Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 2b: Tính chất của vật chất (Properties of Substances)
Chapter#2 Tính chất của vật chất
(Properties of Substances)
• Nhiệt dung riêng (Specific heat)
• Khí lý tưởng (Ideal gas)
Khí lý tưởng
(Ideal Gas)
2
1
Khí lý tưởng
Là chất khí có một số đặc điểm:
Lực tương tác phân tử rất nhỏ, coi như không có;
Thể tích riêng của các phân tử rất nhỏ, coi như bằng không.
Khí rất “loãng”
Phương trình trạng thái
Là bất cứ phương trình nào mô tả quan hệ giữa các thông số trạng
thái (cường tính), cụ thể là P, v, T
Khí hay Hơi?
HƠI (Vapor): chỉ môi chất ở trạng thái khí gần trạng thái
ngưng tụ
Khi môi chất ở xa trạng thái ngưng tụ và có nhiệt độ cao
hơn nhiệt độ tới hạn (critical temperature) thì gọi là KHÍ.
3
PT trạng thái KLT
(Ideal gas equation of state)
Năm 1802, Charles and Lussac xác định bằng thực nghiệm phương
trình (Ideal gas equation of state):
R – Hằng số khí (Gas constant)
R= Ru / M
Pv = RT
Ru – Hắng số khí phổ biến (universal gas
constant). Ru = 8.314 KJ/Kmol . K
M – Khối lượng mole (molecular weight)
M là khối lượng mole (kmole) của vật chất (grams hoặc kilograms)
Giá trị của R, M của một số KLT phổ biến trong bảng Table A-1.
4
2
Quan hệ P-v-T
PV =mRT (v =V /m)
Pv = RT
PV =NRT (mR =NMR =NR )
u
u
Pv =RT (v =V /N)
u
Quan hệ giữa hai trạng thái của KLT như sau:
PV
m =
RT
m1 = m2
PV PV2
PV PV2
=
1 1
2
1 1
2
=
RT RT2
and
T
T2
1
1
5
Ideal gas
KLT là các chất khí “tưởng tượng” tuân theo PT trạng thái Pv = RT.
Những chất khí có mật độ (density) giảm khi ở nhiệt độ cao và áp suất
thấp. Khi đó chúng có thể được coi là KLT.
Các chất khí như: không khí (air), nitrogen, oxygen, hydrogen, helium,
Aragon, neon, krypton có thể coi là KLT. Khí CO2 (carbon dioxide)
cũng có thể coi là KLT với sai số dưới 1 %.
Các chất ở thể hơi như water vapor trong các chu trình nhà máy nhiệt
điện, refrigerant vapor trong các máy lạnh có mất độ cao hơn nên
không thể coi là KLT. Với các chất này, thay vì sử dụng PT trạng
thái, ngươi ta hay sử dụng các bảng tra.
6
3
Hơi nước có phải là khí lý tưởng
Tùy theo trạng thái,
hơi nước có thể hoặc
không thể được coi là
KLT
Trên hình: Mức độ sai
số tính toán khi áp
dụng PT trạng thái
KLT cho hơi nước
Hơi nước trong các
chu trình thiết bị động
lực hơi nước (nhiệt
điện) không thể coi là
KLT
7
Khí thực (real gas) và KLT -
Vùng gần vùng bão hòa và điểm tới hạn (critical point), thuộc
tính của hơi môi chất khác xa với KLT.
Người ta đưa ra chỉ số nén để phân biệt khí thực và KLT -
Compressibility Factor Z
Real Gas
Z > 1
Pv
Pv = R T
= 1
R T
Pv
= Z
R T
Ideal Gas
Z = 1
v
actu al
= Z
v
id eal
Z < 1
4
Compressibility Factor Z for Nitrogen
9
Compressibility Factor Z for H2
10
5
Example 2-11
Xác định thể tích riêng của refiregerant-
134 ở 1 MPa và 50 °C, bằng sử dụng:
A. Thermodynamic tables
B. The ideal gas low
C. The generalized compressibility chart.
Xác định sai số của phương án B và C
so với A.
11
Phương trình trạng thái của khí thực
Một số PTTT có thể áp dụng để xác định quan hệ P-v-T chính xác
Pv =RT
12
6
Nhiệt dung riêng
(Specific Heats)
13
Nhận xét
Các vật chất khác nhau thì cần lượng năng
lượng khác nhau để nung nóng
•Ví dụ: Nung nóng 1kg
nước cần năng lượng gấp
gần 10 lần 1kg nước.
14
7
Specific Heat (heat capacity)
Định nghĩa: Là năng lượng (nhiệt) cần cung
cấp để làm tăng một đơn vị (khối lượng/thể
tích/mol) vật chất lên một độ.
Đơn vị:
kJ/(kg 0C) or kJ/(kg K)
cal/(g 0C) or cal/(g K)
Btu/(lbm 0F) or Btu/(lbm R)
Công thức chung:
∆E = mC∆T
15
NDR đẳng tích, đẳng áp: Cv, Cp
Cv năng lượng cần cấp để
nhiệt độ của một đơn vị vật
chất tăng lên 1 độ khi thể tích
của hệ không đổi. (Constant
volume).
Cp năng lượng cần cấp để
nhiệt độ của một đơn vị vật
chất tăng lên 1 độ khi áp suất
của hệ không đổi. (Constant
Cp > Cv
pressure)
16
8
Ý nghĩa toán học của Cv
Hệ thống đẳng tích. Cấp nhiệt để T1 đến T2.
