intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Bài giảng Nhiệt học: Phương trình trạng thái khí lý tưởng - TS. Nguyễn Kim Quang

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:21

Thêm vào BST
Báo xấu
4
lượt xem 2
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Nhiệt học - Phương trình trạng thái khí lý tưởng, cung cấp những kiến thức như: Khái niệm Khí lý tưởng; Biến trạng thái và phương trình trạng thái; Nhiệt độ; Thang nhiệt độ; Giãn nở nhiệt; Áp suất chất khí; Các định luật khí lý tưởng; Phương trình trạng thái khí lý tưởng;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Nhiệt học: Phương trình trạng thái khí lý tưởng - TS. Nguyễn Kim Quang

  1. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang Giới thiệu Nhiệt động lực học (Thermodynamics) nghiên cứu hiện tượng nhiệt xảy ra bên trong hệ, các mối liên hệ giữa các biến trạng thái và các quá trình biến đổi năng lượng. Hai phương pháp nghiên cứu cơ bản: - Nhiệt động lực học cổ điển (Classical Thermodynamics): Nghiên cứu vĩ mô sự biến đổi trạng thái và biến hóa năng lượng để rút ra các định luật về nhiệt. - Nhiệt động lực học thống kê (Statistical Thermodynamics): Nghiên cứu vận động vi mô (phân tử) bên trong vật chất bằng phương pháp cơ học thống kê. 1
  2. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang 1. Khái niệm Khí lý tưởng (Ideal gas): là chất khí chứa một số rất lớn phân tử chuyển động ngẫu nhiên không tương tác nhau (trừ khi va chạm). Khái niệm khí lý tưởng rất hữu ích để nghiên cứu vì nó tuân theo định luật khí lý tưởng, có phương trình trạng thái đơn giản và có thể giải thích bởi cơ học thống kê. Một mol khí lý tưởng có NA phân tử, ở điều kiện tiêu chuẩn (T= 00C, p= 1atm) chiếm thể tích 22,4 lít. NA  6.022. 1023 phân tử/mol Các khí thực nhẹ, ở nhiệt độ không quá thấp và áp suất không quá cao so với điều kiện tiêu chuẩn được xem gần đúng là khí lý tưởng. 2
  3. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang 2. Biến trạng thái và phương trình trạng thái Biến trạng thái (State variable): - Mỗi trạng thái của một chất khí được xác định bởi một tập hợp tính chất. Mỗi tính chất được đặc trưng bởi một đại lượng vật lý. Đại lượng này có trị số thay đổi theo trạng thái của chất khí được gọi là biến trạng thái. - Các biến trạng thái thường dùng: Áp suất (p), Nhiệt độ (T), Thể tích (V), Lượng chất (amount of substance ), Mật độ phân tử (n0). Phương trình trạng thái (Equation of state): là hệ thức giữa các biến trạng thái, biểu diễn cách thức biến đổi trạng thái của hệ. f (p,V,T) = 0 3
  4. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang 3. Nhiệt độ Nhiệt độ là đại lượng biểu thị độ nóng của một vật khi tiếp xúc. Cảm giác nóng hay lạnh là chủ quan, do đó cần xây dựng thang nhiệt độ và nhiệt kế để đo nhiệt độ thực của một vật. Nhiệt độ một vật (hệ) liên quan mức độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử bên trong hệ nên nhiệt độ phụ thuộc vào động năng của các phân tử trong hệ. Định luật thứ 0 nhiệt động lực học: Nếu hai hệ đang cân bằng nhiệt (cùng nhiệt độ) với hệ thứ ba, thì chúng cũng đang cân bằng nhiệt với nhau. 4
