Đang tải... (xem toàn văn)
KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỌC SINH MÔN HÓA HỌC HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẮC NGHIỆM KHÁCH QUAN
Luận văn tốt nghiệp GVHD : ThS - GVC Trần Minh Qù MỤC LỤC Lời cảm tạ Error! Bookmark not defined Muïc luïc .1 Phần mở đầu Lý chọn đề tài : 2 Giả thuyết đề tài : 3 Phương pháp nghiên cứu đề tài Tiến trình thực đề taøi : .3 Phần nội dung Chương : Đại cương lý thuyết chuyển pha .5 1.1 Khái niệm pha : 1.2 Khái niệm chuyển pha : 1.3 Đặc trưng chung cho trình chuyển pha : 1.4 Những pha chuyển pha quan trọng vật lý học 1.5 Các phương pháp nghiên cứu chuyển pha .7 1.6 Sự cân pha 10 1.7 Đồ thị pha 14 Chương : Các trình chuyển pha 17 2.1 Chuyeån pha loại 17 2.1.1 n nhiệt chuyển pha : 17 2.1.2 Phương trình chuyển pha loại 19 2.1.2.1 Thiết lập phương trình Clapeyron - Clausius 20 2.1.2.2 Ý nghóa ứng dụng phương trình 22 2.1.3 Một số trình chuyển pha loại 23 2.1.3.1 Chuyển hóa đa hình : 23 2.1.3.2 Sự nóng chảy hóa rắn chất nguyên chất : 25 2.1.3.4 Sự hóa thăng hoa chất nguyên chất : 28 2.2 Chuyển pha loại hai 28 2.2.1 Thiết lập phương trình Erenfest 30 2.2.2 Lý thuyết Landau chuyển pha loại hai 31 2.2.3 Những bất thường đến gần điểm chuyển pha 34 Phần kết luận 39 Phuï luïc 41 Tài liệu tham khảo 47 Sinh viên thực : Quách Khả Quang Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : ThS - GVC Trần Minh Qù Phần MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI : Vật lý thống kê nghiên cứu chủ yếu tính chất hệ cân xảy hệ Các trình cân trình chậm xảy hệ không chịu tác động từ bên Mặt khác hệ trạng thái cân có “thăng giáng” Nếu thăng giáng không nhỏ phát triển toàn hệ trạng thái cân hệ không ổn định, hệ xảy trình không cân trạng thái cân thiết lập Có nghóa hệ có chuyển pha Các công trình thực nghiệm phát nhiều pha vật đáp ứng tốt cho yêu cầu vật lý vật liệu giai đoạn phát triển cách mạng kỹ thuật Đồng thời phương pháp nghiên cứu đại toán học vật lý áp dụng vào nghiên cứu chuyển pha mở nhiều triển vọng Mặt khác việc nghiên cứu lý thuyết chuyển pha giúp cho ta có kiến thức vững chắc, nhìn tổng quan trình biến đổi vật chất Từ vận dụng để giải thích số tượng tự nhiên đặc biệt sinh viên ngành Sư Phạm Vật Lý Đề tài tảng giúp ta hoàn thành tốt công việc giảng dạy phổ thông sau Chính lẽ mà chọn đề tài “ Tìm hiểu lý thuyết chuyển pha” để nghiên cứu Với đề tài sâu nghiên cứu hai loại chuyển pha chuyển pha loại chuyển pha loại hai Cụ thể thiết lập phương trình tổng quát chúng vận dụng phương trình để giải thích số tượng biến đổi trạng thái vật chất Nếu điều kiện cho phép, nghiên cứu tiếp loại chuyển pha bậc cao (chuyển pha loại ba, chuyển pha loại bốn…) vấn đề có liên quan để xây dựng thành lý thuyết hoàn chỉnh, thống Sinh viên thực : Quách Khả Quang Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : ThS - GVC Trần Minh Qù GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI : Chúng ta giới hạn xét thay đổi trạng thái hay gọi chuyển pha đơn giản nguyên chất, cân chất lỏng chất khí, chất lỏng chất rắn, chất rắn chất khí Mỗi pha chất nghiên cứu nhất, nghóa đại lượng có giá trị điểm pha nghiên cứu Chúng ta dùng kí hiệu (h) để tất đại lượng pha hơi, kí hiệu (l) để đại lượng pha lỏng kí hiệu (r) để đại lượng pha rắn PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Đề tài nghiên cứu dựa sở phân tích tài liệu có liên quan, từ nhận xét đánh giá dựa hướng dẫn giáo viên hướng dẫn Đồng thời kết hợp với phép tính vi phân, tích phân… phép tính toán khác có liên quan để làm sáng tỏ lập luận luận văn TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI : Đề tài thực khoảng thời gian sáu tháng : Đầu tháng 10 nhận đề tài : Từ tháng 10 đến cuối tháng 11 nghiên cứu đề tài tìm tài liệu có liên quan để xây dựng đề cương tổng quát Từ tháng 11 đến tháng 01 nộp thảo cho thầy hướng dẫn Từ tháng 11 đến khoảng tháng hoàn chỉnh đề tài Từ tháng đến cuối tháng chuẩn bị báo cáo bảo vệ luận văn Sinh viên thực : Quách Khả Quang Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : ThS - GVC Trần Minh Qù Phần NỘI DUNG Hiện tượng chuyển pha biết cách 100 năm vào khoảng năm 70 kỹ 19, bắt đầu công trình Van Der Waals Sau công trình Orstien Zernike, Landau (1973)… Sau thời gian dài chuyển pha ý Vì người ta cho làm làm (chuyển pha loại ) chưa làm bế tắc Ví dụ : chuyển pha siêu dẫn-kim loại thường phát vào năm 1914 đến năm 1956 giải thích Tuy nhiên năm gần chuyển pha lại ý nhiều Số công trình tăng lên nhanh phát nhiều pha mới, đóng góp quan trọng cho ngành vật lý vật liệu khoa học kỹ thuật mở nhiều triển vọng Chẳng hạn công trình thay đổi trạng thái chất rắn cải thiện đáng kể nhờ tạo áp suất cao Thí dụ năm 1956 tổng hợp kim cương nhân tạo áp suất cỡ 15.000 atm nhiệt độ 2000 0C Hay công trình phát trạng thái chất (nhiều biến thể nước đá, dạng thù hình khác phốt pho)… Vì lẽ lý thuyết chuyển pha tách khỏi vật lý thống kê, trở thành ngành độc lập nhiều người nghiên cứu Sinh viên thực : Quách Khả Quang Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : ThS - GVC Trần Minh Qù CHƯƠNG : ĐẠI CƯƠNG VỀ LÝ THUYẾT CHUYỂN PHA 1.1 KHÁI NIỆM PHA : Theo quan điểm nhiệt động lực học, “pha” tập hợp phần tử đồng có tính chất vật lý hóa học Hệ có pha gọi hệ đồng tính hay hệ “một pha” Tính chất vó mô hệ đồng tính điểm giống Nếu hệ có hai pha trở lên gọi hệ dị tính hay hệ “nhiều pha” Các pha khác phân biệt với theo tính chất vật lý Đôi người ta phân biệt học, pha có tồn biên phân chia Những vật chất khác có hệ tạo thành pha gọi thành phần hệ Thông thường người ta nghiên cứu chuyển pha hệ thành phần hệ hai thành phần “Phần“ hiểu theo nghóa rộng nhiều trường hợp chúng không phân cách với không gian Hai pha tồn không gian hệ Nếu sâu vào nghiên cứu cấu trúc vi mô hệ ta thấy pha vật chất cấu trúc vi mô hệ có mối liên hệ với Vì cấu trúc hạt cấu thành hệ hoàn toàn tương ứng với tính chất vật lý xác định Do theo quan điểm vi mô, pha hiểu cấu trúc trật tự tương ứng với tính chất vật lý xác định 1.2 KHÁI NIỆM CHUYỂN PHA : Sự chuyển pha chuyển từ pha sang pha khác hệ (vật ) Chuyển pha trình không thuận nghịch trạng thái đầu trạng thái cuối cân hay không cân Do để khảo sát chuyển pha, nói chung phải áp dụng qui luật tượng không cân Tuy nhiên có kết thu từ qui luật cân Qui luật cân áp dụng thời gian hồi phục nhỏ so với thời gian đặc trưng cho chuyển pha Trạng thái gọi trạng thái “giả cân Sinh viên thực : Quách Khả