CHƯƠNG 9: THUYẾT ĐỘNG HỌC

Chia sẻ: Tran Cong Phuc | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:47

Thêm vào BST

Báo xấu

198
lượt xem 62
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Theo mẫu "hành tinh nguyên tử, nguyên tử như một hệ hành tinh thu nhỏ. Ở tâm có hạt nhân nguyên tử mang điện dương. Chung quanh hạt nhân có các electron mang điện âm chuyển động. Electron và các hạt cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử (prôton và nơtron) là những hạt cơ bản. Ngoài những hạt vừa kể người ta còn biết được vào khoảng 200 hạt cơ bản khác.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: CHƯƠNG 9: THUYẾT ĐỘNG HỌC

CHƯƠNG 9 : THUYẾT ÐỘNG HỌC I. CẤU TẠO VẬT CHẤT. 1. Vật chất được cấu tạo bởi các phân tử. 2. Chuyển động Brown của phân tử. 3. Chuyển động khuyếch tán của phân tử. II. PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ THỐNG KÊ. 1. Xác suất. 2. Phép tính trung bình. III. THUYẾT ÐỘNG HỌC PHÂN TỬ IV. NHIỆT ÐỘ V. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG. VI. PHƯƠNG TRÌNH VAN DER WALLS. 1. Lực tương tác giữa hai phân tử. 2. Thế năng tương tác giữa hai phân tử 3. Quá trình va chạm giữa hai phân tử. 4. Phương trình Van der Walls. VII. SỨC CĂNG MẶT NGOÀI 1. Tính chất chung và cấu trúc phân tử của chất lỏng. 2. Hiện tượng căng mặt ngoài. 3. Hiện tượng dính ướt và không dính ướt. VIII. HIỆN TƯỢNG MAO DẪN. 1. Áp suất phụ. 2. Mao dẫn. IX. SỰ BIẾN ÐỔI PHA CỦA VẬT CHẤT 1. Các pha của vật chất. 2. Ðồ thị pha. 3. Ðồ thị pha tổng quát- Ðiểm ba. 4. Hiện tượng đổi pha và thuyết động học phân tử I. CẤU TẠO VẬT CHẤT 1. Vật chất được cấu tạo bởi các phân tử TOP
Theo mẫu "hành tinh nguyên tử í, nguyên tử như một hệ hành tinh thu nhỏ. Ở tâm có hạt nhân nguyên tử mang điện dương. Chung quanh hạt nhân có các electron mang điện âm chuyển động. Electron và các hạt cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử (prôton và nơtron) là những hạt cơ bản. Ngoài những hạt vừa kể người ta còn biết được vào khoảng 200 hạt cơ bản khác. 2. Chuyển động Brown của phân tử TOP Xét trong một khoảng thời gian ngắn, có vài phân tử chất lỏng va chạm vào một hạt Brown nào đó. Những va chạm đó đến từ các hướng khác nhau với các vận tốc khác nhau; Cho nên tổng xung lực (Lực tác dụng trong thời gian ngắn) của các phân tử chất lỏng tác dụng lên hạt đang xét theo các hướng là không cân bằng. Vì hạt Brown có khối lượng nhỏ, nên dưới tác dụng của các xung lực nói trên nó dễ dịch chuyển tức thời theo một hướng nhất định. Do chuyển động hỗn loạn của các phân tử,
tổng xung lực tác động lên hạt Brown thay đổi tức thời theo thời gian, làm cho quỹ đạo chuyển động của hạt Brown có đường gấp khúc. Nếu ta dùng các hạt to hơn thì ta không thấy chuyển động Brown. Bởi vì hạt có kích thước lớn nên số va chạm của các phân tử chất lỏng vào hạt rất lớn so với trường hợp hạt Brown. Khi đó, sự va chạm của các phân tử chất lỏng vào hạt từ mọi phía coi như bằng nhau, tổng xung lực của các phân tử chất lỏng tác dụng lên hạt xem như bằng không. Mặc khác, vì khối lượng của hạt là khá lớn, hạt có quán tính lớn không thể tham gia chuyển động Brown. Tuy nhiên với các hạt bụi chuyển động lơ lửng trong không khí, ta vẫn có thể thấy chuyển động Brown. 