Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

Transkript

1 Rena ämnen/substanser Kap 3 egenskaper hos rena ämnen Har fix kemisk sammansättning! Exempel: N 2, luft Även en fasblandning av ett rent ämne är ett rent ämne! Blandningar av flera substanser (t.ex. olja blandat med vatten) är inte en ren substans. Exempel på rena substanser

2 Faser hos rena ämnen Kap 3 egenskaper hos rena ämnen Atomstrukturer hos: (a) fast, (b) flytande och (c) gasfas. I den flytande fasen finns bindningar mellan atomerna, men ordning saknas över större avstånd. Atomer kan rotera och flytta sig i förhållande till varandra.

3 Fasövergångar 1. Trycksatt vätska (compressed liquid). En vätska som ej håller på att förångas (evaporera). 2. Mättad vätska (saturated liquid). En vätska som håller på att förångas. Exempel: vatten

4 Faser 3. Mättad 2-fas-blandning (vätska-ånga) (Saturated liquid-vapour mixture). Tillstånd då vätska och ånga är i jämviktsblandning 4. Mättad ånga (saturated vapour). En ånga som håller på att kondensera. 5. Överhettad ånga (superheated vapour). En ånga som är långt ifrån kondensation.

5 Tv-diagram för vatten vid atmosfärstryck: Konstant tryck på linjen! Mättnadstemperatur, T sat

6 Att beskriva tillstånd -- tillståndsdiagram Kap 3 egenskaper hos rena ämnen Kritisk punkt: den punkt där tillstånden för mättad vätska och mättad ånga är samma! Innebär att vid överkritiska tryck övergår vätska direkt till ånga och inget 2-fasområde finns!

7 3 regioner i Tv-diagrammet: Trycksatt vätska 2-fas-område Överhettad ånga Heldragna mättnadslinjen Mättad vätska Mättad ånga Data för olika ämnen, tryck, temperatur, specifik volym mm finns i tabeller!

8 På samma sätt kan man konstruera Pv-diagram: Här är temperaturen konstant längs de streckade linjerna och man tittar på hur trycket ändras. Tv- och Pv-diagrammen liknar varandra men den konstanta storheten går åt olika håll.

9 Mättnadstryck och mättnadstemperatur Mättnadstryck P sat : det tryck (vid given temperatur) då en ren substans byter fas Mättnadstemperatur T sat : den temperatur (vid ett givet tryck) då en ren substans byter fas Kokpunkten beror på trycket (altitud) Sjunker med ca 3 C för varje 1000 m höjd

10 Dagg och temperatur Luft innehåller alltid en viss mängd vatten! Vid konstant tryck kan varm luft hålla mer vatten än kall! Om varm luft träffar en kallare yta bildas kondens (t.ex. dagg). Dimma/moln bildas när varm luft kyls och kondensation sker på små partiklar.

11 Nederbörd och temperatur Luftens förmåga att hålla/avge vatten påverkar var på jorden bördiga områden respektive öknar finns! 1. Ekvatorn: max solinstrålning => luften värms, håller fukt. 2: Varm fuktig luft stiger uppåt, kyls av => regn. Regnskog 3. Torr kall luft rör sig från ekvatorn 4. Torr kall luft faller neråt kring ± 30:e bredgraden. När luften värms absorberar den ännu mer fukt. Öken

12 Diagram med 3 faser Kap 3 egenskaper hos rena ämnen Generellt: fasta fasen återfinns vid högt tryck och låg temperatur

13 PT-diagram (fasdiagram) Vid trippelpunkten existerar alla tre faser i jämvikt. För vatten: T tp = 0.01 C P tp = 612 Pa Sublimation vid låga tryck kan fasta kroppar evaporera utan att först smälta (fast-gas)

14 Mer om vatten Bild: Martin Silberberg: Chemistry, the molecular nature of matter and change, McGraw-Hill, New York 1996 CO 2. Beter sig som de flesta ämnen. Sublimation av kolsyreis! H 2 O.Vid konstant T kan man övergå från fast till flytande vatten genom att bara öka trycket! Skridskor!

15 Mer om vatten Bilder: Martin Silberberg: Chemistry, the molecular nature of matter and change, McGraw-Hill, New York 1996 Vattenmolekyler i fast fas har en tetraederstruktur som är väldigt gles. När vatten börjar smälta kan molekyler ta sig in i mellanrummen mellan de bundna molekylerna vilket gör att volymen minskar. Vatten har minst volym vid 4 C; sedan ökar volymen igen! Dessa unika egenskaper gör att sjöar inte bottenfryser utan fryser från ytan och är en förutsättning för livet på jorden!

16 Tillståndstabeller Kap 3 egenskaper hos rena ämnen För det mesta är sambanden mellan olika termodynamiska storheter (T,P, v, med flera) komplexa och kan inte uttryckas med enkla ekvationer. Därför använder man ofta tabeller för att få fram storheter. Tabellerna är konstruerade utifrån mätvärden och beräkningar. Vissa storheter (u, s entropi) kan inte mätas! I kap 12 kommer vi in på mer hur man konstruerar tillståndstabeller och vilka matematiska relationer som finns mellan olika storheter.

17 Entalpi, H en kombinationsegenskap samlade energin för ett system Kap 3 egenskaper hos rena ämnen Eftersom kombinationen u + Pv ofta är relevant har den fått ett eget namn: entalpi (av grek. enthalpien = att värma) Kombinationen u + Pv är vanlig i problem som handlar om kontrollvolymer Begreppet infördes av Richard Mollier.

18 1. Mättad vätska och mättad ånga tillstånden på linjen : tabell A4 & A5 (vatten) v f = spec. volym hos mättad vätska v g = spec. volym hos mättad ånga v fg = v g -v f Motsvarande för u, h och s Ångbildningsentalpi h fg : Den mängd energi som krävs för att förånga en enhetsmassa mättad vätska vid givet temperatur och tryck. Tabellerat i A4 & A5.

19 2. 2-fasområdet Kap 3 egenskaper hos rena ämnen Tillstånden under kurvan; 2-fas-blandning Tryck och temperatur är beroende storheter Kvalitet (ånghalt) x: En 2-fas-blandning anses alltid vara en homogen blandning av mättad vätska och ånga. Vätskan och ångan har samma egenskaper i en blandning som på mättnadslinjen => data i tabell A4 & A5.

20 2. 2-fasområdet, forts. Kap 3 egenskaper hos rena ämnen x = 0 för mättad vätska x = 1 för mättad ånga 0 < x < 1 för 2-fas

21 3. Överhettad ånga Kap 3 egenskaper hos rena ämnen Tillstånd till höger om domen. I denna region är tryck och temperatur oberoende! Tabell A6

22 4. Trycksatt vätska Kap 3 egenskaper hos rena ämnen Tillstånd till vänster om domen. Här beror alla tillstånd mycket mer på temperatur än tryck! Därför kan man approximera alla tillstånd som en mättad vätska vid given temperatur:

23 Referenstillstånd u, h och s kan inte bestämmas absolut utan i relation till ett referenstillstånd. Eftersom man i termodynamik oftast är intresserade av ändringar i tillståndsstorheter, ( u, h och s) är de tabellerade värdena relativt valda referenstillstånd För vatten är referenstillståndet normalt 0.01 C och för R-134a is -40 C.

24 Ideala gaslagen För en ideal gas kan vi relatera tryck, temperatur och volym till varandra med en enkel tillståndsekvation. (med v = V/m) R u = allmänna gaskonstanten = kj/kmol,k M = molmassa i kg/kmol För en ideal gas gäller t.ex.:

25 Vad är en ideal gas? Svar: en tänkt substans som uppfyller Pv=RT! En ideal gas består av punktlika partiklar som rör sig slumpmässigt och inte växelverkar med varandra! Verkliga gaser uppträder som ideala gaser om de har låg densitet. Vid låga tryck och hög temperaturer (relativt kritiskt tryck och temperatur) minskar densiteten och verkliga gaser uppför sig ofta som ideala. Gaser som luft, O 2, CO 2, N 2, He m.fl. kan ofta approximeras som ideala vid NTP. Om man inte kan använda ideala gaslagen måste istället tillståndstabeller användas! Tunga gaser är oftast inte ideala!

26 Är vattenånga en ideal gas?

27 NEJ! NORMALT INTE! Vattenånga och andra täta gaser (t.ex. R134a m.fl. kylmedier i kylkretsar) ska inte utan vidare behandlas som ideala! Använd istället tillståndstabeller!

28 Vid tryck under 10 kpa kan vattenånga anses vara ideal (felet mindre än 0.1 %) De flesta ång-tillämpningar (ångkraftverk mm) har mycket höga tryck vilket gör att ideala gaslagen inte kan användas! Fel i % att behandla vattenånga som ideal gas

29 Kompressibilitet ett mått på avvikelse från ideal gas Kompressibiltetsfaktorn, z

30 Andra tillståndsekvationer Förutom ideala gaslagen finns ett antal andra tillståndsekvationer: Van der Waals a,b konstanter att anpassa Beattie-Bridgeman Benedict-Webb-Rubin Virial.