Trong một số bảng người ta có in đậm một đường gấp khúc để phân vùng giữa lỏng và hơi quá nhiệt. - Bảng 5. Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt P, bar T, OC 20 40 60 ... 600 0,401 v 0,0010014 0,0010075 0,0010167 ... 10 i 84,7 168,3 251,8 ... 3698 s 0,2960 0,5712 0,8298 ... 8,027 20 10
2. Đồ thị của các hơi 21 - Sử dụng bảng số sẽ cho kết quả rất chính xác nhưng có một số trường hợp phải tính toán nội suy tốn nhiều thời gian hơn dùng đồ thị. Vì vây, trong một số trường hợp khi yêu cầu về độ chính xác không cao thì sử dụng đồ thị là đơn giản và thuận tiện nhất. - Với hơi nước, có thể dùng đồ thị T – s hoặc dùng đồ thị i – s. - Với khí thực có thể dùng đồ thị i-s, logp-h để xác định thông số trạng thái. 21 a. Đồ thị T-s của hơi nước 22 - Đường đẳng áp trong vùng nước Chưa sôi trùng với đường x=0, trong vùng bão hoà ẩm là các đoạn thẳng nằm ngang và trùng với đường đẳng nhiệt, trong vùng hơi quá nhiệt là các đường cong đi lên; - P tăng cùng chiều với T; - x = const đi từ điểm K toả xuống phía dưới. 22 11
b. Đồ thị i-s của hơi nước 23 - Trên đồ thị có 2 trục toạ độ là trục tung biểu diễn giá trị của entanpy i (kJ/kg) và trục hoành biểu diễn giá trị của entropy s (kJ/kgK). Trên đồ thị còn có các đường biểu diễn độ khô x, áp suất p, nhiệt độ, thể tích riêng. - Đường i = const là những đường thẳng song song với trục hoành. - Đường s = const là những đường thẳng song song với trục tung. - Đường biểu diễn độ khô x = const là những đường cong đi từ điểm tới hạn K xuống dưới. - Đường cao nhất trên đồ thị có độ khô x = 1. 23 24 24 12
25 Các đường biểu diễn áp suất p = const là những đường thẳng đi lên trong vùng hơi bão hoà ẩm (bên dưới đường x = 1) và trên đường x = 1 là những cong đi lên trên có bề lồi quay xuống dưới. Các đường có giá trị lớn nằm ở trên. - Đường t = const là những đường thẳng đi lên trùng với đường biểu diễn p = const trong vùng bên dưới đường x = 1. Bên trên đường này, các đường biểu diễn nhiệt độ t = const là những đường cong đi lên, sau đó ngả sang phải và gần như song song với trục hoành khi nó ở xa đường x = 1. - Đường đẳng tích v = const là những đường cong đi lên, kể cả vùng hơi bão hoà ẩm và hơi quá nhiệt, dốc hơn đường đẳng áp và thường được vẽ bằng đường nét đứt. 25 c. Đồ thị lgP-i (hoặc lgP-h) của các môi chất lạnh 26 - Đồ thị có 2 trục toạ độ, trục tung biểu diễn áp suất, đơn vị đo là MPa. Mục đích của việc biểu diễn trục tung dạng logarit là thay đổi tỉ lệ xích để việc biểu diễn trên đồ thị được thuận tiện. Trục hoành là trục biểu diễn entanpy. Ngoài ra trên đồ thị còn biểu diễn đường đẳng nhiệt, đẳng tích, đoạn nhiệt. 26 13
c. Đồ thị lgP-i (hoặc lgP-h) của các môi chất lạnh (Tiếp theo) 27 - Đường p = const là đường thẳng song song với trục hoành; - Đường i = const là đường thẳng song song với trục tung; - Đường v = const và s = const là những đường cong đi từ trái sang phải và có bề lồi nằm ở trên. Nhưng đường s = const dốc hơn đường v = const. - Đường t = const ở vùng lỏng bão hoà là những đường thẳng đứng còn trong vùng bão hoà là đường thẳng nằm ngang trung với đường p = const, trong vùng hơi quá nhiệt là những đường cong lồi lên trên và chuyển dần sang dạng đường thẳng song song với trục tung. 27 28 Đồ thị lgP-i của các môi chất lạnh R22 28 14
29 Đồ thị lgP-i của các môi chất lạnh R407C 29 30 Đồ thị lgP-i của các môi chất lạnh R410a 30 15