3. Chuyển động khuyếch tán của phân tử TOP Ðổ dung dịch sunphát đồng màu xanh vào một cốc thủy tinh có chứa nước màu trắng. Lúc đầu ta thấy có một ranh giới rõ rệt giữa hai chất nhưng sau một thời gian nào đó, không cần tác dụng bên ngoài thì chúng cũng sẽ hoà lẫn vào nhau và ranh giới nhoà dần. Ta nói các phân tử khuyếch tán vào nhau. Hiện tượng khuyếch tán xảy ra là do các phân tử của hai chất chuyển động xen lẫn vào nhau. Hơi Brôm (Br) trong lọ bay ra ngoài là một ví dụ khác về khuếch tán trong không khí. Khuyếch tán giữa hai chất khí xảy ra mạnh hơn trong chất lỏng. Khuyếch tán trong chất rắn xảy ra rất chậm so với trường hợp chất khí và chất lỏng. Ở nhiệt độ bình thường, sự khuyếch tán của hai kim loại vào nhau chỉ nhận thấy được sau vài tháng. Khuyếch tán là một chứng minh sự chuyển động của phân tử trong vật chất. Nhiều sự kiện chứng tỏ giữa các phân tử có lực tương tác (hút và đẩy) đối với nhau Lực nầy tạo ra tính chất hỗøn loạn của chuyển động của các phân tử. Ðộ lớn của lực tương tác giữa các phân tử trong các trạng thái khí, lỏng và rắn khác nhau nên tính chất chuyển động hỗùøn loạn của chuyển động các phân tử trong các trạng thái vật chất nói trên cũng khác nhau. Chuyển động nhiệt : Những hiện tượng Nhiệt có liên quan chặt chẽ đến chuyển động hỗn loạn của các phân tử cho nên chuyển động hỗn loạn của các phân tử còn được gọi là chuyển động nhiệt. II. PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ THỐNG KÊ TOP Trong cơ học vật rắn, Ðể nghiên cứu một hệ cấu tạo bởi một số rất lớn phân tử là không thể thực hiện được, bởi vì : - Sự tương tác giữa các phân tử rất phức tạp. - Phải viết và giải một số rất lớn các phương trình chuyển động của từng phân tử của hệ (ví dụ: ở điều kiện bình thường 1cm3 khí chứa vào khoảng 2,7.1019 phân tử hay 1cm3 kim loại chứa vào khoảng 1022 nguyên tử ).
Trong vật lý phân tử và nhiệt học, người ta dùng phương pháp vật lý thống kê, ở đó ta không xét chuyển động của mỗi phân tử riêng rẽ, mà xét chuyển động chung của một tập hợp rất lớn các phân tử cấu tạo nên vật. Ðể đặc trưng cho chuyển động chung của nhiều phân tử, ta phải lấy giá trị trung bình của động năng của các phân tử. Phương pháp vật lý thống kê nêu lên mối liên quan giữa những đại lượng đặc trưng cho tính chất vĩ mô của vật như nhiệt độ, áp suất, thể tích của toàn bộ vật với các giá trị trung bình của các đại lượng đặc trưng cho chuyển động của phân tử như vận tốc trung bình, xung lượng trung bình, động năng trung bình. 1. Xác suất TOP Khi nghiên cứu những hiện tượng ngẫu nhiên xảy ra nhiều lần theo những cách khác nhau như việc gieo con xúc xắc (một vật rắn đồng chất, hình lập phương, có 6 mặt đều đặn ghi số từ 1-6) thì một vấn đề được đặt ra là một con số nào đó hiện lên sau mỗi lần gieo xảy ra theo qui luật nào ? Nếu chỉ xét một lần gieo thì việc hiện một con số nào đó sẽ xảy ra một cách ngẫu nhiên. Ta gọi đó là một biến cố. Nếu muốn xét xem một con số nhất định (ví dụ con số 1) xuất hiện ngẫu nhiên bao nhiêu lần trong N lần gieo xúc xắc thì việc xuất hiện của con số nhất định đó gọi là biến cố mong muốn hay biến cố quan sát. Ta định nghĩa xác suất w của một biến cố nào đó là:
2. Phép tính trung bình. TOP Khái niệm xác suất giúp ta xác định được giá trị trung bình của những gía trị khác nhau xuất hiện một cách ngẫu nhiên trong một quá trình nào đó. Ví dụ tìm giá trị trung bìnhĠ của những con số lật lên khi gieo xúc xắc nhiều lần.
