Đang tải... (xem toàn văn)
Vật lý phân tử và nhiệt học Giáo trình, bài giảng dành cho sinh viên Đại học, Cao đẳng là bộ tài liệu hay và rất hữu ích cho các bạn sinh viên và quý bạn đọc quan tâm. Đây là tài liệu hay trong Bộ tài liệu sưu tập gồm nhiều Bài tập THCS, THPT, luyện thi THPT Quốc gia, Giáo án, Luận văn, Khoá luận, Tiểu luận…và nhiều Giáo trình Đại học, cao đẳng của nhiều lĩnh vực: Toán, Lý, Hoá, Sinh…. Đây là nguồn tài liệu quý giá đầy đủ và rất cần thiết đối với các bạn sinh viên, học sinh, quý phụ huynh, quý đồng nghiệp và các giáo sinh tham khảo học tập. Xuất phát từ quá trình tìm tòi, trao đổi tài liệu, chúng tôi nhận thấy rằng để có được tài liệu mình cần và đủ là một điều không dễ, tốn nhiều thời gian, vì vậy, với mong muốn giúp bạn, giúp mình tôi tổng hợp và chuyển tải lên để quý vị tham khảo. Qua đây cũng gởi lời cảm ơn đến tác giả các bài viết liên quan đã tạo điều kiện cho chúng tôi có bộ sưu tập này. Trên tinh thần tôn trọng tác giả, chúng tôi vẫn giữ nguyên bản gốc. Trân trọng. ĐỊA CHỈ DANH MỤC TẠI LIỆU CẦN THAM KHẢO http:123doc.vntrangcanhan348169nguyenductrung.htm hoặc Đường dẫn: google > 123doc > Nguyễn Đức Trung > Tất cả (chọn mục Thành viên)
TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA CƠ BẢN NGUYỄN THỊ KIỀU THU BÀI GIẢNG VẬT LÝ PHÂN TỬ VÀ NHIỆT HỌC Quảng Ngãi, 2016 LỜI NÓI ĐẦU Học phần Vật lý phân tử nhiệt học gồm có hai phân môn: Vật lý phân tử (VLPT) nhiệt động lực học (NĐLH).Trong VLPT ngƣời ta vận dụng quan điểm vi mô phƣơng pháp thống kê, NĐLH ngƣời ta vận dụng quan điểm vĩ mô phƣơng pháp nhiệt động lực học để nghiên cứu Bài giảng gồm có chƣơng, hai phân môn VLPT NĐLH đƣợc trình bày xen kẽ; chƣơng 2, 3, 4, thuộc phân môn VLPT; chƣơng chƣơng thuộc phân môn NĐLH Ngoài chƣơng chƣơng mở đầu, cung cấp cho sinh viên khái niệm trƣớc nghiên cứu học phần Tập giảng đƣợc biên soạn dùng cho sinh viên sƣ phạm ngành Vật lý Trên sở tham khảo tài liệu, giáo trình kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy mình, ngƣời biên soạn xếp lại kiến thức cách có hệ thống, khoa học, chi tiết với mong muốn giúp cho sinh viên dễ dàng việc tiếp thu kiến thức Sau chƣơng có phần câu hỏi tập cho sinh viên tự học Mặc dù cố gắng nhƣng trình biên soạn thiếu sót Rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp thầy cô, đồng nghiệp bạn sinh viên để giảng hoàn thiện Mọi ý kiến đóng góp xin gửi địa email: ntkthu@pdu.edu.vn Xin chân thành cảm ơn! Ngƣời biên soạn CHƢƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Đối tƣợng phƣơng pháp nghiên cứu 1.1.1 Đối tƣợng nghiên cứu Vật lý phân tử nhiệt học nghiên cứu tƣợng liên quan đến trình xảy bên vật trình chuyển động nhiệt 1.1.2 Phƣơng pháp nghiên cứu Ngƣời ta sử dụng hai phƣơng pháp: Phƣơng pháp thống kê: phân tích trình xảy phân tử, nguyên tử riêng biệt quan điểm vi mô, dựa vào qui luật chung cho tập hợp phân tử, từ giải thích tính chất vật Phƣơng pháp nhiệt động lực học: nghiên cứu biến đổi lƣợng vật từ dạng sang dạng khác quan điểm vĩ mô Phƣơng pháp dựa hai nguyên lý nhiệt động học đƣợc rút từ thực nghiệm Từ đó, rút đƣợc tính chất vật điều kiện khác mà không cần ý đến cấu tạo phân tử Trong học phần dùng hai phƣơng pháp để nghiên cứu vấn đề chuyển động nhiệt 1.2 Hệ nhiệt động 1.2.1 Hệ nhiệt động Hệ nhiệt động tập hợp vật thể đƣợc bao bọc bề mặt chu vi Các vật thể cá thể có kích thƣớc vĩ mô, phân tử, nguyên tử có kích