Termodynamik Föreläsning 3

Relevanta dokument
Termodynamik FL3. Fasomvandlingsprocesser. FASER hos ENHETLIGA ÄMNEN. FASEGENSKAPER hos ENHETLIGA ÄMNEN. Exempel: Koka vatten under konstant tryck:

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

Termodynamik Föreläsning 4

Om trycket hålls konstant och temperaturen höjs kommer molekylerna till slut att bryta sig ur detta mönster (sublimation eller smältning).

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

EGENSKAPER FÖR ENHETLIGA ÄMNEN

Termodynamik Föreläsning 5

Arbete är ingen tillståndsstorhet!

Repetition. Termodynamik handlar om energiomvandlingar

Termodynamik Föreläsning 7 Entropi

Arbetet beror på vägen

Termodynamik FL4. 1:a HS ENERGIBALANS VÄRMEKAPACITET IDEALA GASER ENERGIBALANS FÖR SLUTNA SYSTEM

PTG 2015 övning 3. Problem 1

Termodynamik FL1. Energi SYSTEM. Grundläggande begrepp. Energi. Energi kan lagras. Energi kan omvandlas från en form till en annan.

FUKTIG LUFT. Fuktig luft = torr luft + vatten m = m a + m v Fuktighetsgrad ω anger massan vatten per kg torr luft. ω = m v /m a m = m a (1 + ω)

Termodynamik Föreläsning 1

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 8 IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 8. strömningslära, miniräknare.

Termodynamik Föreläsning 2 Värme, Arbete, och 1:a Huvudsatsen

Ch. 2-1/2/4 Termodynamik C. Norberg, LTH

Kap 4 energianalys av slutna system

Termodynamik (repetition mm)

Lösningsförslag. Tentamen i KE1160 Termodynamik den 13 januari 2015 kl Ulf Gedde - Magnus Bergström - Per Alvfors

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 2 IKP/Mekaniksystem Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 2

Lite kinetisk gasteori

Materia och aggregationsformer. Niklas Dahrén

Termodynamik FL7 ENTROPI. Inequalities

Godkänt-del. Hypotetisk tentamen för Termodynamik och ytkemi, KFKA10

Föreläsning 2.3. Fysikaliska reaktioner. Kemi och biokemi för K, Kf och Bt S = k lnw

Termodynamik FL 2 ENERGIÖVERFÖRING VÄRME. Värme Arbete Massa (endast öppna system)

Repetition F7. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Repetition F9. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Tentamen i teknisk termodynamik (1FA527)

Idealgasens begränsningar märks bäst vid högt tryck då molekyler växelverkar mera eller går över i vätskeform.

SG1216. Termodynamik för T2

Godkänt-del A (uppgift 1 10) Endast svar krävs, svara direkt på provbladet.

Termodynamik Av grekiska θηρµǫ = värme och δυναµiς = kraft

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Vätskors volymökning

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Termodynamik Föreläsning 6 Termodynamikens 2:a Huvudsats

Uppvärmning, avsvalning och fasövergångar

Farmaceutisk fysikalisk kemi, A6. Föreläsning: Faslära PH

Kapitel 10. Vätskor och fasta faser

Temperatur T 1K (Kelvin)

Vad är vatten? Ytspänning

Laborations-PM Termodynamik (KVM091) lp /2016 version 3 (med sidhänvisningar även till inbunden upplaga 2)

PTG 2015 övning 1. Problem 1

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

Repetition F10. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Kapitel 6. Termokemi

Tentamen i Termodynamik CBGB3A, CKGB3A

Värmelära. Värme Fast Flytande Gas. Atomerna har bestämda Atomerna rör sig ganska Atomerna rör sig helt

Lärare: Jimmy Pettersson. 1. Materia

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 13-18

Motorer och kylskåp. Repetition: De tre tillstånden. Värmeöverföring. Fysiken bakom motorer och kylskåp - Termodynamik. Värmeöverföring genom ledning

Föreläsning i termodynamik 11 oktober 2011 Lars Nilsson

Repetition F11. Molär Gibbs fri energi, G m, som funktion av P o Vätska/fasta ämne G m G m (oberoende av P) o Ideal gas: P P. G m. + RT ln.

