Bài giảng Chương 7: Nhiệt động lực học

1.  Đối&tượng&nghiên&cứu:&Chuyển&động&nhiệt&<br /> Mở'đầu'<br /> <br /> !  “Chuyển&động&nhiệt”:&chuyển&động&hỗn&loạn&của&các&<br /> phân&tử/nguyên&tử&(không&có&phương&ưu&tiên)&<br /> <br /> 2.  Phương&pháp&nghiên&cứu&<br /> <br /> Chương'7'<br /> <br /> Nhiệt'động'lực'học'<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br /> 3.  Nội&dung&chính&<br /> <br /> !  Phương&pháp&thống&kê:&Dựa&vào&các&quy&luật&thống&<br /> kê&để&tìm&ra&quy&luật&chung&cho&cả&hệ&và&giải&thích&<br /> các&tính&chất&của&hệ.&<br /> !  Phương&pháp&nhiệt&động&lực:&Nghiên&cứu&quá&trình&<br /> trao&đổi&và&chuyển&hóa&năng&lượng&dựa&vào&kết&quả&<br /> thực&nghiệm&từ&sự&quan&sát&các&quá&trình&tự&nhiên&từ&<br /> đó&tổng&quát&hóa&thành&các&nguyên&lý&nhiệt&động&lực&<br /> học.&<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br /> 1.  Hệ&nhiệt&động:&Tập&hợp&của&các&phân&tử/&nguyên&<br /> tử&chuyển&động&trong&một&không&gian&nhất&định&<br /> =>&môi&trường&xung&quanh&là&phần&còn&lại&của&vũ&<br /> trụ&<br /> <br /> Mở'đầu'<br /> <br /> Khái'niệm'cơ'bản'<br /> <br /> !  Thuyết&động&học&phân&tử&<br /> !  Các&quy&luật&phân&bố&phân&tử&<br /> !  Các&nguyên&lý&của&nhiệt&động&lực&học&và&ứng&dụng&<br /> <br /> !  VD:&tập&hợp&các&phân&tử&khí&trong&bình&bín,&tập&hợp&<br /> các&phân&tử&nước&trong&phích,…&<br /> !  Phân&loại:&<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br />   Hệ&cô&lập:&hệ&nhiệt&động&không&trao&đổi&cả&chất&và&năng&<br /> lượng&với&môi&trường&xung&quanh&<br />   Hệ&kín:&hệ&nhiệt&động&không&trao&đổi&chất&mà&chỉ&trao&đổi&<br /> năng&lượng&với&môi&trường&xung&quanh&<br />   Hệ&mở:&hệ&nhiệt&động&trao&đổi&cả&chất&và&năng&lượng&<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br /> 2.  Hệ&khí&lý&tưởng&<br /> <br /> Khái'niệm'cơ'bản'<br /> <br /> !  Kích&thước&(đường&kính)&của&các&phân&tử&vô&cùng&<br /> nhỏ,&mỗi&phân&tử&được&coi&như&một&chất&điểm.&<br /> !  Các&phân&tử&khí&luôn&chuyển&động&tịnh&tiến&hỗn&loạn&<br /> theo&mọi&phương&không&có&phương&ưu&tiên.&<br /> !  Các&phân&tử&khí&không&tương&tác&với&nhau,&trừ&khi&va&<br /> chạm.&<br /> !  Va&chạm&giữa&các&phân&tử&là&hoàn&toàn&đàn&hồi.&<br /> <br /> 3.  Trạng&thái&vi&mô&và&trạng&thái&vĩ&mô&<br /> 4.  Thông&số&trạng&thái:&tập&hợp&tất&cả&các&đại&lượng&<br /> đặc&trưng&cho&các&tính&chất&của&hệ&(các&đại&lượng&<br /> p,&V,&T,&m&hoặc&n)&<br /> 7/11/15'<br /> <br /> 5.  