thƣớc vi mô Bề mặt chu vi thực, chẳng hạn nhƣ chu vi bình đựng khí, ảo nhƣ bề mặt bao quanh lƣợng chất lỏng chảy dọc theo ống mà ta tƣởng tƣợng Nhƣ vậy, khái niệm “hệ nhiệt động” khái niệm rộng tổng quát 1.2.2 Hệ Hệ phần hệ, với số cá thể tích bé Hệ xem nhƣ đƣợc cấu tạo nhiều hệ Hệ chịu ảnh hƣởng phần lại hệ lên nó, nên trạng thái hệ thay đổi 1.2.3 Khoảng Phần lại hệ đƣợc gọi khoảng 1.2.4 Hệ cô lập Hệ cô lập hệ hoàn toàn không tƣơng tác trao đổi lƣợng với khoảng 1.2.5 Hệ cô lập phần Hệ có trao đổi công mà không trao đổi nhiệt với khoảng đƣợc gọi hệ cô lập nhiệt, ngƣợc lại hệ có trao đổi nhiệt nhƣng không tra đổi công đƣợc gọi hệ cô lập công Những hệ nhƣ vậy, ta gọi hệ cô lập phần 1.3 Trạng thái hệ nhiệt động 1.3.1 Thông số trạng thái Trạng thái hệ nhiệt động đƣợc xác định đại lƣợng vật lý, đại lƣợng đƣợc gọi thông số trạng thái hệ Ví dụ: Đối với khối khí, trạng thái đƣợc xác định biết áp suất p, nhiệt độ T, thể tích khối khí V Vậy p, V, T thông số trạng thái khối khí Hệ trạng thái cân nhiệt động trạng thái mà nơi hệ có áp suất, nhiệt độ Về phƣơng diện vĩ mô, ta chia thông số trạng thái làm hai loại: a Thông số quảng tính: thông số mà độ lớn tỉ lệ với khối lƣợng hệ Ví dụ: thể tích V b Thông số cƣờng tính: thông số mà độ lớn không phụ thuộc vào khối lƣợng hệ Ví dụ: áp suất, nhiệt độ, mật độ… 1.3.2 Phƣơng trình trạng thái Các thông số trạng thái hệ không hoàn toàn độc lập với nhau, thông số hàm thông số lại Phƣơng trình trạng thái hệ thức liên hệ thông số trạng thái Đối với khối khí: F(p, V, T) = 1.4 Áp suất Áp suất đại lƣợng vật lý có giá trị áp lực tác dụng lên đơn vị diện tích bề mặt p= F S (1.1) Đơn vị: Trong hệ SI: áp suất có đơn vị N/m2, Pa Ngoài ra, áp suất có đơn vị: mmHg, atm, at…với 1at = 9,81.104N/m2 1atm = 1,013.105N/m2 1atm = 1,033at = 760mmHg 1at = 736mmHg Đối với khối khí đựng bình chứa áp suất khí áp lực tác dụng lên đơn vị diện tích thành bình Áp lực va chạm phân tử khí thành bình gây nên 1.5 Nhiệt độ 1.5.1 Nhiệt độ Nhiệt độ đại lƣợng đặc trƣng cho trạng thái vật Khái niệm trung tâm nhiệt động lực học nhiệt độ Khái niệm nhiệt độ đƣợc xuất phát từ cảm giác nóng, lạnh Khi ta sờ tay vào vật, ta biết vật nóng, vật lạnh, vật nóng vật kia…Tuy nhiên, cảm giác luôn Chẳng hạn ngày mùa đông giá lạnh, ta sờ tay vào sắt ta cảm thấy lạnh so với gỗ, hai có nhiệt độ Sự cảm nhận khác sắt dẫn nhiệt nhanh so với gỗ Do vậy, để đo nhiệt độ, ta sử dụng nhiệt kế Các tính chất vật thông thƣờng phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi chất vật thay đổi theo Ví dụ: độ dài, thể tích, điện trở, chiết suất… Nhiệt độ đại lƣợng có tính đặc biệt mà không đại lƣợng có đƣợc, nhiệt độ đại lƣợng cộng tính Nhiệt độ bảy đại lƣợng chuẩn hệ SI Nó tăng lên vô hạn nhƣng lại hạ thấp vô hạn Giới hạn nhiệt độ thấp đƣợc chọn không độ thang đo Kenvin nhiệt độ gọi không độ tuyệt đối (0 K) 1.5.2 Nguyên lý thứ không nhiệt động lực học Thực nghiệm cho thấy: ta cho hai vật đồng chất A B tiếp xúc nơi hoàn toàn cách nhiệt (hệ cô lập) nhiệt đƣợc truyền từ vật nóng sang vật lạnh, làm cho vật nóng nguội dần vật lạnh nóng dần Sau thời gian đủ lâu, nhiệt độ hai vật nhau, hệ đạt trạng thái cân nhiệt Nếu hệ cô lập gồm nhều vật nóng lạnh khác sau thời gian đủ lâu hệ đạt cân nhiệt Từ ta có kết luận: “Hai vật cân nhiệt với vật thứ ba chúng cân nhiệt với nhau” Kết luận đƣợc gọi nguyên lý thứ không nhiệt động lực học 1.5.3 