  5. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang 4. Thang nhiệt độ Thang nhiệt độ: Nhiệt độ Celsius (oC, Bách phân), nhiệt độ Fahrenheit (oF), nhiệt độ Kelvin (K, Tuyệt đối)... x -273,15 oC 0 oC  (100 độ chia)  100 oC 0K 273,15 K  (100 độ chia)  373,15 K -459,67 oF 32 oF  (180 độ chia)  212 oF TK= TC+ 273,15 100 TC = TF − 32o 180 180 TF = TC + 32o 100 5
  6. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang Lưu ý: 6
  7. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang 5. Giãn nở nhiệt - Sự giãn dài (Linear expansion) L = L0T  L = L0(1+ T)  (K-1): Hệ số giãn dài - Sự giãn khối (Volume expansion) V = V0T  V = V0(1+ T) Ứng dụng bộ ngắt nhiệt  (K-1): Hệ số giãn khối (Rờ le nhiệt)   = 3 7
  8. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang 6. Áp suất chất khí Áp suất chất khí là lực do chất khí tác dụng lên một đơn vị diện tích của thành bình theo phương vuông góc. F p= (N/m2) ∆S (F: lực tác dụng trên diện tích S) Đơn vị SI: N/m2 = Pa (Pascal) Đơn vị khác: 1 bar = 100 kPa  0,99 atm Standard atmosphere: 1 atm  1,013.105 N/m2  760 mmHg (torr) Technical atmosphere: 1 at  9,81.104 N/m2  736 mmHg 8
  9. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang 7. Nhiệt Nhiệt hay nhiệt lượng (Heat, Quantity of heat) Khi hai vật nóng và lạnh tiếp xúc nhau, vật lạnh dần ấm lên và vật nóng dần nguội xuống đến khi 2 vật cân bằng nhiệt là quá trình truyền năng lượng từ vật nóng sang vật lạnh. Năng lượng đó gọi là nhiệt lượng. Nhiệt độ là biến trạng thái và nhiệt lượng là hàm quá trình. Đơn vị SI của nhiệt lượng: joule (J) Đơn vị khác: calorie (cal). 1 cal  4,18 J . Đơn vị của Anh: 1 Btu = 778 ft.lb = 252 cal = 1055 J 9
  10. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang 8. Nhiệt dung Nhiệt dung riêng c (Specific heat) của một chất là đại lượng có trị số bằng nhiệt lượng cần thiết truyền cho một đơn vị khối lượng của chất đó để nhiệt độ tăng thêm 1K. dQ là nhiệt lượng làm cho một chất khối lượng m tăng nhiệt độ dT: 1 dQ c= (J/kg.K) m dT  dQ = mc. dT Nếu c=const  Q = mc. T Nhiệt dung mol C (Molar specific heat): nhiệt dung ứng với 1 mol. C =c (J/mol.K) (: kg/mol) Nhiệt lượng hệ nhận vào: m dQ = C. dT = nC. dT hay Q = nC. T μ 10
  11. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang 9. Các định luật khí lý tưởng Định luật Boyle (Mariotte) T = const => PV = const => PV = P0V0 Định luật Charles (Gay-Lussac) 𝑉 𝑉0 𝑇 𝐶 + 273,15 P = const => =  𝑉 = 𝑉0 = 𝑉0 1 + 𝛼𝑇 𝐶 𝑇 𝑇0 273,15 𝑝 𝑝0 1 V = const => =  𝑝 = 𝑝0 1 + 𝛼𝑇 𝐶 (𝛼 = ) 𝑇 𝑇0 273,15 Định luật Dalton về áp suất riêng phần của hỗn hợp khí n p: áp suất của hỗn hợp khí p = p1 + p2 + ⋯ + pn = ෍ pi pi: áp suất riêng phần khí i i=1 11
  12. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang 10. Phương trình trạng thái khí lý tưởng Định luật khí lý tưởng Clapeyron Thực nghiệm chứng tỏ áp suất khí p: + Tỉ lệ với số mol n nT + Tỉ tệ với nhiệt độ tuyệt đối T p=R V + Tỉ lệ nghịch với thể tích V M N N  pV = RT = RT = NkT  p = kT = n0 kT μ NA V M: Khối lượng của chất khí (kg); : Khối lượng mol của chất khí (kg/mol); n=M/: Số mol khí; N: Số phân tử khí; n0: mật độ phân tử (m3); R  8,31 (J/mol.K) : Hằng số khí lý tưởng; NA  6,02.1023 (mol1) : Hằng số Avogadro; k= R/NA  1,38.1023 (J/K) : Hằng số Boltzmann. 12
