Hơi là gì?

Tính chất của hơi được giải thích ở đây, bao gồm khả năng của hơi dưới áp suất mang và sau đó giải phóng lượng lớn năng lượng. Các chủ đề bao gồm bảng hơi bão hòa, khôness fraction và hơi bốc hơi.

Hiểu biết tốt hơn về tính chất của hơi có thể đạt được bằng cách hiểu cấu trúc phân tử và nguyên tử chung của vật chất, và áp dụng kiến thức này cho đá, nước và hơi. Phân tử là lượng nhỏ nhất của bất kỳ nguyên tố hoặc hợp chất nào vẫn sở hữu tất cả tính chất hóa học của chất đó có thể tồn tại. Bản thân các phân tử được tạo thành từ các hạt nhỏ hơn gọi là nguyên tử, xác định các nguyên tố cơ bản như hydro và oxy. Các tổ hợp cụ thể của các nguyên tố nguyên tử này cung cấp các chất hợp chất. Một hợp chất như vậy được đại diện bởi công thức hóa học H2O, có phân tử gồm hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy. Lý do nước dồi dào trên trái đất là vì hydro và oxy nằm trong số các nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ. Carbon là một nguyên tố có sự phong phú đáng kể, và là thành phần chính trong tất cả vật chất hữu cơ. Hầu hết các chất khoáng có thể tồn tại ở ba trạng thái vật lý (rắn, lỏng và hơi) được gọi là pha. Trong trường hợp H2O, các thuật ngữ đá, nước và hơi được sử dụng để biểu thị ba pha tương ứng. Sắp xếp phân tử của đá, nước, và hơi vẫn chưa được hiểu đầy đủ, nhưng thuận tiện khi xem xét các phân tử liên kết với nhau bằng điện tích (được gọi là liên kết hydro). Mức độ kích thích của các phân tử quyết định trạng thái vật lý (hoặc pha) của chất.

Tất cả ba pha của một chất cụ thể chỉ có thể cùng tồn tại trong cân bằng ở một nhiệt độ và áp suất nhất định, và điều này được gọi là điểm ba pha.

Điểm ba pha của H2O, nơi ba pha đá, nước và hơi ở trạng thái cân bằng, xảy ra ở nhiệt độ 273,16 K và áp suất tuyệt đối 0,006 112 bar. Áp suất này rất gần với chân không hoàn hảo. Nếu áp suất được giảm thêm ở nhiệt độ này, đá, thay vì tan chảy, thăng hoa trực tiếp thành hơi.

Đá

Trong đá, các phân tử bị khóa với nhau trong cấu trúc mạng tinh thể có trật tự và chỉ có thể rung. Trong pha rắn, chuyển động của các phân tử trong mạng là rung quanh vị trí liên kết trung bình nơi các phân tử cách nhau ít hơn một đường kính phân tử. Việc thêm nhiệt liên tục làm tăng rung động đến mức một số phân tử cuối cùng sẽ tách khỏi hàng xóm, và chất rắn bắt đầu tan chảy sang trạng thái lỏng. Ở áp suất khí quyển, tan chảy xảy ra ở 0 °C. Thay đổi áp suất có rất ít ảnh hưởng đến nhiệt độ tan chảy, và cho hầu hết các mục đích thực tế, 0 °C có thể được coi là điểm tan chảy. Tuy nhiên, đã chỉ ra rằng điểm tan chảy của đá giảm 0,0072 °C cho mỗi áp suất khí quyển thêm. Ví dụ, áp suất 13,9 bar g sẽ cần để giảm nhiệt độ tan chảy 0,1 °C. Nhiệt phá vỡ liên kết mạng để tạo ra thay đổi pha trong khi không tăng nhiệt độ của đá, được gọi là entanpi tan chảy hoặc nhiệt nóng chảy. Hiện tượng thay đổi pha này có thể đảo ngược khi đóng băng xảy ra với cùng lượng nhiệt được giải phóng trở lại môi trường. Đối với hầu hết các chất, mật độ giảm khi thay đổi từ pha rắn sang lỏng. Tuy nhiên, H2O là ngoại lệ cho quy tắc này vì mật độ tăng khi tan chảy, đó là lý do tại sao đá nổi trên nước.

