Các định luật chất khí (Phần 2) Viết bởi Trần NghiêmThứ ba, 30 Tháng 4 2013 16 29 8 7/10 33 lượt đọc Chúng tôi trích giới thiệu với các bạn một số bản dịch từ tác phẩm Những câu hỏi và bài tập vật lí[.]
Các định luật chất khí (Phần 2) Viết Trần NghiêmThứ ba, 30 Tháng 2013 16:29 8.7/10 - 33 lượt đọc Chúng tơi trích giới thiệu với bạn số dịch từ tác phẩm Những câu hỏi tập vật lí phổ thơng hai tác giả người Nga L Tarasov A Tarasova, sách xuất Nga năm 1968 Bản dịch lại từ tiếng Anh xuất năm 1973 Các giảng trình bày dạng thảo luận hỏi đáp giáo viên học sinh §20 Các định luật chất khí (Phần 2) >> Xem Phần GV: Trong trường hợp đó, tiếp tục Xét ví dụ sau Một chất khí giãn nở cho áp suất thể tích thỏa mãn điều kiện pV2 = const (110) Chúng ta xác định xem chất khí nóng lên hay lạnh giãn nở HS A: Tại nhiệt độ chất khí phải thay đổi? GV: Nếu nhiệt độ khơng đổi, điều có nghĩa chất khí giãn nở theo định luật Boyle Mariotte [phương trình (107)] Trong trình đẳng nhiệt, p (1/V), trường hợp phụ thuộc p vào V theo chất khác: p ˜ (1/V2) HS A: Có lẽ em nên thử vẽ đồ thị biểu diễn liên hệ này? Các đường cong có dạng Hình 76 GV: Đó ý hay Vậy đường cong cho thấy nào? HS A: Giờ em hiểu Ta thấy lần theo đường cong p (1/V2) phía thể tích tăng, chất khí từ từ cắt qua đường đẳng nhiệt gần gốc tọa độ hơn, tức đường đẳng nhiệt tương ứng với nhiệt độ giảm dần Điều có nghĩa q trình giãn nở chất khí lạnh GV: Khá xác Tôi nhắc lại phần trả lời em Tốt nên nói q trình giãn nở chất khí làm cho chất khí lạnh HS B: Ta tới kết luận giống phương pháp giải tích hay không? GV: Tất nhiên Ta xét hai trạng thái chất khí: p1, V1, T1 p2, V2, T2 Tiếp theo ta viết phương trình định luật chất khí kết hợp [xem phương trình (104)] cho trạng thái này: Theo phương trình này, rõ ràng nếu, ví dụ, thể tích chất khí tăng lên gấp đơi nhiệt độ (theo thang nhiệt độ tuyệt đối) giảm nửa HS A: Phải có nghĩa cho dù q trình nào, thơng số chất khí (p, V T) liên hệ với trường hợp theo định luật chất khí kết hợp? GV: Chính xác Định luật chất khí kết hợp xác lập mối liên hệ thơng số chất khí bất chấp q trình xét tới Bây xét chất trao đổi lượng chất khí mơi trường q trình khác Giả sử chất khí giãn nở Nó tác dụng lực lên vật kìm hãm thể tích (ví dụ piston xilanh) Hệ chất khí thực cơng lên vật Cơng chẳng khó tính giãn nở đẳng áp chất khí Giả sử chất khí giãn nở đẳng áp đẩy piston tiết diện S dịch đoạn Δll (Hình 77) Áp suất chất khí tác dụng lên piston p Tìm lượng cơng chất khí thực làm dịch chuyển piston: A = FΔl = (pS)Δll = (pS) Δll = p (SΔll) = p(V2 – V1) (112) Trong V1 V2 thể tích ban đầu thể tích lúc sau chất khí Cơng chất khí thực q trình phi đẳng áp khó tính áp suất biến thiên q trình chất khí giãn nở Trong trường hợp tổng qt, cơng thực chất khí thể tích tăng từ V1 đến V2bằng diện tích nằm đường cong p(V) tọa độ V1 V2 Cơng thực chất khí q trình giãn nở