by 1. Một số tính chất lý hóa của nước đá ở 0°C và áp suất 0,98 bar (pkq = 1 at)
Nước trong tự nhiên luôn tồn tại ở ba thể lỏng – rắn – hơi (khí), khi hạ nhiệt độ của nước xuống 0°C ở điều kiện áp suất khí quyển 0,98bar = 1at = 735,559 mmHg, nước bắt đầu chuyển sang trạng thái rắn. Trên hình 1 biểu thị đồ thị gián đồ P - t của nước, quá trình kết tinh của nước chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn theo đường F' - D' - E'
Khối lượng riêng (tỷ trọng) của nước lớn nhất là nằm trong khoảng nhiệt độ (0÷4)°C và đạt giá trị cực đại là ở 4°C (chính xác là 3,986°C).
Hình 1. Đồ thi giản đồ P-t của nước
Khi nước ở trạng rắn thì nhiệt độ nóng chảy của nước đá là 0°C (tnc=0°C) và đây cũng là nhiệt đông đặc khi nước ở trạng thái lỏng chuyển sang trạng thái rắn.
Trong tự nhiên nước tồn tại ba đồng vị H2O16,H2O17 và H2O18, bình thường nước mà chúng ta sử dụng là loại nước H2O16 (còn gọi là nước nhẹ), còn hai đồng vị H2O17 và H2O18 chính là sản phẩm phụ của lò phản ứng hạt nhân trong các nhà máy điện nguyên tử (còn gọi là nước nặng thường ký hiệu HDO, D2O), hai đồng vị này cũng có phần quan trọng trong việc làm nguyên liệu tái tạo làm giàu phóng xạ Uranium để chế tạo bom nguyên tử.
Nhiệt dung riêng của nước ở điều kiện áp suất khí quyển không đổi là cpn = 4,186 kJ/(kg.K) ~ 4,19 kJ/(kg.K) = 1 kcal/(kg.K), khối lượng riêng của nước ρn= 1000kg/m.
3
Khi nước chuyển sang trạng thái rắn thì nhiệt dung riêng của nước đá giảm gần một nửa so với nhiệt dung riêng của nước ở trạng thái lỏng. Nhiệt dung riêng của nước đá ở điều kiện áp suất khí quyển không cpnđ = 2,09 kJ/(kg.K) ~ 2,1 kJ/(kg.K) = 0.5 kcal/(kg.K), vì thể tích riêng của nước đá tăng lên khoảng 9% so với thể tích nước ở trạng thái lỏng cho nên khối lượng của nước đá giảm xuống khoảng 9%, khối lượng riêng của nước đá khoảng ρnd = 917kg/m. Tỷ trọng hay khối lượng của nước đá có quan hệ với nhiệt độ như sau:
ρnd = 917.(1 – 0,000155.t)
Để cân bằng hệ hai pha lỏng - rắn (nước – đá) của nước, có thể sử dụng phương trình Clapperol - Clausius như sau:
Trong đó:
L: ẩn nhiệt đóng băng của nước, kJ/kg;
νl, νd: thể tích riêng của pha lỏng và rắn, m/kg;
P: áp suất của môi trường pha lỏng - rắn, Pa;
T: nhiệt độ nóng chảy của nước, K.
Bởi vì νl< νd, nên δP/δT < 0, tức là khi tăng áp suất thì nhiệt độ nóng chảy giảm.
Nhiệt đóng băng (ẩn nhiệt đóng băng) của nước ở nhiệt độ 0°C và áp suất khí quyển là L = 335 KJ/kg = 79,8 kCal/kg. Lượng nhiệt này có ý nghĩa như sau, sau khi hạ nhiệt độ nước xuống 0°C ở áp suất khí quyển nếu muốn cho 1kg nước đóng băng hoàn toàn thì nhiệt lượng cần lấy đi của 1kg nước là 335kJm = 79,8kcal. Nhiệt đóng băng sẽ thay đổi theo nhiệt độ, khi nhiệt độ hạ xuống 1°C thì L sẽ tăng khoảng 2,12 kJ/kg.
Hệ số dẫn nhiệt của nước đá là λnd = 2,326 W/(m.K) = 2 Kcal/(m.h.K), hệ số dẫn nhiệt của nước đá có thể được tính toán theo công thức thực nghiệm như sau:
λnd = 2,326.(1 - 0,00156.t) W/(m.K)
Tỷ nhiệt của nước đá ở 0°C là Cđ= 2,1 kJ/(kg.K) (chính xác là 2,09 kJ/(kg.K)), khi nhiệt độ giảm thì tỷ nhiệt của nước đá sẽ giảm theo. Qua thực nghiệm thì tỷ nhiệt của nước đá cũng được xác định theo công thức thực nghiệm sau:
2. Các giai đoạn của công nghệ sản xuất nước đá
Công nghệ sản xuất nước đá thường trải qua ba giai đoạn chính.
Giai đoạn 1: Hạ nhiệt độ của nước từ nhiệt độ t (là nhiệt độ ban đầu của nước) xuống nhiệt độ 0°C. trên hình 2 giai đoạn này chính là đoạn AB và được gọi là giai đoạn làm lạnh.
Giai đoạn 2: là giai đoạn kết tinh nước hoàn toàn, chuyển nước từ trạng thái long sang trang thái rãn, trên hình 2 chính là đoạn BC và được gọi là giai đoạn làm đông,
Giai đoạn 3: là giai đoạn hạ thấp nhiệt độ bằng của nước từ 0°C xuống nhiệt độ t2 (nhiệt độ theo yêu cầu), trên hình 2 là đoạn CD và được gọi là giai đoạn quá lạnh, thông thường nhiệt độ t2 nằm trong khoảng từ (-10÷ -5)°C.
Hình 2. Giản đồ các giai đoạn làm đông nước đá
Nhiệt lượng riêng cần thiết để chuyển 1kg nước ở nhiệt độ ban đầu là t1 thành nước đá ở nhiệt độ t2 được tính theo công thức sau:
q=q1+L+q2
Trong đó:
q1 = Cpn.(t1 – 0) là nhiệt lấy ra để hạ nhiệt độ nước từ t1 xuống 0°C;
L= 335 KJ/kg = 79,8 kcal/kg là nhiệt đông đặc của nước;
q2 = Cpnđ.(0 – t2) nhiệt lấy ra để hạ nhiệt độ của băng từ 0°C xuống t2.
Như vậy:
q = Cpn.(t1 – 0) + L + Cpnđ.(0 – t2)
q = Cpn.t1 +L - Cpnđ. t2
Với: - Cpn kJ/(kg.K): nhiệt dung riêng của nước;
- Cpnđ kJ/(kg.K): nhiệt dung riêng của nước đá.
Giá trị q trong công thức là nhiệt lượng riêng cần thiết lấy ra để chuyển 1kg nước thành nước đá hay còn gọi là độ biến đổi hàm nhiệt của nước.
3. Sự liên hợp giữa các phân tử nước
Cấu trúc của nước là H2O, ba nguyên tử H và O nằm trên ba đỉnh của một tam giác cân, gốc ở đỉnh là nguyên tử O tạo với hai H một góc 104°28', khoảng cách giữa hai hạt nhân của hai nguyên tử O và H là 0,96A°, khả năng phân cực giữa hai nguyên tử O và H là khá lớn, chính vì khả năng phân cực và cấu tạo như trên mà nước có khả năng hòa tan được nhiều chất có thể điện ly thành ion (+) và ion (-) hoặc có khả năng tạo thành liên kết Hydro giữa phân từ chất tan vào nước. Nước ở thể lỏng luôn liên kết với nhau tạo thành (H2O)n mà không làm thay đổi những tính chất hóa học của chúng, điều này gọi là sự liên hợp giữa các phân từ nước, sự liên hợp này chủ yếu là nhờ liên kết Hydro.
Hình 3. Cấu trúc tinh thể đá
Hình 3. Cấu trúc tinh thể đá
Khi nước chuyển pha từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, do hàm nhiệt giảm các phân tử nước chuyển động chậm, chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó mà thôi, các tinh thể nước đá hình thành có cấu tạo H là hình tứ diện đều, các đỉnh của hình tứ diện là các phân tử nước và các phân từ nước này liên kết với nhau bởi liên kết Hydro, trong đó mỗi nguyên tử O sẽ liên kết với 4 nguyên tử H và mỗi nguyên tử H liên kết với 2 nguyên tử O. Chúng có nhiều lỗ hổng, do đó nước ở thể rắn nhẹ hơn nước ở thể lỏng.
4. Quá trình đông đá của nước
Trong quá trình làm lạnh đông khi nhiệt độ đến dưới 0°C (nhiệt độ của điểm đóng băng) mà vẫn chưa có sự đóng băng kết tinh của nước thì hiện tượng đó gọi là hiện tượng quá lạnh. Sự chậm đóng băng đó là do sự chậm tạo thành mầm (tâm) kết tinh và chuyển động nhiệt (Brown) của các phân tử nước làm cho chúng va chạm với nhau và tương tác qua lại lẫn nhau, kết quả là không định hình được tâm ngưng tụ dẫn đến nước chưa thể kết tinh được ngay, nhưng sau một thời gian ngắn do nhiệt độ ở dưới điểm đông đặc dẫn đến hàm nhiệt giảm, các phân tử nước giảm năng lượng chuyển động để đạt tới trạng thái cân bằng, lúc này tâm ngưng tụ hình thành, các phân tử nước có xu hướng liên kết với tâm ngưng tụ bởi các lực hấp dẫn, lực Culong, lực Valdesvaal,v.v các lực này thắng (hoặc cân bằng) được lực đẩy và lực chuyển động nhiệt của nó sẽ tạo thành các tinh thể đá có kích thước lớn hơn.
Trong trường hợp nếu nhiệt độ hạ xuống quá sâu so với điểm đóng băng, các phân tử nước bị giảm hàm nhiệt mạnh, dẫn đến chúng chi dao động xung quanh vị trí cân bằng của chúng và bản thân nó đã hình thành một tâm ngưng tụ. Do đó, khi nhiệt độ hạ sâu thì sẽ hình thành rất nhiều tâm ngưng tụ, các tinh thể hình thành có kích thước nhỏ và rất nhỏ có dạng hình sợi hoặc hình kim, đôi khi nó ở dạng vô định hình.
0 comments: