Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 1 - GV. Nguyễn Như Xuân

Chia sẻ: Trần Văn Thắng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

994
lượt xem 148
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 1: Thuyết động học phân tử chất khí trình bày phương trình cơ bản và các hệ quả, nội năng khí lý tưởng, định luật phân bố đều năng lượng theo bậc tự do, công thức khí áp, phân bố Boltzman, quãng đường tự do trung bình của phân tử, các hiện tượng vận chuyển.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 1 - GV. Nguyễn Như Xuân

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SƯ BỘ MÔN VẬT LÝ NGUYỄN NHƯ XUÂN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2
Chương 1: THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ Phương trình cơ bản và các hệ quả. Nội năng khí ởng. Định luật phân bố ều năng lượng theo bậc tự do. Công thức khí áp. Phân bố Boltzman Quãng đường tự do trung bình của phân tử. Các hiện tượng vận chuyển (Đọc thêm)
I. MỞ ẦU VỀ NHIỆT HỌC Nhiệt học nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến những quá trình xảy ra bên trong vật. ó là một dạng chuyển động khác của vật chất gọi là chuyển động nhiệt. Chuyển động nhiệt là ối tượng nghiên cứu của nhiệt học. Hai phương pháp: 1. Phương pháp thống kê : Nghiên cứu quá trình với từng phân tử riêng biệt + các định luật thống kê tìm ra qui luật chuyển động chung cho cả tập thể hệ. Phương pháp này cho ta biết một cách sâu sắc bản chất của hiện tượng . Tuy nhiên trong một số ờng hợp việc ứng dụng phương pháp này tương đối phức tạp. 2. Phương pháp nhiệt động: Nghiên cứu quá trình chuyển hoá lượng dựa trên nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thứ hai nhiệt động học. Phương pháp nhiệt động học không giải thích được sâu sắc bản chất của hiện tượng nhưng nó lại có phạm vi ứng dụng sâu rộng hơn và ản hơn phương pháp thống kê .
II. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN Hệ nhiệt động gồm nhiều phân tử, nguyên tử (hoặc nhiều vật) thông thường có các thông số trạng thái là: Nhiệt độ, áp suất, thể tích, số lượng hạt, khối lượng và thế hóa… 1. Nhiệt độ: Nhiệt độ của một vật cho ta cảm giác về mức độ nóng lạnh của vật đó. Nhiệt độ là ại lượng vật lý, ặc trưng cho tính chất vĩ mô của vật thể hiện mức độ nhanh, chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử của vật đó. - Nhiệt độ ợc đo bằng nhiệt kế: Đo bằng cách đo sự biến thiên của 1 ại lượng nào đó theo nhiệt độ: VD: ộ cao cột thủy ngân, suất điện động… Đơn vị của nhiệt độ là độ (0). Tùy theo cách chia độ mà ta có các thang nhiệt độ (nhiệt giai) khác nhau:
-Nhiệt giai Celsius (nhiệt giai bách phân): kí hiệu là 0C. Trong nhiệt giai này, người ta chọn điểm tan của nước đá và ểm sôi của nước (ở áp suất 1 atm) là 00C và 1000C. Trong khoảng này, chia làm 100 phần đều nhau, mỗi phần gọi là 10C: t0C = -273,160C . - Nhiệt giai Kelvin (nhiệt giai Quốc tế): kí hiệu là K (thay vì oK) và được định nghĩa từ biểu thức: Wđ =3/2 (kT) trong đó T là nhiệt độ của vật, ị à kelvin (K); k = 1,38.10-23 (J/K) là hằng số Boltzmann. Hệ thức giữa nhiệt độ K và nhiệt độ Celsius là: T = t0C + 273,16 -Nhiệt giai Fahrenheit: kí hiệu là 0F. Trong nhiệt giai này, người ta chọn điểm tan của nước đá và ểm sôi của nước (ở áp suất 1 atm) là 320F và 2120F. Trong khoảng này chia làm 180 phần đều nhau, mỗi phần là 10F. Hệ thức liên hệ giữa nhiệt độ Celsius và ộ F: 9 0 5 0 T 0F t C 32 t 0C T F 32 5 9
2. Áp suất khí. Áp suất là một đại lượng vật lý có giá trị bằng lực nén vuông góc lên một đơn vị diện tích. Fn P S Đơn vị áp suất là N/m2 hay pascal (Pa). Còn dùng các đơn vị: Atmophe kỹ thuật, Milimet thuỷ ngân (còn gọi là tor) + atmosphere kỹ thuật, ký hiệu at: 1 at = trọng lượng của 1 kg nén lên 1 cm2 = 98066 Pa ≈ 9,81.104 Pa =736mmHg + atmosphere vật lý, ký hiệu atm: 1 atm = áp suất không khí trên mặt đất ở 00C = 101325 Pa = 1,033 at. + milimet thủy ngân, ký hiệu mmHg: 1 mmHg = áp suất ứng với làm dâng cột thủy ngân lên cao 1mm = 133,32 Pa. Theo thang này, áp suất không khí trên mặt đất là 760 mm Hg. 3. Thể tích khí: là thể tích của bình chứa.