đẳng áp đẳng nhiệt từ thể tích V1 đến thể tích V2 biểu diễn tương ứng Hình 78 tồn phần diện tích gạch chéo phần gạch ca rô Trạng thái cuối hai trường hợp Như vậy, giãn nở, chất khí thực cơng lên vật xung quanh, làm tiêu hao phần nội Cơng thực chất khí phụ thuộc vào chất trình giãn nở Cũng nên lưu ý rằng, chất khí bị nén có cơng thực chất khí và, đó, nội tăng Tuy nhiên, xuất cơng khơng phải phương pháp trao đổi lượng chất khí mơi trường Ví dụ, giãn nở đẳng nhiệt, chất khí thực cơng Anhất định và, đó, tiêu hao phần lượng với công A Tuy nhiên, mặt khác, theo ngun lí nêu §18 [xem phương trình (98)], nhiệt độ khơng đổi chất khí q trình đẳng nhiệt nghĩa nội U khơng đổi (tơi nhắc lại với em Uđược xác định chuyển động nhiệt phân tử lượng trung bình phân tử tỉ lệ với nhiệt độ T) Câu hỏi đặt là: loại lượng dùng để thực công trường hợp cho? HS B: Rõ ràng nhiệt từ bên ngồi truyền cho chất khí GV: Đúng Bằng cách này, tới kết luận chất khí trao đổi lượng với mơi trường thơng qua hai kênh: cách thực công kèm với biến thiên thể tích chất khí, cách truyền nhiệt Sự cân lượng biểu diễn dạng sau: ΔlU = Q – A (113) Trong ΔlU độ tăng nội chất khí đặc trưng độ tăng nhiệt độ nó, Q nhiệt từ môi trường xung quanh truyền cho chất khí, A cơng chất khí thực lên vật xung quanh Phương trình (113) gọi định luật thứ nhiệt động lực học Lưu ý có tính vạn vật có khả áp dụng khơng cho chất khí, mà cịn cho vật khác HS B: Nói tóm lại, kết luận rằng, giãn nở đẳng nhiệt, toàn nhiệt truyền cho chất khí tức thời biến đổi thành cơng chất khí thực Như vậy, q trình đẳng nhiệt xảy hệ cô lập nhiệt GV: Khá xác Bây xét giãn nở đẳng áp chất khí từ quan điểm lượng HS B: Chất khí giãn Điều có nghĩa thực cơng Ở đây, thấy từ phương trình (106), nhiệt độ chất khí tăng lên, tức nội tăng lên Như vậy, trường hợp này, lượng nhiệt tương đối lớn phải truyền cho chất khí: phần nhiệt dùng để làm tăng nội chất khí phần cịn lại biến đổi thành cơng thực chất khí GV: Rất tốt Xét thêm ví dụ Một chất khí nung nóng cho nhiệt độ tăng thêm T Quá trình thực hai lần: lần thể tích khơng đổi lần sau áp suất khơng đổi Hỏi có tiêu hao lượng nhiệt để làm nóng chất khí hai trường hợp hay không? HS A: Em nghĩ HS B: Theo em lượng nhiệt tiêu hao khác Ở thể tích khơng đổi, khơng có cơng thực hiện, toàn nhiệt tiêu hao để làm tăng nội chất khí, tức làm tăng nhiệt độ Trong trường hợp Q1 = C1ΔlT (114) Ở áp suất không đổi, nóng lên chất khí ln kèm với giãn nở nó, lượng cơng thực A = p(V – V1) Nhiệt cung cấp Q2 phần dùng để làm tăng nội chất khí (tăng nhiệt độ nó) phần để thực công Như Q2 = C1ΔlT + p(V – V1) (115) Rõ ràng Q1 < Q2 GV: Tôi đồng ý với em B Thế em gọi lượng nhiệt cần thiết dùng để làm tăng nhiệt độ vật lên thêm độ gì? HS B: Nhiệt dung vật GV: Ta kết luận từ ví dụ vừa nêu xét nhiệt dung chất khí? HS B: Một chất khí có hai nhiệt dung khác nhau: thể tích khơng đổi áp suất không đổi Nhiệt dung thể tích khơng đổi (hệ số C1 hai phương trình trên) nhỏ nhiệt dung áp suất khơng đổi GV: Các em biểu diễn nhiệt dung đẳng áp theo C1, tức theo nhiệt dung đẳng tích hay khơng? HS B: Để em thử xem Ta kí hiệu nhiệt dung đẳng áp C2 Theo định nghĩa nhiệt dung, ta viết C2 = Q2/ΔlT Thay giá trị Q2 từ phương trình (115) vào ta C2 = C1 + p(V – V1)/ ΔlT (116) GV: Em dừng lại sớm Nếu áp dụng phương trình định luật chất khí kết hợp, ta viết p(V – V1) = (m/µ) R (T – T1) = (m/µ) RΔlT Sau thay vào phương trình (116) ta (117) C2 = C1 + (m/µ) R Khi xét phân tử gram chất khí (m = µ), mối liên hệ đơn giản nữa: C2 = C1 + R (118) Để kết luận, xét chu trình định gồm đường đẳng nhiệt, đường đẳng tích đường đẳng áp (xem Hình 79a trục p V dùng làm trục tọa độ) Hãy vẽ lại chu trình (định tính) hệ trục tọa độ với trục tọa độ V T, phân tích chất trao đổi lượng chất khí mơi trường đoạn chu trình HS B: Trong hệ trục với trục V T, chu trình có dạng minh họa Hình 79b GV: Khá xác Bây phân tích chất trao đổi lượng chất khí mơi trường đoạn riêng chu trình HS B: Ở đoạn 1-2, chất khí giãn nở đẳng nhiệt Nó nhận lượng nhiệt từ bên ngồi tiêu hao toàn nhiệt lượng để thực cơng Nội chất khí khơng thay đổi Ở đoạn 2-3 chu trình, chất khí nung nóng đẳng tích (thể tích khơng đổi) Vì thể tích khơng đổi nên khơng có cơng thực Nội chất khí tăng lên nhiệt từ bên ngồi truyền cho chất khí Ở đoạn 3-1, chất khí bị nén đẳng áp (áp suất khơng đổi) nhiệt độ giảm thấy Hình 79b Có cơng thực chất khí, nội giảm Điều có nghĩa chất khí truyền nhiệt mạnh cho mơi trường GV: Lí giải em xác HS A: Phần thảo luận cho em thấy em biết định luật chất khí Chúng ta có cần biết hết để bước vào kì thi hay khơng? Theo quan điểm em, số câu hỏi vừa thảo luận nằm ngồi khung chương trình học để thi GV: Nếu em chịu khó suy nghĩ kĩ thảo luận chúng ta, em thấy khơng bao quát câu hỏi trực tiếp liên quan đến định luật chất khí kết hợp dạng khái quát áp dụng trường hợp đặc biệt định Sự hoang mang em khơng phải mở rộng khung chương trình mà thực tế em không suy nghĩ hiểu định luật chất khí cách đủ thấu đáo Thật đáng tiếc, thí sinh thường khơng quan tâm chuyện hiểu sâu khái niệm bề định luật chất khí Vui lịng ghi rõ "NguồnThuvienvatly.com" đăng lại từ CTV ... số chất khí (p, V T) liên hệ với trường hợp theo định luật chất khí kết hợp? GV: Chính xác Định luật chất khí kết hợp xác lập mối liên hệ thông số chất khí bất chấp q trình xét tới Bây xét chất. .. liên quan đến định luật chất khí kết hợp dạng khái qt áp dụng trường hợp đặc biệt định Sự hoang mang em mở rộng khung chương trình mà thực tế em không suy nghĩ hiểu định luật chất khí cách đủ thấu... (1 12) Trong V1 V2 thể tích ban đầu thể tích lúc sau chất khí Cơng chất khí thực q trình phi đẳng áp khó tính áp suất biến thiên trình chất khí giãn nở Trong trường hợp tổng qt, cơng thực chất khí