Bài giảng Kỹ thuật nhiệt - Chương 2: Năng lượng - Phần C: Tính chất của vật chất (Properties of Substances)

pha. Ví d ụ khi n ướ c đang sôi. 
  Đị nh lu ật pha:
  Môi ch ất đơ n nh ất, không bi ến đổ i pha: c ần 2 thông s ố;
  Môi ch ất có bi ến đổ i pha: c ần 1 thông s ố.
Các d ạng n ăng l ượ ng (Forms of Energy)
  Trong h ệ ổn đị nh (không t ồn t ại ảnh h ưở ng c ủa điện, t ừ, ), n ăng l ượ ng toàn ph ần 
 (E) c ủa h ệ bao g ồm: Độ ng n ăng (kinetic-KE ), th ế n ăng (potential-PE ) và n ội n ăng 
 (internal-U)
 E = U + KE + PE (kJ),
 mv 2
 me = mu + + mgz (kJ), 
 2
  Ho ặc vi ết cho m ột đơ n v ị kh ối l ượ ng:
 v2
 e = u + ke + pe = u + + gz (kJ / kg )
 2
  Năng l ượ ng v ĩ mô c ủa h ệ là n ăng l ượ ng toàn ph ần so v ới xung quanh, bao g ồm 
 độ ng n ăng và th ế n ăng. 
  Năng l ượ ng vi mô c ủa h ệ liên quan đế n c ấu trúc phân t ử c ủa h ệ th ống và độ c l ập 
 với bên ngoài. Đó là n ội n ăng. 
  Sự thay đổ i c ủa n ăng l ượ ng toàn ph ần ∆E của m ột h ệ t ĩnh t ại (closed system) chính 
 bằng s ự thay đổ i n ội n ăng ∆U. Ví d ụ: khi đun nóng v ật ch ất trong m ột bình kín.
 4
Enthalpy – Một thông s ố tr ạng thái k ết h ợp
 Khi nghiên c ứu m ột s ố quá trình liên quan đế n n ăng l ượ ng và làm l ạnh, 
 th ườ ng g ặp s ự k ết h ợp gi ữa internal energy U, và tích pressure-volume PV. 
 Ng ườ i ta g ọi nó là ENTHALPY.
 Là đơ n v ị n ăng l ượ ng:
 Vi ết cho h ệ b ấy k ỳ: 
  =  + 
 Vi ết cho h ệ g ồm 1kg môi ch ất: 
 ℎ =  +
 Tr ướ c 1930, h th ườ ng đượ c g ọi là heat content or total heat.
 Sau 1930, đượ c g ọi là enthalpy (theo ti ếng Hy L ạp, enthalpien ngh ĩa là 
 heat)
 Sự chuy ển pha, đồ th ị pha, tính 
 ch ất c ủa ch ất tinh khi ết
 5
Ch ất tinh khi ết
 Hóa h ọc đị nh ngh ĩa đơ n ch ất và h ợp ch ất. Air
 Nhi ệt độ ng h ọc coi ch ất tinh khi ết (pure 
 substance) là ch ất có thành ph ần hóa h ọc đồ ng N2
 nh ất.
Ví d ụ
 Water, nitrogen, helium, and carbon dioxide, for 
 example, are all pure substances. Water 
 vapor
 A mixture of water liquid and water vapor, for 
 example, is a pure substance because both 
 phases have the same chemical composition. Water 
 liquid
 
Các pha c ủa ch ất tinh khi ết (n ướ c)
 Vật ch ất có th ể bi ến đổ i gi ữa các pha (r ắn, l ỏng, khí).
 Các pha khác nhau có s ắp x ếp phân t ử khác nhau. 
 Các pha phân tách v ới nhau b ởi các b ề m ặt phân cách.
 
 
 
 6
Cấu trúc phân t ử các pha
 Đặ c điểm chuy ển độ ng phân t ử?
 - Solid;
 - Liquid;
 - Vapor (Gas).
Bi ến đổ i pha N ướ c-Hơi
 Điều gì x ảy ra khi c ấp nhi ệt cho môi ch ất ở th ể l ỏng (n ướ c) v ới áp su ất 
 không đổ i?
 Piston cylinder 
 device –
 Liquid Water maintains 
 constant 
 pressure
 7
T Quá trình hóa 
 hơi (chuy ển 
 5 pha) trên đồ th ị 
 T-v
 2 3 4
 1
 v
Phase Change Processes on a T-v diagram
 Consider a piston-cylinder device with water 
 inside at 20 oC and 1 atm pressure .
 At this P and T, water is called compressed 
 (or subcooled) liquid state.
 Compressed liquid means that it is not about 
 to vaporize.
 The system is heated and the piston is allowed A liquid that is about 
 to float and thus the pressure will be constant. to vaporize is called 
 Saturated Liquid.
 T and v will increase until the system reaches 
 100 C at which any addition of heat will cause 
 some of the liquid to vaporize
 The temperature at which a pure substance 
 changes phase is called the saturation 
 temperature, T sat . 
 At T sat , Liquid and vapor phases are in 
 equilibrium. 
 8
 A substance between 
 saturated liquid (state 2) and 
 Adding more heat will cause saturated vapor (state 4) is 
 boiling to start. Liquid gradually called saturated liquid-vapor 
 mixture .
 evaporates (state 3) but 
 temperature will remain constant, 
 Why?
 The only change is the increase in 
 the specific volume (v) until it 
 A vapor that is about to 
 reaches state 4 (saturated vapor). condense is called 
 Heating the system further, will Saturated vapor.
 increase both the temperature and 
 specific volume (state 5). This 
 single-phase state is called 
 “Superheated vapor”
 Repeat this experiment for higher 
 pressures.
 Similar curves will be obtained but 
 at higher sat. temperature.
 Note that the sat. liquid specific 
 volume (v sat,l ) will increase while 
 the sat. vapor specific volume 
 (v sat,g ) will decrease 
Nhi ệt độ và áp su ất bão hòa (Saturation 
Temperature and Pressure) 
 Water at a pressure of 101.325 kPa, T sat is 
 100 oC. Conversely, at a temperature of 
 o
 100 C, P sat is 101.325 kPa.
 Nhi ệt ẩn (Latent heat): ng ưng t ụ, hóa h ơi 
 (fusion and vaporization).
 The magnitude of the latent heats depend 
 on the temperature or pressure at which 
 the phase change occur.
 9
 Saturation Temperature and Pressure 
  At a given pressure, the temperature at which a 
 pure substance changes phase is called the 
 saturation temperature. Likewise the pressure.
 vsat,l and vsat,g will be the same and 
Điểm t ới h ạn (Critical Point) we speak of Pcrit , T crt , and vcrit . 
  Điểm t ới h ạn: Tr ạng thái l ỏng bão 
 hòa (saturated liquid) và h ơi bão hòa 
 (saturated vapor) không phân bi ệt.
  At the critical pressure, there will be 
 no distinct phase change process. 
 Instead, the specific volume of the 
 substance will continually increase 
 and at all times there will be only 
 one phase present. 
  Các tr ạng thái l ỏng bão hòa t ạo 
 thành đườ ng saturated liquid line.
  Các tr ạng thái h ơi bão hòa n ối v ới 
 nhau t ạo thành đườ ng saturated 
 vapor line.
  Hai đườ ng trên c ắt nhau t ại đỉ nh là 
 Critical Point. Đồ th ị pha đượ c chia 
 3 vùng:
  Vùng l ỏng;
  Vùng h ỗn h ợp l ỏng-hơi bão hòa;
  Vùng h ơi quá nhi ệt.
 10
Độ khô – Tr ạng thái c ủa môi ch ất trên đồ th ị pha
  Vùng n ằm gi ữa đườ ng l ỏng bão hòa và 
 đườ ng h ơi bão hòa luôn t ồn t ại m ột 
 ph ần môi ch ất ở tr ạng thái l ỏng bão hòa 
 và m ột ph ần h ơi bão hòa.
  Tỷ l ệ gi ữa ph ần h ơi trên t ổng l ượ ng 
 môi ch ất đượ c g ọi là ĐỘ KHÔ 
 (x=0÷1):
 
  = 
  
  Đườ ng saturated liquid có x=0 (còn g ọi 
 là đườ ng gi ới h ạn d ướ i); Phân bi ệt các vùng tr ạng thái:
  Đườ ng saturated vapor có x=1 (còn g ọi -Lỏng;
 là đườ ng gi ới h ạn trên). -Lỏng bão hòa;
 -Hơi bão hòa ẩm (h ỗn h ợp);
 -Hơi bão hòa khô;
 -Hơi quá nhi ệt.
 Bi ến đổ i pha trên P-v diagram 
  Decrease P gradually but 
 keep T constant.
  Water boils at P sat
  The pressure at which a 
 pure substance changes 
 phase is called the 1
 saturation pressure P sat .
  At P sat , Liquid and vapor 
 phases are in equilibrium. 
  From State 2 to 4, no 2 3 4
 weights are removed 
 (P=constant) and T is kept 
 constant but heating 5
 causes liquid to vaporize. 
 11
P-v diagrams with Solid Phase 
  Đồ th ị P – v v ới v ật ch ất co l ại khi 
 đông đặ c
  P – v v ới v ật ch ất giãn khi đông 
 đặ c (n ướ c)
Điểm ba th ể - Triple point 
 Under some conditions all three 
 phases of substance coexist in 
 equilibrium at states along the 
 triple line.
 The states on the triple line of 
 substance have the same pressure 
 and temperature but different v.
 The triple line appears as a point 
 on the P-T diagram.
 The triple point of water occurs 
 at T= 0.01 C and P=0.6113 Kpa
 12
 Property Diagrams
  P-T diagram 
 (or Phase diagram)
  The P-T diagram is often called 
 phase diagram since all three 
 phases are separated by three lines, 
 namely the sublimation line 
 (between solid and vapor regions), 
 the vaporization line (between 
 liquid and vapor regions), and the 
 melting line (between solid and 
 liquid).
 T
 P-v-T surfaces
 Top view
 v
P P
 v T
 13
 Nh ận xét
  Một s ố môi ch ất, khi th ực hi ện các quá trình nhi ệt độ ng trong các thi ết b ị, 
 xảy ra bi ến đổ i pha, ch ủ y ếu gi ữa hai pha LIQUID và VAPOR. Ví d ụ tiêu 
 bi ểu là N ƯỚ I và H ƠI N ƯỚ C trong các chu trình nhà máy nhi ệt điện; môi 
 ch ất l ạnh (REFRIGERANT) trong các h ệ th ống làm l ạnh, điều hòa không 
 khí
  Quá trình đặ c tr ưng cho vi ệc bi ến đổ i pha là BAY H ƠI và NG ƯNG T Ụ.
  BAY H ƠI, NG ƯNG T Ụ th ườ ng x ảy ra ở áp su ất nh ất đị nh và là quá trình 
 vừa đẳ ng áp v ừa đẳ ng nhi ệt.
  Vi ệc nghiên c ứu các môi ch ất bi ến đổ i pha có th ể s ử d ụng các đồ th ị nh ư ở 
 trên.
  Ng ườ i ta c ũng l ập ra các b ảng tra c ứu các thông s ố c ủa môi ch ất ở các tr ạng 
 thái đặ c tr ưng nh ư ph ần sau đây.
 Bảng nhi ệt độ ng - Thermodynamics Tables 
  Quan h ệ gi ữa các thông s ố c ủa môi ch ất có bi ến đổ i pha khá ph ức t ạp nên 
 không thu ận l ợi khi s ử d ụng các công th ức. Ng ườ i ta xây d ựng các b ảng tra 
 cứu. 
  Trong vùng đơ n pha (vùng 
 lỏng, vùng h ơi quá nhi ệt), c ần 
 2 thông s ố b ất k ỳ để xác đị nh 
 tr ạng thái.
  Trong vùng h ỗn h ợp, P và T 
 ph ụ thu ộc l ẫn nhau, nên c ần 2 
 thông s ố độ c l ập b ất k ỳ để 
 xác đị nh tr ạng thái.
Các b ảng tra c ứu xem tài li ệu: 
Appendix Tables
 14
Bảng n ướ c và h ơi n ướ c bão hòa- Saturated 
Liquid and Saturated Vapor States Table A-4
 Saturated liquid-vapor 
 mixture n ằm d ướ i đườ ng gi ới 
 hạn trên các đồ th ị P-v (or T-
 v). 
 Tra c ứu thông s ố t ừ các b ảng: 
 Water Tables A-4 and A-5 
 (theo T và theo P – vì trong 
 vùng bão hòa 2 thông s ố này 
 ph ụ thu ộc nhau)
 t.
 s
 n
 o
 c
 =
 P
Saturated Liquid and Saturated Vapor States 
Table A-5
 Bảng Table A-5: N ướ c và h ơi 
 nướ c bão hòa theo áp su ất.
 Enthalpy c ủa quá trình bay h ơi 
 – Nhi ệt ẩn (latent heat): là 
 lượ ng nhi ệt c ần cung c ấp để 
 làm m ột đơ n v ị ch ất ở tr ạng 
 thái l ỏng bão hòa bi ến h ết 
 thành h ơi ở áp su ất nào đó.
 15
 Example 2-1:
 Saturated Liquid and Saturated Vapor
  Một két ch ứa 50 kg of n ướ c bão hòa ở 90 oC. Hãy xác đị nh áp su ất c ủa 
 nướ c trong két và th ể tích c ủa két. (Table A-4)
 Example 2-2:
 Saturated Liquid and Saturated Vapor
  Một két ch ứa 2m3 hơi bão hòa ở áp su ất 2bar. Hãy xác đị nh nhi ệt độ c ủa 
 hơi và kh ối l ượ ng h ơi trong két. (Table A-5)
 Example 2-3:
 Saturated Liquid and Saturated Vapor
  200 g n ướ c ở tr ạng thái bão hòa đượ c c ấp nhi ệt để hóa h ơi hoàn toàn ở áp 
 su ất không đổ i là 100kPa. Hãy xác đị nh s ự thay đổ i th ể tích c ủa h ệ th ống 
 và l ượ ng nhi ệt c ần thi ết cung c ấp. 
Tr ạng thái c ủa môi ch ất vùng h ỗn h ợp
  Vùng h ỗn h ợp (saturated liquid-vapor) 
 luôn t ồn t ại môi ch ất ở hai pha ( đang 
 sôi).
  Quan h ệ gi ữa các thông s ố tr ạng thái 
 nh ư th ể tích riêng (v), n ội n ăng (u), 
 enthalpy (h) theo quan h ệ sau:
  = 1 −   + . 
 Trong đó:
 - y là m ột trong các thông s ố v, u, h ;
 - x là độ khô;
 - yl , yh là các thông s ố c ủa ph ần l ỏng và 
 ph ần h ơi.
 16
Hỗn h ợp l ỏng-hơi bão hòa (vùng đang sôi)
 Độ khô
 m m
 x ≡ g = g 
 m + m m
 Derivation: f g total
 
  
 V = V f +Vg  
 
 mv = m f v f + mg vg
  
 = (m − mg )v f + mg vg
 ∴ v = 1( − x)v f + xv g
 v = v f + x(vg − v f )
 v = v f + xv fg
 υ υ <υ <υ υ
 where v fg = vg − v f f f g g υ
Average Properties
 Trong vùng bão hòa, thông s ố c ủa h ỗn h ợp đượ c xác đị nh nh ư sau: 
 y= yf+ x() y g− y f
 =yf + x y fg
 Trong đó:
  f (ho ặc l) là ký hi ệu ph ần l ỏng, g (ho ặc h) là ph ần h ơi;
   =  − 
 17
 X = 0 X = 1
Example 2- 4:
Saturated Liquid-vapor mixture (continued)
 Một bình kín ch ứa 10kg n ướ c ở 90 oC. N ếu 8 kg ở th ể l ỏng và ph ần còn l ại 
 ở th ể h ơi:
  (a) xác đị nh áp su ất trong bình;
  (b) xác đị nh th ể tích bình. 
(Answers: 70.14 kPa, 4.73 m 3) 
 18
 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: -15.62 oC, 0.158, 62.7 kJ/kg, 0.0777 m3) 
 Hơi quá nhi ệt: Table A-6
  Trong vùng phía bên ph ải đồ th ị pha, môi ch ất là h ơi quá nhi ệt (single 
 phase).
P
 T=
 co
 ns
 t.
 vg v v
 19
Superheated Vapor
 t.
 s
 n
 o
 c
 =
 P
P
Psat T=
 co
 ns
P t.
 vg v v
Lỏng ch ưa sôi (Compressed liquid): Table A-7
 Vùng phía bên ph ải môi ch ất t ổn t ại ở th ể l ỏng. 
 20
Compressed Liquid
 t.
 s
 n
 o
 c
 =
 P
Gi ả thi ết g ần đúng
 Trong vùng l ỏng, th ể tích riêng c ủa môi ch ất coi nh ư không đổ i ở các áp su ất khác 
 nhau (ch ất l ỏng không ch ịu nén – incompressible substance).
 Acceptable
 T .
 a
 p
 M
 5
 =
 P
 264
 80
 v vf v
 Approximate value
 Precise value
 y ≅ y f @T
 Khi thay đổ i nhi ệt độ thì th ể tích riêng c ủa môi ch ất l ỏng thay đổ i.
 21
 Phép n ội suy (s ử d ụng khi tra b ảng)
 AB
 100 5
 130 y
 200 10
 130 −100 y − 5
 =
 200 −100 10 − 5
 Linear Interpolation (Continued)
Now
 T P sat yy− xx −
X1= 140 y1= 0.3615 1= 1
X = 143 y = ? y− y x − x
X2= 145 y2= 0.4154 2 1 2 1
 x − x1
 y = y1 + ×(y2 − y1)
 x2 − x1
 143− 140
 Psat := 0.3615 + ⋅ ()0.4154− 0.3615
 145− 140
 Psat = 0.394 kPa
 22
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 80 oC 
 and 5 MPa using (a) data from the 
 compressed liquid table and (b) 
 saturated liquid data. What is the 263 .99
 error involved in the second case? 80
 (Answers: 333.72 kJ/kg, 334.86 
 kJ/kg, 0.34%) 
 80
 23
Tra b ảng n ướ c-hơi n ướ c
Example 2-9:
 Determine the missing properties and the phase descriptions in the 
 following table for water.
Tr ạng thái tham kh ảo – Thông s ố tham kh ảo 
Reference State and Reference Values
 Các đạ i l ượ ng u, h, s không đo đượ c mà ph ải tính toán t ự các thông s ố đo 
 đượ c theo các quan h ệ nhi ệt độ ng h ọc. Khi đó, h ầu nh ư ch ỉ xác đị nh đượ c 
 sự thay đổ i c ủa các th ống s ố trên.
 Để thu ận l ợi, ng ườ i ta quy ướ c l ấy tr ạng thái n ướ c bão hòa (n ướ c sôi) ở 
 nhi ệt độ 0.01 oC làm tr ạng thái tham kh ảo. Ở tr ạng thái này, n ội n ăng (u) và 
 entropy c ủa n ướ c có giá tr ị b ằng 0. 
 Với refrigerant 134a, tr ạng thái l ỏng bão hòa ở -40 oC là tr ạng thái tham 
 kh ảo. 
 Khi nghiên c ứu, chúng ta ch ỉ quan tâm đế n s ự thay đổ i c ủa các thông s ố. Vì 
 vậy, vi ệc ch ọn tr ạng thái tham kh ảo (m ốc) không ảnh h ưở ng đế n k ết qu ả 
 nghiên c ứu. 
 24
Ghi nh ớ
 Hi ểu đượ c s ự thay đổ i pha c ủa ch ất thu ần khi ết (n ướ c) và b ản ch ất c ủa môi 
 ch ất (n ướ c l ỏng, l ỏng bão hòa, h ơi ẩm, h ơi bão hòa khô, h ơi quá nhi ệt) trên 
 đồ th ị pha;
 Bi ết cách tra các đồ th ị c ủa n ướ c, h ơi n ướ c (t ươ ng t ự đố i v ới các môi ch ất 
 có bi ến đổ i pha khác (môi ch ất l ạnh nh ư R22, R134a, ).
 Áp d ụng để làm các bài t ập.
 X = 0 X = 1
 25