III. NỘI DUNG CỦA THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ 1. Những cơ sở thực nghiệm về chất khí. Sự phụ thuộc của lực hút, lực đẩy vào khoảng cách: Khoảng cách nhỏ (r < 3.10-10m) thì lực đẩy mạnh hơn lực hút. Khoảng cách lớn thì (3.10-10 m < r < 15.10-10m) lực hút mạnh hơn lực đẩy. Khoảng cách rất lớn (r > 15.10-10m thì: lực tương tác không đáng kể
2. Các thể rắn lỏng khí: RẮN LỎNG KHÍ Lực tương tác Lớn hơn chất khí, nhỏ Rất mạnh Yếu hơn chất rắn Dao động quanh Dao động Chuyển động VTCB, có thể di Hỗn loạn quanh VTCB chuyển Hình dạng Xác định Phụ thuộc bình chứa Không xác định Thể tích Xác định Phần bình chứa Không xác định
3. Nội dung: Thuyết động học phân tử kế thừa những quan điểm cổ ại về cấu tạo vật chất, nó có thể tóm tắt bằng các luận điểm sau: - Các chất khí có cấu tạo gián đoạn và gồm một số rất lớn các ph tử. - Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng va chạm với nhau và va chạm với thành bình chứa. - Cường độ của c/đ được biểu hiện bởi nhiệt độ, Wđ (TB) T - Các phân tử ác với nhau bằng các lực hút và lực đẩy. Kích thước của các phân tử
IV. PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ Áp suất của khí có ến động năng của các phân tử khí và mật độ khí. Hệ thức liên hệ giữa áp suất, mật độ và ộng năng của các phân tử khí, gọi là ình cơ bản của Thuyết động học phân tử. 2 p nWđ 3 Hình 1: Va chạm của 1 phân tử khí với Hình 2: Trong thời gian dt, các phân tử có vận thành bình tốc vix nằm trong hình trụ này sẽ va vào diện tích
Đ ộ biến thiên động lượng theo phương O x: d p ix = m (v’ ix - m v ix = 2m v ix . Suy ra, áp lực vuông dp ix 2 m v ix góc m à phân tử khí này tác dụng lên thành bình là: f ix dt dt G ọi n i là m ật độ các phân tử khí chuyển động theo phương O x với vận tốc v ix thì m ật độ các phân tử đi theo chiều dương là n i/2. Suy ra, số hạt N i chuyển động với vận tốc v ix đến đập vuông góc vào thành bình trong thời gian dt phải nằm trong hình trụ có đáy là ΔS, chiều cao là v ix .dt. ni ni Ni V Sv ix dt 2 2 Á p lực do các phân tử này tác dụng vào thành bình là: Fix N i . f ix 2 m .n i S .v ix Á p lực của tất cả các phân tử khí c /đ với các vận tốc v x khác nhau đến va vào thành bình Fx trong thời gian dt là: Fx Fix S 2 m .n i .v ix Á p suất khí hướng O x là: Px 2 m .n i .v ix S Fy Fz Tương tự, ta cũng có áp suất theo các hướng O y, O z: Py 2 m .n i .v iy , Pz 2 m .n i .v iz S S D o tính hỗn loạn (không có hướng ưu tiên), nên p x = p y = p z = p 1 1 1 2 m v i2 2 p px py pz 2 m .n i v ix 2 v iy 2 v iz m .n i v i2 p ni ni W iđ 3 3 3 3 2 3 n i W id n i W id W đ là động năng trung bình của các p t khí, ta có: W đ = n i W id n W đ ni n 2 suy ra: p n W đ (1) 3 Trong đó: n = ni là nồng độ (hay m ật độ) phân tử khí – chính là số phân tử khí trong m ột đơn vị thể tích. W đ là động năng trung bình của các phân tử khí; p là áp suất của khí.