Nước

Trong pha lỏng, các phân tử tự do di chuyển, nhưng vẫn cách nhau ít hơn một đường kính phân tử do lực hút tương hỗ, và va chạm xảy ra thường xuyên. Nhiều nhiệt hơn làm tăng sự xáo trộn phân tử và va chạm, nâng nhiệt độ chất lỏng lên đến nhiệt độ sôi. Entanpi của nước, entanpi lỏng hay nhiệt nhạy (hf) của nước Đây là nhiệt năng cần thiết để nâng nhiệt độ nước từ mốc tham chiếu 0 °C đến nhiệt độ hiện tại. Tại trạng thái tham chiếu 0 °C này, entanpi của nước đã được đặt bằng không một cách tùy ý. Entanpi của tất cả các trạng thái khác sau đó có thể được xác định, so với trạng thái tham chiếu dễ tiếp cận này. Nhiệt nhạy là thuật ngữ từng được sử dụng, vì nhiệt thêm vào nước tạo ra thay đổi nhiệt độ. Tuy nhiên, các thuật ngữ được chấp nhận ngày nay là entanpi lỏng hoặc entanpi của nước. Ở áp suất khí quyển (0 bar g), nước sôi ở 100 °C, và 419 kJ năng lượng cần thiết để gia nhiệt 1 kg nước từ 0 °C lên nhiệt độ sôi 100 °C. Chính từ các số liệu này mà giá trị nhiệt dung riêng của nước (Cp) 4,19 kJ/kg °C được suy ra cho hầu hết các tính toán giữa 0 °C và 100 °C.

Hơi

Khi nhiệt độ tăng và nước tiến gần điều kiện sôi, một số phân tử đạt đủ động năng để đạt vận tốc cho phép chúng tạm thời thoát khỏi chất lỏng vào không gian phía trên bề mặt, trước khi rơi trở lại chất lỏng. Gia nhiệt thêm gây ra kích thích lớn hơn và số phân tử có đủ năng lượng để rời khỏi chất lỏng tăng. Khi nước được gia nhiệt đến điểm sôi, các bong bóng hơi hình thành bên trong và nổi lên phá vỡ bề mặt. Xét cấu trúc phân tử của chất lỏng và hơi, hợp lý là mật độ của hơi thấp hơn nhiều so với nước, vì các phân tử hơi cách xa nhau hơn. Không gian ngay phía trên bề mặt nước do đó trở nên đầy các phân tử hơi mật độ thấp hơn. Khi số phân tử rời khỏi bề mặt chất lỏng nhiều hơn số quay lại, nước bay hơi tự do. Tại thời điểm này nó đã đạt đến điểm sôi hoặc nhiệt độ bão hòa, vì nó bão hòa với nhiệt năng. Nếu áp suất không đổi, thêm nhiều nhiệt hơn không gây tăng nhiệt độ nữa mà khiến nước tạo hơi bão hòa. Nhiệt độ của nước sôi và hơi bão hòa trong cùng hệ thống là giống nhau, nhưng nhiệt năng trên mỗi đơn vị khối lượng lớn hơn nhiều trong hơi. Ở áp suất khí quyển nhiệt độ bão hòa là 100 °C. Tuy nhiên, nếu áp suất tăng, điều này sẽ cho phép thêm nhiều nhiệt hơn và tăng nhiệt độ mà không thay đổi pha. Do đó, tăng áp suất thực tế tăng cả entanpi của nước, và nhiệt độ bão hòa. Mối quan hệ giữa nhiệt độ bão hòa và áp suất được gọi là đường cong bão hòa hơi (xem Hình 2.2.1).