Thang đo nhiệt độ Để đo đƣợc nhiệt độ ta phải chế tạo nhiệt kế theo thang đo khác Để xây dựng thang đo nhiệt giai, ta phải chọn điểm cố định (ví dụ nhƣ điểm đóng băng hay điểm sôi nƣớc) gọi điểm chuẩn Năm 1967, Hội nghị Quốc tế thỏa thuận chọn điểm ba (điểm tam trùng) nƣớc làm điểm chuẩn cố định gán cho giá trị 273 K Kí hiệu: T3 = 273 K nhiệt độ điểm tam trùng Ở nhiệt độ trạng thái cân nhiệt nƣớc, nƣớc đá nƣớc tồn Nhiệt giai Kenvin (K) đƣợc chọn làm nhiệt giai quốc tế sử dụng khoa học Ở nhiệt giai này, ngƣời ta quy định điểm tam trùng nƣớc 273 K K nhiệt độ không tuyệt đối Nhiệt giai Celsius (còn gọi nhiệt giai bách phân) lấy nhiệt độ nƣớc đá tan 00C điểm sôi nƣớc 1000C Chia khoảng cách nhiệt kế từ 00C đến 1000C thành 100 phần nhau, phần 10C Nhƣ vậy, TC nhiệt độ thang nhiệt giai Celsius T nhiệt độ thang nhiệt giai Kenvin thì: TC = T – 273,16 T = TC + 273 (1.2) Nhiệt giai Fahrenheit đƣợc dùng Anh, Mỹ vài nƣớc khác Trong thang đo Fahrenheit, ứng với nhiệt độ đá tan 320F nhiệt độ sôi nƣớc 2120F Vì vậy: TF = 32 (1.3) 1.5.4 Các loại nhiệt kế Không thể chế tạo nhiệt kế có khả đo nhiêt độ, nhiệt kế đo xác khoảng nhiệt độ Nhiệt kế khí: nhiệt kế khí Heli đƣợc dùng để đo nhiệt độ thấp (cỡ 1K), nhiệt độ cao (< 2000C) ngƣời ta dùng nhiệt kế khí O2, H2 Nhiệt kế điện trở: vật nhiệt kế dây dẫn điện thƣờng làm kim loại hay hợp kim, đại lƣợng nhiệt kế điện trở R dây, R tăng theo nhiệt độ đƣợc biểu thị hệ số nhiệt điện Nhiệt kế lỏng: vật nhiệt kế chất lỏng, đại lƣợng nhiệt kế thể tích khối chất lỏng Nhiệt kế cặp nhiệt điện: nhiệt kế dựa vào nguyên lý hoạt động cặp nhiệt điện Dòng nhiệt điện đặc trƣng nhiệt điện E đƣợc phát sinh có chênh lệch nhiệt độ hai mối hàn cặp nhiệt điện Loại nhiệt kế đƣợc dùng để đo nhiệt độ cao từ 3000C đến 20000C tùy theo kim loại làm cặp nhiệt điện Hỏa kế quang học: hoạt động dựa vào xạ vật đƣợc nung nóng dựa vào định luật xạ Hỏa kế quang học đo nhiệt độ từ 20000C đến 50000C CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 1 Nhiệt độ khái niệm vi mô hay vĩ mô? Phƣơng pháp thống kê khác phƣơng pháp nhiệt động lực nhƣ nào? Trong thực nghiệm nhà khoa học thu đƣợc nhiệt độ thấp 0,000000002 K, nhiệt độ không tuyệt đối chƣa thể thu đƣợc Vì nhà khoa học cố gắng để thu đƣợc nhiệt độ thấp nữa? Một nhiệt giai Z có điểm đóng băng điểm sôi nƣớc -140Z 650Z a Hỏi độ biến thiên nhiệt độ T nhiệt giai Z ứng với độ biến thiên 530F bao nhiêu? b Nhiệt độ nhiệt giai Fahrenheit ứng với nhiệt độ T = -980Z bao nhiêu? Để làm nhiệt kế thủy ngân có khoảng đo từ 00C đến 2000C, ngƣời ta cần dùng cần hình trụ dài, tích 24mm3 Tính: a Thể tích bầu nhiệt kế b Khối lƣợng thủy ngân Cho khối lƣợng riêng thủy ngân 13,6g/cm3, hệ số nở biểu kiến thủy ngân thủy tinh Một loại nhiệt giai Z mà điểm nƣớc đá tan -50Z điểm nƣớc sôi 1050Z điều kiện chuẩn Hỏi: a Khi nhiệt giai Celsius biến thiên 600C nhiệt giai Z biến thiên bao nhiêu? b Nhiệt độ nhiệt giai Celsius 600C nhiệt độ nhiệt giai Z bao nhiêu? c Tại nhiệt độ số hai nhiệt giai nhau? CHƢƠNG CẤU TẠO NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ CỦA VẬT CHẤT 2.1 Thuyết nguyên tử, phân tử cấu tạo chất 2.1.1 Thuyết nguyên tử phân tử a Thuyết nguyên tử Lơxip (Leucippe) Đêmôcơrit (Desmocrite) hai triết gia ngƣời Hy Lạp đƣợc coi ngƣời nêu lên thuyết nguyên tử Thuyết nguyên tử cho rằng: vật chất bị chia nhỏ tới giới hạn định, giới hạn đƣợc gọi nguyên tử (atomos: tiếng Hy