Đại&lượng&vi&mô:&là&những&đại&lượng&đặc&trưng&cho&<br /> tính&chất&riêng&của&từng&phần&tử&trong&hệ:&Tọa&độ&&&&<br /> (x,&y,&x),&vận&tốc&(v),&động&năng&(Wđ)…&<br /> 6.  Đại&lượng&vĩ&mô:&là&những&đại&lượng&đặc&trưng&cho&<br /> tính&chất&chung&của&toàn&hệ&nhiệt&động:&Kích&<br /> thước&không&gian&(V),&độ&nóng&lạnh&(T),&khối&<br /> lượng&(m),&lượng&chất&(n)&hay&tác&dụng&lên&thành&<br /> bình&(p)…&<br /> 7.  Phương&trình&trạng&thái:&phương&trình&mô&tả&mối&<br /> liên&hệ&giữa&các&thông&số&trạng&thái&của&một&hệ&<br /> nhiệt&động&<br /> 8.  Ví&dụ:&phương&trình& f (p,V , T ) = 0<br /> 7/11/15'<br /> Khái'niệm'cơ'bản'<br /> <br /> 1.  Nhiệt&độ&<br /> <br /> Nhiệt'độ'<br /> <br /> !  Trong&vật&lý,&nhiệt&độ&là&đại&lượng&đặc&trưng&cho&mức&<br /> độ&chuyển&động&hỗn&loạn&của&các&phần&tử&của&một&hệ&<br /> nhiệt&động&<br /> !  Nhiệt&độ&của&một&hệ&khí&lý&tưởng&tỉ&lệ&thuận&với&động&<br /> năng&trung&bình&của&các&phân&tử&khí&<br /> <br /> Một'số'thông'số'trạng'thái'vĩ'mô'<br /> <br /> 3<br /> k BT<br /> 2<br /> <br /> !  kB&=&1.38×10Ü23&J/K&là&hằng&số&Boltzmann&<br /> !  T&(K)&là&nhiệt&độ&tuyệt&đối&của&hệ&khí&<br /> Wd =<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br /> 2.  Thang&đo&nhiệt&độ&và&đơn&vị&<br /> <br /> Nhiệt'độ'<br /> <br /> Điểm sôi của<br /> nước<br /> <br /> Điểm đóng<br /> băng của nước<br /> Điểm đóng băng<br /> của CO2 khô<br /> <br /> !  Xét&một&hình&hộp&kín&chứa&khí&với&mật&độ&n,&không&<br /> đặt&trong&bất&kỳ&một&trường&lực&nào.&Các&phân&tử&khí&<br /> luôn&chuyển&động&hỗn&loạn&theo&mọi&phương&trong&<br /> hộp.&<br /> <br /> Áp'suất'của'hệ'khí'lý'tưởng'<br /> <br /> TC = T − 273.15<br /> 9<br /> TC + 32 ! F<br /> 5<br /> 9<br /> T F = T − 459.67 ! F<br /> 5<br /> TF =<br /> <br /> Điểm đóng<br /> băng của Nitơ<br /> Độ không<br /> tuyệt đối<br /> 7/11/15'<br /> <br /> !  Khi&một&phân&tử&lao&vào&thành&hộp,&nó&bị&nẩy&trở&lại&<br /> và&tác&dụng&một&lực&nhỏ&lên&thành&hộp.&Nhưng&trên&<br /> thực&tế&tại&mọi&thời&điểm&luôn&có&rất&nhiều&phân&tử&<br /> lao&vào&thành&hộp&kết&quả&tạo&ra&một&lực&khá&lớn&<br /> <br /> Áp'suất'của'hệ'khí'lý'tưởng'<br /> <br /> Tổng&hợp&lực&<br /> <br /> P =<br /> <br /> F<br /> S<br /> <br /> Diện&tích&thành&bình&S&<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br /> !  Giả&thiết&mọi&phân&tử&trong&hộp&chuyển&động&với&<br /> cùng&vận&tốc&v,&thì&số&phân&tử&có&thể&va&chạm&với&<br /> thành&hộp&là&<br /> & ΔN = n 0 ⋅ V = n 0 ΔSvΔt<br /> & n0 là mật độ phân tử<br /> vΔt<br /> ΔS<br /> !  