intTypePromotion=3

Giáo trình Nhiệt học - Trầm Kim Cương

Chia sẻ: Ng Tien Quy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:112

1
329
lượt xem
177
download

Giáo trình Nhiệt học - Trầm Kim Cương

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Nhiệt học do Trầm Kim Cương biên soạn có kết cấu gồm 7 chương, gồm có: Mở đầu, nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học, nguyên lý II nhiệt động học, khí thực, chất lỏng, chuyển pha, thống kê cổ điển và một số nội dung liên quan khác. Giáo trình dành cho đối tượng sinh viên ngành Vật lý hoặc kỹ thuật. Mời bạn đọc tham khảo.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Nhiệt học - Trầm Kim Cương

  1. TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC ÑAØ LAÏT GIAÙO TRÌNH NHIEÄT HOÏC TRAÀN KIM CÖÔNG 2001
  2. Nhieät hoïc -1- MUÏC LUÏC MUÏC LUÏC ................................................................................................................. - 1 - Lôøi noùi ñaàu ................................................................................................................ - 4 - Chöông I. Môû ñaàu ...................................................................................................... - 5 - §1 caùc khaùi nieäm cô baûn ....................................................................................... - 5 - 1) Thoâng soá traïng thaùi vaø phöông trình traïng thaùi.............................................. - 5 - 2) AÙp suaát .......................................................................................................... - 6 - 3) Nhieät ñoä......................................................................................................... - 6 - §2 söï nôû vì nhieät.................................................................................................. - 8 - 1) Söï nôû daøi ........................................................................................................ - 8 - 2- Söï nôû khoái ...................................................................................................... - 8 - 3) Giaûi thích söï nôû nhieät theo quan ñieåm nguyeân töû .......................................... - 9 - §3 caùc ñònh luaät thöïc nghieäm veà chaát khí .......................................................... - 10 - 1) Ñònh luaät Boyle - Mariot ............................................................................. - 10 - 2) Ñònh luaät Gay – Luytxac ............................................................................. - 11 - 3) Giôùi haïn öùng duïng ....................................................................................... - 12 - §4 phöông trình traïng thaùi khí lyù töôûng............................................................... - 12 - 1) Thieát laäp phöông trình ................................................................................. - 12 - 2- Giaù trò cuûa R ................................................................................................ - 14 - Chöông 2. nguyeân lyù thöù nhaát cuûa nhieät ñoäng löïc hoïc ............................................. - 15 - §1 noäi naêng cuûa moät heä nhieät ñoäng. Coâng vaø nhieät .......................................... - 15 - 1) Heä nhieät ñoäng .............................................................................................. - 15 - 2) Noäi naêng ...................................................................................................... - 16 - 3) Coâng vaø nhieät : ............................................................................................ - 17 - §2 nguyeân lyù I cuûa nhieät ñoäng hoïc ...................................................................... - 18 - 1) Phaùt bieåu ...................................................................................................... - 18 - 2) Heä quaû ......................................................................................................... - 19 - 3) YÙ nghóa ........................................................................................................ - 20 - §3 khaûo saùt caùc quaù trình caân baèng cuûa khí lyù töôûng treân cô sôû nguyeân lyù I- 20 - 1) Traïng thaùi caân baèng vaø quaù trình caân baèng ................................................. - 20 - 2) Noäi naêng cuûa khí lyù töôûng............................................................................ - 25 - 3) Quaù trình ñaúng tích ...................................................................................... - 28 - 4) Quaù trình ñaúng aùp ........................................................................................ - 30 - 5) Quaù trình ñaúng nhieät .................................................................................... - 32 - 6) Quaù trình ñoaïn nhieät .................................................................................... - 33 - Chöông 3. Nguyeân lyù II nhieät ñoäng hoïc .................................................................. - 38 - §1 Quaù trình thuaän nghòch vaø khoâng thuaän nghòch .............................................. - 40 - 1) Ñònh nghóa ................................................................................................... - 40 - 2) Ví duï ............................................................................................................ - 40 - 3) YÙ nghóa ........................................................................................................ - 41 - Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  3. Nhieät hoïc -2- §2 Nguyeân lyù II nhieät ñoäng hoïc .......................................................................... - 42 - 1) Maùy nhieät .................................................................................................... - 42 - 2) nguyeân lyù II ................................................................................................. - 43 - §3 Chu trình Carnot vaø ñònh lyù Carnot................................................................ - 44 - 1) Chu trình Carnot .......................................................................................... - 44 - 2) Ñònh lyù Carnot ............................................................................................. - 47 - §4 Entropi ............................................................................................................ - 49 - 1) Bieåu thöùc ñònh löôïng cuûa nguyeân lyù II ........................................................ - 49 - 3) Nguyeân lyù taêng Entropi ............................................................................... - 52 - 4) Entropi cuûa khí lyù töôûng .............................................................................. - 54 - 5) Entropi trong moät soá quaù trình baát thuaän nghòch.......................................... - 54 - 6) Taàm quan troïng cuûa Entropi trong thöïc teá ................................................... - 56 - 7) YÙ nghóa thoáng keâ cuûa Entropi vaø nguyeân lyù II............................................. - 58 - §5 Ñònh lyù Nernst (nguyeân lyù 3 nhieät ñoäng hoïc)................................................ - 59 - §6 CAÙC HAØM THEÁ NHIEÄT ÑOÄNG ................................................................... - 60 - 1) Caùc haøm theá nhieät ñoäng............................................................................... - 60 - 2) Theá hoùa hoïc ................................................................................................. - 62 - 3) Ñieàu kieän caân baèng nhieät ñoäng.................................................................... - 63 - Chöông 4. KHÍ THÖÏC ............................................................................................. - 65 - §1 LÖÏC TÖÔNG TAÙC PHAÂN TÖÛ VAØ THEÁ NAÊNG TÖÔNG TAÙC ................... - 65 - 1) Löïc töông taùc phaân töû .................................................................................. - 65 - 2) Theá naêng töông taùc giöõa caùc phaân töû ........................................................... - 66 - §2 PHÖÔNG TRÌNH TRAÏNG THAÙI KHÍ THÖÏC .............................................. - 66 - 1) Khí thöïc ....................................................................................................... - 66 - 2) Phöông trình Vanderwalls ........................................................................... - 67 - §3 NGHIEÂN CÖÙU KHÍ THÖÏC BAÈNG THÖÏC NGHIEÄM ................................... - 69 - 1) Ñöôøng ñaúng nhieät Andrews ......................................................................... - 69 - 2) So saùnh ñöôøng ñaúng nhieät Vanderwalls vaø Andrews ................................. - 71 - 3) Traïng thaùi tôùi haïn vaø thoâng soá tôùi haïn ......................................................... - 71 - §4 HIEÄU ÖÙNG JOULE – THOMSON ................................................................ - 73 - 1) Noäi naêng khí thöïc ........................................................................................ - 73 - 2) Hieäu öùng Joule-Thomson ............................................................................ - 73 - 3) ÖÙng duïng ..................................................................................................... - 74 - §5 CAÙC HIEÄN TÖÔÏNG VAÄN CHUYEÅN ........................................................... - 75 - 1) Quaõng ñöôøng töï do trung bình ..................................................................... - 75 - 2) Hieän töôïng khueách taùn ................................................................................ - 76 - 3) Hieän töôïng noäi ma saùt.................................................................................. - 77 - 4) Hieän töôïng truyeàn nhieät............................................................................... - 78 - Chöông 5. chaát loûng ................................................................................................. - 80 - §1 Caáu taïo vaø chuyeån ñoäng phaân töû cuûa chaát loûng ............................................. - 80 - 1) Traïng thaùi loûng cuûa vaät chaát ........................................................................ - 80 - Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  4. Nhieät hoïc -3- 2) Caáu taïo vaø chuyeån ñoäng phaân töû cuûa chaát loûng ........................................... - 80 - §2 Hieän töôïng caêng maët ngoaøi cuûa chaát loûng...................................................... - 81 - 1) Aùp suaát phaân töû ............................................................................................ - 81 - 2) Naêng löôïng maët ngoaøi vaø söùc caêng maët ngoaøi cuûa chaát loûng....................... - 82 - §3 HIEÄN TÖÔÏNG MAO DAÃN ........................................................................... - 87 - 1) AÙp suaát döôùi maët cong chaát loûng ................................................................. - 87 - 2) Hieän töôïng mao daãn .................................................................................... - 89 - §4 SÖÏ SOÂI CHAÁT LOÛNG ................................................................................... - 91 - Chöông 6. CHUYEÅN PHA ...................................................................................... - 93 - §1 Söï chuyeån pha ............................................................................................... - 93 - 1) Khaùi nieäm veà söï chuyeån pha ....................................................................... - 93 - 2) Phaân loaïi caùc chuyeån pha ............................................................................ - 93 - §2 SÖÏ CAÂN BAÈNG PHA .................................................................................... - 94 - 1) Ñieäu kieän caân baèng hai pha ......................................................................... - 94 - 2) Ñieàu kieän caân baèng 3 pha............................................................................ - 95 - 3) Ñieàu kieän caân baèng nhieàu pha. Qui taéc pha Gibbs ...................................... - 96 - §3 CHUYEÅN PHA LOAÏI 1 ................................................................................. - 97 - 1) AÅn nhieät vaø söï bieán ñoåi haøm theá nhieät ñoäng................................................ - 97 - 2) Phöông trình Clapeyron – Clausius ............................................................. - 99 - §4 CHUYEÅN PHA LOAÏI 2............................................................................... - 100 - Chöông 7. THOÁNG KEÂ COÅ ÑIEÅN ......................................................................... - 102 - §1 THUYEÁT ÑOÄNG HOÏC PHAÂN TÖÛ .............................................................. - 102 - §2 PHAÂN BOÁ MAXWELL ............................................................................... - 103 - 1) Xaùc suaát vaø giaù trò trung bình .................................................................... - 103 - 2) Ñònh luaät phaân boá Maxwell ....................................................................... - 104 - 3) Ñoäng naêng trung bình cuûa phaân töû ............................................................. - 105 - §3 PHAÂN BOÁ BOLTZMANN........................................................................... - 108 - 1) Coâng thöùc khí aùp ........................................................................................ - 108 - 2) Ñònh luaät phaân boá Boltzmann .................................................................... - 108 - §4 PHAÂN BOÁ MAXWELL – BOLTZMANN .................................................. - 109 - Taøi lieäu tham khaûo ................................................................................................ - 111 - Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  5. Nhieät hoïc -4- LÔØI NOÙI ÑAÀU Giaùo trình Nhieät hoïc naøy duøng cho sinh vieân ngaønh Vaät lyù tröôøng Ñaïi hoïc Ñaø Laït. Giaùo trình coù theå laøm taøi lieäu tham khaûo cho sinh vieân caùc tröôøng Ñaïi hoïc khoái Kyõ thuaät cuõng nhö caùc ñoàng nghieäp. Vôùi söï coá gaéng nhieàu, song chaéc chaén coøn nhieàu thieáu soùt, taùc giaû mong nhaän ñöôïc caùc yù kieán ñoùng goùp cuûa sinh vieân vaø caùc ñoàng nghieäp ñeå coù theå söûa chöõa cho laàn in sau ñöôïc toát hôn. Ñaø Laït, thaùng 6/2001 Taùc giaû Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  6. Nhieät hoïc -5- CHÖÔNG I. MÔÛ ÑAÀU Trong cô hoïc ñaõ nghieân cöùu daïng chuyeån ñoäng cô, ñoù laø söï thay ñoåi vò trí cuûa caùc vaät theå vó moâ trong khoâng gian. Noù khoâng caàn quan taâm ñeán caùc quaù trình xaûy ra beân trong vaät, chöa xeùt ñeán nhöõng quaù trình lieân quan ñeán caáu taïo cuûa vaät. Nhieät hoïc seõ nghieân cöùu caùc quaù trình naøy, noù lieân quan ñeán moät daïng chuyeån ñoäng khaùc cuûa vaät chaát goïi laø chuyeån ñoäng nhieät. Ñoái töôïng nghieân cöùu cuûa nhieät hoïc chính laø chuyeån ñoäng nhieät. Coù hai phöông phaùp nghieân cöùu : - Phöông phaùp nghieân cöùu thoáng keâ : ñöôïc öùng duïng trong phaàn Vaät lyù phaân töû. Noù phaân tích caùc quaù trình xaûy ra ñoái vôùi töøng phaân töû, nguyeân töû rieâng bieät roài döïa vaøo caùc qui luaät thoáng keâ ñeå tìm caùc qui luaät chung cho caû taäp hôïp ñeå giaûi thích tính chaát cuûa vaät. Phöông phaùp thoáng keâ döïa treân caáu taïo phaân töû cuûa caùc chaát, noù cho bieát moät caùch saâu saéc baûn chaát cuûa hieän töôïng. Tuy nhieân, trong moät soá tröôøng hôïp vieäc öùng duïng phöông phaùp naøy khaù phöùc taïp. - Phöông phaùp nhieät ñoäng : ñöôïc öùng duïng trong phaàn nhieät ñoäng hoïc. Nhieät ñoäng nghieân cöùu caùc ñieàu kieän bieán ñoåi naêng löôïng töø daïng naøy sang daïng khaùc vaø nghieân cöùu nhöõng bieán ñoåi veà maët ñònh löôïng. Phöông phaùp nhieät ñoäng döïa treân hai nguyeân lyù cô baûn ruùt ra töø thöïc nghieäm maø nhôø noù, khoâng caàn bieát caáu taïo phaân töû cuûa vaät vaãn coù theå ruùt ra nhieàu keát luaän veà tính chaát cuûa vaät trong caùc ñieàu kieän khaùc nhau. Maëc duø coù haïn cheá laø khoâng giaûi thích ñöôïc saâu saéc baûn chaát cuûa hieän töôïng; nhöng trong nhieàu vaán ñeà thöïc teá nhieät ñoäng hoïc cho caùch giaûi quyeát ñôn giaûn. §1 caùc khaùi nieäm cô baûn 1) Thoâng soá traïng thaùi vaø phöông trình traïng thaùi Khi nghieân cöùu vaät, neáu tính chaát cuûa noù thay ñoåi ta noùi raèng traïng thaùi cuûa vaät thay ñoåi. Nhö theá tính chaát cuûa vaät bieåu thò traïng thaùi cuûa vaät vaø vì vaäy coù theå duøng moät taäp hôïp tính chaát ñeå xaùc ñònh traïng thaùi cuûa vaät. Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  7. Nhieät hoïc -6- Moãi tính chaát coù theå ñaëc tröng baèng moät ñaïi löôïng vaät lyù. Taäp hôïp xaùc ñònh cuûa caùc ñaïi löôïng vaät lyù ñeå xaùc ñònh traïng thaùi cuûa vaät goïi laø caùc thoâng soá traïng thaùi. Coù nhieàu thoâng soá traïng thaùi. Tuy nhieân, chæ coù moät soá ñoäc laäp, soá coøn laïi phuï thuoäc. Moái quan heä giöõa caùc thoâng soá traïng thaùi ñöôïc bieåu dieãn baèng caùc heä thöùc goïi laø phöông trình traïng thaùi. Ñeå bieåu dieãn traïng thaùi moät khoái khí, coù theå duøng 3 thoâng soá traïng thaùi: theå tích (V), aùp suaát (p) vaø nhieät ñoä (T). Thöïc nghieäm cho thaáy trong 3 thoâng soá ñoù chæ coù 2 laø ñoäc laäp, thoâng soá coøn laïi laø phuï thuoäc. Nhö theá moái lieân heä giöõa 3 thoâng soá coù theå bieåu dieãn bôûi moät phöông trình traïng thaùi : f(p,V,T) = 0 (1) Vieäc khaûo saùt daïng cuï theå cuûa (1) laø moät trong caùc vaán ñeà cô baûn cuûa nhieät hoïc. 2) AÙp suaát Aùp suaát laø moät ñaïi löôïng vaät lyù coù giaù trò baèng löïc neùn vuoâng goùc leân moät ñôn vò dieän tích. Kyù hieäu F laø löïc neùn vuoâng goùc