Lạp có nghĩa không phân chia đƣợc) Thuyết nguyên tử thời sơ sài nhƣng lại đoán đắn cấu tạo gián đoạn vật chất Tuy nhiên, thuyết bị Nhà thờ chống đối ngăn cấm thời gian dài Đến cuối kỉ XVII, thuyết nguyên tử đƣợc phục hồi Bôilơ (Robert Boyle, 1627-1691) – nhà vật lí hóa học ngƣời Ailen đề thuyết hạt: “nguyên tố hóa học bao gồm hạt vô nhỏ, có hình dạng kích thƣớc định chuyển động, hạt nguyên tố có khả kết hợp với thành hạt lớn vật thể phức tạp (ngày gọi hợp chất).” Từ sở thuyết hạt, năm 1808 Đantơn (John Dalton,1766-1844) – nhà vật lí hóa học ngƣời Anh đƣa thuyết nguyên tử có tính khoa học hơn: “Mọi vật chất đƣợc tạo thành từ nguyên tử, tất nguyên tử nguyên tố giống có tính chất đặc trƣng nguyên tố đó.” b Thuyết phân tử Trên sở thuyết nguyên tử Đantơn, năm 1811 Avôgađrô (1776 – 1856) – nhà hóa học vật lí ngƣời Ý đƣa thuyết phân tử: “Hạt nhỏ chất có khả tồn độc lập, cấu tạo từ hai nguyên tử.” Cần ý Avôgađrô đƣa thuyết phân tử ngƣời ta chƣa phát khí trơ (mỗi phân tử khí trơ có nguyên tử) Trong thuyết nguyên tử mình, Avôgađrô nêu rằng: “trong thể tích chất khí khác nhau, nhiệt độ áp suất, có số phân tử nhƣ nhau” Năm 1860, Hội nghị Hóa học quốc tế lần thứ nhất, học thuyết nguyên tử Đantơn đƣợc chấp nhận, đƣa định nghĩa phân tử: “Phân tử phần tử nhỏ chất có khả tồn độc lập.” Tuy nhiên, thuyết nguyên tử phân tử lúc giả thuyết khoa học, chƣa có chứng tồn nguyên tử nhƣ phân tử.Đến kỉ XX, khoa học lần nhìn thấy nguyên tử kính hiển vi ion Sau lần lƣợt loại kính hiển vi Tunen, kính hiển vi lực nguyên tử… đời, với độ phân giải cao, giúp ta thấy rõ nguyên tử 2.1.2 Cấu tạo bên nguyên tử Nguyên tử đƣợc cấu tạo từ hạt bản: - Electron (kí hiệu e): có khối lƣợng me = 9,1.10-31kg, mang điện tích âm –e = 1,6.10-19C - Proton (kí hiệu p): có khối lƣợng mp = 1,672.10-27kg, mang điện tích dƣơng +e = 1,6.10-19C - Nơtron (kí hiệu n): có khối lƣợng mn = 1,675.10-27kg, không mang điện tích Năm 1911, nhà vật lí ngƣời Anh Rơzơpho (Ernest Rutherford, 1871-1937) làm thí nghiệm phát hạt nhân nguyên tử (có kích thƣớc khoảng 10-13m) đề xuất mô hình nguyên tử có hạt nhân Mô hình đƣợc hoàn thiện ngày Tóm lại, nguyên tử gồm: - Hạt nhân tích điện dƣơng Hạt nhân đƣợc cấu tạo hai loại hạt: hạt proton tích điện dƣơng hạt nơtron không tích điện, hai loại hạt có tên chung nucleon, chúng liên kết với loại lực đặc biệt gọi lực hạt nhân Điện tích dƣơng hạt nhân tổng điện tích dƣơng proton - Electron: mang điện tích âm, chuyển động xung quanh hạt nhân tạo thành đám mây điện tử 10 8.4.2 Hiện tƣợng mao dẫn a Hiện tƣợng Lấy ống thủy tinh có bán kính r bé nhúng vào chậu chất lỏng, ta thấy mực chất lỏng ống mực chất lỏng chậu chênh lệch Nếu chất lỏng làm ƣớt thủy tinh mực chất lỏng ống dâng cao so với mực chất lỏng bên Còn chất lỏng không làm ƣớt thủy tinh mực chất lỏng ống hạ thấp bên Các ống thủy tinh đƣợc gọi ống mao dẫn Hiện tƣợng mực chất lỏng dâng lên hay hạ xuống ống mao dẫn gọi tƣợng mao dẫn b.Giải thích Nguyên nhân gây tƣợng mao dẫn tƣợng dính ƣớt không dính ƣớt, làm cho mặt chất lỏng ống mao dẫn bị cong gây áp suất phụ dƣới mặt cong - Nếu áp suất phụ âm (mặt lõm xuống) cột chất lỏng ống - Nếu áp suất phụ dƣơng (mặt lồi lên) cột chất lỏng bị hạ xuống dâng lên c Công thức tính độ chênh lệch hai mực chất lỏng Lấy ống mao dẫn có tiết diện tròn bán kính r, nhúng ống vào chất lỏng có suất căng mặt C R θ r h θ A Hình 8.13 113 B Trƣờng hợp