Φάσεις μιας καθαρής ουσίας. Αλλαγές φάσεων καθαρών ουσιών

Transcript

1 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΚΑΘΑΡΕΣ ΟΥΣΙΕΣ Μια ουσία της οποίας η χημική σύσταση παραμένει σταθερή σε όλη της την έκταση ονομάζεται Καθαρή Ουσία Πχ νερό, άζωτο, ήλιο, διοξείδιο του άνθρακα κλπ. Επίσης θεωρούνται καθαρές ουσίες τα ομογενή μίγματα, πχ αέρας, διαλύματα (νερό-αλάτι) κλπ Νερό-Λάδι ; Μίγματα δύο ή περισσοτέρων ρ φάσεων καθαρής ουσίας είναι επίσης καθαρές ουσίες, πχ νερό και πάγος Μίγμα αέρα σε υγρή και αέρια φάση είναι καθαρή ουσία; Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 1 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 2 Φάσεις μιας καθαρής ουσίας Στερεά φάση: Ισχυροί μοριακοί δεσμοί. Μόρια σε σταθερές θέσεις σε πλέγμα. Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία ομάδες μορίων αποσχίζονται και αρχίζει η τήξη. Υγρή φάση: Ισχυροί μοριακοί δεσμοί. Μόρια όχι σε σταθερές θέσεις. Συσσωματώματα μορίων κινούνται (πλέουν) Αλλαγές φάσεων καθαρών ουσιών Σε ποια θερμοκρασία βράζει το νερό; Σε ποια παγώνει; Γιατί εξατμίζεται το νερό σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος; Γιατί ίβρέχει; Πώς ρυθμίζεται η υγρασία του αέρα; Γιατί χρησιμοποιούμε αντιψυκτικά ή αλάτι στους δρόμους το χειμώνα; Αέρια φάση: Μόρια σχετικά απομακρυσμένα χωρίς μοριακή διάταξη που κινούνται και συγκρούονται. Υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 3 Γιατί χρησιμοποιούμε χύτρες ταχύτητας; Υπάρχουν όρια για την ύπαρξη των διαφόρων φάσεων των καθαρών ουσιών; Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 4 1

2 T / o C Κρίσιμο Σημείο Πίεση Κορεσμού Διάγραμμα (T-v) νερού Κορεσμένο νερό P=1 atm Ισοβαρής Κορεσμένο Μίγμα Κορεσμένος ατμός 5 Θέρμανση νερού υπό σταθερή πίεση Εξάτμιση Θερμοκρασία Κορεσμού ~100 o C Κορεσμένο υγρό o C Κορεσμένος ατμός 20 1 v Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 5 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 6 Διάγραμμα (T-v) Διάγραμμα (P-v) Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 7 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 8 2

3 Θέρμανση διφασικού μίγματος υπό σταθερό όγκο p cr p T cr Καμπύλη κορεσμού αερίου-υγρού (Για νερό) Υγρό Άζωτο σε ατμοσφαιρική πίεση p v v 2 =v cr 1 v 3 Ισορροπία Υγρού-Ατμού σε p και T. v Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 9 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 10 Διάγραμμα (P-v) (συστολή ) Διάγραμμα (P-v) (διαστολή ) Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 11 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 12 3

4 Διάγραμμα φάσεων (P-T) ΣΤΕΡΕΟ Ουσίες που διαστέλλονται Ουσίες που συστέλλονται ΥΓΡΟ Κρίσιμο Σημείο C Επιφάνεια P-V-T καθαρών ουσιών που συστέλλονται Πίεση Στερεό-Υγρό Υγρό Τριπλό Σημείο ΑΕΡΙΟ Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 13 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 14 Επιφάνεια P-V-T καθαρών ουσιών που διαστέλλονται (πχ. νερό) Πίεση Στερεό ρεό-υγρό Στερ Υγρό Κρίσιμο Σημείο Τριπλό σημείο ουσιών Ουσία Τύπος T tr (Κ) P tr (kpa) Ακετυλένιο C 2 Η 2 192,40 120,00 Αμμωνία ΝΗ 3 195,40 6,0760 Αργό Α 83,81 68,90 Ανθρακας (Γραφίτης) C 3900, ,00 Διοξείδιο του άνθρακα CΟ 2 216,55 517,00 Μονοξείδιο του άνθρακα CO 68,10 15,37 Δευτέριο D 2 18,63 17,10 Αιθάνιο C 2 H 6 89,89 8x10-4 Αιθυλένιο C 2 H 4 104,00 0,12 Ηλιο (σημείο λ) He 2,19 5,10 Υδρογόνο Η 2 13,84 7,04 Υδροχλώριο HCl 158,96 13,90 Υδράργυρος Ηg 234, x10-7 Μεθάνιο CΗ 4 90,68 11,70 Νέον Ν6 24,57 43,20 Μονοξείδιο του Αζώτου ΝΟ 109,50 21,92 Αζωτο Ν 2 63,18 12,60 Υποξείδιο του αζώτου N 2 O 182,34 87,85 Οξυγόνο Ο 2 54,36 0,152 Παλλάδιο Ρd 1825,00 3,5 x 10-3 Λευκόχρυσος Pt 2045, x 10-4 Διοξείδιο του θείου SΟ 2 197,69 1,67 Τιτάνιο Ti 1941,00 5,3 x 10-3 Εξαφθοριούχο ουράνιο UF 6 337,17 151,70 Νερό Η 2 O 273,16 0,61 Ξένον Χe 161,30 81,50 Ψευδάργυρος Zn 692,65 0,065 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 15 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 16 4