Quang Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : ThS - GVC Trần Minh Qù bằng” Quá trình chuyển từ trạng thái giả cân sang trạng thái giả cân khác gọi trình “giả thuận nghịch” Để nghiên cứu qui luật chung chuyển pha cần đưa vào đại lượng hàm cho phép mô tả pha riêng biệt trình chuyển pha Có thể chọn hàm nhiệt động U(S,V ), entanpi W(S,P), lượng tự F(T,V), hàm nhiệt động G(T,P) Tùy theo trạng thái hệ xét mô tả cặp biến số mà ta sử dụng hàm cho thích hợp Thế nhiệt động G(T,P) hay dùng 1.3 ĐẶC TRƯNG CHUNG CHO CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA : Các kết nghiên cứu lí thuyết thực nghiệm năm gần cho thấy trình chuyển pha có đặc điểm quan trọng không phụ thuộc vào chế vi mô chúng Đó : + Đặc điểm không giải tích thay đổi tính chất vật lý gần điểm chuyển pha (thay đổi đột biến, gián đoạn không xác định) + Tính phổ biến qui luật quan hệ đại lượng cân động học dù chất hệ khác ( tức quan hệ đại lượng có dạng giống hệ khác nhau) Do có đặc điểm chung nên tượng chuyển pha đối tượng nhà nghiên cứu nhiều lónh vực khác : Vật lý chất rắn, chất lỏng, chất khí, hạt nhân, hạt bản, vật lý sinh học năm gần nhà toán học xã hội học quan tâm nghiên cứu chuyển pha 1.4 NHỮNG PHA VÀ CHUYỂN PHA QUAN TRỌNG TRONG VẬT LÝ HỌC Khi nghiên cứu đến chuyển pha ta cần lưu ý đến số pha chuyển pha quan trọng sau : + Chuyển pha với thay đổi thể : hóa hơi, ngưng tụ, kết tinh, + Dạng biến thể kết tinh : Chuyển pha liên hệ với thay đổi cấu trúc mạng tinh thể chất Chuyển pha xảy chất rắn Sinh viên thực : Quách Khả Quang Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : ThS - GVC Trần Minh Qù + Chuyển pha sắt điện : Nhóm vật chất mà điện trường ngoài, khoảng nhiệt độ định tồn trật tự mômen lưỡng cực điện nguyên tố ( độ điện hóa tự phát ) gọi chất sắt điện Khi nhiệt độ đủ lớn, chuyển động nhiệt làm phân cực điện tự phát, xảy chuyển pha, tạo thành pha thuận điện + Chuyển pha sắt từ : Nhóm vật chất đặc trưng độ từ hóa từ trường ngoài, gọi chất sắt từ Chuyển pha từ sắt từ sang thuận từ ứng với phá vỡ trật tự mômen từ nguyên tử + Chuyển pha sắt điện từ : Nhóm vật chất mà khoảng nhiệt độ định, quan sát độ điện hóa tự phát độ từ hóa tự phát gọi chất điện từ Nói chung có hai điểm ( nhiệt độ) chuyển pha, phân cực điện phân cực từ không độc lập mà phụ thuộc lẫn + Pha siêu dẫn, siêu chảy : Khi hạ nhiệt độ xuống tới nhiệt độ định điện trở số kim loại đột ngột không, nhiệt độ kim loại dẫn điện điện trở, xuất pha siêu dẫn Khi hạ nhiệt độ Heli lỏng (He 4) tới 2,190K, Heli tách thành hai pha Heli I Heli II Đối với Heli II, quan sát thấy tượng siêu chảy (không có độ nhớt) 1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHUYỂN PHA 1.5.1 Phương pháp trường tự hợp : Phương pháp “trường tự hợp” phương pháp tương tác phân tử hệ thay tương tác trung bình tác dụng lên phân tử Tương tác trung bình mặt xác định trạng thái hệ, mặt khác tác dụng lên phân tử hệ nên xác định trạng thái hệ, thế tương tác đại lượng xác định cách tự hợp phương pháp trung bình gọi phương pháp trường tự hợp Ví dụ công trình nghiên cứu khí thực Van Der Waals năm 1872, ông dùng phương pháp trường trung bình, thay tương tác phân tử trung bình tác dụng lên phân tử Điều đáng ý phương pháp