chất lỏng làm ƣớt thành ống Lúc mặt chất lỏng ống mặt cong lõm có dạng chỏm cầu Gọi C tâm hình cầu bán kính R Mặt cong lõm gây áp suất phụ p hƣớng lên kéo mực chất lỏng dâng lên cao đoạn h so với mực chất lỏng bên (hình 8.13) Xét hai điểm A B mặt ngang, A nằm ống, B nằm mặt thoáng bên ống A nằm ống nên vừa chịu áp suất khí vừa chịu áp suất phụ gây mặt cong áp suất thủy tĩnh gây cột chất lỏng chiều cao h pA = p0 gh- R B nằm mặt thoáng bên ống nên chịu áp suất khí quyển: pB = p0 Vì A B nằm mặt ngang nên pA = pB p0 h= Suy ra: Ta có: R = gh- r cos gR p0 gR (8.9) ; góc bờ Thay biểu thức R vào (8.9), ta đƣợc: h = cos gr (8.10) Công thức (8.10) gọi công thức Juyranh Từ công thức thấy độ chênh lệch h lớn tiết diện ống (r) bé Trong trƣờng hợp chất lỏng làm ƣớt hoàn toàn thành bình thành: h= gr = (8.10) trở (8.11) Trƣờng hợp chất lỏng không làm ƣớt thành ống Tính toán tƣơng tự ta thấy với trƣờng hợp h đƣợc tính theo công thức (8.10) Tuy nhiên lúc mặt cong mặt lồi, góc bờ góc tù nên cos h có giá trị âm, nghĩa mực chất lỏng ống thấp xuống 114 < 0, Khi chất lỏng không làm ƣớt hoàn toàn thành bình = h=- gr thì: (8.12) Hiện tƣợng mao dẫn thƣờng gặp đời sống nhƣ dầu hỏa thẩm thấu vào bấc đèn trì lửa, giấy thấm hút mực, nƣớc theo kẽ đất ngấm lên mặt đất làm cho đất ẩm… 8.5 Tổng quan biến đổi trạng thái 8.5.1 Khái niệm pha Pha phần chất đồng tính mặt vật lí đƣợc cách biệt khỏi phần khác hệ mặt phân cách cho tách riêng phần khỏi hệ phƣơng pháp học [1] Đặc điểm để nhận biết pha hệ chúng đƣợc phân cách rõ rệ mặt phân cách Thí dụ 1: Trong bình kín đựng nƣớc, bên nƣớc có nƣớc không khí Ta có hệ hai pha: pha nƣớc pha không khí, bình không khí hệ hai pha với pha nƣớc Hơi khí luôn chung pha chúng trộn lẫn vào tạo thành hỗn hợp đồng tính Nếu ta bỏ vào bình cục nƣớc đá ta có hệ ba pha Thí dụ 2: - Không khí có sƣơng mù hệ hai pha: pha khí không khí, pha lỏng giọt nƣớc nhỏ - Hỗn hợp nƣớc dầu hỏa hệ hai pha: pha nƣớc pha dầu pha nƣớc pha dầu đƣợc ngăn cách rõ rệt - Dung dịch nƣớc rƣợu etylic hệ pha Nếu chất tồn cấu hình tinh thể khác trạng thái rắn ta có hệ nhiều pha, cấu hình tinh thể ứng với pha Ví dụ: sắt trạng thái rắn hệ nhiều pha, tồn bốn cấu hình tinh thể khác nhau: sắt , sắt , sắt , sắt 115 Trạng thái vật chất ba dạng: rắn, lỏng khí nhƣng pha nhiều 8.5.2 Sự chuyển pha Trong điều kiện nhiệt độ áp suất thích hợp hệ chuyển từ pha sang pha kia, ngƣời ta gọi chuyển pha Trong trình chuyển pha nhiệt độ áp suất pha nhƣ nhau, số đại lƣợng nhiệt động lực khác biến đổi Ngƣời ta chia làm hai loại: chuyển pha loại chuyển pha loại hai a Sự chuyển pha loại Đặc trƣng chung chuyển pha loại là: - Có thu nhiệt tỏa nhiệt, gọi nhiệt chuyển pha - Thể tích riêng thay đổi đột ngột - Từ hai đặc điểm dẫn đến entrôpi, mật độ khối lƣợng lƣợng hệ biến đổi nhảy vọt (gián đoạn) Các trình chuyển pha loại một: nóng chảy – đông đặc, hóa – ngƣng tụ, thăng hoa – ngƣng hoa… b Sự chuyển pha loại hai Đặc trƣng chung chuyển pha loại hai là: - Không có nhiệt chuyển pha: hệ không trao đổi nhiệt với bên - Thể tích riêng thay đổi liên tục - Một số đại lƣợng vật lý hệ nhƣ nhiệt dung riêng, hệ số nở đẳng áp, hệ số nén đẳng nhiệt biến đổi đột ngột Thí dụ: - Sự chuyển pha từ trạng thái sắt từ (sắt ) sang sắt thuận từ (sắt ) điểm Curie (7700C) - Sự chuyển pha chất dẫn điện từ trạng thái dẫn điện thƣờng sang trạng thái siêu dẫn nhiệt độ cực thấp nhƣ chì (Pb) 7,26K, nhôm (Al) ở1,14K 116 8.6 Sự nóng chảy đông đặc 8.6.1 Khái niệm - Sự nóng chảy trình vật chất chuyển từ pha rắn sang pha lỏng Ví dụ: nƣớc đá 00C (rắn) chuyển sang nƣớc 00C (lỏng) - Sự đông đặc trình vật chất chuyển từ pha lỏng sang pha rắn 8.6.2 Đặc điểm - Quá trình nóng chảy đông đặc diễn có trao đổi nhiệt hệ với khoảng - Ở giá trị áp suất ngoài, chất rắn kết tinh có nhiệt độ nóng chảy va nhiệt độ đông đặc xác định, nhiệt độ đƣợc không đổi suốt trình nóng chảy đông đặc - Trong điều kiện nhƣ nhau, chất rắn kết tinh nóng chảy đông đặc nhiệt độ - Khi vật rắn nóng chảy đông đặc hoàn toàn nhiệt độ vật lại tiếp tục thay đổi - Sự biến đổi thể tích riêng: thông thƣờng nóng chảy thể tích riêng vật rắn tăng, ngƣợc lại đông đặc thể tích riêng giảm Tuy có số trƣờng hợp thể tích riêng giảm nóng chảy tăng đông đặc, ngƣời ta cho số chất loại có pha rắn “rỗng” pha lỏng - Ảnh hƣởng áp suất ngoài: áp suất tăng, nhiệt độ nóng chảy tăng, điều đƣợc giải thích điều kiện áp suất lớn, nở thể tích vật nóng chảy bị cản trở nhiều làm mạng tinh thể khó bị phá vỡ 8.6.3 Giải thích tƣơng đông đặc nóng chảy Quá trình nóng chảy Vật rắn kết tinh nhận nhiệt động chuyển động nhiệt tăng lên làm cho hạt cấu tạo nên vật cách xa làm vật dãn nở Lúc phần động tăng thêm dùng để thắng lực tƣơng tác hạt (lực hút) làm cho thể tƣơng tác 117 hạt tăng Tiếp tục nung nóng, đến nhiệt độ vật đạt t = tnc động chuyển động nhiệt hạt đủ lớn, biên độ dao động nhiệt lớn làm liên kết phân tử bị phá vỡ, cấu trúc mạng tinh thể bị phá vỡ dần, trình nóng chảy bắt đầu, tnc gọi nhiệt độ nóng chảy Tiếp tục nung nóng tƣợng nóng chảy tiếp diễn toàn mạng tinh thể bị phá vỡ hết chất chuyển hoàn toàn sang trạng thái lỏng Lúc trình nóng chảy kết thúc Trong trình nóng chảy, nhiệt độ hệ đƣợc giữ không đổi, phần nội tăng thêm nhờ lƣợng cung cấp từ dƣới dạng truyền nhiệt tăng hạt Quá trình đông đặc Là trình ngƣợc lại với trình nóng chảy, trình giải thích tƣơng tự nhƣng theo chiều ngƣợc lại Ở điều kiện, nhiệt độ đông đặc tđđ hệ nhiệt độ nóng chảy tnc Tuy thực tế cho thấy trình đông đặc thƣờng xảy chậm trễ đó, tức nhiệt độ hệ giảm đến giá trị t = tđđ mà chất lỏng chƣa đông đặc, tƣợng đƣợc gọi “sự chậm đông” Để loại bỏ tƣợng cần thêm vào chất lỏng vài mẫu tinh thể nhỏ 8.7 Sự hóa ngƣng tụ 8.7.1 Khái niệm - Sự hóa trình vật chất chuyển từ pha lỏng sang pha (khí) Sự hóa thƣờng diễn hai dạng: bay sôi Bay hóa xảy mặt thoáng chất lỏng nhiệt độ + Sôi trình hóa mạnh tạo thành bọt (khí) lòng chất lỏng, bọt chuyển động phía mặt thoáng thoát khỏi khối chất lỏng qua mặt thoáng 118 - Sự ngƣng tụ trình ngƣợc lại với trình bay hơi, vật chất chuyển từ pha sang pha lỏng, mặt khối chất lỏng ngƣng tụ trở lại thành lỏng Hơi ngƣng tụ tỏa nhiệt lƣợng nhiệt lƣợng nhận vào trình bay 8.7.2 Đặc điểm - Khi nhiệt độ tăng, tốc độ bay tăng - Tốc độ bay phụ thuộc vào điều kiện ngoài: gió, diện tích bề mặt… - Nhiệt hóa riêng phụ thuộc vào nhiệt độ khối chất lỏng áp suất tác dụng lên bề mặt chất lỏng 8.7.3 Giải thích Sự bay Ở nhiệt độ định T, phân tử chất lỏng có động khác Ở lớp mặt khối chất lỏng có phân tử có động đủ lớn (lớn động trung bình) nên thắng đƣợc lực hút phân tử chất lỏng gần chúng thoát khối lỏng, tạo thành Sự ngƣng tụ Khi tiếp xúc với vật có nhiệt độ thấp hơn, động chuyển động nhiệt giảm, lực tƣơng tác phân tử liên kết chúng lại thành thể lỏng 8.7.4 Hơi bão hòa Khi chất lỏng bay bình kín