Rena ämnen/substanser (pure substances) 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
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.
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
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.
Tv-diagram för vatten vid atmosfärstryck: Konstant tryck på linjen! Mättnadstemperatur, T sat
Att beskriva tillstånd -- tillståndsdiagram 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!
Din kompis ska koka en söndagsgryta (ett långkok) men har ont om tid. Vilket är bästa rådet för att korta ner koktiden? Varför? A. Hon ska använda en gryta utan lock. B. Hon ska använda en gryta med ett lätt lock. C. Hon ska använda en gryta med tungt lock. D. Hon ska använda en gryta med lock, men vikten på locket spelar ingen roll. 0% 0% 0% 0% A. B. C. D.
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! Mättnadstemperatur T sat för givet tryck
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. Mättnadstryck P sat för given temperatur
Vad är en mättad ånga (saturated vapour)? A. En ånga som inte kan ta upp mer energi B. En ånga som är nära kondesation C. En ånga under högt tryck En ånga som inte kan ta... 0% 0% 0% En ånga som är nära kon... En ånga under högt tryck
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)
Vad händer vid kritiska punkten? A. Mättad vätska och mättad ånga är samma tillstånd B. Alla tre faser (fast, flytande, gas) samexisterar i jämvikt C. Ångfasen försvinner vid kritiska punkten. Mättad vätska och mätt.. 0% 0% 0% Alla tre faser (fast, flytan... Ångfasen försvinner vid kr...
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!
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!
Tillståndstabeller 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 inre energi, 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.
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) Begreppet infördes av Richard Mollier. Kombinationen u + Pv är vanlig i problem som handlar om kontrollvolymer
1. Mättad vätska och mättad ånga Kap 3 egenskaper hos rena ämnen 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.
2. 2-fasområdet 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.
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
3. Överhettad ånga Kap 3 egenskaper hos rena ämnen Tillstånd till höger om domen. I denna region är tryck och temperatur oberoende! Tabell A6
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:
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.
Ideala gaslagen Kap 3 egenskaper hos rena ämnen 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 = 8.31447 kj/kmol,k M = molmassa i kg/kmol För en ideal gas gäller t.ex.:
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!
Är vattenånga en ideal gas? A. Ja! B. Nej! C. Ingen aning! 0% 0% 0% Ja! Nej! Ingen aning!
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!
Vid tryck under 10 kpa kan vattenånga anses vara ideal (felet mindre än 0.1 %) De flesta ångtillämpningar (ångkraftverk mm) har mycket höga tryck vilket gör att ideala gaslagen inte kan användas! Fel i % att behandla vattenånga som ideal gas
Andra tillståndsekvationer Förutom ideala gaslagen finns ett antal andra tillståndsekvationer: Van der Waals a,b konstanter att anpassa Beattie-Bridgeman Benedict-Webb-Rubin Virial.
Tryck, inre energi och specifik värme i en ideal gas. På tavlan! Beskrivs i pdf-filen: Beckman_Gasteori.pdf Lite kinetisk gasteori
Tryck och energi i en ideal gas Lite kinetisk gasteori Statistisk metod att beskriva en ideal gas. En enkel teoretisk modell som bygger på följande antaganden: Varje molekyl är en fri partikel. Varje molekyl är punktformig; den egna volymen försummas. Molekylerna växelverkar inte med varandra. E tot = E k i i Partiklarna i gasen är alltså en samling fria partiklar som helt beskrivs av sin massa, m och hastighet w. Om vi känner alla m och w kan vi beräkna makroskopiska parametrar som tryck med hjälp av statistiska metoder!
Tryck, kinetisk energi och inre energi en ideal gas Tryck i en ideal gas: 1 P = ρ w 3 2 Lite kinetisk gasteori Kinetiska gasteorins grundekvation: k = Boltzmanns konstant 1 2 m 2 w = 3 2 kt Inre energin för enatomiga gaser: u = 3 2 RT