Trên&thực&tế&các&phân&tử&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&<br /> chuyển&động&hỗn&loạn&không&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&<br /> ngừng&theo&6&hướng&khác&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&<br /> nhau&nên&chỉ&có&1/6&của&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&<br /> ΔN&chuyển&động&về&phía&ΔS.&Vì&thế&trên&thực&tế&số&<br /> phân&tử&va&chạm&với&ΔS&là&<br /> <br /> Áp'suất'của'hệ'khí'lý'tưởng'<br /> <br /> Δn =<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br /> 1<br /> 1<br /> ΔN = n 0 ΔSvΔt<br /> 6<br /> 6<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br /> !  Theo&định&lý&2&về&động&lượng&<br /> <br /> !  Vậy&áp&suất&của&khối&khí&tác&dụng&lên&thành&hộp&là&<br /> <br /> Áp'suất'của'hệ'khí'lý'tưởng'<br /> <br /> Áp'suất'của'hệ'khí'lý'tưởng'<br /> <br /> !<br /> !<br /> ! !<br /> 2mv<br /> #<br /> Δp = (− mv ) − mv = f Δt ⇒ f # = −<br /> Δt<br /> <br /> !  Theo&định&luật&3&Newton&<br /> !<br /> !<br /> 2mv<br /> f = −f#⇒ f =<br /> Δt<br /> <br /> !  Vậy&lực&tổng&hợp&của&Δn&phân&tử&là&<br /> F = Δn ⋅ f =<br /> <br /> !<br /> − mv<br /> !<br /> mv<br /> <br /> !<br /> f<br /> <br /> F<br /> 1<br /> = n 0mv 2<br /> ΔS 3<br /> <br /> !  Trên&thực&tế&các&phân&tử&có&vận&tốc&khác&nhau&nên&<br /> trong&một&hệ&khí&ta&phải&thay&vận&tốc&bình&phương&<br /> bằng&vận&tốc&bình&phương&trung&bình&của&các&phân&<br /> tử&<br /> p=<br /> <br /> v2 ⇒ v2 =<br /> <br /> 1<br /> 2mv<br /> n 0 ΔSvΔt ⋅<br /> 6<br /> Δt<br /> <br /> p=<br /> <br /> 1<br /> F = n 0mΔSv 2<br /> 3<br /> <br /> 2<br /> 2<br /> 2<br /> v1 + v 2 + ! + v Δn<br /> Δn<br /> <br /> Phương trình cơ bản của<br /> thuyết động học phân tử<br /> <br /> 1<br /> n 0m v 2<br /> 3<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br /> 1.  “Nội&năng&=&Tổng&năng&lượng&chứa&trong&hệ&khí”&<br /> 2.  Nội&năng&=&Động&năng&+&Thế&năng&tương&tác&giữa&<br /> các&phân&tử&<br /> 3.  Đối&với&khí&lý&tưởng&<br /> <br /> !  Áp&suất&của&hỗn&hợp&khí,&định&luật&Dalton:&<br /> Với&một&hỗn&hợp&gồm&m&loại&khí&với&mật&độ&riêng&<br /> tương&ứng&là&n1,&n2,&…,&nM;&khi&đó&<br /> <br /> Áp'suất'của'hệ'khí'lý'tưởng'<br /> <br /> Nội'năng'của'khí'lý'tưởng'<br /> <br /> n 0 = n1 + n 2 + !n i + ! + n M<br /> <br /> 4.  