7. Inre energi, termodynamikens huvudsatser

2-52: Blodtrycket är övertryck (gage pressure).

Applicera 1:a H.S. på det kombinerade systemet:

Kapitel IV. Partikeltalet som termodynamisk variabel & faser

Termodynamiska potentialer Hösten Assistent: Frans Graeffe

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi. Spontanitet Entropi Fri energi Jämvikt

Kapitel 6. Termokemi

Kapitel 10. Vätskor och fasta faser

Laborations-PM Termodynamik (KVM091) lp /2015. Omfattning: Fyra obligatoriska laborationer ingår i kursen:

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi

TENTAMEN I MMVA01 TERMODYNAMIK MED STRÖMNINGSLÄRA, tisdag 23 oktober 2012, kl

Allmän kemi. Läromålen. Viktigt i kap 17. Kap 17 Termodynamik. Studenten skall efter att ha genomfört delkurs 1 kunna:

Kapitel 10. Vätskor och fasta faser

Omtentamen i teknisk termodynamik (1FA527) för F3,

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 5 IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 5. strömningslära, miniräknare.

Kap 6: Termokemi. Energi:

Tentamen i termisk energiteknik 5HP för ES3, 2009, , kl 9-14.

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Sortera på olika sätt

ÅNGCYKEL CARNOT. Modifieras lämpligen så att all ånga får kondensera till vätska. Kompressionen kan då utföras med en enkel matarvattenpump.

OMÖJLIGA PROCESSER. 1:a HS: Q = W Q = Q out < 0 W = W net,out > 0

Planering Fysik för V, ht-10, lp 2

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 7 IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 7. strömningslära, miniräknare.

Värmelära. Fysik åk 8

Linköpings tekniska högskola IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 8. strömningslära, miniräknare.

Vad är värme? Partiklar som rör sig i ett ämne I luft och vatten rör partiklar sig ganska fritt I fasta ämnen vibrerar de bara lite

Repetition F8. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Linnéuniversitetet Institutionen för fysik och elektroteknik

a) Vi kan betrakta luften som ideal gas, så vi kan använda allmänna gaslagen: PV = mrt

MMVA01 Termodynamik med strömningslära

Kapitel 5. Gaser. är kompressibel, är helt löslig i andra gaser, upptar jämt fördelat volymen av en behållare, och utövar tryck på sin omgivning.

Övningsuppgifter termodynamik ,0 kg H 2 O av 40 C skall värmas till 100 C. Beräkna erforderlig värmemängd.

ENERGI? Kylskåpet passar precis i rummets dörröppning. Ställ kylskåpet i öppningen

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Flytande fas Gasfas

Till alla övningar finns facit. För de övningar som är markerade med * finns dessutom lösningar som du hittar efter facit!

TERMODYNAMIK? materialteknik, bioteknik, biologi, meteorologi, astronomi,... Ch. 1-2 Termodynamik C. Norberg, LTH

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Fast fas Flytande fas Gasfas

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk mekanik för F3

P1. I en cylinder med lättrörlig(friktionsfri) men tätslutande kolv finns(torr) luft vid trycket 105 kpa, temperaturen 300 K och volymen 1.40 m 3.

