Nhiệt động lực học - Chương 6

Chương VI
Thursday, October 08, 2009
CHẤT THUẦN KHIẾT


§ 6.1. Khái Niệm
Chất thuần khiết: Là chất có thành phần hóa học đồng nhất và ổn
đònh trong suốt quá trình khảo sát.
Bao gồm:
9 Hỗn hợp nhiều pha của một chất thuần khiết.
9 Hỗn hợp đồng nhất của nhiều chất với điều kiện là thành phần
hóa học của nó không bò biến đổi.
Ví Dụ
:
x Hỗn hợp nước đá và nước.
x Không khí khô.
x Nhưng không khí trong quá trình hóa lỏng thì không (bởi vì các
thành phần của không khí ngưng tụ ở nhiệt độ khác nhau ứng với
áp suất đã cho o thay đổi tỷ lệ hòa trộn)
Lưu y
ù: Chất thuần khiết là thuật ngữ chỉ một nhóm chất.
ng dụng:
9 Trong các trung tâm nhiệt điện.
9 Trong các thiết bò động lực hơi nước.
9 Trong quá trình sấy.
9 Trong máy lạnh…
9 Trong xử lý không lý ẩm.
9 …

Nguyễn Toàn Phong – 1 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết
§ 6.2. Pha Của Chất Thuần Khiết

Pha Pha là một cấu trúc có sắp xếp phân tử rõ ràng, đồng nhất và
được tách ra khỏi pha khác bằng bề phân pha.
Chất thuần khiết tồn tại ở các pha khác nhau phụ thuộc vào mức
năng lượng.
T
Q
Trҥng thái rҳn
Trҥng thái lӓng
Trҥng thái hѫi
Bay hѫi
Nóng chҧy
constp

Hình trên mô tả sự thay đổi trạng thái của chất thuần khiết ở điều kiện
áp suất hằng số khi được cung cấp thêm năng lượng bằng nhiệt lượng – ví
dө đӕt nóng chảy một khối nước đá thành lỏng, sau đó biến thành hơi
Nhận xét Trạng thái hơi chiếm năng lượng nhiều nhất
Quá trình biến đổi pha thì nhiệt độ không thay đổi

Nguyễn Toàn Phong – 2 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết
6.2.1 Pha rắn
9 Các phân tử được giữ cố đònh trong một mạng cấu trúc tinh thể,
lực hấp dẫn giữa các phân tử rất lớn và ngăn cản chuyển động tự
do của các phân tử.
9 Phân tử chyển động quanh vò trí cân bằng của nó và càng mạnh
với nhiệt độ tăng lên.

9 Nếu nhiệt độ đủ cao, thì lực phân tử ở một phần nào đó trở nên
vượt quá mức, và nhóm phân tử bắt đầu bò phá vỡ. Đây là sự bắt
đầu của quá trình nóng chảy.

Nguyễn Toàn Phong – 3 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết
6.2.2 Pha lỏng
9 Các phân tử chuyển động tự do xung quanh các phân tử khác,
nhưng vẫn duy trì một cấu trúc có trật tự bên trong mỗi vùng.
9 Khoảng cách giữa các phân tử thông thường tăng rất ít khi biến
đổi từ rắn sang lỏng (nhưng nước là một ngoại lệ).
6.2.3 Pha khí
9 Các phân tử rời ra xa các phân tử khác và các phân tử không
được sắp xếp theo một trật tự nào.
9 Các phân tử chuyển động ngẫu nhiên và chiếm nhiều năng lượng
hơn so với pha lỏng và pha rắn.
Minh họa sau thể hiện “cấu trúc” ba pha của chất thuần khiết



Nguyễn Toàn Phong – 4 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết
§ 6.3. Quá Trình Biến Đổi Pha Của
Chất Thuần Khiết
Ba pha của chất thuần khiết có thể chuyển biến qua lại:

Dưới đây chúng ta khảo sát sự biến đổi trạng thái từ lỏng o hơi với
đại diện của chất thuần khiết là nước.
Hãy xem xét hệ thống piston-cylinder chứa nước lỏng ở 20
o
C và áp
suất 1atm – là áp suất khí quyển.
Trong quá trình khảo sát áp suất được giữ không đổi – lưu ý đến quá
trình nấu nước hàng ngày

trạng thái này – trạng thái 1 – nước tồn tại

ở trạng thái lỏng được gọi là lỏng chòu nén hay
lỏng quá lạnh do nó chưa thực hiện quá trình bay
hơi liền (khi được cung cấp nhiệt)
Khi được cung cấp nhiệt lượng thì nhiệt độ sẽ
tăng lên, chất lỏng giãn nở nhẹ và như vậy thể
tích riêng tăng lên cũng rất nhẹ
Nhiệt độ sẽ tiếp tục tăng khi được cung cấp
nhiệt lượng cho đến khi nước đạt 100
o
C
Nguyễn Toàn Phong – 5 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết
Nước lỏng đang ở trạng thái 100
o
C
Khi được cung cấp thêm nhiệt lượng thì nhiệt độ không tăng – năng
lượng thêm vào này được sử dụng thực hiện sự chuyển pha – trên bề mặt
một số phân tử nước tách khỏi lực liên kết của các phân tử khác để chuyển
sang trạng thái hơi – pha hơi
Quá trình biến đổi pha lỏng o hơi cứ thế tiếp diễn khi được cung cấp
thêm nhiệt lượng nếu vẫn còn lỏng trong hệ thống
Nhiệt độ phần lỏng vẫn giữ không
đổi 100
o
C khi diễn ra sự chuyển pha,
hơi xuất phát từ lỏng 100
o
C nên nhiệt
độ cũng là 100
o
C

Trạng thái hai pha lỏng hơi cùng
tồn tại trong hệ thống – trạng thái 3 –
được gọi là hơi bão hòa ẩm
trạng thái cân bằng, do chênh
lệch về khối lượng riêng nên pha lỏng
luôn nằm ở phía trên, bề mặt phân pha
là mặt phẳng nằm ngang


Nhiệt lượng được cung cấp tiếp tục
Quá trình chuyển pha kết thúc khi lượng lỏng
cuối cùng biến mất
Trong hệ thống hoàn toàn là hơi – giống như
trạng thái khí – biến đổi trạng thái khi được cung
cấp thêm nhiệt lượng là tăng nhiệt độ
Trạng thái hơi có nhiệt độ lớn hơn 100
o
C –
trạng thái 5 – gọi là hơi quá nhiệt

Nguyễn Toàn Phong – 6 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết
Lưu ý Nhiệt độ 100
o
C gọi là nhiệt độ chuyển pha hay nhiệt độ bão hòa
Trạng thái hơi bão hòa ẩm 3 là sự hòa trộn của hai trạng thái –
lỏng ở nhiệt độ bão hòa 2 và hơi ở nhiệt độ bão hòa 4

Lỏng ở nhiệt độ sôi gọi là
lỏng sôi hay lỏng bão hòa

Hơi ở nhiệt độ sôi gọi là
hơi bão hòa khô

Nguyễn Toàn Phong – 7 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết
Sự thay đổi nhiệt độ và thể tích trên đồ thò T-v

Một số thuật ngữ cần ghi nhớ
9 Trạng thái 1 lỏng có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ biến đổi pha
được gọi là lỏng chưa sôi, còn gọi là lỏng quá lạnh – ý nói có
nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bão hòa ứng với áp suất đang tồn tại
.
Ngoài ra còn có tên gọi khác lỏng chòu nén – ý nói áp suất hiện
tại lớn hơn áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ đang tồn tại
.
9 Trạng thái 2 lỏng ở nhiệt độ biến đổi pha được gọi là
lỏng bão hòa hay lỏng sôi bởi vì nó bắt đầu biến thành hơi nếu
được cung cấp nhiệt lượng.
9 Trạng thái 4 hơi ở nhiệt độ biến đổi pha được gọi là hơi bão hòa
vì nó bắt đầu biến thành lỏng nếu lấy nhiệt lượng ra khỏi hệ
thống hay làm lạnh, thường gọi hơi bão hòa khô để phân biệt
trạng thái hơi nhưng có chứa lỏng cùng tồn tại.
Nguyễn Toàn Phong – 8 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết
9 Trạng thái 3 chất thuần khiết tồn tại một phần lỏng và một phần hơi
ở nhiệt độ biến đổi pha được gọi là hơi bão hòa ẩm. Trạng thái cụ
thể của hỗn hợp lỏng – hơi bão hòa được xác đònh theo tỷ lệ khối
lượng hơi trong hỗn hợp.
9 Trạng thái 5 hơi có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ biến đổi pha ở áp
suất đang tồn tại được gọi là hơi quá nhiệt.

Nhiệt độ bão hòa và áp suất bão hòa

Nhiệt độ sôi của nước (chất thuần khiết nói chung) phụ thuộc vào áp
suất mà hệ thống đang chòu
Đồ thò sau thể hiện quan hệ của nhiệt độ sôi phụ thuộc vào áp suất
trong trường hợp của nước

áp suất đã cho, nhiệt độ mà chất thuần khiết bắt đầu sôi được gọi là
nhiệt độ bão hòa, T
bh
. Cũng vậy, ở nhiệt độ đã cho, áp suất của chất thuần
khiết bắt đầu sôi được gọi là áp suất bão hòa, P
bh
.

Nguyễn Toàn Phong – 9 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết
§ 6.4. Đồ Thò Trạng Thái Của
Quá Trình Biến Đổi Pha
6.4.1 Đồ thò T-v
Quá trình biến đổi pha của nước ở 1atm đã được mô tả và vẽ ra trên
đồ thò T-v. Quá trình này sẽ được lặp lại với nhiều áp suất không đổi khác
(bằng cách thêm trọng lượng vào piston) và trình bày trên đồ thò T-v
Khi áp suất của hệ thống tăng lên, nước sẽ sôi ở nhiệt độ cao hơn. Thể
tích riêng của lỏng bão hòa cũng lớn hơn, và thể tích riêng của hơi bão
hòa thì nhỏ hơn. Do đó đường nằm ngang nối các trạng thái lỏng bão hòa
và hơi bão hòa cũng nhỏ hơn, và cuối cùng nó trở thành 1 điểm. Điểm này
được gọi là điểm tới hạn.

Nguyễn Toàn Phong – 10 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết
Điểm tới hạn là điểm mà ở đó trạng thái của lỏng bão hòa và hơi bão
hòa không thể phân biệt được. Nhiệt độ, áp suất và thể tích riêng ở điểm
này được gọi tương ứng là nhiệt độ tới hạn T

cr
, áp suất tới hạn P
cr
, và thể
tích riêng tới hạn v
cr
. Các trạng thái điểm tới hạn của một số chất được cho
ở bảng sau:

 
Ct
o
c


KT
c


barP
c

¸
¹
·
¨
©
§
U
3

c
m
kg

He - 267,91 5,24 2,261 69,3
H
2
- 239,91 33,24 12,80 31,0
N
2
- 147,1 162,2 33,49 31,0
O
2
- 118,82 154,33 49,713 430
CO
2
31,0 304,1 72,497 460,8
NH
3
132,3 405,4 113
SO
2
157 430 75,245 520
CH
3
CO
2
OH 243,1 516,2 63,11 275,5
H
2

O 373,95 647,1 220,6 322
Hg >1550 >1820 >500

3
10.54 y

áp suất trên áp suất tới hạn,
sẽ không có quá trình biến đổi pha

(giữa lỏng và hơi)! Và, chất thuần khiết tương tự như hơi, nhưng chúng ta
không thể nói ở nơi nào xảy ra sự thay đổi.
Ở trên trạng thái tới hạn, sẽ không có đường phân biệt giữa trạng thái
lỏng chưa sôi và hơi quá nhiệt.
Nguyễn Toàn Phong – 11 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết
Các trạng thái lỏng bão hòa có thể được nối lại bằng một đường và được
gọi là
đường lỏng bão hòa
. Trạng thái hơi bão hòa cũng có thể nối lại để tạo
ra
đường hơi bão hòa
. Hai đường này sẽ gặp nhau ở
điểm tới hạn.

Vùng phía trái của đường lỏng bão hòa gọi là
vùng lỏng chưa sôi
(hay
vùng lỏng chòu nén
,
vùng lỏng quá lạnh
)

Tất cả trạng thái hơi quá nhiệt nằm về bên phải của đường hơi bão
hòa nằm trong một vùng được gọi là
vùng hơi quá nhiệt
.
Tất cả trạng thái hỗn hợp lỏng – hơi bão hòa nằm trong vùng ở phía
dưới cái vòm (nối bởi đường lỏng sôi và đường hơi bão hòa khô) được gọi
là
vùng hỗn hợp lỏng – hơi bão hòa
, hay là
vùng ẩm
.
Nguyễn Toàn Phong – 12 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết
6.4.2 Đồ thò P-v
Dạng chung của đồ thò P-v của chất thuần khiết rất giống đồ thò
T-v, nhưng đường đẳng nhiệt (đường
constT

) trên đồ này có phương
hướng xuống phía dưới.
Khảo sát lại hệ thống piston-cylinder chứa nước ở áp suất 1
Mpa
và
nhiệt độ 150
o
C. Nước ở trạng thái này tồn tại ở dạng lỏng chưa sôi.

Bây giờ trọng lượng trên piston được lấy đi từ từ, do đó áp suất sẽ
giảm tương ứng, thể tích thì tăng lên.
Hệ thống luôn được lưu ý tới ảnh hưởng với môi trường, bằng việc
cung cấp thêm nhiệt lượng ta duy trì nhiệt độ không đổi. Khi đạt đến áp

suất bão hòa (0,4762 MPa) thì nước bắt đầu sôi. Trong quá trình sôi áp
suất và nhiệt độ giữ không đổi, thể tích tăng nhanh. Khi lượng lỏng hóa
hơi hoàn toàn thì tiếp tục giảm áp suất và duy trì nhiệt độ, thể tích tăng.
Việc này được lặp lại với các giá trò nhiệt độ khác nhau, ta được đồ thò
P-v như sau:
Nguyễn Toàn Phong – 13 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết


Nguyễn Toàn Phong – 14 of 35 Chương VI – Chất Thuần Khiết