Đinh&luật&phân&bố&đều&năng&lượng&theo&các&bậc&tự&<br /> do&“động&năng&trung&bình&của&một&phân&tử&được&<br /> phân&bố&đều&theo&các&bậc&tự&do;&mỗi&bậc&tự&do&<br /> mang&một&năng&lượng&bằng”&<br /> U =W<br /> <br /> Mật độ chất khí thứ i trong hệ<br /> p=<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br /> 1<br /> 1<br /> n 0m v 2 = (n1 + n 2 + ! + n M )m v 2<br /> 3<br /> 3<br /> p = p1 + p 2 + ! + p M<br /> <br /> d ,tt<br /> <br /> +W<br /> <br /> d ,q<br /> <br /> 1<br /> k BT<br /> 2<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br /> kB = 1.38×10–23 J/K là hằng số Boltzmann<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br /> 5.  Bậc&tự&do&<br /> <br /> Nội'năng'của'khí'lý'tưởng'<br /> <br /> !  Bậc&tự&do&i:&số&tọa&độ&cần&thiết&để&xác&định&tọa&độ&của&<br /> một&phân&tử&<br /> !  Đối&với&phân&tử&đơn&nguyên&tử,&bậc&tự&do&i&=&3&<br /> z<br /> <br /> U =<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br /> 5.  Bậc&tự&do&<br /> <br /> Nội'năng'của'khí'lý'tưởng'<br /> <br /> !  Bậc&tự&do&i:&số&tọa&độ&cần&thiết&để&xác&định&tọa&độ&của&<br /> một&phân&tử&<br /> !  Đối&với&phân&tử&gồm&có&nhiều&hơn&2&nguyên&tử,&ngoài&<br /> 3&tọa&độ&x,&y,&z&ta&cần&thêm&3&tọa&độ&khác&φ,&θ,&ψ&&để&<br /> xác&định&vị&trí&của&phân&tử&đối&với&chuyển&động&quay,&<br /> do&đó&bậc&tự&do&i&=&6&<br /> z<br /> <br /> Nội năng của phân tử<br /> U =<br /> <br /> x<br /> <br /> Nội năng của phân tử<br /> <br /> 3<br /> k BT<br /> 2<br /> <br /> y<br /> <br /> x<br /> <br /> !  Bậc&tự&do&i:&số&tọa&độ&cần&thiết&để&xác&định&tọa&độ&của&<br /> một&phân&tử&<br /> !  Đối&với&phân&tử&gồm&có&2&nguyên&tử,&ngoài&3&tọa&độ&x,&<br /> y,&z&ta&cần&thêm&2&tọa&độ&khác&φ,&θ&để&xác&định&vị&trí&<br /> của&phân&tử&đối&với&chuyển&động&quay,&do&đó&bậc&tự&<br /> do&i&=&5&<br /> z<br /> <br /> Nội năng của phân tử<br /> U =<br /> <br /> 5.  Bậc&tự&do&<br /> <br /> Nội'năng'của'khí'lý'tưởng'<br /> <br /> 6<br /> k BT<br /> 2<br /> <br /> y<br /> <br /> x<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br /> 6.  Vậy&đối&với&một&hệ&khí&ở&nhiệt&độ&T&<br /> <br /> Nội'năng'của'khí'lý'tưởng'<br /> <br /> U =N<br /> <br /> !  Trong&đó&<br /> <br /> i<br /> i<br /> i<br /> k B T = nN A k B T = n RT<br /> 2<br /> 2<br /> 2<br /> <br />   N&là&tổng&số&phân&tử,&m&là&khối&lượng&của&hệ&<br />   M&là&khối&lượng&nguyên&tử,&NA&là&số&Avogadro&<br />   kB&là&hằng&số&Boltzmann,&R&là&hằng&số&khí&<br /> <br /> 7.  Động&năng&trung&bình&của&một&phân&tử&<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br /> i<br /> k BT<br /> 2<br /> <br /> “Động&năng&trung&bình&chỉ&phụ&thuộc&vào&nhiệt&độ”&<br /> wd =<br /> <br /> y<br /> <br /> 5<br /> k BT<br /> 2<br /> <br /> 7/11/15'<br /> <br />