Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
Rena ämnen/substanser
• Har fix kemisk sammansättning! Exempel: N2, 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
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
Faser 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.
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
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
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
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.
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
Tv-diagram för vatten vid atmosfärstryck:
Konstant tryck på linjen!
Mättnadstemperatur, Tsat
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
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!
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
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!
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
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”.
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
Mättnadstryck och mättnadstemperatur
• Mättnadstryck Psat: det tryck (vid given temperatur) då en ren
substans byter fas
• Mättnadstemperatur Tsat: 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
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
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.
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
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
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
Diagram med 3 faser
Generellt: fasta fasen återfinns vid högt tryck och låg temperatur
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
PT-diagram (fasdiagram)
Vid trippelpunkten
existerar alla tre
faser i jämvikt.
För vatten:
Ttp = 0.01 °C
Ptp = 612 Pa
Sublimation – vid
låga tryck kan fasta
kroppar evaporera
utan att först
smälta (fast-gas)
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
Mer om vatten
CO2. Beter sig som de flesta
ämnen. Sublimation av
kolsyreis!
Bild: Martin Silberberg:
Chemistry, the molecular
nature of matter and
change, McGraw-Hill,
New York 1996
H2O.Vid konstant T kan man övergå
från fast till flytande vatten genom att
bara öka trycket! Skridskor!
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
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!
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
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, 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.
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
Entalpi, H – en kombinationsegenskap
”samlade” energin för ett system
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
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
1. Mättad vätska och mättad ånga
tillstånden ”på linjen”: tabell A4 & A5 (vatten)
vf = spec. volym hos mättad vätska
vg = spec. volym hos mättad ånga
vfg = vg-vf
Motsvarande för u, h och s
Ångbildningsentalpi hfg : Den mängd energi
som krävs för att förånga en enhetsmassa
mättad vätska vid givet temperatur och tryck.
Tabellerat i A4 & A5.
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
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.
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
2. 2-fasområdet, forts.
x = 0 för mättad vätska
x = 1 för mättad ånga
0 < x < 1 för 2-fas
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
3. Överhettad ånga
Tillstånd till höger om ”domen”. I denna region är
tryck och temperatur oberoende!
Tabell A6
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
4. Trycksatt vätska
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:
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
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.
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
Ideala gaslagen
För en ideal gas kan vi relatera tryck,
temperatur och volym till varandra med en
enkel tillståndsekvation.
(med v = V/m)
Ru = allmänna gaskonstanten = 8.31447 kJ/kmol,K
M = molmassa i kg/kmol
För en ideal gas gäller t.ex.:
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
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, O2, CO2, N2, 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!
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
Är vattenånga en ideal gas?
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
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!
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
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
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
Kompressibilitet ett mått på avvikelse från ideal gas
Kompressibiltetsfaktorn, z
Kap 3 – egenskaper hos rena ämnen
Andra tillståndsekvationer
Förutom ideala gaslagen finns ett antal andra tillståndsekvationer:
• Van der Waals
• Beattie-Bridgeman
• Benedict-Webb-Rubin
• Virial
• ….
a,b konstanter att anpassa
