CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM về CHẤT KHÍ

Chương IV CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ I Một số khái niệm: Thông số trạng thái PTTT Để biểu diễn trạng thái khối khí định, người ta dùng thơng số trạng thái : thể tích V, áp suất p nhiệt độ T khối khí PT trạng thái khối khí có dạng tổng qt f ( p, V, T) = Áp suất: đại lượng vật lý có giá trị lực nén vng góc lên đơn vị diện tích F p S F lực nén vng góc lên diện tích  S • • • • • • Đơn vị : N/m2 = 1Pa (Pascal) at = 9,81.104 N/m2 atm = 1,013.105 N/m2 mmHg (tor) áp suất tạo trọng lượng cột thủy ngân cao 1mm 1at = 736 mmHg = 9,81.104 N/m2 1atm = 760 mmHg = 1,013.105 N/m2 Nhiệt độ: đại lượng vật lý đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử vật Trong thang nhiệt độ bách phân, nhiệt độ ký hiệu 0C Trong thang nhiệt độ tuyệt đối ( gọi thang nhiệt độ Kelvin), nhiệt độ ký hiệu K Gọi T nhiệt độ thang tuyệt đối, t nhiệt độ thang bách phân, ta có cơng thức : T = t +273,16 Trong tính tốn đơn giản ta thường lấy: T = t + 273 Nhiệt chuyển pha Khi vật rắn hay lỏng hấp thụ nhiệt, nhiệt độ khơng thiết phải tăng lên mà thay đổi trạng thái (pha) sang trạng thái (pha) khác * Khi chuyển từ pha lỏng sang pha khí ( vật phải thu nhiệt) từ khí sang lỏng (vật phải tỏa nhiệt) nhiệt lượng q trình biến đổi gọi nhiệt hóa : Q = mLV * Khi chuyển từ pha rắn sang pha lỏng ( vật phải thu nhiệt) từ lỏng sang rắn (vật phải tỏa nhiệt) nhiệt lượng q trình biến đổi gọi nhiệt nóng chảy: Q = mLf II Các định luật thực nghiệm chất khí: Định luật Boilơ-Mariơt: Trong q trình biến đổi đẳng nhiệt ( T = const) khối khí thì: pV  const Các định luật Gay-Lussac a)Trong q trình biến đổi đẳng tích ( V = const ) khối khí p  const T b)Trong trình biến đổi đẳng áp (p = const) khối khí thì: V  const T Định luật Dalton: Cho hỗn hợp khí nhiệt độ T Áp suất hỗn hợp khí tổng áp suất riêng phần P   Pi n i 1 III PTTT khí lý tưởng Khí lý tưởng khí tn hồn tồn xác hai định luật Boiler-Mariotte Gay-Lussac Phương trình trạng thái KLT khối khí khối lượng m, khối lượng phân tử  , thể tích V, áp suất p : m pV  RT  J J R  8,31  8,31.10 mol.K kmol.K số khí lý tưởng IV Thuyết động học phân tử 1.Nội dung: Theo quan điểm TĐH phân tử, khối khí lý tưởng hệ gồm số lớn phân tử giống nhau, kích thước nhỏ khơng đáng kể, không tương tác với (trừ va chạm), phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng khơng có tác dụng bên ngồi mật độ phân tử khí phân bố đồng chuyển động phân tử hồn tồn có tính đẳng hướng PT bản: Xét phân tử khí chuyển động với vận tốc v1 theo phương x đập thẳng góc vào diện tích S thành bình Trong trường hợp phân tử khí có cấu tạo đơn ngun tử phân tử khí biểu thị cầu nhỏ, khối lượng m Sau va chạm phân tử khí bắn với vận tốc v2 , va chạm giả thiết hoàn toàn đàn hồi nên: V ∆t x   v1  v2  vx v1 v2 Kết quả: F  no mv S Vì vận tốc phân tử có phương khơng phải tất theo phương x, tổng quát vận tốc phân tử có thành phần vx , vy , vz ,nên v x gọi giá trị trung bình v x x v  v v v 2 x y z v v v v 2 x y z chuyển động phân tử có tính đẳng hướng nên v v v v  x y z Vậy Áp suất F  no mv S   F mv P   no mv  no   S 3   mv 2 Wd   P  no Wd Wd giá trị trung bình động phân tử khí Hệ quả: PTTTKLT cho mol khí: 2 PV  RT  noVWđ  RT  N AWđ  RT 3 n0V = NA số phân tử mol (số Avogadro) Vậy: 3R Wđ  T  kT 2NA R  k 1,38.1023J / K : NA số Boltzmann V Nội Năng lượng hệ gồm động ứng với chuyển động có hướng ( chuyển động cơ) hệ, hệ trường lực phần lượng ứng với vận động bên hệ tức NỘI NĂNG hệ: W = Wđ + Wt + U Đối với khí lý tưởng nội tổng động chuyển động nhiệt phân tử cấu tạo nên hệ * Nội có tính cộng nghĩa nội hệ vật vĩ mô tổng nội vật vĩ mô riêng rẽ * Nội hàm trạng thái 1.Số bậc tự : số bậc tự hệ học số tọa độ cần thiết để xác định vị trí hệ khơng gian • Đối với phân tử đơn nguyên tử, số bậc tự i = (3 bậc tự tịnh tiến) • Đối với phân tử lưỡng nguyên tử (liên kêt rắn), số bậc tự i = (3 bậc tự tịnh tiến bậc tự quay ) • Đối với phân tử có số ngun tử lớn hay (liên kết rắn), số bậc tự i = (3 bậc tự tịnh tiến bậc tự quay) 2.Định luật phân bố lượng theo số bậc tự do Boltzmann đưa : Ở trạng thái cân nhiệt động bậc tự tịnh tiến quay phân tử khí có động trung bình (1/2)kT 3.Biểu thức nội KLT Theo biểu thức động trung bình phân tử khí có cấu tạo đơn ngun tử 3R Wđ  T  kT 2N A Vậy biểu thức động trung bình phân tử khí trường hợp tổng quát : i Wđ  kT i số bậc tự phân tử khí Suy ra: * Nội mol khí lý tưởng: i i U  N AWđ  N AkT  RT 2 * Nội khối khí lý tưởng khối lượng m: m i U  RT  µ khối lượng mol Ví dụ: Có 10g khí oxy nhiệt độ 10o C,áp suất 3at Sau hơ nóng đẳng áp, khối khí chiếm thể tích 10l Tìm: a) Thể tích khối khí trước dãn nở? b) Nhiệt độ khối khí sau dãn nở? c) Khối lượng riêng khối khí trước dãn nở? d) Khối lượng riêng khối khí sau dãn nở? PT trạng thái khí trước hơ nóng: M RT1 a) p1V1   MR 10.8,31 3  V1  283  2, 4.10 m T1  3.9,81.10 32 p1 b) M p2V2  RT2   p2V2 32.3.9,81.10 10.10  T2    1133K MR 10.8.31 3 c) d) M  p1 1    4,14kg / m V1 RT1 M  p2 1    1kg / m V2 RT1 Có 10kg khí đựng bình kín, áp suất 107 N/m2 Người ta lấy bình lượng khí áp suất khí cịn lại bình 2,5.106 N/m2 Coi nhiệt độ khối khí khơng đổi Tìm lượng khí lấy PT trạng thái khí lý tưởng: m1 m2 p1V  RT ; p2V  RT   (m1  m2 )  ( p1  p2 )V  RT  ( p1  p2 ) V ( p1  p2 )m1  m1  m2   RT p1 (10  2,5.10 ) 10  7,5kg  10 Có hai bình cầu nối với ống có khóa, đựng chất khí Áp suất bình thứ 2.105 N/m2 , bình thứ hai 106N/m2 Mở khóa nhẹ nhàng để hai bình thơng với cho nhiệt độ khí khơng đổi Khi cân bằng, áp suất hai bình 4.105 N/m2 Tìm thể tích bình cầu thứ hai, biết thể tích bình cầu thứ 15dm3 PT trạng thái khí hai bình trước mở m1  p1V1 khóa: p1V1  RT  m1  ; RT   p2V2 m2 p2V2  RT  m2  RT  PT trạng thái khí sau mở khóa: m1  m2 p(V1  V2 )  RT  p1V1  p2V2  ( p1  p)V1  V2   5.103 m3 p  p2 ... nhiệt nóng chảy: Q = mLf II Các định luật thực nghiệm chất khí: Định luật Boilơ-Mariơt: Trong q trình biến đổi đẳng nhiệt ( T = const) khối khí thì: pV  const Các định luật Gay-Lussac a)Trong q... tích ( V = const ) khối khí p  const T b)Trong trình biến đổi đẳng áp (p = const) khối khí thì: V  const T Định luật Dalton: Cho hỗn hợp khí nhiệt độ T Áp suất hỗn hợp khí tổng áp suất riêng... riêng phần P   Pi n i 1 III PTTT khí lý tưởng Khí lý tưởng khí tn hồn tồn xác hai định luật Boiler-Mariotte Gay-Lussac Phương trình trạng thái KLT khối khí khối lượng m, khối lượng phân tử