trường trung bình người ta coi tương tác phân tử tương tác khoảng cách lớn, có nghóa bỏ qua tương quan phân tử hay bỏ qua thăng giáng Vì kết lý thuyết trường trung bình không Sinh viên thực : Quách Khả Quang Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : ThS - GVC Trần Minh Qù gần điểm tới hạn Người ta chứng minh lý thuyết trường trung bình thỏa mãn điều kiện sau : ρ T − TC r k = ( ) f(ε) tiến tới ε tiến tới 0; η < f(ε) tiến tới vô ε tiến tới 0; η = Sinh viên thực : Quách Khả Quang Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : ThS - GVC Trần Minh Qù f(ε) có nhiều dạng khác : f(ε) hàm giải tích ε, có gián đoạn bước nhảy hữu hạn, tỷ lệ với lnf (ε ) , tỷ lệ với const − ε ηj : ln ∂ jf (ε )/∂ε j η j = j + lim ε →0 lnε (5) với j bậc đạo hàm f theo ε Để áp dụng phương pháp đồng dạng người ta đưa giả thuyết gọi giả thuyết đồng dạng, coi hàm nhiệt động hàm đồng nhất, thí dụ hàm nhiệt động Gibbs hệ từ vieát : G(ε( a Hλ b ) = λG(εH) (6) với a b thông số đồng dạng, hệ số đồng dạng đóng vai trò thông số tùy chọn Lấy đạo hàm hai vế theo cường độ từ trường H : ∂G(ελa Hλ b ) ∂G (ε , H ) = λ λ ∂ (Hλ b ) ∂H (7) b mômen từ xác định công thức M = −(∂G/∂H) H →0 (8) biểu thức (7) viết lại λb −1 M(ελa Hλ b ) = M (ε , H ) choïn (9) λ = (1 / ε )1 / a cho H = 0, : M(ε ,0) = M(1,0)(1/ε) (b − 1)/a (10) So sánh công thức (3) công thức (10) số tới hạn (đối với mômen từ M số tới hạn thường ký hiệu chữ β = (1 − b)/a Sinh viên thực : Quách Khả Quang β thay chữ η ) : (11) Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD : ThS - GVC Trần Minh Qù Chỉ số tới hạn không phụ thuộc vào hệ mà phụ thuộc vào đại lượng vật lý Giữa số tới hạn ứng với đại lượng vật lý khác có quan hệ ràng buộc : chẳng hạn số tới hạn ứng với nhiệt dung ứng với mômen từ β , ứng với độ từ cảm γ có quan hệ sau : α +2 β +γ =2 α, (12) biểu thức (12) gọi bất đẳng thức Rushbrooke Các số tới hạn dễ dàng xác định thực nghiệm, từ khẳng định tính đắn lý thuyết 1.6 SỰ CÂN BẰNG PHA 1.6.1 Điều kiện cân hai pha Như ta biết điều kiện để hệ trạng thái cân nhiệt độ áp suất hệ phải phần hệ Trong trường hợp hệ có hai pha tồn trạng thái cân với nhiệt độ áp suất hai pha phải nhau, ta có : T1 = T2 ; P1 = P2 (13) số phía pha Ngoài điều kiện Để dẫn xuất phát từ điều kiện cực tiểu hàm nhiệt động Gibbs G, hệ cân dG = Xét hệ gồm hai pha với số hạt pha N N2 : N = N1 + N2 = const dG = +VdP - SdT+ ∑ μ i dN i = i =1 Vì áp suất nhiệt độ không đổi không đổi (dN (dp = dT=0), mặt khác số hạt = dN1 + dN2 = suy dN1=-dN2), có: dG= μ1dN1 + μ dN = Sinh viên thực : Quách Khả Quang Trang 10 ... nguyên chất, cân chất lỏng chất khí, chất lỏng chất rắn, chất rắn chất khí Mỗi pha chất nghiên cứu nhất, nghóa đại lượng có giá trị điểm pha nghiên cứu Chúng ta dùng kí hiệu (h) để tất đại lượng. .. Vật lý chất rắn, chất lỏng, chất khí, hạt nhân, hạt bản, vật lý sinh học năm gần nhà toán học xã hội học quan tâm nghiên cứu chuyển pha 1.4 NHỮNG PHA VÀ CHUYỂN PHA QUAN TRỌNG TRONG VẬT LÝ HỌC Khi... Đối với Heli II, quan sát thấy tượng siêu chảy (không có độ nhớt) 1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHUYỂN PHA 1.5.1 Phương pháp trường tự hợp : Phương pháp “trường tự hợp” phương pháp tương tác phân
