Khảo sát quá trình sử dụng hơi nước

Hơi nước, nói chung, không phải là khí lý tưởng. Vì thể việc khảo sát một quá trình của hơi nước có nhiều điểm rất khác biệt so với khí lý tưởng. Khi khảo sát ta nên lưu ý những điểm sau:

Vì hơi nước không phải là khí lý tưởng nên không thể dùng các công thức có liên quan đến khí lý tưởng để tính toán. Thí dụ không thể sử dụng phương trình trạng thái `pV = MRT` để xác định các thông số trạng thái của hơi nước.
Để xác định thông số trạng thái ta cần dựa vào đặc điểm của trạng thái và sử dụng bảng hay đồ thị hơi nước.
Để khảo sát quá trình, ta dựa vào tính chất của quá trình như đẳng tích, đẳng áp.
Khi tính các thừa số năng lượng, cần sử dụng định luật 1 và 2. Khi tính nhiệt, cần lưu ý thêm là công thức `Q = MC Delta t` không sử dụng được trong rất nhiều trường hợp.
Nên sử dụng thêm các đồ thị trạng thái để việc khảo sát được trực quan và dễ dàng hơn.

Thí dụ sau sẽ làm rõ thêm các điểm trên.

Thí dụ

Một xy lanh được đậy kín bằng pít tông hiện đang chứa 20 g nước và chiếm thể tích là 4 lít (Hình 5). Khối lượng K dùng để duy trì áp suất là 2 bar trong xy lanh. Người ta gia nhiệt cho xy lanh cho đến khi thể tích nước trong xy lanh là 8 lít. Ta cần xác định lượng công sinh ra, lượng nhiệt cung cấp và độ biến thiên nội năng của quá trình này.

Hình 5 Sự dãn nở của nước

Ta thấy đây là một hệ kín vì không có sự trao đổi vật chất giữa xy lanh và môi trường ngoài nên công sinh ra chính là công dãn nở. Mà công thức `dW = p dV` không lệ thuộc vào môi chất là khí lý tưởng hay hơi nước nên ta có thể áp dụng. Cũng lưu ý thêm rằng quá trình này là đẳng áp nên:

`W = p (V_2 - V_1) = 200.000xx0,004 = 800\ "J" = 0,8\ "kJ"`

Để xác định lượng nhiệt cung cấp ta sử dụng phương trình định luật 1:

`dq = dh - v dp = dh` (vì `dp = 0`)

Vậy : `q = h_2 - h_1`

Để xác định `h_1` và `h_2`, ta cần biết các tính chất của trạng thái 1 và trạng thái 2.

1. Ở trạng thái 1, nước có dạng nào ?

2. Ở trạng thái 2, nước có dạng nào ?

3. Nhiệt độ của nước ở các trạng thái 1 và 2 là bao nhiêu ºC?

Lời giải

Ta sử dụng đồ thị `p-v` để minh họa thêm cho việc giải thích.

Hình 6 Quá trình dãn nở của nước

Để xác định trạng thái của nước tại 1, ta so sánh `v_1` với `v'` và `v''` tương ứng với áp suất 2 bar (Hình 6). Ta có:

`v_1=V_1/M=(0,004)/(0,02)=0,2\ "m"^3"/kg"`

Phụ lục 5.2 cho `v' = 0,00106\ "m"^3"/kg"` và `v'' = 0,885855\ "m"^3"/kg"`

Vì `v' < v_1 < v''` nên trạng thái 1 là hơi bão hòa ẩm

Tương tự cho trạng thái 2 :

`v_2=V_2/M=(0,008)/(0,02)=0,4\ "m"^3"/kg"`

Vì `v' < v_2 < v''` nên trạng thái 2 cũng là hơi bão hòa ẩm

Vì các trạng thái 1 và 2 là hơi bão hòa ẩm nên nhiệt độ của chúng là nhiệt độ sôi tương ứng vớ 2 bar. Phụ lục 5.2 cho ta:

`t_1 = t_2 = 120,24°"C"`

4. Giá trị của `h_1` và `h_2` là bao nhiêu kJ/kg?

Lời giải

Vì các trạng thái 1 và 2 là hơi bão hòa ẩm nên ta sẽ dùng công thức (4) `h = h' + xr` để tính. Giá trị của `h'` và `r` tìm trong Phụ lục 5.2 tương ứng với áp suất 2 bar. Ngoài ra ta còn phải xác định độ khô `x`.

Từ công thức (8) `v = xv''` ta suy ra `x = v / (v'')` . Vậy:

`x_1=v_1/(v'')=(0,2)/(0,885855)=0,2258`

`x_2=v_2/(v'')=(0,4)/(0,885855)=0,4515`

Từ Phụ lục 5.2 ta có : `h' = 504,84\ "kJ/kg"` và `r = 2201,7\ "kJ/kg"`. Vậy:

`h_1 = h' + x_1r = 504,84 + (0,2258xx2201,7) = 1002\ "kJ/kg"`

`h_2 = h' + x_2r = 504,84 + (0,4515xx2201,7) = 1499\ "kJ/kg"`

5. Lượng nhiệt cung cấp cho quá trình này là bao nhiêu kJ?

Lời giải

Ta có : `q=h_2-h_1=1499-1002=497\ "kJ/kg"`

Vậy : `Q = Mq = 0,02xx497 = 9,94\ "kJ"`

6. Độ biến thiên nội năng của nước trong quá trình này là bao nhiêu kJ?

Lời giải

Ứng dụng phương trình định luật 1, ta có:

`Delta U=Q-W=9,94 - 0,8=9,14\ "kJ"`

7. Lượng nước bốc hơi trong quá trình này là bao nhiêu g?

Lời giải

Từ định nghĩa của độ khô `x`, ta có lượng hơi ở các trạng thái 1 và 2 là:

`M_(d1)=x_1M=0,2258xx20=4,515\ "g"`

`M_(d2)=x_2M=0,4515xx20=9,03\ "g"`

Vậy lượng nước bốc hơi trong quá trình này là:

`Delta M_d = M_(d2) - M_(d1) = 9,03 - 4,515 = 4,515\ "g"`

Nhiệt Kỹ Thuật

Sơ đồ site

Trang web này được cập nhật lần cuối ngày 14/12/2018