Giáo trình vật lý phân tử và nhiệt học

[daigai]

Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết Nối
vật lý phân tử và nhiệt học
Vật lí phân tử và nhiệt học bắt đầu từ việc nghiên cứu quy luật chuyển động nhiệt của các
phân tử. Trên cơ sở chuyển động nhiệt các phân tử đó, bằng phương pháp thống kê hay phương
pháp nhiệt động người ta có thể nghiên cứu về trạng thái của tập hợp rất lớn các phân tử (gọi là
hệ nhiệt động). Đặc trưng cho trạng thái của một hệ nhiệt động là các thông số trạng thái, quy
luật về sự biến đổi các thông số này cho phép ta xác định được quy luật chuyển hoá năng lượng
của hệ.
Chương I: Phương trình trạng thái khí lý tưởng
 Mục đích chương:
Nắm vững nội dung và ứng dụng một số định luật thực nghiệm về chất khí lý tưởng: Bôi -
Mariốt, Sáclơ, Gayluýtxắc.
Nắm vững nội dung và ứng dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng trên cơ sở mở rộng hệ
thức P,V,T của chất khí.
 Yêu cầu:
áp dụng các định luật để giải thích các hiện tượng về nhiệt.
Nắm vững nội dung, công thức và phạm vi áp dụng của các định luật cơ học để giải quyết các
bài toán có nội dung thực tế.
Các định luật cơ bản của chất khí lý tưởng.
I. Thông số trạng thái.
Các thông số trạng thái của chất khí: Trạng thái của một hệ hoàn toàn được xác định nếu
biết được các đặc tính của hệ: nóng hay lạnh, đặc hay loãng và bị nén ít hay nhiều... Mỗi đặc
tính như vậy đều được đặc trưng bằng một đại lượng vật lý bao gồm: nhiệt độ, thể tích, khối
lượng, áp suất. Những đặc trưng kể trên được gọi là các thông số trạng thái của chất khí.
1. áp suất.
 Định nghĩa: Đại lượng vật lý được xác định bằng lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện
tích.
 Biểu thức: P F
S
 Với F: Cường độ lực tác dụng vuông góc lên diện tích S
 Đơn vị: N2
m
; at; mmHg; tor
 Quy đổi các đơn vị:
1at = 9,81.104 N/m2;
1mmHg = áp suất gây bởi trọng lượng của cột Hg cao 1mm
1at =736 mmHg ; 1mmHg =13,6 mmH2O
Giải thích:
P
Hg = mHg.g     P D g 1 PHg S S h SDg 1 Hg2
PH 2O = m H2O .g S h2 g.D
P
P
H2O
H2O
2 
22
11
1 2
Dh
Dh
P P
 nếu P1 = P2
D2
h1D1
h2 
hnước = hHg
0,1
6,13 -> hnước= 13,6 hHg (1)
+ Cách xác định áp suất tĩnh trong lòng chất lỏng
2. Nhiệt độ.
 Đặc trưng cho mức độ nóng hay lạnh của hệ, bản chất của nhiệt độ vật thể là do chuyển động
nhiệt hỗn độn.
 Xác định nhiệt độ bằng nhiệt biểu; Nguyên tắc của nhiệt biểu là: đo độ biến thiên của một
đại lượng nào đấy rồi suy ra nhiệt độ.
 Đơn vị: toC là đơn vị nhiệt độ trong nhiệt giai Xenxiuyt (bách phân).
ToK là nhiệt độ trong nhiệt giai Kenvin (tuyệt đối)
(toC+273) =ToK trong nhiệt giai Xenxiuyt thì 0oC thì P  0
trong nhiệt giai Kenvin thì 0oK thì P = 0.
Các định luật chất khí: (Các định luật diễn tả mối quan hệ giữa các thông số trạng thái với
nhau)
II. Các định luật thực nghiệm.
1. Định luật Bôilơ Mariốt (Về mối quan hệ P và V khi T không đổi)
 Nội dung định luật: Trong quá trình đẳng nhiệt, tích thể tích và áp suất của một khối lượng
khí có trị số không thay đối.
 Biểu thức định luật: P1V1 = P2V2 (VP = const)
 Điều kiện áp dụng: m không đổi, T= const
 Đồ thị: họ đường đẳng nhiệt là họ đường hypecbôn trong hệ trục P,V.
2. Định luật Gayluytxac (mối quan hệ P và T khi V không đổi)
 Nội dung: Trong quá trình đẳng tích hệ số tăng áp suất  của mọi chất khí đều bằng nhau và
có trị số
273
1
 .
 Biểu thức: )t1(PP
t
PP
ot
ot


 (4.2)
Từ đó có thể biểu diễn thành các dạng khác theo nhiệt độ tuyệt đối T như sau: ot  TPP
hay cách khác : const
PT
P T
P T
2 2
1 1
 (4.3)
M N
h
1 P1=PM
PM
=P
N=Pkq+h
P1=Pkq+h
(hình1..2
)
P
kq
M
h
PM=Pkq(mmHg)+hM(mmHg)
.
(hình1.1)
  

Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi3
 Điều kiện áp dụng:

 
constm
constV
 Đồ thị: Họ đường đẳng tích là những đường thẳng đi qua gốc toạ độ vẽ trong hệ P, T hoặc
những đường thẳng không qua gốc toạ độ cắt trục tung tại P0 và trục hoành tại -273o C vẽ trong
hệ toạ độ P,t.
3. Định luật Sác lơ (mối quan hệ V và T khi P không đổi)
 Nội dung định luật: Trong quá trình áp suất không đổi, hệ số tăng thể tích  của mọi chất khí
đều bằng nhau và có trị số 1
273
  .
 Biểu thức: V V t o V (1 ) t V t o
t
 

    (4.4)
Từ đó có thể biểu diễn thành các dạng khác theo nhiệt độ tuyệt đối T như sau: ot  TVV
hay cách khác : 1 2
1 2
V V V
const
T T T
   (4.5)
 Điều kiện áp dụng:

 
constm
constP
+ Đồ thị: Họ đường đẳng tích là những đường thẳng đi qua gốc toạ độ vẽ trong hệ V, T
hay những đường thẳng không qua gốc toạ độ cắt trục tung tại V0 và trục hoành tại -273o C
trong hệ toạ độ V,t.
4. Hệ thức P,V,T chất khí lý tưởng.
4.1. Khái niệm về khí lý tưởng.
 Định luật B-M & Gayluytxac chỉ đúng trong điều kiện nhiệt độ & áp suất thường (trong
phòng thí nghiệm), đối với chất khí có P cao thì không hoàn toàn đúng.
 Khí lý tưởng là mẫu khí hoàn toàn tuân theo các định luật B-M và Gayluytxac: Các phần tử
khí lý tưởng không có kích thước khi đó V bình chứa là thể tích không gian hoạt động tự do.
Các phần tử khí lý tưởng không tương tác với nhau do vậy áp suất chất khí bằng áp suất va
chạm các phần tử với thành bình.
4.2. Thành lập phương trình trạng thái.
Xét quá trình biến đổi trạng thái của một khối lượng khí từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 thông
qua một trạng thái trung gian * như sơ đồ diễn biến sau:
Định luật Bôi Mariốt viết cho quá trình thứ nhất : P1V1=P*’V* rút ra P* P V 1 1 *
V
 (1)
Trạng thái 1
P1 V1 T1
Trạng thái *
P* V* T*
Trạng thái 2
P2 V2 T2
quá trình đẳng nhiệt quá trình đẳng tích
(hình 4.3)4
Định luật Gayluyxac viết cho quá trình thứ hai:
*
2 2
*
2 1
P P P
T T T
  rút ra 1 1 2
* *
2
PV P
V T T
 (2)
Thay V* = V2 trong biểu thức (2) và chuyển các đại lượng có cùng chỉ số sang cùng một vế, ta
được: 1 1 2 2
1 2
PV P V PV
const
T T T
   (4.6)
Kết luận: Đối với một khối lượng khí nhất định, tích thể tích và áp suất chia cho nhiệt độ tuyệt
đối đều bằng nhau và có trị số không đổi.
phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng.
1. Phương trình trạng thái đối với một kmol.
Gọi P,V,T là các thông số trạng thái của một kmol chất khí. áp dụng hệ thức PVT cho kmol khí
đó
   
P V P V P V 1 1 2 2 o o PV
.................
T T T T
1 2 o
Po Vo To là thông số trạng thái của một kmol khí ở điều kiện tiêu chuẩn:
P
o = 1,033 at = 1,013.105 N/m2 , Vo = 22,4m3 , T = 273o K.
Khi đó ta có:  R
T
PV
(4.7)
( đây là phương trình trạng thái viết cho một kmol khí lý tưởng)
Trị số của R là: K.kmol/J10.31,8
273
4,22.0`1.013,1
R 3
5

K .kmol/m.at084,0
273
4,22 .033,1
R  3 (4.8)
2. Phương trình trạng thái đối với một khối lượng khí bất kỳ.
Xét khối lượng m khí bất kỳ có các thông số trạng thái PVT. Trong khối lượng m đó áp suất và
nhiệt độ giống nhau đối với mọi kmol, do vậy T = T ; P = P và thể tích V