Tentamen i Termodynamik Q, F, MNP samt Värmelära för kursen Värmelära och Miljöfysik 20/8 2002

Transkript:

Termodynamik Föreläsning 3 Rena Ämnens Egenskaper Jens Fjelstad 2010 09 07 1 / 26 Innehåll Rena ämnens egenskaper: faser, fasövergångar, tillståndsdiagram, tillståndstabeller TFS 2:a upplagan (Çengel & Turner) 3.1 3.5 TFS 3:e upplagan (Çengel, Turner & Cimbala) 4.1 4.5 TD 6:e upplagan (Çengel & Boles) 3.1 3.5 2 / 26

Förra veckan Grundbegrepp system; öppet, slutet, isolerat egenskap/tillståndsfunktion; T, P, E, V, m,... tillstånd process; kvasistatisk process, kretsprocess Temperatur T Tryck P Inre Energi U Värme Arbete; moving boundary work (PV arbete) Termodynamikens 1:a huvudsats (TD1) för slutna system U = Q W du = δq δw u = q w du = δq δw 3 / 26 Faser hos Rena/Enhetliga Ämnen Rent/Enhetligt ämne: ämne med välbestämd och enhetlig kemisk sammansättning inkluderar t.ex. blandning av vatten i ångform och vätskeform inluderar ej blandning av luft i gas och vätskeform Fas: tillstånd med karakteristiskt mått av ordning mellan molekyler (alt. karakteristisk bindning mellan molekyler) grafit & diamant: två olika (fasta) faser hos kol vattenånga, flytande vatten: två olika faser hos H 2 O 4 / 26

Faser forts. styrkan hos intermolekylära krafter/ ordning a) Fast fas (solid): atomer/molekyler på relativt fixa platser, inkompressibelt, fix form och storlek b) Flytande fas (liquid): molekyler starkt bundna till varandra, men inte i fixa relativa positioner, inkompressibelt, ej fix form c) Gas (ånga) (gas/vapor): molekyler svagt bundna, fri relativ rörelse, kompressibelt, varken fix form eller storlek 5 / 26 Fasomvandlingar Ex: vattenkokning vid konstant tryck 1 fas 1 fas värm trycket P hålls konstant, specifika volymen v förändras (ökar) långsamt värm vid trycket 1atm och temperaturen 20 C befinner sig vatten i flytande fas, och är inte nära att börja förångas Underkyld vätska Compressed liquid vid trycket 1atm och temperaturen 100 C är vattnet fortfarande flytande, men på gränsen att börja förångas Mättad vätska Saturated liquid 6 / 26

kokning vid konstant tryckt forts. 2 faser 1 fas värm värm tryck och temperatur förändras ej, all värme går åt till att omvandla vätska till gas, volymen ökar märkbart med mängden ånga värm en del av vätskan har förångats, en del är fortfarande flytande Mättad blandning Saturated liquid vapor mixture all vätska har förångats, ångan befinner sig på gränsen till att kondensera Mättad ånga Saturated vapor 7 / 26 kokning vid konstant tryck forts. 1 fas värm vid fortsatt värmning hålls trycket konstant, temperaturen ökar, och volymen ökar (snabbare än vid upphettning av vätska) hela systemet är fortfarande i gasfas (ånga), och är inte nära att kondensera Överhettad ånga Superheated vapor 8 / 26

Kokning i Tillståndsdiagram (T v) 1 fas 2 faser 1 fas T v diagram över kokning @ 1 atm, isobar inverterad process: kondensation vid konstant tryck, Q kond = Q förångn T sat (T sat @1atm ): mättnadstemperatur @ 1atm (den temperatur vid vilken ämnet byter fas vid givet tryck) P sat (P sat @ T ): mättnadstryck vid T (det tryck vid vilket ämnet byter fas vid given temperatur) isobarer vid P 1 > 1atm, P 2 < 1atm 9 / 26 Kokning i Tillståndsdiagram (T v) 1 fas T sat 2 faser 1 fas T v diagram över kokning @ 1 atm, isobar inverterad process: kondensation vid konstant tryck, Q kond = Q förångn T sat (T sat @1atm ): mättnadstemperatur @ 1atm (den temperatur vid vilken ämnet byter fas vid givet tryck) P sat (P sat @ T ): mättnadstryck vid T (det tryck vid vilket ämnet byter fas vid given temperatur) isobarer vid P 1 > 1atm, P 2 < 1atm 9 / 26

Kokning i Tillståndsdiagram (T v) P 1 P 2 T v diagram över kokning @ 1 atm, isobar inverterad process: kondensation vid konstant tryck, Q kond = Q förångn T sat (T sat @1atm ): mättnadstemperatur @ 1atm (den temperatur vid vilken ämnet byter fas vid givet tryck) P sat (P sat @ T ): mättnadstryck vid T (det tryck vid vilket ämnet byter fas vid given temperatur) isobarer vid P 1 > 1atm, P 2 < 1atm 9 / 26 Mer om T sat och P sat Mättnadskurva P sat = f (T sat ) tryck och temperatur är inte oberoende egenskaper under en fasomvandling 1atm koka genom att sänka trycket 10 / 26

Latent Värme Latent värme: mängden värme som absorberas eller frigörs vid en fullständig fasomvandling Ångbildningsvärme (latent heat of vaporization): mängden värme som absorberas under en förångningsprocess, ekvivalent mängden värme som frigörs under en kondensationsprocess ångbildningsvärmet för vatten vid 1 atm: 2256,5kJ/kg Smältvärme (latent heat of fusion): mängden värme som absorberas under en smältprocess, ekvivalent mängden värme som frigörs under en frysprocess (stelningsprocess) smältvärmet för vatten vid 1 atm: 333,7kJ/kg Tryck och temperaturberoende 11 / 26 Tillämpningar och Konsekvenser Vakuumkylning & vakuumfrysning Frystorkning (sublimering: fasövergång Fast Gas)... Flytande Kväve Tsat @1atm = 196 C sluten testkammare nedsänkt i flytande kväve kvävet i termos med liten öppning ut all värme testkammaren absorberar från omgivningen går åt att förånga kväve, temperaturen är konstant T sat 12 / 26

Tillståndsdiagram Kritisk Punkt Vid något tryck får isobaren en terasspunkt (inflektionspunkt): Kritiska punkten (critical point) Ett tillstånd: Tcr, P cr, v cr,... För vatten: T cr = 373,95 C P cr = 22,06MPa v cr = 0,003106m 3 /kg Ämnesspecifik egenskap I kritiska punkten sammanfaller två faser (här: mättad vätska och mättad ånga) 13 / 26 Kritisk Punkt forts. En kritisk punkt är förknippad med väldigt viktiga, speciella och intressanta fenomen Stor del av forskningen i statistisk fysik (och därmed fasta tillståndets fysik, kemi, etc. etc) direkt relaterad till kritiska fenomen Finns för många typer av fasövergångar, i många system Vatten visar s.k. kritisk opalescence vid kritiska punkten Filmklipp: kritisk opalescence i metanol cyclohexan 14 / 26

Tillståndsdiagram Tv forts. överhettad ånga underkyld vätska mättad blandning, tvåfasområde 15 / 26 Tillståndsdiagram Pv överhettad ånga underkyld vätska mättad blandning, tvåfasområde 16 / 26

Tillståndsdiagram Inklusive Fast Fas Pv diagram: ämne som krymper vid stelning (frysning) Pv diagram: ämne som expanderar vid stelning (frysning) Trippellinje: serie tillstånd med 3 faser (fast, vätska, ånga) fix temperatur Ttp fixt tryck Ptp Trippelpunkt: Ttp, P tp Vatten: Ttp = 0,01 C, P tp = 0,6117kPa 17 / 26 Fasdiagram Sublimering: direkt övergång Fast Gas Pressure solid phase expanderar critical pressure Pcr krymper compressible liquid liquid phase supercritical fluid critical point ex: kolsyreis i rumstemp. & atmosfärstryck Ptp triple point superheated vapour deposition sublimering Ttp gaseous phase critical temperature Tcr Temperature 18 / 26

Fasdiagram Vatten många fasta faser! 19 / 26 P v T yta ämne som krymper vid frysning P v T yta ämne som expanderar vid frysning 20 / 26