leân dieän tích ∆S, thì aùp suaát p ñöôïc cho bôûi : F p= (2) ∆S 2 Trong heä SI : [p] = N/m ≡ Pa (Paxcal) Ngoaøi ra coøn duøng caùc ñôn vò sau : - Atmotfe (kyõ thuaät) : kyù hieäu laø at. 1at ≅ 9,81x 104N/m2 - Milimet thuûy ngaân (hay tor) : baèng aùp suaát taïo bôûi troïng löôïng coät thuûy ngaân cao 1mm. 1at = 736mHg 1bar = 105N/m2 = 0,76mHg 3) Nhieät ñoä Nhieät ñoä laø moät ñaïi löông vaät lyù ñaëc tröng cho möùc ñoä chuyeån ñoäng hoãn loaïn phaân töû cuûa caùc vaät. Ñeå xaùc ñònh nhieät ñoä ngöôøi ta duøng nhieät bieåu. Nguyeân taéc cuûa nhieät bieåu laø döïa vaøo ñoä bieán thieân cuûa moät ñaïi löôïng naøo ñoù (chieàu daøi, Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  8. Nhieät hoïc -7- theå tích, ñoä daãn ñieän…) khi ñoát noùng hoaëc laøm laïnh roài suy ra nhieät ñoä töông öùng. Nhieät bieåu thöôøng duøng laø nhieät bieåu thuûy ngaân. Trong nhieät bieåu naøy nhieät ñoä ñöôïc xaùc ñònh bôûi theå tích cuûa moät khoái löôïng thuûy ngaân nhaát ñònh. Ñeå ñoïc ñöôïc nhieät ñoä treân nhieät bieåu caàn coù thang ño nhieät ñoä goïi laø nhieät giai, töùc laø caàn quy öôùc caùc nhieät ñoä coá ñònh laøm ñieåm chuaån. Tuøy theo vieäc choïn caùc ñieåm chuaån vaø caùch chia khoaûng giöõa caùc ñieåm chuaån maø coù caùc nhieät giai khaùc nhau. Nhieät bieåu coù gaén thang ño nhieät ñoä ñöôïc goïi laø nhieät keá. Ngöôøi ta choïn ñieåm chuaån laø ñieåm ba cuûa nöôùc ñaù, laø ñieåm toàn taïi ñoàng thôøi 3 traïng thaùi cuûa nöôùc : hôi, loûng, raén (hay coøn goïi laø traïng thaùi 3 pha) ôû aùp suaát 1,033at öùng vôùi nhieät ñoä thöù nhaát. Ñieåm chuaån öùng vôùi traïng thaùi thöù 2 laø ñieåm soâi cuûa nöôùc cuõng ôû aùp suaát 1,033at. Nhieät giai baùch phaân (Celsius) : ñieåm chuaån thöù nhaát ghi 0oC, ñieåm chuaån thöù 2 ghi 100oC, giöõa chuùng chia thaønh 100 phaàn baèng nhau. Kyù hieäu nhieät ñoä laø t(oC). Nhieät giai tuyeät ñoái (Kelvin) : moãi ñoä chia baèng moät ñoä cuûa thang baùch phaân, nhöng ñoä khoâng cuûa noù öùng vôùi –273,16 cuûa thang baùch phaân. Kyù hieäu nhieät ñoä laø T(K). Nhö theá ta coù bieåu thöùc lieân heä : T = t +273,16 (3) Trong tính toaùn ñôn giaûn thöôøng laáy troøn : T = t +273 (3’) Caàn chuù yù trong thang baùch phaân, nhieät ñoä ñöôïc ghi laø oC (ví duï : 15oC, 20oC …), nhöng trong thang tuyeät ñoái, nhieät ñoä ñöôïc ghi laø K (ví duï : 15K, 20K v.v…). Ngoaøi ra coøn hai loaïi nhieät giai khaùc : + Nhieät giai Fahrenheit (duøng ôû Anh, Myõ) : ñieåm chuaån moät laø 32 F, ñieåm chuaån hai laø 212oF, chia laøm 180 khoaûng ñeàu nhau. Kyù hieäu laø 0 TF : 9 TF = t + 32 (4) 5 Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  9. Nhieät hoïc -8- + Nhieät giai Reùaumur (duøng ôû Phaùp) : ñieåm chuaån moät laø 00R vaø ñieåm chuaån hai laø 800R. §2 söï nôû vì nhieät 1) Söï nôû daøi Neáu vaät coù chieàu daøi L , khi nhieät ñoä vaät taêng ∆T thì chieàu daøi vaät seõ taêng theâm ∆L : ∆L = α.L.∆T ∆L / L (5) α= ∆T Heä soá tæ leä α goïi laø heä soá nôû daøi, noù cho bieát söï thay ñoåi tæ ñoái chieàu daøi cuûa vaät khi nhieät ñoä taêng moät ñôn vò. Giaù trò α thöôøng laø nhoû. 2- Söï nôû khoái Khi vaät raén bò nung noùng, kích thöôùc theo 3 chieàu cuûa noù taêng, daãn ñeán theå tích vaät taêng. Vôùi chaát loûng, chæ coù söï nôû khoái laø coù yù nghóa. Goïi V laø theå tích vaät thì söï thay ñoåi theå tích ∆V cuûa vaät seõ laø : ∆V = β.V. ∆T (6) Heä soá tyû leä β goïi laø heä soá nôû khoái. Ñoái vôùi chaát raén voâ ñònh hình thì β = 3α Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  10. Nhieät hoïc -9- Rieâng ñoái vôùi nöôùc, söï nôû khoái khoâng theo quy luaät treân. Ñoà thò phuï thuoäc cuûa theå tích rieâng (theå tích cuûa moät ñôn vò khoái löôïng) vaøo nhieät ñoä coù daïng : Theå tích rieâng t(0C) 4 H.1 Khi nhieät ñoä lôùn hôn 4oC nöôùc daõn nôû theo quy luaät chung cuûa caùc chaát loûng. Nhöng trong khoaûng 0 ÷ 4oC theå tích rieâng taêng khi nhieät ñoä giaûm. Taïi 4oC theå tích rieâng coù giaù trò cöïc tieåu. Ñieàu naøy coù yù nghóa raát lôùn trong thöïc teá : khi trôøi laïnh, nöôùc ñoùng baêng töø treân maët daàn xuoáng döôùi, vì ôû 4oC nöôùc “naëng” nhaát chìm xuoáng döôùi. Khi nhieät ñoä xuoáng döôùi 4oC nöôùc laïnh “nheï” hôn vaãn naèm ôû phía treân vaø daàn ñoùng baêng, nhôø baêng daãn nhieät keùm neân nöôùc ôû phía saâu khoâng ñoùng baêng nöõa; nhôø vaäy caùc sinh vaät vaãn toàn taïi ñöôïc döôùi baêng. 