Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 1: Thuyết động học phân tử chất khí - Nguyễn Xuân Thấu
mT1
Chương 1
THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ
CHẤT KHÍ
Nguyễn Xuân Thấu -BMVL
1
HÀ NỘI
2016
CHƯƠNG 1. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ
NỘI DUNG CHÍNH
1. NHỮNG ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG CỔ ĐIỂN
2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG
3. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ
4. CÁC ĐỊNH LUẬT PHÂN BỐ PHÂN TỬ
2
1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Nhiệt học nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến những quá trình xảy
ra bên trong vật như vật nóng chảy, vật bay hơi,vật nóng lên khi ma sát…
những hiện tượng này liên quan đến chuyển động nhiệt.
Phương pháp thống kê: Sử dụng các quy luật của xác suất thống kê để
tính giá trị trung bình của các đại lượng trên cơ sở nghiên cứu các quá
trình xảy ra cho từng phân tử.
Phương pháp nhiệt động lực: Nghiên cứu quá trình trao đổi và biến hoá
năng lượng. Có phạm vi ứng dụng sâu rộng hơn và đơn giản hơn phương
pháp thống kê.
3
1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Nhiệt học nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến những quá trình xảy
ra bên trong vật như vật nóng chảy, vật bay hơi,vật nóng lên khi ma sát…
những hiện tượng này liên quan đến chuyển động nhiệt.
Phương pháp thống kê: Sử dụng các quy luật của xác suất thống kê để
tính giá trị trung bình của các đại lượng trên cơ sở nghiên cứu các quá
trình xảy ra cho từng phân tử.
Phương pháp nhiệt động lực: Nghiên cứu quá trình trao đổi và biến hoá
năng lượng. Có phạm vi ứng dụng sâu rộng hơn và đơn giản hơn phương
pháp thống kê.
4
1. NHỮNG ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG CỔ ĐIỂN
1.1. HỆ NHIỆT ĐỘNG
Hệ nhiệt động là một hệ vật lý bao gồm một số lớn các hạt – các nguyên tử
và phân tử - Các hạt này luôn thực hiện chuyển động nhiệt hỗn loạn và trao
đổi năng lượng cho nhau khi tương tác.
Vật còn lại ở ngoài hệ đang xét gọi là: ngoại vi, ngoại vật, môi trường
xung quanh
5
Hệ không cô lập
Hệ cô lập nhiệt
Hệ cô lập
Hệ cô lập cơ
1. NHỮNG ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG CỔ ĐIỂN
1.2. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI VÀ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI
Thông số trạng thái (Thông số nhiệt động)
Thông số trạng thái là tập hợp các đại lượng vật lý đặc trưng cho tính
chất vĩ mô của hệ: áp suất, khối lượng, nhiệt độ, thể tích…
- Thông số độc lập & thông số phụ thuộc
Phương trình trạng thái
6
Các phương trình biểu diễn mối liên hệ giữa các thông số độc lập và
thông số phụ thuộc (của một vật) được gọi là phương trình trạng thái (của
vật).
Ví dụ: f(p,V,T) = 0
1. NHỮNG ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG CỔ ĐIỂN
1.3. QUÁ TRÌNH
Quá trình
Quá trình là một chuỗi biến đổi liên tiếp các trạng thái.
Hàm của trạng thái (ví dụ nội năng U) là một đại lượng vật lý mà ứng
với mỗi trạng thái xác định của hệ, đại lượng đó có một giá trị xác định.
Khi trạng thái thay đổi, đại lượng đó nói chung thay đổi.
7
Hàm của quá trình (ví dụ công A, nhiệt Q) là một đại lượng vật lý chỉ
xuất hiện trong quá trình biến đổi trạng thái của hệ.
1. NHỮNG ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG CỔ ĐIỂN
1.4. ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ
Áp suất
Áp suất là một đại lượng vật lý có giá trị bằng lực nén vuông góc lên một
đơn vị diện tích.
F
Trong hệ SI, đơn vị đo áp suất là N/m2 hay Pascal (Pa).
p
S
1at 9,81.104 Pa 736mmHg
8
1. NHỮNG ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG CỔ ĐIỂN
1.4. ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ
Nhiệt độ là một đại lượng đặc trưng cho mức độ nóng lạnh của hệ. Nói
chính xác hơn, nó đặc trưng cho cường độ chuyển động của các phân tử
của hệ.
- Nhiệt giai Celsius (bách phân, độ C), nhiệt giai Kelvin (tuyệt đối, K),
nhiệt độ Fahrenheit…
T(K) t(0 C) 273
9
Nhiệt độ không tuyệt đối là trạng thái nhiệt động học lý tưởng của vật
chất, trong đó mọi chuyển động nhiệt đều ngừng. Nhiệt độ không tuyệt
đối được tính là 0°K trong Nhiệt giai Kelvin (-273,15°C hay -459,67°F)
2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
Mô hình khí lý tưởng: xem các phân tử khí là không tương tác với nhau
trừ lúc chúng va chạm và coi kích thước riêng của các phân tử là không
đáng kể so với khoảng cách giữa chúng, tức là coi chúng như những chất
điểm.
Trong thực tế có thể xem khí ở áp suất không lớn quá và nhiệt độ không
nhỏ quá như một khí lý tưởng.
10
2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
2.1. CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ
Định luật Boyle – Marriote (cho quá trình đẳng nhiệt): Với một khối khí
xác định (m = const) khi nhiệt độ tuyệt đối T của khối khí không đổi (T =
const) thì tích giữa áp suất và thể tích của khối khí là một hằng số:
pV const
p1V1 p2V2
11
Đường đẳng nhiệt
2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
2.1. CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ
Định luật Gay – Lussac (cho quá trình đẳng áp): Với một khối khí xác định
(m = const) khi áp suất của khối khí không đổi (p = const) thì thể tích của khối
khí tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối:
V
const
T
V V2
12
1
T T2
1
Đường đẳng áp
2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
2.1. CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ
Định luật Charles (cho quá trình đẳng tích): Với một khối khí xác định (m
= const) khi thể tích của khối khí không đổi (V = const) thì áp suất của khối
khí tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối:
p
const
T
13
p1 p2
T T2
1
Đường đẳng tích
2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
2.2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
Phương trình Mendeleev – Clapayron (cho 1 mol khí lý tưởng):
pV RT
- p, V, T – áp suất, thể tích và nhiệt độ của 1 mol khí bất kỳ
- 1 mol khí bất kỳ có chứa NA = 6,023.1023 phân tử, có khối lượng là μ (kg)
(gọi là phân tử khối).
- R là hẳng số khí lý tưởng
14
Phương trình trạng thái khí lý tưởng (cho một khối lượng khí m bất kỳ):
m
pV RT
2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
2.2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG
Giá trị của hằng số R:
Định luật Avogadro: ở cùng một nhiệt độ và áp suất, 1 mol các chất khí khác
nhau đều chiếm cùng 1 thể tích, cụ thể là: khi T0 = 273,16 K, p0 = 1,013.105 Pa
thì 1 mol khí chiếm 1 thể tích V0 = 22,410.10-3 m3.
p0V0
T0
J
R
8,31
15
mol.K
Khối lượng riêng của khí lý tưởng:
m
m RT
RT
p
RT
pV RT p
p
V
3. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ
3.1. NHỮNG CƠ SỞ THỰC NGHIỆM
- Số lượng các phân tử trong 1 mol là rất lớn: NA = 6,023.1023 hạt/mol – số
Avogadro
r0 1010 m
- Kích thước các phân tử rất nhỏ:
- Tổng thể tích các phân tử chất khí chiếm khoảng 1/1000 thể tích toàn bộ.
Tức là khoảng cách giữa các phân tử khí lớn hơn hàng chục lần kích thước
phân tử.
16
- Thực nghiệm chứng tỏ:
+ Ở khoảng cách r 3.1010 m các phân tử đẩy nhau;
10
+ Ở khoảng cách
các phân tử hút nhau;
r 3.10 m
+ Ở khoảng cách r 15.1010 m tương tác giữa các phân tử có thể bỏ qua.
3. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ
3.1. NHỮNG CƠ SỞ THỰC NGHIỆM
- Chuyển động của các phân tử: các phân tử chuyển động hỗn loạn không
ngừng (chuyển động Brown).
- Trong chất khí: Hoàn toàn hỗn loạn
- Trong chất lỏng: Dao động quanh vị trí cân bằng, đồng thời vị trí cân bằng
lại dịch chuyển.
- Trong chất rắn: Dao động quanh các vị trí cân bằng.
17
3. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ
3.2. NỘI DUNG THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ
1. Các chất có cấu tạo gián đoạn và gồm một số rất lớn các phân tử.
2. Các phân tử chuyển động hỗn loạn và không ngừng. Trong khi chuyển
động chúng va chạm với nhau và va chạm thành bình.
3. Kích thước các phân tử rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng; có thể
coi các phân tử như những chất điểm.
4. Các phân tử không tương tác với nhau trừ lúc va chạm. Sự va chạm giữa
các phân tử với nhau và với thành bình tuân theo quy luật va chạm đàn hồi.
Các giả thuyết (1) và (2) thỏa mãn đối với mọi chất khí, còn (3) và (4) chỉ
đúng với khí lý tưởng.
18
3. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ
3.3. PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ
Xét 1 cái bình hình lập phương, mật độ phân tử khí là n0. Vận tốc các phân tử
F
là tới đập vuông góc với thành bình. là lực vuông góc tác dụng lên 1 diện
v
tích của thành bình.
S
F
v.t
p
Áp suất:
S
Số phân tử trong hình trụ có đấy là ,
S
19
chiều cao
:
vt
n n0.v.t.S
Do các phân tử chuyển động hỗn loạn,
n 1
Nên số phân tử thực sự va chạm vào là:
n0.v.t.S
6 6
S
3. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ
3.3. PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ
Tìm lực f – của mỗi phân tử tác dụng lên thành bình
(
) , là lực mà thành bình tác dụng lên 1 PT.
f f f
v1
- Va chạm là đàn hồi nên vận tốc đổi chiều nhưng
độ lớn không thay đổi: v1 = v2 = v
- Xung của lực mà thành bình tác dụng lên phân tử
v2
trong khoảng thời gian
động lượng:
bằng độ biến thiên
t
20
x
2mv
2mv
f .t mv2 mv1 2mv f
f
t
t
Trong khoảng thời gian
có n/6 phân tử đập vào mặt
nên lực tác dụng
t
1
S
tổng hợp là:
n
F 1
F f n0.v.S.mv p
n0mv2
6
3
S 3
Tải về để xem bản đầy đủ
36 trang
25680
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 1: Thuyết động học phân tử chất khí - Nguyễn Xuân Thấu", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_vat_ly_dai_cuong_2_chuong_1_thuyet_dong_hoc_phan_t.pdf
- CẤU TRÚC ĐỀ THI HẾT MÔN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 1+2.pdf