V. CÁC HỆ QUẢ CỦA PHƯƠNG TRÌNH 1. Phương trình trạng thái khí ởng: - Trạng thái của một hệ vật lý được mô tả bởi các thông số – gọi là thông số trạng thái. Thông số nào đặc trưng cho tính chất vi mô của hệ thì ta gọi đó là thông số vi mô; thông số nào đặc trưng cho tính chất vĩ mô của hệ thì ta gọi đó là thông số vĩ mô. - Trạng thái của một khối khí ởng có thể ợc mô tả bởi các thông số vĩ mô: nhiệt độ T, áp suất p và thể tích V. PT diễn tả mối quan hệ giữa các thông số ó, được gọi là ình trạng thái khí ởng. m pV RT nRT Còn gọi là ình Mendeleev – . Đó chính là ình trạng thái của một khối khí lí ởng bất kỳ. N m n = số mol khí NA R =k.NA = 1,38.10-23 .6,02.1023 = 8,31 (J/mol.K ) = 0,082 (atm.lít/ mol.K) = 0,084 (at.lít/mol.K).
2. Các định luật thực nghiệm về chất khí: a. ịnh luật Boyle – Mariotte: Khi T = const, suy ra: pV = const Hình 3: Đường đẳng nhiệt b. ịnh luật Gay Lussac: V V1 V2 Khi p = const, suy ra: T const T1 T2 Hình 4: Đường đẳng áp c. ịnh luật Charles: P P1 P2 Khi V = const, suy ra: T const T1 T2 Hình 5: Đường đẳng tích
3. ịnh luật phân bố ều năng lượng theo các bậc tự do. Boltzmann đã thiết lập được định luật phân bố ều của năng lượng chuyển động nhiệt theo các bậc tự : Một khối khí ở trạng thái cân bằng về nhiệt độ thì ợng chuyển động nhiệt của các 1 phân tử khí ợc phân bố ều theo bậc tự do, mỗi bậc là kT 2 3 Đối với khí ử, động năng TBcác phân tử khí là: Wđ = 2 kT 2Wd 3kT 3RT suy ra, vân tốc TB các phân tử khí là: v m m 4. Mật độ phân tử khí. 2 3 p 3 p p p nWd n= 3 2 Wd 2 3 kT kT 2 Ở : (số Loschmidt)
5. Quãng đường tự do trung bình Quãng đường tự do trung bình là đường mà ó tính một cách trung bình phân tử không bị va chạm với phân tử khác v 1 kT Z 2 d 2 n0 2 d2 p Thí dụ, chất khí , đường kính hiệu dụng phân tử là d = 0,29 nm, ở ều kiện bình thường T = 300 K, p = 1 at, có 110nm
6. Nội năng – nội năng của khí ởng: a. Khái niệm: Năng lượng của một hệ nhiệt động (hệ nhiều hạt) gồm có: Động năng do chuyển động có ớng, thế ủa hệ trong trường lực và phần năng lượng bên trong (nội năng) của hệ. Nội năng U của một hệ là phần năng lượng ứng với sự vận động ở bên trong hệ. Tùy theo tính chất chuyển động và ác của các phân tử cấu tạo nên vật thì nội năng gồm các phần sau: - ộng năng do c/đ hỗn loạn của các phân tử (quay và tịnh tiến) - Thế ác phân tử - ộng năng và thế ộng của các phân tử nguyên tử - ợng của các vỏ ện tử, các ngtử và ion, bên trong hạt nhân Đối với khí ởng nội năng bao gồm tổng động năng do chuyển động nhiệt Wđ của các phân tử cấu tạo nên hệ.
b. Biểu thức của nội năng khí ởng: i là số bậc tự do của các phân tử khí (số i i m tọa độ xác định các khả ển U nRT . RT 2 2 động của phân tử khí trong không gian) Khí ử có i =3, gồm Khí hai nguyên tử có i =5, gồm 3 3 tịnh tiến (x, y, z) tịnh tiến (x,y,z) và 2 quay ( , ). Khí ử có i =6, gồm 3 tịnh tiến (x,y,z) và 3 quay ( , , ).
VI. CÁC ĐỊNH LUẬT PHÂN BỐ