Bài giảng Vật lý phân tử và nhiệt học - ĐH Phạm Văn Đồng

TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG<br /> KHOA CƠ BẢN<br /> <br /> NGUYỄN THỊ KIỀU THU<br /> <br /> BÀI GIẢNG<br /> <br /> VẬT LÝ PHÂN TỬ VÀ NHIỆT HỌC<br /> <br /> Quảng Ngãi, 2016<br /> <br /> 1<br /> <br /> LỜI NÓI ĐẦU<br /> Học phần Vật lý phân tử và nhiệt học gồm có hai phân môn: Vật lý phân tử<br /> (VLPT) và nhiệt động lực học (NĐLH).Trong VLPT ngƣời ta vận dụng quan điểm vi<br /> mô và phƣơng pháp thống kê, còn trong NĐLH ngƣời ta vận dụng quan điểm vĩ mô<br /> và phƣơng pháp nhiệt động lực học để nghiên cứu.<br /> Bài giảng gồm có 8 chƣơng, trong đó hai phân môn VLPT và NĐLH đƣợc trình<br /> bày xen kẽ; các chƣơng 2, 3, 4, 7 và 8 thuộc phân môn VLPT; còn chƣơng 5 và<br /> chƣơng 6 thuộc phân môn NĐLH. Ngoài ra chƣơng 1 là chƣơng mở đầu, cung cấp<br /> cho sinh viên những khái niệm cơ bản trƣớc khi nghiên cứu học phần.<br /> Tập bài giảng này đƣợc biên soạn dùng cho sinh viên sƣ phạm ngành Vật lý.<br /> Trên cơ sở tham khảo các tài liệu, giáo trình kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy của<br /> mình, ngƣời biên soạn đã sắp xếp lại các kiến thức một cách có hệ thống, khoa học,<br /> chi tiết với mong muốn giúp cho sinh viên dễ dàng trong việc tiếp thu kiến thức. Sau<br /> mỗi chƣơng có phần câu hỏi và bài tập cho sinh viên tự học.<br /> Mặc dù rất cố gắng nhƣng trong quá trình biên soạn không thể không có những<br /> thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô, đồng nghiệp<br /> và các bạn sinh viên để bài giảng hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa<br /> chỉ email: ntkthu@pdu.edu.vn. Xin chân thành cảm ơn!<br /> Ngƣời biên soạn<br /> <br /> 2<br /> <br /> CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU<br /> 1.1.<br /> <br /> Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu<br /> <br /> 1.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu<br /> Vật lý phân tử và nhiệt học nghiên cứu các hiện tƣợng liên quan đến các quá<br /> trình xảy ra bên trong vật là quá trình chuyển động nhiệt.<br /> 1.1.2. Phƣơng pháp nghiên cứu<br /> Ngƣời ta sử dụng hai phƣơng pháp:<br /> Phƣơng pháp thống kê: phân tích các quá trình xảy ra đối với từng phân tử,<br /> nguyên tử riêng biệt trên quan điểm vi mô, rồi dựa vào qui luật chung cho cả tập hợp<br /> các phân tử, từ đó giải thích các tính chất của vật.<br /> Phƣơng pháp nhiệt động lực học: nghiên cứu sự biến đổi năng lƣợng vật từ<br /> dạng này sang dạng khác trên quan điểm vĩ mô. Phƣơng pháp dựa trên hai nguyên lý<br /> cơ bản của nhiệt động học đƣợc rút ra từ thực nghiệm. Từ đó, rút ra đƣợc những tính<br /> chất của vật trong các điều kiện khác nhau mà không cần chú ý đến cấu tạo phân tử.<br /> Trong học phần này chúng ta sẽ dùng cả hai phƣơng pháp trên để nghiên cứu<br /> các vấn đề của chuyển động nhiệt.<br /> 1.2.<br /> <br /> Hệ nhiệt động<br /> <br /> 1.2.1. Hệ nhiệt động<br /> Hệ nhiệt động là một tập hợp các vật thể đƣợc bao bọc bởi một bề mặt chu vi.<br /> Các vật thể có thể là các cá thể có kích thƣớc vĩ mô, cũng có thể là các phân tử,<br /> nguyên tử có kích thƣớc vi mô.<br /> Bề mặt chu vi có thể là thực, chẳng hạn nhƣ chu vi của một bình đựng khí,<br /> cũng có thể là ảo nhƣ bề mặt bao quanh một lƣợng chất lỏng chảy dọc theo một ống<br /> mà ta tƣởng tƣợng.<br /> Nhƣ vậy, khái niệm “hệ nhiệt động” là một khái niệm rộng và tổng quát.<br /> 1.2.2. Hệ con<br /> Hệ con là một phần của hệ, với số cá thể ít hơn và có thể tích bé hơn.