1
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
2
LỜI NÓI ĐẦU
Học phần Vật lý phân tử và nhiệt học gồm có hai phân môn: Vật lý phân tử
(VLPT) và nhiệt động lực học (NĐLH).Trong VLPT ngƣời ta vận dụng quan điểm vi
mô và phƣơng pháp thống kê, còn trong NĐLH ngƣời ta vận dụng quan điểm vĩ mô
và phƣơng pháp nhiệt động lực học để nghiên cứu.
Bài giảng gồm có 8 chƣơng, trong đó hai phân môn VLPT và NĐLH đƣợc trình
bày xen kẽ; các chƣơng 2, 3, 4, 7 và 8 thuộc phân môn VLPT; còn chƣơng 5 và
chƣơng 6 thuộc phân môn NĐLH. Ngoài ra chƣơng 1 là chƣơng mở đầu, cung cấp
cho sinh viên những khái niệm cơ bản trƣớc khi nghiên cứu học phần.
Tập bài giảng này đƣợc biên soạn dùng cho sinh viên sƣ phạm ngành Vật lý.
Trên cơ sở tham khảo các tài liệu, giáo trình kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy của
mình, ngƣời biên soạn đã sắp xếp lại các kiến thức một cách có hệ thống, khoa học,
chi tiết với mong muốn giúp cho sinh viên dễ dàng trong việc tiếp thu kiến thức. Sau
mỗi chƣơng có phần câu hỏi và bài tập cho sinh viên tự học.
Mặc dù rất cố gắng nhƣng trong quá trình biên soạn không thể không có những
thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô, đồng nghiệp
và các bạn sinh viên để bài giảng hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa
chỉ email: ntkthu@pdu.edu.vn. Xin chân thành cảm ơn!
Ngƣời biên soạn
3
CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU
1.1. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu
1.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Vật lý phân tử và nhiệt học nghiên cứu các hiện tƣợng liên quan đến các quá
trình xảy ra bên trong vật là quá trình chuyển động nhiệt.
1.1.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Ngƣời ta sử dụng hai phƣơng pháp:
Phƣơng pháp thống kê: phân tích các quá trình xảy ra đối với từng phân tử,
nguyên tử riêng biệt trên quan điểm vi mô, rồi dựa vào qui luật chung cho cả tập hợp
các phân tử, từ đó giải thích các tính chất của vật.
Phƣơng pháp nhiệt động lực học: nghiên cứu sự biến đổi năng lƣợng vật từ
dạng này sang dạng khác trên quan điểm vĩ mô. Phƣơng pháp dựa trên hai nguyên lý
cơ bản của nhiệt động học đƣợc rút ra từ thực nghiệm. Từ đó, rút ra đƣợc những tính
chất của vật trong các điều kiện khác nhau mà không cần chú ý đến cấu tạo phân tử.
Trong học phần này chúng ta sẽ dùng cả hai phƣơng pháp trên để nghiên cứu
các vấn đề của chuyển động nhiệt.
1.2. Hệ nhiệt động
1.2.1. Hệ nhiệt động
Hệ nhiệt động là một tập hợp các vật thể đƣợc bao bọc bởi một bề mặt chu vi.
Các vật thể có thể là các cá thể có kích thƣớc vĩ mô, cũng có thể là các phân tử,
nguyên tử có kích thƣớc vi mô.
Bề mặt chu vi có thể là thực, chẳng hạn nhƣ chu vi của một bình đựng khí,
cũng có thể là ảo nhƣ bề mặt bao quanh một lƣợng chất lỏng chảy dọc theo một ống
mà ta tƣởng tƣợng.
Nhƣ vậy, khái niệm “hệ nhiệt động” là một khái niệm rộng và tổng quát.
1.2.2. Hệ con
Hệ con là một phần của hệ, với số cá thể ít hơn và có thể tích bé hơn.
4
Hệ có thể xem nhƣ đƣợc cấu tạo bởi nhiều hệ con. Hệ con chịu ảnh hƣởng của
phần còn lại của hệ lên nó, nên trạng thái của hệ con luôn thay đổi.
1.2.3. Khoảng ngoài
Phần còn lại ở ngoài hệ đƣợc gọi là khoảng ngoài.
1.2.4. Hệ cô lập
Hệ cô lập là hệ hoàn toàn không tƣơng tác và trao đổi năng lƣợng với khoảng
ngoài.
1.2.5. Hệ cô lập một phần
Hệ có trao đổi công mà không trao đổi nhiệt với khoảng ngoài thì đƣợc gọi là
hệ cô lập về nhiệt, ngƣợc lại hệ có trao đổi nhiệt nhƣng không tra đổi công thì đƣợc
gọi là hệ cô lập về công. Những hệ nhƣ vậy, ta gọi là hệ cô lập một phần.
1.3. Trạng thái một hệ nhiệt động
1.3.1. Thông số trạng thái
Trạng thái của một hệ nhiệt động đƣợc xác định bởi một bộ các đại lƣợng vật
lý, các đại lƣợng này đƣợc gọi là thông số trạng thái của hệ.
Ví dụ: Đối với một khối khí, trạng thái của nó đƣợc xác định khi biết áp suất p,
nhiệt độ T, thể tích khối khí V. Vậy p, V, T là các thông số trạng thái của khối khí.
Hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động là trạng thái mà khi đó mọi nơi trong hệ
đều có cùng một áp suất, cùng nhiệt độ.
Về phƣơng diện vĩ mô, ta có thể chia thông số trạng thái làm hai loại:
a. Thông số quảng tính: là thông số mà độ lớn của nó tỉ lệ với khối lƣợng của
hệ. Ví dụ: thể tích V
b. Thông số cƣờng tính: là thông số mà độ lớn của nó không phụ thuộc vào
khối lƣợng của hệ. Ví dụ: áp suất, nhiệt độ, mật độ…
1.3.2. Phƣơng trình trạng thái
Các thông số trạng thái của hệ không hoàn toàn độc lập với nhau, mỗi thông số
là một hàm của các thông số còn lại.
Phƣơng trình trạng thái là hệ thức liên hệ các thông số trạng thái.
5
Đối với một khối khí: F(p, V, T) = 0.
1.4. Áp suất
Áp suất là đại lƣợng vật lý có giá trị bằng áp lực tác dụng lên một 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 còn 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 trong bình chứa thì áp suất khí là áp lực tác dụng lên
một đơn vị diện tích thành bình. Áp lực này là do sự va chạm giữa các phân tử khí và
thành bình gây nên.
1.5. Nhiệt độ
1.5.1. Nhiệt độ
Nhiệt độ là đại lƣợng đặc trƣng cho trạng thái của một vật. Khái niệm trung
tâm của nhiệt động lực học là nhiệt độ. Khái niệm về nhiệt độ đƣợc xuất phát từ cảm
giác nóng, lạnh. Khi ta sờ tay vào vật, ta có thể biết vật này nóng, vật kia lạnh, vật này
nóng hơn vật kia…Tuy nhiên, cảm giác chúng ta không phải luôn luôn đúng. Chẳng
hạn trong ngày mùa đông giá lạnh, khi ta sờ tay vào một thanh sắt ta cảm thấy lạnh
hơn so với thanh gỗ, mặc dù cả hai đều có cùng nhiệt độ. Sự cảm nhận khác nhau này
là do sắt dẫn nhiệt nhanh hơn so với gỗ. Do vậy, để đo nhiệt độ, ta sử dụng nhiệt kế.
Các tính chất của vật thông thƣờng phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ thay
đổi thì bản chất của vật cũng thay đổi theo. Ví dụ: độ dài, thể tích, điện trở, chiết
suất…