có nhiệt độ T, áp suất pha tăng đến đạt pbh không tăng nữa, pbh gọi áp suất bão hòa 8.7.5 Sự sôi Để chất lỏng sôi lòng chất lỏng phải tồn bọt Điều kiện tồn bọt áp suất khí bọt phải cân với áp suất lỏng bên Xét bọt độ sâu h mặt thoáng Áp suất bên bọt: pt = pbh p’, 119 với pbh áp suất bão hòa chất lỏng, p’ áp suất khí khác hòa tan chất lỏng (nếu có) Áp suất bên gồm có: áp suất khí quyển, áp suất thủy tĩnh gây cột chất lỏng chiều cao h áp suất phụ gây mặt cầu bọt pn = p0 + gh Điều kiện tồn bọt hơi: p0 + gh Khi sôi bọt lớn nên R R = pbh p’ bé, mặt khác h không lớn nên áp suất thủy tĩnh gh nhỏ so với áp suất khí p0, p’ không lớn Vì vậy, với độ sai lệch không lớn ta viết gọn biểu thức nhƣ sau: pbh = p0 (8.13) Khi thỏa điều kiện (8.13) bọt không bị bóp vỡ long chất lỏng, lên mặt thoáng nhờ lực đẩy Acsimet vỡ tung đó, tống bên ngoài, hình thành sôi 8.8 Sự thăng hoa ngƣng hoa Các trình hóa ngƣng tụ diễn thể rắn thể gọi thăng hoa ngƣng hoa Sự thăng hoa gây phân tử mặt khối chất rắn có động đủ lớn thắng đƣợc lực kéo lại (vƣợt đƣợc hố năng) bứt khỏi vật rắn tạo thành Ví dụ: áp suất thƣờng, băng phiến, I ốt tinh thể dễ dàng chuyển thành Nhiệt thăng hoa nhiệt lƣợng mà vật rắn cần hấp thụ để thăng hoa Để đảm bảo định luật bảo toàn chuyển hóa lƣợng nhiệt thăng hoa tổng nhiệt nóng chảy nhiệt hóa Sự ngƣng hoa trình phân tử quay trở lại thể rắn trình diến xung quanh vật rắn kín 120 BÀI TẬP CHƢƠNG Tính công cần thiết để thổi bong bóng xà phòng đạt đến bán kính 7cm Biết hệ số suất căng mặt nƣớc xà phòng 4.10-2N/m, áp suất khí 105N/m2 Một khung làm đoạn dây dẫn kim loại cứng Đoạn dây AB linh động, dài 15cm Khung đƣợc A phủ màng xà phòng có suất căng mặt 0,045 N/m Tính công cần thực để kéo AB đoạn B 4cm Để xác định suất căng mặt rƣợu, ngƣời ta làm nhƣ sau: cho rƣợu bình chảy nhỏ giọt theo ống nhỏ thẳng đứng có đƣờng kính 2mm Thời gian giọt rơi sau giọt 2s Ngƣời ta thấy sau thời gian 780s có 10g rƣợu đƣợc chảy Tính suất căng mặt rƣợu Coi chỗ thắt giọt rƣợu bắt đầu rơi có đƣờng kính đƣờng kính ống nhỏ giọt Hai ống mao dẫn lần lƣợt có đƣờng kính 0,5mm 1mm nhúng vào bình đựng chất lỏng Tính hiệu mực chất lỏng hai ống mao dẫn nếu: a Chất lỏng nƣớc b Chất lỏng thủy ngân Cho biết suất căng mặt nƣớc thủy ngân lần lƣợt 0,073N/m 0,5N/m; khối lƣợng riêng nƣớc thủy ngân lần lƣợt 1000kg/m3 13600kg/m3 Có hai thủy tinh phẳng đặt song song cách khoảng 0,2mm nhúng thẳng đứng vào chất lỏng Xác định khối lƣợng riêng chất lỏng biết chiều cao khối chất lỏng hai thủy tinh dâng lên đoạn 3,24cm, suất căng mặt chất lỏng 0,027N/m Xem chất lỏng làm ƣớt hoàn toàn thành ống Cần phải dùng lực để nâng vòng nhôm đặt nằm ngang nƣớc có đƣờng kính 50mm, đƣờng kính 52mm, chiều cao 121 100mm khỏi mặt nƣớc? Biết khối lƣợng riêng nhôm 2,8g/cm3, suất căng mặt nƣớc 0,073N/m Có phần trăm lực cần tìm dùng để thắng sức căng mặt nƣớc? Hiệu mực nƣớc hai nhành ống mao dẫn chữ U có đƣờng kính lần lƣợt 1mm 2mm 1,4cm Xác định suất căng mặt nƣớc biết nƣớc làm dính ƣớt hoàn toàn thành ống Hai giọt thủy ngân có bán kính giọt 1mm nhập lại thành giọt lớn Hỏi nhiệt độ thủy ngân tăng lên bao nhiêu? Cho biết thủy ngân có suất căng mặt 0,5N/m, khối lƣợng riêng 13,6.103kg/m3, nhiệt dung riêng 0,138 J kgđộ 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Trọng Tuân, Nhiệt học, Nhà xuất Đại học Sƣ phạm (2005) David Halliday – Robert Resnick – Jearl Walker, Cơ sở vật lí tập