5 Διφασική Ισορροπία νερού-ατμού p p c p T c T = T sat p = p sat Ισορροπία Υγρού-Ατμού σε p και T. ΣΤΕΡΕΟ Ουσίες που διαστέλλονται Ουσίες που συστέλλονται ΥΓΡΟ Τριπλό Σημείο ΑΕΡΙΟ Κρίσιμο Σημείο C Η επιφάνεια p-v-t για το νερό Ισορροπία πάγουνερού-ατμού : P t =0.61 kpa, T t = K= 0.01 o C Ειδικός όγκος του υγρού σε p και T v f vg v Ειδικός όγκος του ατμού σε p και T Υγρό και ατμός σε ισορροπία : ( 0.01 < T < Τ cr = o C) Πάγος σε ισορροπία με ατμό T < 0.01 o C Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 17 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 18 Πίνακες Ιδιοτήτων νερού (κορεσμού) Temp Pressure, P Sat Liq, vf x 1000 Sat Vapor vg Interanl Engery, uf Internal Energy, ug ΕΝΘΑΛΠΙΑ Μια ιδιότητα συνδυασμού (deg C) (bars) (m 3 /kg) (m 3 /kg) (kj/kg) (kj/kg) H U + PV h u + pv ειδική ή μοριακή ενθαλπία Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 19 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 20 5

6 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 21 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 22 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 24 Πίνακες Ιδιοτήτων (υπερθέρμων ατμών) Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 23 6

7 Γραμμική παρεμβολή: (Μεταξύ τιμών των πινάκων) H Παράδειγμα L (215 o C, v) -Σε ποιά θερμοκρασία βράζει το νερό; -Πόση πρέπει να είναι η μάζα του καπακιού για να βράζει στους 150 o C. T TL v vl T T v v H L H L είχτες: L Χαμηλότερη τιμή στον πίνακα Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 25 H Υψηλότερη τιμή Καθαρές στον ουσίες πίνακα Χωρίς δείχτη Ζητούμενη τιμή D in =20cm Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 26 ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΧΡΗΣΗΣ ΠΙΝΑΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ 1. Συμπληρώστε τον ακόλουθο πίνακα για το H 2 O: T, C P, kpa v, m 3 / kg Περιγραφή της φάσης Κορεσμένος ατμός ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ T, C P, kpa v, m 3 / kg Περιγραφή της φάσης Κορεσμένο μίγμα Κορεσμένος ατμός Υπέρθερμος ατμός Συμπιεσμένο (υπόψυκτο) υγρό Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια Συμπληρώστε τον ακόλουθο πίνακα για το H 2 O: T, C P, kpa h, kj / kg x Περιγραφή της φάσης ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ T, C P, kpa h, kj / kg x Περιγραφή της φάσης ; 0.7 Κορεσμένο μίγμα Κορεσμένο μίγμα ; ) 0.0 Κορεσμένο υγρό Συμπιεσμένο (υπόψυκτο) υγρό Υπέρθερμος ατμός Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 28 7

8 3. Συμπληρώστε τον ακόλουθο πίνακα για Ψυκτικό-134a: T, C P, kpa v, m 3 / kg Περιγραφή της φάσης Κορεσμένος ατμός ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ T, C P, kpa v, m 3 / kg Περιγραφή της φάσης Συμπιεσμένο (υπόψυκτο) υγρό Κορεσμένο μίγμα Κορεσμένος ατμός ( ) Υπέρθερμος ατμός ( ) Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια Συμπληρώστε τον ακόλουθο πίνακα για Ψυκτικό -134a: T, C P, kpa u, kj / kg Περιγραφή της φάσης Κορεσμένο υγρό ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ T, C P, kpa u, kj / kg Περιγραφή της φάσης Κορεσμένο μίγμα (572.07) Κορεσμένο υγρό Υπέρθερμος ατμός Συμπιεσμένο (υπόψυκτο) (62.26) υγρό Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 30 Μίγματα κορεσμένων υγρών-ατμών Μίγματα κορεσμένων υγρών-ατμών V = V f + V g = m f v f + m g v g Για καθαρά υπολογιστικούς λόγους ένα σύστημα δύο φάσεων μπορεί να θεωρηθεί ομογενές V = (m t -m g )v f + m g v g m m Ποιότητα vapor vapor x mtotal m f + m g όπου m vapor : μάζα ατμού m total = μάζα υγρού+μάζα ατμού = m f + m g διαιρώντας με m t v = (1-x) v f + x v g ή v = v f + x (v g -v f ) ή v = v f + x v fg Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 31 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 32 8

9 Μίγματα κορεσμένων υγρών-ατμών Διαγραμμα T-S για νερό Όμοια u = u f + x (u g -u f ) ή u= u f + x h fg h = h f + x (h g -h f ) ή h= h f + x h fg και γενικά y = y f + x (y g -y f ) ή y= y f + x y fg όπου y οποιαδήποτε (μοριακή ή ειδική) θερμοδυναμική ιδιότητα Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 33 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 34 Διαγραμμα h-s (Mollier) για νερό Ατμοί νερού-ια (Σφάλμα υπολογισμού) Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 35 Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 36 9

10 Βασικές έννοιες και ορισμοί Καθαρές Ουσίες- ιαγράμματα Φάσεων Κρίσιμο Σημείο Τριπλό Σημείο Επιφάνεια P -v-t Πίεση Κορεσμού Θερμοκρασία Κορεσμού Ποιότητα ή Ξηρότητα Κεφάλαιο2, Ενότητα 1, Διαφάνεια 37 10