Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 2c: Tính chất của vật chất (Properties of Substances)

Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 2c: Tính chất của vật chất (Properties of Substances). Mục đích của chương này nhằm: Làm quen với một số khái niệm về tính chất của vật chất, chất tinh khiết; làm quen với các dạng năng lượng và sự biến đổi năng lượng của hệ; nghiên cứu sự biến đổi pha của chất tinh khiết (phase-change);… Mời các bạn cùng tham khảo.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 2c: Tính chất của vật chất (Properties of Substances) Chapter#2 Tính chất của vật chất (Properties of Substances) Mục đích của chương  Làm quen với một số khái niệm về tính chất của vật chất, chất tinh khiết.  Làm quen với các dạng năng lượng và sự biến đổi năng lượng của hệ.  Nghiên cứu sự biến đổi pha của chất tinh khiết (phase-change).  Nghiên cứu các đồ thị P-v, T-v, P-T, và P-v-T của chất tinh khiết.  Nghiên cứu các bảng để tra cứu thông số của các chất tinh khiết.  Làm quen với các chất được giả định là KHÍ LÝ TƯỞNG (ideal gas) và phương trình trạng thái của khí lý tưởng và áp dụng giải quyết các bài toán.  Nghiên cứu về khí thực (real gases) và so sánh sự khác nhau với khí lý tưởng. Làm quen với phương trình trạng thái của một số khí thực.  Nhiệt dung riêng, nhiệt lượng và cách tính nhiệt lượng trao đổi. 1 Một số định nghĩa - Thuộc tính (property)  Để mô tả một hệ thống và dự đoán ứng xử của nó, cần kiến thức về các thuộc tính của nó và mối quan hệ giữa chúng  Thuộc tính của một hệ thống là các đặc tính vĩ mô của nó.  Một số thuộc tính phổ biến là: áp suất (pressure-P), nhiệt độ (temperature- T), thể tích (volume-V) và khối lượng (G) hoặc (mass-m).  Các thuộc tính mô tả trạng thái của một hệ thống chỉ khi hệ thống ở trạng thái ổn định (cân bằng-equilibrium state).  Không phải tất cả các thuộc tính là độc lập. Mật độ hay khối lượng riêng (density-ρ) là thuộc tính độc lập với áp suất và nhiệt độ. Mật độ và thể tích riêng (specific volume-v) nghịch đảo nhau. 2 Thuộc tính mở rộng (extensive properties) Cường tính (properties)  Thuộc tính là các thông số không phụ thuộc vào quy mô của hệ thống, ví dụ: nhiệt độ, áp suất, khối lượng riêng. Thuộc tính mở rộng/quảng tính (extensive properties)  Thuộc tính mở rộng là các thông số đặc trựng cho quy mô của hệ thống, thường được ký hiệu bằng chữ in hoa ví dụ: thể tích (V), năng lượng toàn phần (E). Chất đồng nhất và pha  Chất đồng nhất:  Có thành phần hóa học đồng nhất.  Có cấu trúc vật lý đồng nhất.  Ví dụ: Không khí, nước ở trạng thái lỏng.  Nước (H2O) đồng nhất về hóa học nhưng có thể thay đổi cấu trúc vật lý:  Khi làm lạnh, nước chuyển thành thể rắn (ice/solid).  Khi đun nóng, nước chuyển thành hơi (vapor).  Các trạng thái lỏng (liquid), rắn (solid), hơi (vapor) của nước gọi là pha (phase).  Các quá trình nhiệt động, môi chất có thể chỉ tồn tại ở một pha đồng nhất:  Ví dụ, khí cháy trong động cơ đốt trong, không khí trong máy nén khí.  Môi chất cũng có thể biến đổi pha trong các thiết bị:  Ví dụ, nước và hơi nước trong chu trình nhà máy nhiệt điện; ga lạnh biến đổi giữa dạng lỏng và dạng hơi trong các máy điều hòa không khí. 3 Tiên đề trạng thái (State Postulate)  Cần bao nhiêu thông số để xác định một trạng thái phụ thuộc vào mức độ phức tạp của hệ thống.  Theo Tiên đề trạng thái, cần hai thông số độc lập để xác định một trạng thái.  Hai thông số được coi là độc lập khi một thông số có thay đổi mà thông số còn lại giữ không đổi. Ví dụ: nhiệt độ và thể tích riêng.  Nhiệt độ và áp suất có thể không phải là thông số độc lập khi môi chất có biến đổi pha. Ví dụ khi nước đang sôi.  Định luật pha:  Môi chất đơn nhất, không biến đổi pha: cần 2 thông số;  Môi chất có biến đổi pha: cần 1 thông số. Các dạng năng lượng (Forms of Energy)  Trong hệ ổn định (không tồn tại ảnh hưởng của điện, từ, …), năng lượng toàn phần (E) của hệ bao gồm: Động năng (kinetic-KE), thế năng (potential-PE) và nội năng (internal-U) E = U + KE + PE (kJ), 2 mv me = mu + + mgz (kJ), 2  Hoặc viết cho một đơn vị khối lượng: v2 e = u + ke + pe = u + + gz (kJ / kg ) 2  Năng lượng vĩ mô của hệ là năng lượng toàn phần so với xung quanh, bao gồm động năng và thế năng.  Năng lượng vi mô của hệ liên quan đến cấu trúc phân tử của hệ thống và độc lập với bên ngoài. Đó là nội năng.  Sự thay đổi của năng lượng toàn phần ∆E của một hệ tĩnh tại (closed system) chính bằng sự thay đổi nội năng ∆U. Ví dụ: khi đun nóng vật chất trong một bình kín. 4 Enthalpy – Một thông số trạng thái kết hợp  Khi nghiên cứu một số quá trình liên quan đến năng lượng và làm lạnh, thường gặp sự kết hợp giữa internal energy U, và tích pressure-volume PV. Người ta gọi nó là ENTHALPY.  Là đơn vị năng lượng:  Viết cho hệ bấy kỳ:
=  +   Viết cho hệ gồm 1kg môi chất: ℎ =  +   Trước 1930, h thường được gọi là heat content or total heat.  Sau 1930, được gọi là enthalpy (theo tiếng Hy Lạp, enthalpien nghĩa là heat) Sự chuyển pha, đồ thị pha, tính chất của chất tinh khiết 5 Chất tinh khiết  Hóa học định nghĩa đơn chất và hợp chất. Air  Nhiệt động học coi chất tinh khiết (pure substance) là chất có thành phần hóa học đồng N2 nhất. Ví dụ  Water, nitrogen, helium, and carbon dioxide, for example, are all pure substances. Water  A mixture of water liquid and water vapor, for vapor example, is a pure substance because both phases have the same chemical composition ...