  13. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang 11. Mô hình động học phân tử về khí lý tưởng Các giả định (assumptions) về khí lý tưởng: 1. Chất khí chứa một số rất lớn các phân tử như nhau. 2. Phân tử như chất điểm có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách trung bình giữa chúng. 3. Các phân tử chuyển động ngẫu nhiên và tuân theo định luật cơ học Newton. 4. Các phân tử không tương tác (hấp dẫn, điện từ) nhau, khi va chạm nhau và với thành bình là va chạm tuyệt đối đàn hồi. 13
  14. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang 12. Thiết lập phương trình cơ bản khí lý tưởng Xét khí lý tưởng gồm N phân tử đơn nguyên tử khối lượng m trong bình lập phương cạnh L. Xét phân tử i va chạm thành trái: vix m 𝑣 𝑖 - Độ biến thiên động lượng của phân L tử i sau 1 lần chạm thành trái: vix px =mvix –(–mvix)= 2mvix - Thời gian giữa 2 lần chạm thành trái: t = 2L/vix L x - Lực trung bình Fi do phân tử i tác động lên ∆𝑝 𝑥 𝑚𝑣 𝑖𝑥 2 𝐹𝑖 = = thành trái: ∆𝑡 𝐿 𝑁 - Lực trung bình F do toàn bộ N phân tử tác 𝑚 động lên thành trái: 𝐹 = ෍ 𝐹𝑖 = 𝑁𝑣 𝑥 2 𝐿 𝑖=1 14
  15. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang 12. Thiết lập phương trình cơ bản khí lý tưởng - Do sự bình đẳng của các phương 𝑣2 → 𝑣 2 = 𝑣 2 + 𝑣 2 + 𝑣 2 = 3𝑣 2 𝑥 𝑦 𝑧 𝑥 ⇒ 𝑣2 = 𝑥 3 𝑁𝑚𝑣 2 → 𝐹= 3𝐿  Áp suất p của chất khí: 𝐹 𝑁𝑚𝑣 2 𝑁𝑚𝑣 2 2 𝑚𝑣 2 2 𝑝= = 3 = 3𝑉 = 3 𝑛0 2  𝑝 = 𝑛0 ഥ 𝑘 𝑤 𝑆 3𝐿 3 - So sánh với PT trạng thái khí lý tưởng p = n0 kT 3  Động năng tịnh tiến trung bình của phân tử: wk = kT ഥ 2 15
  16. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang 13. Phương trình cơ bản của khí thực Chất khí trong thực tế không thỏa mãn đầy đủ điều kiện của khí lý tưởng (phân tử có kích thước và có tương tác hấp dẫn và điện từ giữa các phân tử) được gọi là khí thực. Phương trình trạng thái khí lý tưởng không thể áp dụng cho các khí ở áp suất cao hay nhiệt độ thấp. Phương trình Van der Waals 𝑎𝑛2 𝑝+ 2 𝑉 − 𝑛𝑏 = 𝑛𝑅𝑇 𝑉 a , b: hằng số phụ thuộc loại khí. a phụ thuộc lực tương tác hấp dẫn của các phân tử. Ứng với 1 mol khí thực: b đặc trưng thể tích của 1 mol 𝑎 phân tử. 𝑝+ 2 𝑉𝜇 − 𝑏 = 𝑅𝑇 𝑉𝜇 16
  17. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang Cho: Khí O2, m=40g; V1=3 lít; T1=292,5 K. a) Phương trình trạng thái khí lý tưởng: m RT1 p= N/m2(m=40g, =32g/mol; V1=3.10-3 m3; R=8,31 SI) μ V1 T2 T1 V2 b) = → T2 = T1 V2 V1 V1 17
  18. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang Cho: m=10kg; p1=107N/m2; p2=2,5.106N/m2. V và T=const. Tính m=? m m μV pV = RT → = μ p RT μV μV m m= p → ∆m = ∆p = ∆p RT RT p1 19
  19. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang Cho: Khí H2 ; T=20oC; p=750mmHg; m/t=u=25g/s. Sau t=2g45’, tính V? m ut pV = RT = RT → V μ μ Với =2g/mol; T=293K; u=25g/s; t=2g45’=9.900s 1,013. 105 p = 750 𝑁/𝑚2 760 22
  20. NHIỆT HỌC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG TS. Nguyễn Kim Quang Cho: V1, V2, p1, p2, T không đổi. Tính p? Định luật Dalton: p=p1’+p2’ Đẳng nhiệt: p1V1=p1’(V1+V2) p2V2=p2’(V1+V2) ′ = p1 V1 ′ = p2 V2 → p1 → p2 V1 + V2 V1 + V2 (p1 V1 + p2 V2 ) →p= V1 + V2 23
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
160=>1