Entalpi H Entalpi: H=U+PV (kj) Specifik entalpi: h = u + Pv (kj/kg) Används ofta för öppna system 21 / 26 Termodynamiska Tabeller Tillståndspostulatet: tillståndet fullständigt bestämt av två oberoende intensiva egenskaper Via tabeller kan vi få värdet på alla egenskaper om vi känner värdet på två oberoende Vissa egenskaper ej direkt mätbara Resultat av mätningar och beräkningar Finns i Appendix i boken (alla versioner och upplagor) vatten kylmedel 134a Referenstillstånd vatten: mättad vätska vid T = 0,01 C u = s = 0 Referenstillstånd 134a: mättad vätska vid T = 40 C 22 / 26 h = s = 0

Mättad Ånga och Mättad Vätska Temperaturtabell (Table A 4, A 11 i TFS3) Trycktabell (Table A 5, A 12 i TFS3) y f : specifik egenskap y för mättad vätska y g : specifik egenskap y för mättad ånga y fg = y g y f y = u, v, h, s h fg = h g h f : förångningsentalpi = ångbildningsvärmet per massenhet för ämnet vid givet tryck och temperatur 23 / 26 Mättad Ånga och Mättad Vätska Temperaturtabell (Table A 4, A 11 i TFS3) Trycktabell (Table A 5, A 12 i TFS3) y f : specifik egenskap y för mättad vätska y g : specifik egenskap y för mättad ånga y fg = y g y f y = u, v, h, s h fg = h g h f : förångningsentalpi = ångbildningsvärmet per massenhet för ämnet vid givet tryck och temperatur TD1: u = q P v q = u + P v = u g u f + P(v g v f ) = (u g + Pv g ) (u f + Pv f ) = h g h f = h fg 23 / 26

Mättad Blandning Ånghalt (Quality): x = m ånga m total förhållandet mellan ångans massa och blandningens totala massa m total = m ånga + m vätska 0 x 1, x = 0: vätska, x = 1: ånga en ny oberoende intensiv egenskap (T, x) eller (P, x) oberoende egenskaper för mättad blandning Ångans resp. vätskans egenskaper är oförändrade av blandningen 24 / 26 Mättad Blandning Ånghalt (Quality): x = m ånga m total Ångans resp. vätskans egenskaper är oförändrade av blandningen tvåfassystem behandlas för enkelhets skull som homogen blandning egenskaperna för blandningen är då viktade medelvärden y avg y avg = y f + x y fg y f y avg y g y = v, u, h, s Förenkling: v avg, u avg, h avg, s avg v, u, h, s 24 / 26

Mättad Blandning Ånghalt (Quality): x = m ånga m total Ångans resp. vätskans egenskaper är oförändrade av blandningen tvåfassystem behandlas för enkelhets skull som homogen blandning egenskaperna för blandningen är då viktade medelvärden y avg y avg = y f + x y fg y f y avg y g y = v, u, h, s v = v f + x v fg u = u f + x u fg h = h f + x h fg s = s f + x s fg ånghalten beräknas enligt x = y y f y fg 24 / 26 Överhettad Ånga Tabell A 6, A 13 i TFS3 Typiska egenskaper jämfört med mättad ånga: lägre tryck vid given temperatur (P < P sat ) högre temperatur vid givet tryck (T > T sat ) större specifik volym vid givet P el. T (v > v g ) u > u g vid givet P el. T h > h g vid givet P el. T 25 / 26

Underkyld Vätska Tabell A 7 i TFS3 Typiska egenskaper jämfört med mättad ånga: högre tryck vid given temperatur (P > P sat ) lägre temperatur vid givet tryck (T < T sat ) mindre specifik volym vid givet P el. T (v < v g ) u < u g vid givet P el. T h < h g vid givet P el. T En underkyld vätska kan approximeras som mättad vätska vid samma temperatur y y f @T h h f @T + v f @T (P P sat@t ) 26 / 26