ba, Nhà xuất giáo dục (2002) Nguyễn Xuân Chi – Đặng Quang Khang, Vật lí đại cương tập 1, Nhà xuất Đại học Bách Khoa Hà Nội (2000) Nguyễn Huy Sinh, Giáo trình nhiệt học, Nhà xuất giáo dục (2006) Vũ Thanh Khiết, Giáo trình nhiệt động lực học vật lý thống kê, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội (2008) 123 MỤC LỤC Trang bìa LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG MỞ ĐẦU 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Đối tƣợng phƣơng pháp nghiên cứu Hệ nhiệt động Trạng thái hệ nhiệt động Áp suất Nhiệt độ CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG CHƢƠNG CẤU TẠO NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ CỦA VẬT CHẤT 2.1 Thuyết nguyên tử, phân tử cấu tạo chất 2.2 Chuyển động nhiệt Chuyển động Brown 11 2.3 Lực tƣơng tác nguyên tử phân tử 13 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 17 CHƢƠNG THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ 18 3.1 Khí lí tƣởng 18 3.2 Phƣơng trình thuyết động học chất khí 23 3.3 Động trung bình chuyển động tịnh tiến phân tử 26 3.4 Định luật phân bố phân tử theo tốc độ Maxwell 27 3.5 Nguyên lý phân bố lƣợng theo bậc tự 30 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 32 CHƢƠNG CÁC HIỆN TƢỢNG ĐỘNG HỌC TRONG CHẤT KHÍ 35 4.1 Quãng đƣờng tự trung bình 35 4.2 Các tƣợng truyền 37 124 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 41 CHƢƠNG NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 42 5.1 Quá trình chuẩn cân 42 5.2 Nội hệ nhiệt động Công nhiệt 43 5.3 Biểu thức tính công nhiệt động lực học 46 5.4 Biểu diễn công giản đồ (p, V) 47 5.5 Nhiệt lƣợng 48 5.6 Nguyên lý thứ nhiệt động lực học 51 5.7 Áp dụng nguyên lý thứ cho số trình cụ thể 52 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 57 CHƢƠNG NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 60 6.1 Những hạn chế nguyên lý thứ nhiệt động lực học 60 6.2 Quá trình thuận nghịch không thuận nghịch 61 6.3 Động nhiệt máy làm lạnh 65 6.4 Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học 68 6.5 Chu trình Canô thuận nghịch Định lý Cacnô 72 6.6 Entrôpi 78 6.7 Ý nghĩa thống kê entrôpi 83 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 87 CHƢƠNG KHÍ THỰC 90 7.1 Đƣờng đẳng nhiệt thực nghiệm khí thực 90 7.2 Mẫu học khí thực 93 7.3 Phƣơng trình Vandecvan 94 7.4 Đƣờng đẳng nhiệt Vandecvan 97 125 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 101 CHƢƠNG CHẤT LỎNG VÀ SỰ CHUYỂN PHA 102 8.1 Những tính chất cấu trúc chung chất lỏng 102 8.2 Hiện tƣợng căng mặt chất lỏng 103 8.3 Hiện tƣợng dính ƣớt không dính ƣớt 109 8.4 Hiện tƣợng mao dẫn 113 8.5 Tổng quan biến đổi trạng thái 115 8.6 Sự nóng chảy đông đặc 117 8.7 Sự hóa ngƣng tụ 118 8.8 Sự thăng hoa ngƣng hoa 120 BÀI TẬP CHƢƠNG 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 123 126 127 ...LỜI NÓI ĐẦU Học phần Vật lý phân tử nhiệt học gồm có hai phân môn: Vật lý phân tử (VLPT) nhiệt động lực học (NĐLH).Trong VLPT ngƣời ta vận dụng quan điểm... cung cấp cho sinh viên khái niệm trƣớc nghiên cứu học phần Tập giảng đƣợc biên soạn dùng cho sinh viên sƣ phạm ngành Vật lý Trên sở tham khảo tài liệu, giáo trình kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy... Áp lực va chạm phân tử khí thành bình gây nên 1.5 Nhiệt độ 1.5.1 Nhiệt độ Nhiệt độ đại lƣợng đặc trƣng cho trạng thái vật Khái niệm trung tâm nhiệt động lực học nhiệt độ Khái niệm nhiệt độ đƣợc