<br /> <br /> 3<br /> <br /> Hệ có thể xem nhƣ đƣợc cấu tạo bởi nhiều hệ con. Hệ con chịu ảnh hƣởng của<br /> phần còn lại của hệ lên nó, nên trạng thái của hệ con luôn thay đổi.<br /> 1.2.3. Khoảng ngoài<br /> Phần còn lại ở ngoài hệ đƣợc gọi là khoảng ngoài.<br /> 1.2.4. Hệ cô lập<br /> Hệ cô lập là hệ hoàn toàn không tƣơng tác và trao đổi năng lƣợng với khoảng<br /> ngoài.<br /> 1.2.5. Hệ cô lập một phần<br /> Hệ có trao đổi công mà không trao đổi nhiệt với khoảng ngoài thì đƣợc gọi là<br /> hệ cô lập về nhiệt, ngƣợc lại hệ có trao đổi nhiệt nhƣng không tra đổi công thì đƣợc<br /> gọi là hệ cô lập về công. Những hệ nhƣ vậy, ta gọi là hệ cô lập một phần.<br /> 1.3.<br /> <br /> Trạng thái một hệ nhiệt động<br /> <br /> 1.3.1. Thông số trạng thái<br /> Trạng thái của một hệ nhiệt động đƣợc xác định bởi một bộ các đại lƣợng vật<br /> lý, các đại lƣợng này đƣợc gọi là thông số trạng thái của hệ.<br /> Ví dụ: Đối với một khối khí, trạng thái của nó đƣợc xác định khi biết áp suất p,<br /> nhiệt độ T, thể tích khối khí V. Vậy p, V, T là các thông số trạng thái của khối khí.<br /> Hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động là trạng thái mà khi đó mọi nơi trong hệ<br /> đều có cùng một áp suất, cùng nhiệt độ.<br /> Về phƣơng diện vĩ mô, ta có thể chia thông số trạng thái làm hai loại:<br /> a. Thông số quảng tính: là thông số mà độ lớn của nó tỉ lệ với khối lƣợng của<br /> hệ. Ví dụ: thể tích V<br /> b. Thông số cƣờng tính: là thông số mà độ lớn của nó không phụ thuộc vào<br /> khối lƣợng của hệ. Ví dụ: áp suất, nhiệt độ, mật độ…<br /> 1.3.2. Phƣơng trình trạng thái<br /> Các thông số trạng thái của hệ không hoàn toàn độc lập với nhau, mỗi thông số<br /> là một hàm của các thông số còn lại.<br /> Phƣơng trình trạng thái là hệ thức liên hệ các thông số trạng thái.<br /> 4<br /> <br /> Đối với một khối khí: F(p, V, T) = 0.<br /> 1.4.<br /> <br /> Áp suất<br /> Áp suất là đại lƣợng vật lý có giá trị bằng áp lực tác dụng lên một đơn vị diện<br /> <br /> tích bề mặt.<br /> <br /> p=<br /> <br /> F<br /> S<br /> <br /> (1.1)<br /> <br /> Đơn vị:<br /> Trong hệ SI: áp suất có đơn vị N/m2, Pa.<br /> Ngoài ra, áp suất còn có đơn vị: mmHg, atm, at…với<br /> 1at = 9,81.104N/m2<br /> 1atm = 1,013.105N/m2<br /> 1atm = 1,033at = 760mmHg<br /> 1at = 736mmHg<br /> Đối với khối khí đựng trong bình chứa thì áp suất khí là áp lực tác dụng lên<br /> một đơn vị diện tích thành bình. Áp lực này là do sự va chạm giữa các phân tử khí và<br /> thành bình gây nên.<br /> 1.5.<br /> <br /> Nhiệt độ<br /> <br /> 1.5.1. Nhiệt độ<br /> Nhiệt độ là đại lƣợng đặc trƣng cho trạng thái của một vật. Khái niệm trung<br /> tâm của nhiệt động lực học là nhiệt độ. Khái niệm về nhiệt độ đƣợc xuất phát từ cảm<br /> giác nóng, lạnh. Khi ta sờ tay vào vật, ta có thể biết vật này nóng, vật kia lạnh, vật này<br /> nóng hơn vật kia…Tuy nhiên, cảm giác chúng ta không phải luôn luôn đúng. Chẳng<br /> hạn trong ngày mùa đông giá lạnh, khi ta sờ tay vào một thanh sắt ta cảm thấy lạnh<br /> hơn so với thanh gỗ, mặc dù cả hai đều có cùng nhiệt độ. Sự cảm nhận khác nhau này<br /> là do sắt dẫn nhiệt nhanh hơn so với gỗ. Do vậy, để đo nhiệt độ, ta sử dụng nhiệt kế.<br /> Các tính chất của vật thông thƣờng phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ thay<br /> đổi thì bản chất của vật cũng thay đổi theo. Ví dụ: độ dài, thể tích, điện trở, chiết<br /> suất…<br /> <br /> 5<br /> <br />