E=U+KE +PE
∆Ε = ∆U
dΕ = dU dE= mCvdT
∂u
du = CvdT
C =
v
∂T
v
17
Biểu diễn toán học của Cp
∂h
C =
p
∂T
p
h (enthalpy) bao gồm nội năng (u) và công giãn nở
(công làm dịch chuyển biên hệ-system boundary khi P
= constant).
h = u + Pv
18
9
Quan sát
Cp luôn lớn hơn Cv. Cần nhiều năng lượng
hơn để nung nóng vật chất khi P = const
do phải tốn thêm năng lượng làm dịch
chuyển biên hệ (giãn nở).
Như vậy năng lượng (nhiệt) được cấp
được dùng để:
Tăng nội năng (u);
Thực hiện công thay đổi thể tích.
19
Nhận xét
Cv và Cp được biểu diễn qua các thông số u, h, T – là
các thông số trạng thái. Vì vậy Cv và Cp cũng là các
thông số trạng thái.
Vì Cv và Cp là các thông số trạng thái nên chúng độc
lập với quá trình.
∂u
∂T
∂h
∂T
C =
C =
p
v
p
v
20
10
Cv và Cp chỉ phụ thuộc vào T (với KLT)
∂u
du
dT
C =
Cv =
v
∂T
v
∂h
∂T
dh
dT
C =
Cp =
p
p
21
Nội năng và enthalpy của KLT là hàm của
Cv và Cp:
du = C v (T )dT
2
∆u = u2 − u1 = C v
(T )dT
1
dh = C p (T )dT
T 2
∆h = h2 − h1 =
C p
(
T dT
)
T 1
Muốn xác định u, h thì cần phải biết Cv, Cp
22
11
TABLE A-2: Bảng nhiệt dung riêng của KLT:
Table A-2a: NDR ở 300K;
Table A-2b: NDR ở các nhiệt độ khác nhau;
Table A-2c: NDR phụ thuộc vào nhiệt độ:
Cp = a + bT + cT2 + dT3
Tính nhiệt: Method 1
Sử dụng công thức:
2
2
∆h = CpdT = (a + bT + cT 2 + dT 3 )dT
1
1
b
T22 −T 2
c
T23 −T 3
d
T24 −T 4
1
1
1
∆h = aT +
+
+
2
3
4
Quá phức tạp!! Chỉ sử dụng khi cần độ chính xác cao!!
24
12
Tính nhiệt: Method 2
Tra bảng u, h theo nhiệt độ (các tích phân
này đã được tính sẵn và lập bảng):
Table A-17 cho không khí;
Các bảng A-18 đến A-23 cho các KLT khác.
T
T
u −uo =
Cv dT h − ho =
CpdT
T0 =0
T0 =0
5
Tính nhiệt: Method 3
Sử dụng NDR trung bình:
NDR của các chất khí phụ
thuộc vào nhiệt độ và là các
hàm liên tục;
Có thể tuyến tính hóa các
hàm này trong các khoảng
nhiệt độ nhất định (không quá
lớn – có thể đến vài tram độ)
26
13
Method 3
NDR trung bình trong
khoảng nhiệt độ:
T = (T1+T2)/2
av
u2-u1=Cv,av(T2-T1)
h2-h1=Cp,av(T2-T1)
27
3 cách tính ∆u
28
14
Example
Không khí ở nhiệt độ 300 K, áp suất 200
kpa được cấp nhiệt đẳng áp đến 600 K.
Xác định sự biến thiên nội năng (cho
1kg) bằng cách sử dụng:
Tra bảng (Table A-17)
Hàm NDR theo nhiệt độ (Table A-2c)
Theo NDR trung bình (Table A-2b).
29
Important Observation
The previous relations are not
restricted to any kind of process.
The presence of constant volume
specific heat in an equation should
not lead to the concept that this
equation is valid only for constant
volume process.
The constant volume or constant
pressure part of the name defines
only how they are measured for each
substance (see figure).
Once we have Cv or Cp as function
of T, we can perform the integration
for any process.
30
15
Quan hệ giữa Cv và Cp của KLT
Trong Table A-2c, Cp được cho là hàm của nhiệt
độ, như vậy có thể tính dh=CpdT.
Còn du=CvdT thì sao? Không có bảng cho Cv !!
Với KLT
h=u+Pv = u+RT
dh = du + RdT
CpdT=CvdT+ RdT
Cp=Cv + R
31
Specific Heat Ratio
Cp
k =
k cũng thay đổi theo nhiệt độ,
nhưng rất nhỏ.
Cv
k = 1.4 cho khí 2 phân tử (air)
Table A-2
32
16
NRD của Solids và Liquids
Với chất rắn, lỏng, thể tích
riêng hầu như không thay
đổi trong một quá trình cụ
thể.
Không phân biệt Cv và Cp
của các chất không chịu
nén (rắn, lỏng). NDR của
chúng được ký hiệu là C.
Cp = Cv = C
33
Internal energy of Solids and Liquids
du = CV dT = CdT
∆u = C∆T = C(T − T )
2
1
34
17
Enthalpy of Solids
h = u + Pv
dv = 0 với các chất không
chịu nén
dh = du + Pdv + vdP
0
Rất
nhỏ
∆h = ∆u + v∆P = C∆T +
với
solids
∆h = ∆u ≅ Cavg ∆T
ꢁꢂ
Enthalpy of Liquids
∆h = ∆u + v∆P = C∆T + v∆P
Có 2 trường hợp:
Constant pressure process,
∆P = 0
∆h = ∆u ≅ Cavg ∆T
Constant temperature process,
∆T = 0
∆h ≅ v∆P
36
18
18 trang
320540
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 2b: Tính chất của vật chất (Properties of Substances)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_ky_thuat_nhiet_chuong_2b_tinh_chat_cua_vat_chat_pr.pdf