3) Giaûi thích söï nôû nhieät theo quan ñieåm nguyeân töû Caùc chaát raén coù caáu taïo maïng tinh theå 3 chieàu, caùc nguyeân töû, phaân töû hay ion (goïi chung laø”haït”) dao ñoäng xung quanh nuùt maïng (vò trí caân baèng) vôùi bieân ñoä taêng theo nhieät ñoä. Giöõa caùc haït coù löïc lieân keát. Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  11. Nhieät hoïc - 10 - Theá naêng lieân keát giöõa chuùng phuï thuoäc khoaûng caùch (hình veõ). Et(r) 0 r0 r H.2 Ta thaáy noù coù daïng hoá theá baát ñoái xöùng. Bình thöôøng caùc haït dao ñoäng xung quanh vò trí caân baèng öùng vôùi khoaûng caùch trung bình giöõa hai haït laø r01 >r0. Khi nhieät ñoä taêng, caùc nguyeân töû dao ñoäng maïnh hôn, khoaûng caùch trung bình giöõa hai haït laø r02 >r01. Do ñoù theå tích cuûa vaät taêng leân. §3 caùc ñònh luaät thöïc nghieäm veà chaát khí 1) Ñònh luaät Boyle - Mariot Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  12. Nhieät hoïc - 11 - Trong quaù trình ñaúng nhieät, theå tích cuûa moät khoái khí xaùc ñònh tyû leä nghòch vôùi aùp suaát : pV = const (7) p T1
  13. Nhieät hoïc - 12 - Vôùi T0 laø nhieät ñoä xaùc ñònh, p0 vaø V0 laø aùp suaát vaø theå tích cuûa khoái khí ôû nhieät ñoä T0. Thöôøng choïn T0 = 273K = 1/a . Khi ñoù : p = p0at (V = const) (10) V = V0at (p = const) (11) a goïi laø heä soá daõn nôû nhieät cuûa chaát khí. 3) Giôùi haïn öùng duïng Caùc ñònh luaät thöïc nghieäm treân ñaây chæ laø caùc ñònh luaät gaàn ñuùng. Noù ñöôïc thieát laäp cho caùc chaát khí ôû ñieàu kieän nhieät ñoä vaø aùp suaát thoâng thöôøng (p≈1at, T≈300K). neáu aùp suaát caøng lôùn vaø nhieät ñoä caøng nhoû thì caùc ñònh treân caøng sai leäch lôùn. Tuy nhieân, ñeå vieäc nghieân cöùu ñöôïc ñôn giaûn, ngöôøi ta ñònh nghóa ”khí lyù töôûng laø chaát khí hoaøn toaøn tuaân theo caùc ñònh luaät thöïc nghieäm treân”. Thöïc nghieäm cho thaáy phaàn lôùn caùc chaát khí ôû ñieàu kieän thöôøng coù theå coi laø khí lyù töôûng. Khi xeùt caáu taïo cuûa caùc chaát khí, ta seõ thaáy moät chaát khí ñöôïc coi laø khí lyù töôûng neáu boû qua löïc töông taùc giöõa caùc phaân töû vaø kích thöôùc cuûa chuùng. §4 phöông trình traïng thaùi khí lyù töôûng Caùc ñònh luaät thöïc nghieäm treân ñaây môùi neâu leân moái lieân heä giöõa hai trong ba thoâng soá traïng thaùi. ÔÛ ñaây ta seõ tìm phöông trình neâu leân moái lieân heä giöõa ba thoâng soá. 1) Thieát laäp phöông trình Xeùt 1Kmol khí coù traïng thaùi ban ñaàu (p1, V1,T1) bieán ñoåi sang traïng thaùi (p2,V2, T2). Treân ñoà thò OpV traïng thaùi ñaàu vaø cuoái ñöôïc bieåu Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  14. Nhieät hoïc - 13 - dieãn baèng hai ñieåm M1, M2 treân hai ñöôøng ñaúng nhieät T1 vaø T2 . p T1 T2 p1 M1 p2 M2 p’1 M’1 O V1 V2 V H.4 Ta giaû söû söï bieán ñoåi töø M1 sang M2 qua traïng thaùi trung gian M’1 coù caùc thoâng soá traïng thaùi (p’1 , V2 , T1) theo ñònh luaät Boyle – Mariot ta coù : p1V1 = p’1V2 (12) Töø traïng thaùi M’1 sang traïng thaùi M2 laø quaù trình ñaúng tích. Theo ñònh luaät Gay – Luytxac ta coù : p’1 = p0.a.T1 p2 = p0.a.T2 Ruùt ra : p 2T1 p1 = ' (13) T2 Thay (13) vaøo (12) ta ñöôïc : p1V1 p 2 V2 = (14) T1 T2 pV Nhö theá, ñoái vôùi Kmol khí ñaõ cho, khoâng ñoåi : T pV =R => pV = RT (15) T Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  15. Nhieät hoïc - 14 - Ñoái vôùi khoái khí baát kyø coù khoái löôïng m vaø theå tích v thì : m µ v= V hay V = v µ m Thay vaøo (15) ta ñöôïc : m p.v = RT (16) µ 2- Giaù trò cuûa R R ñöôïc goïi laø haèng soá khí lyù töôûng. Theo ñònh luaät Avogadro, ôû cuøng moät nhieät ñoä vaø aùp suaát, caùc chaát khí khaùc nhau ñeàu chieám cuøng theå tích. Xeùt ôû ñieàu kieän chuaån (T0 = 273,16K , p0 = 1,013at, V0= 22,4.103m3), ta coù : p 0 V0 1,013.105 N / m 2 .22,4.103 m 3 / Kmol = =R T0 273,16K J R = 8,31696.103 Kmol.K Neáu p ño baèng atmotfe thì : m 3 .at R = 0,0848 Kmol.K Neáu tính cho 1 mol khí thì : J R = 8,31696 mol.K Neáu tính cho 1 mol khí vôùi theå tích ño baèng lít vaø aùp suaát ño baèng lít.at atmotfe thì : R = 0,0848 mol.K *- Töø phöông trình (16) ta coù theå tính ñöôïc khoái löôïng rieâng ρ cuûa noù : (thay m = ρ vaø v = 1) : µp ρ= (17) RT Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  16. Nhieät hoïc - 15 - CHÖÔNG 2. NGUYEÂN LYÙ THÖÙ NHAÁT CUÛA NHIEÄT ÑOÄNG LÖÏC HOÏC Nhieät ñoäng hoïc nghieân cöùu caùc ñieàu kieän vaø quan heä bieán ñoåi ñònh löôïng cuûa naêng löôïng töø daïng naøy qua daïng khaùc. Cô sôû cuûa nhieät ñoäng hoïc laø hai nguyeân lyù ruùt ra töø thöïc nghieäm. Trong nhieät ñoäng hoïc, ngöôøi