m
V .
Thay vào phương trình trạng thái 4.2.1 ta được: RV
T m
P


Viết lại thành PV m RT

 (4.9)
( đây là phương trình trạng thái khí lý tưởng)
3. áp dụng.
Phương trình trạng thái khí lý tưởng có phạm vi áp dụng rộng rãi hơn hệ thức PVT. Hệ
thức PVT chỉ được áp dụng đối với khối lượng khí nhất định có khối lượng khộng thay đổi, còn
phương trình trạng thái có thể áp dụng đối với khối lượng khí bất kì. Ta sẽ áp dụng điều đó vào
giải bài tập sau:
Bài tập 1: Một lượng khí ôxy m = 500gam, đựng trong bình có dung tích bằng 2lít, nhiệt độ 27O
C. Tính áp suất của khí còn lại trong bình khi một nửa lượng khí đó đã thoát ra khỏi bình và
nhiệt độ nâng lên 87O C. Cho biết Ôxy có  = 32kg/kmol.
Hướng dẫn.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi5
Trạng thái ban đầu: 1 1 1 1 1 1 1 P
1
m m
PV RT RT
 V
   (1)
Trạng thái sau: 2 2 2 2 2 2 2 2 1 P
2
2 1
m m m
P V RT RT RT
   V V
    (2)
Vì có V1 = V2 = V và m2 = m1 /2
Chia hai vế ta được
1
21
2
T2
TP
P  , trong đó
3
0,5.8,31.10 .300 6 2
1 3 19,5.10 /
32.2.10
P N m  

Thay vào trên
6
19,5.10 .360 6 2
2 11,7.10 /
600
P N m  
Bài tập 2: Quá trình biến đổi của 20gam khí Ôxy được mô tả qua đồ thị. Hãy áp dụng công thức
để xác định T3 ?
Hướng dẫn
 áp dụng phương trình trạng thái tại 2:
K190
10.20.084,0
32.2,0.5,0
mR
VP
VP m T RT O
3
22
22
2
22 





 áp dụng định luật Gayluyxac giữa hai trạng thái 2 và 3:
K3800
2,0
190.4
V
TV
T
V T
V T
O
2
23
3
3 3
2 2

hay có thể làm theo cách khác như sau:
 áp dụng phương trình trạng thái tại 2:
K190
10.20.084,0
32.2,0.5,0
mR
VP
VP m T RT O
3
22
22
2
22 





 áp dụng quá trình đẳng tích giữa hai trạng thái 2 và 1
K3800
5,0
190
P
TP
T
P T
P T
o
o
2
21
1
1 1
2 2

thuyết động học phân tử về chất khí
1. Cấu tạo phân tử các chất:
 Mọi chất đều được cấu tạo từ các hạt rất nhỏ bé dạng phân tử, nhỏ hơn là nguyên tử và nhỏ
hơn nữa là các hạt vi mô (như các hạt nuclon).
P
O 0,2
1
2 3
(at)
V(m3 )
0,5
(hình 4.4)
 
6
 Số lượng các phân tử là vô cùng lớn, các chất khác nhau thì thể tích riêng của các phân tử
cũng khác nhau, tuy nhiên trong một kmol phân tử của bất kì một chất nào cũng chứa một số lớn
các phân tử bằng nhau là NA =6,023.1026 phân tử (NA gọi là số Avôgađrô).
 Các phân tử tương tác lẫn nhau bằng các lực hút hay các lực đẩy. Ta có thể mô phỏng các
phân tử như các quả cầu nhỏ được liên kết với nhau bằng những lò xo đàn hồi, khi gần nhau thì
xuất hiện lực đẩy và xa nhau thì xuất hiện lực kéo lại.
 Khoảng cách tương đối giữa các phân tử sắp xếp theo thứ tự giảm dần theo chất khí, chất
lỏng và chất rắn.
 Bằng các thực nghiệm người ta đã xác nhận được các phân tử chất khí và lỏng luôn luôn
chuyển động hỗn loạn và không ngừng, còn các phân tử chất rắn thì dao động hỗn loạn xung
quanh vị trí cân bằng.
2. Nội dung thuyết động học phân tử:
Dựa trên cấu tạo cấu tạo phân tử của các chất và chuyển động hỗn loạn không ngừng của các
phân tử chất cùng với sự quan sát bằng thực nghiệm, người ta đưa ra thuyết phân tử khí lý tưởng
như sau:
 Các chất khí có cấu trúc gián đoạn gồm số lớn các phân tử.
 Các phân tử luôn ở trạng thái chuyển động hỗn loạn và không ngừng.
 Kích thước riêng của các phân tử rất nhỏ bé so với khoảng cách giữa chúng, coi phân tử nhmột chất điểm chuyển động.
 Các phân tử không tương tác lẫn nhau. Trừ lúc chúng va chạm vào nhau hay va chạm vào
thành bình là hoàn toàn đàn hồi tuân theo các định luật cơ học của Niutơn.
3. Phương trình thuyết động học phân tử:
Xét bình chứa khí có mật độ phân tử là no, các phân tử chuyển động hỗn loạn với vận tốc trung
bình là v, khi các phân tử đập vào thành bình thì gây nên áp suất đối với thành bình và đó cũng là
áp suất của chất khí bên trong bình chứa (hình 4.5).
Gọi F là lực tác dụng vuông góc vào diện tích  s của thành bình
Theo biểu thức định nghĩa về áp suất;
s
F
P


Trong đó F là cường độ lực tổng hợp của n các phân tử tác dụng vuông góc lên diện tích S
trong khoảng thời gian t. Ta có F = n.f ( f là cường độ lực do một phân tử tác dụng vào thành
bình)
Tính n ?


Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:

You must be registered for see links

 

Tags: bài toán chuyển pha trong nhiệt học