Nước và hơi có thể cùng tồn tại ở bất kỳ áp suất nào trên đường cong này, cả hai đều ở nhiệt độ bão hòa. Hơi ở trạng thái trên đường cong bão hòa được gọi là hơi quá nhiệt:

• Nhiệt độ trên nhiệt độ bão hòa được gọi là mức quá nhiệt của hơi.
• Nước ở trạng thái dưới đường cong được gọi là nước dưới bão hòa. Nếu hơi có thể chảy từ lò hơi với cùng tốc độ nó được tạo ra, việc thêm nhiệt nhiều hơn chỉ đơn giản tăng tốc độ tạo hơi. Nếu hơi bị ngăn rời khỏi lò hơi, và tốc độ cấp nhiệt được duy trì, năng lượng chảy vào lò hơi sẽ lớn hơn năng lượng chảy ra. Năng lượng dư thừa này nâng áp suất, lần lượt cho phép nhiệt độ bão hòa tăng, vì nhiệt độ của hơi bão hòa tương quan với áp suất của nó. Entanpi bay hơi hay nhiệt ẩn (hfg) Đây là lượng nhiệt cần thiết để thay đổi trạng thái của nước ở nhiệt độ sôi, thành hơi. Nó không liên quan đến thay đổi nhiệt độ của hỗn hợp hơi/nước, và tất cả năng lượng được sử dụng để thay đổi trạng thái từ lỏng (nước) sang hơi (hơi bão hòa). Thuật ngữ cũ nhiệt ẩn dựa trên thực tế rằng mặc dù nhiệt được thêm vào, không có thay đổi nhiệt độ. Tuy nhiên, thuật ngữ được chấp nhận bây giờ là entanpi bay hơi. Giống như thay đổi pha từ đá sang nước, quá trình bay hơi cũng có thể đảo ngược. Cùng lượng nhiệt tạo hơi được giải phóng trở lại môi trường trong quá trình ngưng tụ, khi hơi gặp bất kỳ bề mặt nào ở nhiệt độ thấp hơn. Điều này có thể được coi là phần hữu ích của nhiệt trong hơi cho mục đích gia nhiệt, vì nó là phần tổng nhiệt trong hơi được chiết xuất khi hơi ngưng tụ trở lại nước. Entanpi của hơi bão hòa, hay tổng nhiệt của hơi bão hòa Đây là tổng năng lượng trong hơi bão hòa, và đơn giản là tổng của entanpi của nước và entanpi bay hơi.

Entanpi (và các tính chất khác) của hơi bão hòa có thể dễ dàng tham khảo bằng kết quả bảng của các thí nghiệm trước đó, được gọi là bảng hơi.

Bảng hơi liệt kê tính chất của hơi ở các áp suất khác nhau. Chúng là kết quả của các thử nghiệm thực tế trên hơi. Bảng 2.2.1 cho thấy tính chất của hơi bão hòa khô ở áp suất khí quyển - 0 bar g.

Bảng 2.2.1 Tính chất của hơi bão hòa ở áp suất khí quyển

Ví dụ 2.2.1

Ở áp suất khí quyển (0 bar g), nước sôi ở 100 °C, và 419 kJ năng lượng cần thiết để gia nhiệt 1 kg nước từ 0 °C lên nhiệt độ bão hòa 100 °C. Do đó entanpi riêng của nước ở 0 bar g và 100 °C là 419 kJ/kg, như thể hiện trong bảng hơi (xem Bảng 2.2.2).

Tuy nhiên, hơi ở áp suất khí quyển có giá trị thực tế hạn chế. Điều này là vì nó không thể được vận chuyển dưới áp suất riêng dọc theo đường ống hơi đến điểm sử dụng.

Lưu ý: Do mối quan hệ áp suất/thể tích của hơi, (thể tích giảm khi áp suất tăng) nó thường được tạo ra trong lò hơi ở áp suất ít nhất 7 bar g. Tạo hơi ở áp suất cao hơn cho phép đường ống phân phối hơi giữ ở kích thước hợp lý. Khi áp suất hơi tăng, mật độ của hơi cũng sẽ tăng. Vì thể tích riêng tỷ lệ nghịch với mật độ, thể tích riêng sẽ giảm khi áp suất tăng. Hình 2.2.2 cho thấy mối quan hệ giữa thể tích riêng và áp suất. Điều này nêu bật rằng sự thay đổi lớn nhất về thể tích riêng xảy ra ở áp suất thấp hơn, trong khi ở phía cao hơn của thang áp suất có ít thay đổi hơn về thể tích riêng.

Trích từ bảng hơi thể hiện trong Bảng 2.2.2 cho thấy thể tích riêng, và dữ liệu liên quan đến hơi bão hòa.

Ở 7 bar g, nhiệt độ bão hòa của nước là 170 °C. Nhiều nhiệt năng hơn cần thiết để nâng nhiệt độ lên điểm bão hòa ở 7 bar g so với nếu nước ở áp suất khí quyển. Bảng cho giá trị 721 kJ để nâng 1 kg nước từ 0 °C lên nhiệt độ bão hòa 170 °C. Nhiệt năng (entanpi bay hơi) cần bởi nước ở 7 bar g để chuyển thành hơi thực tế ít hơn nhiệt năng cần thiết ở áp suất khí quyển. Điều này là vì entanpi riêng bay hơi giảm khi áp suất hơi tăng. Tuy nhiên, vì thể tích riêng cũng giảm khi áp suất tăng, lượng nhiệt năng truyền trong cùng thể tích thực tế tăng theo áp suất hơi.

Bảng 2.2.2 Trích từ bảng hơi bão hòa

Hơi có nhiệt độ bằng điểm sôi ở áp suất đó được gọi là hơi bão hòa khô. Tuy nhiên, để tạo ra hơi 100% khô trong lò hơi công nghiệp được thiết kế để tạo hơi bão hòa là hiếm khi khả thi, và hơi thường chứa các giọt nước.

Trong thực tế, do rối loạn và bắn tóe, khi các bong bóng hơi phá vỡ bề mặt nước, không gian hơi chứa hỗn hợp giọt nước và hơi. Hơi được tạo ra trong bất kỳ lò hơi loại vỏ nào (xem Khối 3), nơi nhiệt chỉ được cung cấp cho nước và hơi vẫn tiếp xúc với bề mặt nước, có thể chứa khoảng 5% nước theo khối lượng. Nếu hàm lượng nước của hơi là 5% theo khối lượng, thì hơi được coi là 95% khô và có khôness fraction 0,95. Entanpi bay hơi thực tế của hơi ướt là tích của khôness fraction (c) và entanpi riêng (hfg) từ bảng hơi. Hơi ướt sẽ có nhiệt năng sử dụng thấp hơn hơi bão hòa khô. Do đó: Vì thể tích riêng của nước thấp hơn nhiều bậc so với hơi, các giọt nước trong hơi ướt sẽ chiếm không gian không đáng kể. Do đó thể tích riêng của hơi ướt sẽ nhỏ hơn hơi khô: Trong đó vg là thể tích riêng của hơi bão hòa khô.

Ví dụ 2.2.2

Hơi ở áp suất 6 bar g có khôness fraction 0,94 sẽ chỉ chứa 94% entanpi bay hơi của hơi bão hòa khô ở 6 bar g. Các phép tính sau sử dụng số liệu từ bảng hơi:

Biểu đồ pha hơi Dữ liệu được cung cấp trong bảng hơi cũng có thể được thể hiện dưới dạng đồ thị. Hình 2.2.3 minh họa mối quan hệ giữa entanpi và nhiệt độ của các trạng thái khác nhau của nước và hơi; điều này được gọi là biểu đồ pha.

Khi nước được gia nhiệt từ 0 °C đến nhiệt độ bão hòa, trạng thái của nó theo đường nước bão hòa cho đến khi nhận được toàn bộ entanpi lỏng, hf, (A - B).

Nếu nhiệt tiếp tục được thêm, nước thay đổi pha thành hỗn hợp nước/hơi và tiếp tục tăng entanpi trong khi vẫn ở nhiệt độ bão hòa, hfg, (B - C). Khi hỗn hợp nước/hơi tăng về độ khô, trạng thái của nó di chuyển từ đường chất lỏng bão hòa sang đường hơi bão hòa. Do đó tại một điểm chính xác giữa hai trạng thái này, khôness fraction (c) là 0,5. Tương tự, trên đường hơi bão hòa, hơi 100% khô. Khi nhận được toàn bộ entanpi bay hơi, nó đạt đường hơi bão hòa. Nếu tiếp tục được gia nhiệt sau thời điểm này, áp suất không đổi nhưng nhiệt độ của hơi sẽ bắt đầu tăng khi quá nhiệt được truyền (C - D). Đường nước bão hòa và hơi bão hòa bao quanh một vùng trong đó tồn tại hỗn hợp nước/hơi - hơi ướt. Trong vùng bên trái đường nước bão hòa chỉ tồn tại nước, và trong vùng bên phải đường hơi bão hòa chỉ tồn tại hơi quá nhiệt. Điểm mà đường nước bão hòa và hơi bão hòa gặp nhau được gọi là điểm tới hạn. Khi áp suất tăng hướng đến điểm tới hạn, entanpi bay hơi giảm, cho đến khi bằng không tại điểm tới hạn. Điều này gợi ý rằng nước thay đổi trực tiếp thành hơi bão hòa tại điểm tới hạn. Trên điểm tới hạn, hơi có thể được coi là khí. Trạng thái khí là trạng thái khuếch tán nhất trong đó các phân tử có chuyển động gần như không giới hạn, và thể tích tăng vô hạn khi áp suất giảm. Điểm tới hạn là nhiệt độ cao nhất mà nước có thể tồn tại. Bất kỳ nén nào ở nhiệt độ không đổi trên điểm tới hạn sẽ không tạo ra thay đổi pha. Nén ở nhiệt độ không đổi dưới điểm tới hạn tuy nhiên, sẽ dẫn đến hóa lỏng của hơi khi nó đi từ vùng quá nhiệt vào vùng hơi ướt. Điểm tới hạn xảy ra ở 374,15 °C và 221,2 bar a cho hơi. Trên áp suất này, hơi được gọi là siêu tới hạn và không có điểm sôi rõ ràng.

Thuật ngữ ‘hơi bốc hơi’ theo truyền thống được sử dụng để mô tả hơi thoát ra từ thông hơi bình thu ngưng tụ và đường xả ngưng tụ hở từ bẫy hơi. Làm thế nào hơi có thể được hình thành từ nước mà không thêm nhiệt?

Hơi bốc hơi xảy ra khi nào nước ở áp suất cao (và nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bão hòa của chất lỏng áp suất thấp) được cho phép giảm xuống áp suất thấp hơn. Ngược lại, nếu nhiệt độ của nước áp suất cao thấp hơn nhiệt độ bão hòa ở áp suất thấp hơn, hơi bốc hơi không thể được hình thành. Trong trường hợp ngưng tụ đi qua bẫy hơi, thường là nhiệt độ thượng lưu đủ cao để hình thành hơi bốc hơi. Xem Hình 2.2.4.

Xem xét một kg ngưng tụ ở 5 bar g và nhiệt độ bão hòa 159 °C đi qua bẫy hơi đến áp suất thấp hơn 0 bar g. Lượng năng lượng trong một kg ngưng tụ ở nhiệt độ bão hòa ở 5 bar g là 671 kJ. Theo định luật nhiệt động lực học thứ nhất, lượng năng lượng chứa trong chất lỏng ở phía áp suất thấp của bẫy hơi phải bằng với phía áp suất cao, và tạo thành nguyên lý bảo toàn năng lượng.

Do đó, nhiệt chứa trong một kg chất lỏng áp suất thấp cũng là 671 kJ. Tuy nhiên, nước ở 0 bar g chỉ có thể chứa 419 kJ nhiệt, sau đó có vẻ mất cân bằng nhiệt ở phía áp suất thấp 671 - 419 = 252 kJ, có thể coi là nhiệt dư thừa. Nhiệt dư thừa này đun sôi một phần ngưng tụ thành cái gọi là hơi bốc hơi và quá trình sôi được gọi là bốc hơi. Do đó, một kg ngưng tụ tồn tại dưới dạng một kg nước lỏng ở phía áp suất cao của bẫy hơi bây giờ tồn tại một phần dưới dạng cả nước và hơi ở phía áp suất thấp. Lượng hơi bốc hơi được tạo ra ở áp suất cuối (P2) có thể được xác định bằng Phương trình 2.2.5:

Ví dụ 2.2.3

Trường hợp mà nhiệt độ ngưng tụ áp suất cao cao hơn nhiệt độ bão hòa áp suất thấp. Xem xét một lượng nước ở áp suất 5 bar g, chứa 671 kJ/kg nhiệt năng ở nhiệt độ bão hòa 159 °C. Nếu áp suất sau đó giảm xuống áp suất khí quyển (0 bar g), nước chỉ có thể tồn tại ở 100 °C và chứa 419 kJ/kg nhiệt năng. Sự khác biệt này 671 - 419 = 252 kJ/kg nhiệt năng, sau đó sẽ tạo hơi bốc hơi ở áp suất khí quyển.

Tỷ lệ hơi bốc hơi tạo ra có thể được coi là tỷ lệ của năng lượng dư thừa so với entanpi bay hơi ở áp suất cuối.

Ví dụ 2.2.4

Trường hợp mà nhiệt độ ngưng tụ áp suất cao thấp hơn nhiệt độ bão hòa áp suất thấp. Xem xét các điều kiện tương tự như trong Ví dụ 2.2.3, với ngoại lệ là nhiệt độ ngưng tụ áp suất cao ở 90 °C, tức là dưới bão hòa dưới nhiệt độ bão hòa khí quyển 100 °C. Lưu ý: Thường không thực tế cho sự giảm lớn như vậy về nhiệt độ ngưng tụ từ nhiệt độ bão hòa (trong trường hợp này từ 159 °C xuống 90 °C); nó đơn giản được sử dụng để minh họa điểm về hơi bốc hơi không được tạo ra trong những hoàn cảnh như vậy. Trong trường hợp này, bảng nước dưới bão hòa sẽ cho thấy entanpi lỏng của một kg ngưng tụ ở 5 bar g và 90 °C là 377 kJ. Vì entanpi này nhỏ hơn entanpi của một kg nước bão hòa ở áp suất khí quyển (419 kJ), không có nhiệt dư thừa để tạo hơi bốc hơi. Ngưng tụ đơn giản đi qua bẫy hơi và vẫn ở trạng thái lỏng ở cùng nhiệt độ nhưng áp suất thấp hơn, áp suất khí quyển trong trường hợp này. Xem Hình 2.2.5.

Áp suất hơi của nước ở 90 °C là 0,7 bar tuyệt đối. Nếu áp suất ngưng tụ thấp hơn thế này, hơi bốc hơi sẽ được tạo ra.

Nguyên lý bảo toàn năng lượng và khối lượng giữa hai trạng thái quá trình

Các nguyên lý bảo toàn năng lượng và khối lượng cho phép hiện tượng hơi bốc hơi được xem xét từ một hướng khác.

Xem xét các điều kiện trong Ví dụ 2.2.3. 1 kg ngưng tụ ở 5 bar g và 159 °C tạo 0,112 kg hơi bốc hơi ở áp suất khí quyển. Điều này có thể được minh họa bằng sơ đồ trong Hình 2.2.6. Tổng khối lượng hơi bốc hơi và ngưng tụ vẫn là 1 kg.

Nguyên lý bảo toàn năng lượng phát biểu rằng tổng năng lượng ở trạng thái áp suất thấp phải bằng tổng năng lượng ở trạng thái áp suất cao. Do đó, lượng nhiệt trong hơi bốc hơi và ngưng tụ phải bằng lượng trong ngưng tụ ban đầu 671 kJ.

Bảng hơi cung cấp thông tin sau:

Do đó, theo bảng hơi, entanpi dự kiến ở trạng thái áp suất thấp bằng với trạng thái áp suất cao, do đó chứng minh nguyên lý bảo toàn năng lượng.