ta thieát laäp nhöõng heä thöùc giöõa caùc ñaïi löôïng vó moâ cuûa heä vaät lyù maø khoâng quan taâm ñeán vieäc giaûi thích vi moâ cuûa caùc ñaïi löôïng ñoù. Nhöõng nguyeân lyù cuûa nhieät ñoäng hoïc coù tính chaát raát toång quaùt, do ñoù chuùng ñöôïc öùng duïng raát coù hieäu quaû trong vieäc nghieân cöùu caùc quaù trình vaät lyù vaø hoùa hoïc, caùc tính chaát cuûa vaät lieäu vaø böùc xaï. §1 noäi naêng cuûa moät heä nhieät ñoäng. Coâng vaø nhieät 1) Heä nhieät ñoäng Moïi taäp hôïp caùc vaät ñöôïc xaùc ñònh hoaøn toaøn bôûi caùc thoâng soá vó moâ, ñoäc laäp ñoái vôùi nhau, ñöôïc goïi laø heä vó moâ hay heä nhieät ñoäng, hay vaén taét hôn laø Heä. Taát caû caùc vaät coøn laïi naèm ngoaøi heä laø ngoaïi vaät ñoái vôùi heä hay coøn goïi laø moâi tröôøng (xung quanh heä). Heä khoâng coâ laäp laø heä coù töông taùc vôùi moâi tröôøng ngoaøi nhö trao ñoåi vaät chaát vaø naêng löôïng. Trong nhöõng töông taùc naøy noùi chung seõ coù söï trao ñoåi coâng vaø nhieät. Neáu heä vaø moâi tröôøng khoâng trao ñoåi nhieät thì heä laø coâ laäp veà phöông dieän nhieät. Khi ñoù ta noùi giöõa heä vaø moâi tröôøng coù Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  17. Nhieät hoïc - 16 - moät voû caùch nhieät. Neáu heä vaø moâi tröôøng trao ñoåi nhieät nhöng khoâng sinh coâng do söï neùn hay daõn nôû (ví duï laøm laïnh hay ñoát noùng moät heä khi theå tích khoâng ñoåi) thì heä laø coâ laäp veà phöông dieän cô hoïc. Heä coâ laäp laø heä hoaøn toaøn khoâng coù töông taùc vaø trao ñoåi naêng löôïng vôùi moâi tröôøng. 2) Noäi naêng Vaät chaát luoân vaän ñoäng vaø naêng löôïng cuûa moät heä laø ñaïi löôïng xaùc ñònh möùc ñoä vaän ñoäng cuûa vaät chaát trong heä. ÔÛ moãi traïng thaùi heä coù caùc daïng vaän ñoäng xaùc ñònh – töùc laø coù naêng löôïng xaùc ñònh. Khi traïng thaùi cuûa heä thay ñoåi thì naêng löông cuûa heä thay ñoåi. Thöïc nghieäm cho thaáy ñoä bieán thieân naêng löôïng cuûa heä trong moät quaù trình bieán ñoåi chæ phuï thuoäc traïng thaùi ñaàu vaø traïng thaùi cuoái maø khoâng phuï thuoäc vaøo quaù trình bieán ñoåi. Nhö theá naêng löôïng cuûa heä chæ phuï thuoäc vaøo traïng thaùi cuûa heä vaø ta noùi naêng löôïng laø moät haøm traïng thaùi. Naêng löôïng cuûa moät heä bao goàm : Ñoäng naêng öùng vôùi chuyeån ñoäng coù höôùng (chuyeån ñoäng cô) cuûa heä, theá naêng cuûa heä trong tröôøng löïc vaø phaàn naêng löôïng öùng vôùi vaän ñoäng beân trong heä (goïi laø noäi naêng) : W = Wñ + Wt + U (1) Tuøy thuoäc tính chaát cuûa chuyeån ñoäng vaø töông taùc cuûa caùc phaàn töû caáu thaønh vaät, noäi naêng coù theå bao goàm : - Ñoäng naêng cuûa chuyeån ñoäng hoãn loaïn cuûa caùc phaàn töû (tònh tieán vaø quay). - Theá naêng gaây bôûi löïc töông taùc phaân töû. - Ñoäng naêng vaø theá naêng chuyeån ñoäng dao ñoäng cuûa caùc nguyeân töû trong phaân töû. - Naêng löôïng cuûa caùc voû ñieän töû cuûa caùc nguyeân töû vaø ion, naêng löôïng trong haït nhaân nguyeân töû .v.v… Ñoái vôùi heä laø khí lyù töôûng, noäi naêng bao goàm toång ñoäng naêng cuûa chuyeån ñoäng nhieät cuûa caùc phaân töû caáu taïo neân heä. Trong nhieät ñoäng hoïc, ta giaû thieát raèng chuyeån ñoäng coù höôùng cuûa heä khoâng ñaùng keå vaø heä khoâng ñaët trong tröôøng löïc naøo, do ñoù naêng löôïng cuûa heä chính laø noäi naêng cuûa heä. Nhö theá noäi naêng cuûa heä laø moät haøm traïng thaùi. Moác ñeå tính noäi naêng, töùc traïng thaùi cuûa heä maø ôû ñoù ta coi noäi Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  18. Nhieät hoïc - 17 - naêng baèng khoâng, ñöôïc choïn moät caùch tuøy yù gioáng nhö moác ñeå tính theá naêng trong cô hoïc. Trong nhieät ñoäng hoïc, ñieàu quan troïng khoâng phaûi laø noäi naêng U maø laø ñoä bieán thieân noäi naêng ∆U cuûa noù khi heä bieán ñoåi töø traïng thaùi naøy sang traïng thaùi khaùc. Vì vaäy vieäc choïn moác tính noäi naêng laø khoâng quan troïng. Thoâng thöôøng, ngöôøi ta giaû thieát noäi naêng cuûa heä ôû nhieät ñoä khoâng tuyeät ñoái (T = 0K) laø baèng khoâng. 