Ta thấy việc lật lên con số này hay con số khác là ngẫu nhiên nhưng giá trị trung bình của những con số lật lên lại có giá trị hoàn toàn xác định. Như vậy, mặc dù các đại lượng đặc trưng cho chuyển động của từng phân tử (động năng, vận tốc) có thể có giá trị ngẫu nhiên, bất kỳ nhưng các giá trị trung bình của các đại lượng đó thì có giá trị hoàn toàn xác định. Kết quả nói trên chỉ đúng khi xét một hệ gồm một số rất lớn các phân tử. Vì vậy ta nói phép tính trung bình có tính chất thống kê. Ngoài phương pháp vật lý thống kê người ta còn dùng phương pháp nhiệt động lực học. Phương pháp nhiệt động lực học không khảo sát các quá trình chuyển động của các phân tử mà dựa vào việc hình thành các hàm phân bố về vận tốc và động năng của các hạt theo nhiệt độ từ đó thiết lập các thế nhiệt động. III. THUYẾT ÐỘNG HỌC PHÂN TỬ TOP Ðể xây dựng công thức cơ bản của thuyết động học phân tử ta hãy tính áp suất được tạo ra khi các phân tử khí va chạm với thành bình. Lực của các phân tử khí tác dụng lên thành bình bằng và ngược chiều với lực của thành bình tác dụng lên các phân tử khí, ta có:
IV. NHIỆT ÐỘ TOP Khi để hai vật tiếp xúc với nhau thì các phân tử của hai vật do chuyển động hỗn loạn, sẽ va chạm vào nhau và do đó có sự trao đổi năng lượng. Vật có động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử lớn hơn thì ta nói đó là vật nóng hơn và sẽ bị mất bớt năng lượng. Vật mà động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử nhỏ hơn (vật lạnh hơn) thì sẽ nhận thêm năng lượng. Nhiệt lượng là phần năng ượng của chuyển động nhiệt hổn loạn của các phân tử do vật nóng hơn truyền cho các phân tử của vật lạnh hơn. Thông thường ta hiểu vật nóng thì có nhiệt độ cao hơn vật lạnh. Khi để hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau thì có sự truyền động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp. Sự truyền năng lượng này chỉ ngừng lại khi hai vật có nhiệt độ bằng nhau, hay động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử bằng nhau. Vì lý do này, người ta có thể chọn động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử trong mỗi vật làm thước đo nhiệt độ của vật đó. Người ta dùng nhiệt độ ( được xác định bằng công thức (9.9) tính áp suất p
Tóm lại: Nhiệt độ cũng như động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử là đại lượng có liên quan chặt chẽ với mức độ nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử. Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho tính chất vĩ mô của vật, cho sự nhanh chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật đó. Mối liên quan giữa nhiệt độ đo bằng đơn vị năng lượng với nhiệt độ đo bằng đơn vị độ được biểu thị bằng công thức
Vì động năng trung bình chỉ có gía trị dương nên nhiệt độ tuyệt đối không thể giá trị âm. Nếu sau này ta gặp khái niệm nhiệt độ tuyệt đối âm thì không nên hiểu rằng nhiệt độ đó có giá trị thấp hơn nhiệt độ tuyệt đối. V. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG TOP
VI. PHƯƠNG TRÌNH VAN DER WAALS TOP Phương trình trạng thái của khí lý tưởng chỉ phản ánh gần đúng những tính chất của khí thực trong một phạm vi nhất định. Ở áp suất cao hoặc nhiệt độ tương đối thấp (gần nhiệt độ để chất khí ngưng tụ thành chất lỏng), xuất hiện những sai lệch đáng kể giữa kết quả lý thuyết và thực nghiệm.
Ðối với khí lý tưởng ta hoàn toàn bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử trừ lúc va chạm. Ðối với khí thực, chỉ ở áp suất và nhiệt độ bình thường thì lực tương tác giữa các phân tử khí là nhỏ và có thể bỏ qua, khi đó kết quả trên tính toán với khí lý tưởng mới phù hợp với khí thực. 1. Lực tương tác giữa hai phân tử TOP Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh các phân tử vừa hút vừa đẩy nhau. Bản chất của lực tương tác về căn bản là lực điện. Phân tử đơn giản nhất có một nguyên tử gồm hạt nhân tích điện dương và chung quanh có một vành điện tử tích điện âm. Phân tử như vậy thường là một lưỡng cực điện; tức là một hệ hai điện tích khác dấu, ở cách nhau một khoảng nào đó. Cường độ điện trường của một điện tích điểm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Phân tử nhiều nguyên tử thường không phải là lưỡng cực điện mà là một hệ điện phức tạp hơn có thể là tứ cực điện v.v... 2. Thế năng tương tác giữa hai phân tử TOP
3. Quá trình va chạm giữa hai phân tử TOP a) Mô tả hiện tượng : Xét hai phân tử A và B, do chuyển động nhiệt chúng đang tiến lại gần nhau. Theo tính tương đối của chuyển động ta xem phân tử A đứng
yên (so với B) và phân tử B tiến lại gần A theo phương AB. Vậy khi B tiến đến gần A, ngoài thế năng tổng cộng ứng với lực hút và lực đẩy: b) Ðồ thị của thế năng tổng hợp.
Nếu xảy ra trường hợp va chạm "tay ba" có một phân tử thứ ba lấy bớt năng lượng của phân tử B sao cho đường mức năng lượng E đi qua D thì phân tử B sẽ đứng cân bằng tại L, nhưng trạng thái này rất hiếm xảy ra và sẽ không bền vì do chuyển động nhiệt sẽ có phân tử khác "va chạm" vào phân tử B và trạng thái cân bằng nói trên bị phá vỡ ngay. 4. Phương trình Van der Walls ( phương trình trạng thái của TOP khí thực) Sự sai khác cơ bản giữa khí lý tưởng và khí thực về lực tương tác giữa các phân tử đã được Van der Walls vận dụng để hiệu chỉnh phương trình trạng thái khí lý tưởng do tác dụng của lực tương tác tổng hợp giữa các phân tử là lực đẩy hoặc là lực hút. Từ đó ông đã xác lập được phương trình trạng thái của khí thực (1873) mang tên phương trình Van der Walls a) Hiệu chỉnh do tác dụng của lực tương tác tổng hợp là lực đẩy.
Bây giờ ta hãy tính giá trị của b. Phép tính chính xác về giá trị của b rất phức tạp, dưới đây ta nêu ra một cách tính đơn giản và gần đúng.
Trong đó k là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào số va chạm của các phân tử. Tóm lại giá trị của b ứng với 1 mol khí thực gần đúng bằng 4 lần tổng thể tích của các phân tử khí có trong một mol khí đó. b) Hiệu chỉnh do lực tương tác tổng hợp là lực hút.