3) Coâng vaø nhieät : Tieáp theo khaùi nieäm noäi naêng, khaùi nieäm veà coâng vaø nhieät laø caùc khaùi nieäm quan troïng trong nhieät ñoäng hoïc. Thöïc nghieäm cho thaáy khi caùc heä töông taùc chuùng seõ trao ñoåi vôùi nhau moät naêng löôïng naøo ñoù. Coù hai daïng trao ñoåi naêng löôïng : + Coâng : laø daïng truyeàn naêng löôïng laøm taêng möùc ñoä chuyeån ñoäng coù traät töï cuûa moät vaät. Ñieàu naøy xaûy ra khi coù töông taùc giöõa caùc vaät vó moâ, töùc caùc vaät coù kích thöôùc raát lôùn so vôùi kích thöôùc phaân töû. Trong cô hoïc vaø nhieät ñoäng hoïc, ta goïi daïng truyeàn naêng löôïng naøy laø coâng. Ví duï : Khí daõn nôû trong xilanh laøm pittoâng chuyeån ñoäng, khí ñaõ truyeàn naêng löôïng cho pittoâng döôùi daïng coâng. + Nhieät : laø daïng truyeàn naêng löôïng, noù ñöôïc trao ñoåi tröïc tieáp giöõa caùc phaân töû chuyeån ñoäng hoãn loaïn cuûa caùc vaät töông taùc. Khi heä thöïc hieän trao ñoåi naêng löôïng nhö vaäy thì möùc ñoä chuyeån ñoäng hoãn loaïn cuûa caùc phaân töû cuûa heä vaø do ñoù noäi naêng cuûa heä seõ taêng leân hoaëc giaûm ñi. Ví duï : cho moät vaät laïnh tieáp xuùc vôùi moät vaät noùng, caùc phaân töû chuyeån ñoäng nhanh cuûa vaät noùng seõ va chaïm vôùi caùc phaân töû chuyeån ñoäng chaäm hôn cuûa vaät laïnh vaø truyeàn cho chuùng moät phaàn ñoäng naêng cuûa mình. Do ñoù noäi naêng cuûa vaät laïnh taêng leân vaø noäi naêng cuûa vaät noùng giaûm ñi. Quaù trình taêng giaûm naøy seõ döøng laïi khi nhieät ñoä cuûa hai vaät baèng nhau. Nhö vaäy coâng vaø nhieät ñeàu laø caùc ñaïi löôïng do möùc ñoä trao ñoåi naêng löôïng giöõa caùc vaät. Tuy nhieân coù söï khaùc nhau saâu saéc giöõa chuùng : coâng lieân quan tôùi chuyeån ñoäng coù traät töï, coøn nhieät lieân quan ñeán chuyeån ñoäng hoãn loaïn cuûa caùc phaân töû cuûa heä. Maëc duø vaäy chuùng coù moái lieân heä chaët cheõ vôùi nhau vaø coù theå chuyeån hoùa laãn nhau : coâng coù theå chuyeån hoùa thaønh nhieät vaø ngöôïc laïi. Ví duï : khi coï saùt hai vaät chuùng seõ noùng leân, nhö vaäy coâng cuûa ngoaïi löïc ñaõ chuyeån hoùa thaønh nhieät cung caáp cho hai vaät. Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  19. Nhieät hoïc - 18 - Khi ñoát chaùy nhieân lieäu trong ñoäng cô ñoát trong khí seõ daõn nôû vaø ñaåy píttoâng cuûa ñoäng cô chuyeån ñoäng, nhö theá nhieät ñaõ chuyeån hoùa thaønh coâng. Thöïc nghieäm chöùng toû söï chuyeån hoùa giöõa coâng vaø nhieät luoân tuaân theo moät heä thöùc ñònh löôïng xaùc ñònh. Naêm 1845 Jun ñaõ xaùc ñònh ñöôïc raèng cöù toán moät coâng 4,186J thì seõ taïo ra moät nhieät löôïng 1Calo. Vieäc tìm ra söï töông ñöông giöõa nhieät vaø coâng laø moät söï kieän quan troïng ñoái vôùi khoa hoïc vaø kyõ thuaät, nhaát laø ñoái vôùi vieäc thieát laäp ñònh luaät baûo toaøn vaø chuyeån hoùa naêng löôïng. Caàn chuù yù coâng vaø nhieät laø caùc ñaïi löôïng (thöôùc ño) ñeå ño möùc ñoä trao ñoåi naêng löôïng giöõa caùc vaät, nhöng chuùng khoâng phaûi laø naêng löôïng, chuùng chæ xuaát hieän trong quaù trình bieán ñoåi traïng thaùi cuûa heä. ÔÛ moãi traïng thaùi, heä coù moät giaù trò naêng löôïng xaùc ñònh maø khoâng coù coâng vaø nhieät. Nhö theá naêng löôïng laø moät haøm traïng thaùi, coøn coâng vaø nhieät laø haøm cuûa quaù trình. Moái quan heä ñònh löôïng giöõa coâng, nhieät vaø noäi naêng ñöôïc trình baøy trong nguyeân lyù I cuûa nhieät ñoäng hoïc. §2 nguyeân lyù I cuûa nhieät ñoäng hoïc 1) Phaùt bieåu Nguyeân lyù I laø moät tröôøng hôïp rieâng cuûa ñònh luaät baûo toaøn vaø chuyeån hoùa naêng löôïng aùp duïng vaøo caùc quaù trình vó moâ (quaù trình nhieät ñoäng). a) Caùch phaùt bieåu thöù 1 Ñoä bieán thieân naêng löôïng toaøn phaàn ∆W cuûa heä trong moät quaù trình bieán ñoåi vó moâ coù giaù trò baèng toång coâng A vaø nhieät löôïng Q maø heä nhaän ñöôïc trong quaù trình ñoù : ∆W = A + Q (2) ÔÛ §1 ta ñaõ giaû thieát cô naêng cuûa heä khoâng ñoåi neân naêng löôïng cuûa heä chính laø noäi naêng cuûa heä neân : ∆W = ∆U vaø (2) thaønh : ∆U = A + Q (3) Traàn Kim Cöông Khoa Vaät lyù
  20. Nhieät hoïc - 19 - Nhö theá trong phaùt bieåu nguyeân lyù I ôû treân ta coù theå thay töø “naêng löôïng toaøn phaàn ∆W” baèng töø “noäi naêng ∆U”. b) Caùch phaùt bieåu thöù 2 Noäi naêng cuûa moät heä laø moät haøm ñôn giaù cuûa traïng thaùi, noù chæ thay ñoåi khi heä chòu taùc duïng cuûa moâi tröôøng xung quanh. Khi heä thöïc hieän moät quaù trình bieán ñoåi voâ cuøng nhoû, bieåu thöùc cuûa nguyeân lyù I coù theå vieát : dU = δA + δQ (4) vôùi dU laø ñoä bieán thieân noäi naêng cuûa heä (vi phaân toaøn phaàn) coøn δA vaø δQ laø coâng vaø nhieät cuûa heä nhaän ñöôïc trong quaù trình bieán ñoåi (vi phaân khoâng hoaøn chænh vì laø caùc haøm cuûa quaù trình). c) Caùch phaùt bieåu thöù 3 Vôùi quaù trình kín (chu trình) khoâng coù söï thay ñoåi noäi naêng, khi ñoù theo (3) A = - Q. Neáu A>0 (heä nhaän coâng töø beân ngoaøi) thì Q

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản