Bg vat ly 1 phan 1 3439

TRƯỜN G ĐẠI HỌC VÕ TRƯỜNG TOẢN KHOA DƯỢC  BÀI GIẢNG MÔN HỌC VẬT LÝ Đơn vị biên soạn: KHOA DƯỢC XÁC NHẬN BCN KHOA DƯỢC Hậu Giang – Năm 2018 PHẦN THỨ NHẤT: CƠ HỌC BÀI MỞ ĐẦU: CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠNG Chuyển động học: Là thay đổi vị trí vật hay phận vật không gian theo thời gian Chất điểm: Là vật có khối lượng có kích thước nhỏ khơng đáng kể so với khoảng cách mà ta khảo sát Một tập hợp chất điểm gọi hệ chất điểm (Một vật coi tập hợp vơ số chất điểm) Chất điểm có tính tương đối Ví dụ: Electron chuyển động qũi đạo quanh hạt nhân; Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời coi chất điểm Hệ qui chiếu: Vật chọn làm mốc, với hệ toạ độ đồng hồ gắn liền với nó, để xác định vị trí vật khác, gọi hệ qui chiếu Phương trình chuyển động chất điểm: Trong hệ toạ độ Đề các, vị trí chất điểm M thời điểm xác định r toạ độ x, y, z bán kính véc tơ r , hàm thời gian x = x (t); y = y (t); z = z (t) r r r = r (t) Các phương trình gọi phương trình chuyển động chất điểm Quỹ đạo chuyển động: Quỹ đạo chuyển động đường mà chất điểm vạch không gian chuyển động Muốn xác định dạng quỹ đạo, ta phải tìm phương trình quỹ đạo Phương trình quỹ đạo phương trình biểu diễn mối quan hệ toạ độ Ví dụ: y = ax2 + bx +c (Quỹ đạo parabol) Tính chất tương đối chuyển động: Chuyển động có tính tương đối, tuỳ theo hệ qui chiếu ta chọn, vật coi đứng yên hay chuyển động Ví dụ: Một người đứng yên tàu hoả, lại chuyển động so với bên đường Đơn vị đo lường: Mỗi thuộc tính đối tượng vật lý đặc trưng hay nhiều đại lượng vật lý Một vấn đề vật lí học đo lường đại lượng vật lý Người ta phải chọn đại lượng làm mẫu gọi đơn vị Từ năm 1965 người ta chọn hệ đo lường quốc tế Si (System International - Hệ quốc tế) Bảng 1: Bảy đại lượng vật lý hệ SI Chiều dài L met m Khối lương M kilogam kg Thời gian T giây s Cường độ dòng điện I ampe A Cường độ sáng J candela Cd Nhiệt độ θ kelvin K Lượng vật chất N mol Mol Muốn biểu diễn số nhỏ hay lớn, người ta dùng luỹ thừa 10 Ví dụ: 3,6 mA = 3,6.10-3A 2,0 nm = 2,0.10-9nm Bảng Thừa số Tên tiền tố Kí hiệu Thừa số Tên tiền tố Ký hiệu 1012 Tera T 10-1 dexi d 109 Giga G 10-2 centi c 106 Mega M 10-3 mini m 103 Kilo K 10-6 micro μ 102 Hecto H 10-9 nano n 101 Deca D 10-12 pico p 10 Thứ nguyên Thứ nguyên đại lượng vật lí cơng thức nêu lên phụ thuộc đại lượng vào đại lượng Ví dụ: Vận tốc = Chiều dài / Thời gian Ta kí hiệu thứ nguyên vận tốc là: [Vận tốc] = L/T = LI-1 Đơn vị vận tốc là: m/s Nhờ khái niệm thứ nguyên ta kiểm nghiệm lại độ đắn công thức vật lý hai vế cơng thức vật lý phải có thứ ngun Ví dụ: Công thức chu kỳ lắc: Thứ nguyên hai vế là: Như mặt thứ nguyên công thức hợp lý Các đại lượng vật lý: Mỗi thuộc tính đối tượng vật lý (Một vật thể, tượng, trình ) đặc trưng hay nhiều đại lượng vật lý Ví dụ: Khối lượng, thời gian, thể tích, lực, lượng Các đại lượng vật lí vô hướng hay đại lượng véc tơ (hữu hướng) 9.1 Xác định đại lượng vô hướng: Nghĩa xác định giá trị nó, có đại lượng vơ hướng khơng âm như: Thể tích, khối lượng , có đại lượng vơ hướng mà giá trị âm hay dương, ví dụ như: điện tích, hiệu điện 9.2 Xác định đại lượng véc tơ Nghĩa xác định điểm đặt, phương, chiều, độ lớn véc tơ đặc trưng cho đại r r lượng Ví dụ: lực F , cường độ điện trường E 11 CHƯƠNG ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM Động học phần học nghiên cứu qui luật vận động cơ, không ý đến nguyên nhân gây ảnh hưởng, tác động lên vận động VÉC TƠ DỊCH CHUYỂN Giả thiết có chất điểm vận động Sau thời gian t vạch qũi đạo cong AB Người ta gọi độ dài đoạn đường AB đoạn đường dịch chuyển, ký hiệu S S hàm thời gian: S = S (t) Nếu xét đoạn đường dịch chuyển AB từ A đến B hay từ B A độ dài, tính chất, độ cong khơng khác Nếu lấy A làm gốc, B làm ngọn, vẽ véc tơ AB người ta gọi véc tơ AB r véc tơ dịch chuyển, kí hiệu L Véc tơ dịch chuyển khác đoạn đường dịch chuyển S độ dài tính chất, véc tơ hướng chuyển động Do dùng đoạn đường dịch chuyển S để thay cho véc tơ dịch chuyển r L ngược lại Nhưng xét thời gian vô nhỏ dt, chất điểm đoạn đường vô nhỏ dS, véc tơ dịch chuyển tương ứng dL Ta thấy độ lớn dS = dL (dây cung chập lên cung vi phân) Khi chất điểm chuyển động thẳng, có quỹ đạo đoạn thẳng véc tơ dịch chuyển vi phân dL trùng phương với đoạn đường dịch chuyển dS Khi chất điểm chuyển động cong, có quỹ đạo đường cong, véc tơ dịch chuyển dL có phương tiếp tuyến với đoạn đường dịch chuyển dS VẬN TỐC 2.1 Định nghĩa: Vận tốc đại lượng vật lý đặc trưng cho biến đổi quãng đường dịch chuyển theo thời gian Nó cường độ chuyển động Kí hiệu: v Đơn vị: m/s (trong hệ SI) 12 2.1.1 Vận tốc trung bình Là tỉ số đoạn đường dịch chuyển ΔS mà chất điểm sau khoảng thời gian Δt với khoảng thời gian Δt đó: Trong khoảng thời gian chuyển động Δt, chất điểm có vận tốc khơng đều, nhanh, chậm Do vận tốc trung bình v không đặc trưng cho cường độ chuyển động chất điểm thời điểm, vị trí quỹ đạo Do người ta dùng khái niệm vận tốc tức thời 2.1.2 Vận tốc tức thời: Là vận tốc chất điểm thời điểm xác định Vận tốc tức thời có độ lớn đạo hàm bậc quãng đường theo thời gian Ở thời điểm xác định, chất điểm có giá trị vận tốc tức thời xác định Vậy vận tốc tức thời hàm số thời gian chuyển động: 2.2 Véc tơ vận tốc: Khi chuyển động, chất điểm có vận tốc lúc nhanh, lúc chậm, theo hướng này, theo hướng khác Do để biểu thị vận tốc chuyển động chất điểm, phải dùng véc tơ để mô tả độ lớn phương chiều r Ký hiệu: véc tơ vận tốc v 2.2.1 Véc tơ vận tốc trung bình: Sau khoảng thời gian Δt chất điểm đoạn đường ΔS, có véc tơ dịch chuyển tương ứng ΔL Véc tơ vận tốc trung bình: 2.2.2 Véc tơ vận tốc tức thời Véc tơ vận tốc trung bình khơng đặc trưng cho chuyển động chất điểm thời điểm, ta dùng khái niệm véc tơ vận tốc tức thời (gọi tắt véc tơ vận tốc) r v có phương chiều phương chiều dL (phương tiếp tuyến với quỹ đạo cong điểm xét) 13 Độ lớn: (bằng đạo hàm bậc quãng đường dịch chuyển theo thời gian) Chất điểm chuyển động mặt phẳng toạ độ có hai thành phần (x, y) Nếu chất điểm chuyển động không gian vận tốc có ba thành phần 2.3 Ý nghĩa: r + Véc tơ vận tốc v cho biết chuyển động cong hay thẳng, biến đổi hay r - Nếu v có phương khơng đổi theo thời gian chuyển động không đổi phương, quỹ đạo đoạn thẳng r - Nếu v có phương độ lớn khơng đổi theo thời gian chuyển động thẳng r - Nếu v có phương độ lớn ln thay đổi theo thời gian chuyển động cong, biến đổi, qũi đạo đường cong + Biết độ lớn v suy quãng đường dịch chuyển GIA TỐC 3.1 Định nghĩa: Gia tốc đại lượng vật lý đặc trưng tho biến đổi véc tơ vận tốc theo thời gian r Kí hiệu a Đơn vị hệ SI: m/s2 3.2 Biểu thức: 3.2.1 Gia tốc trung bình: Gia tốc trung bình chuyển động khoảng thời gian Δt tỉ số độ biến r thiên vận tốc Δ v với khoảng thời gian Δt xảy độ biến thiên vận tốc 3.3.2 Gia tốc tức thời: Là đại lượng đặc trưng cho biến đổi vectơ vận tốc thời điểm xác định (gọi gia tốc) 14 Khoảng thời gian Δt nhỏ gia tốc trung bình đặc trưng xác cho biến thiên vận tốc Vậy: Gia tốc đại lượng véc tơ đạo hàm bậc véc tơ vận tốc theo thời gian 3.3 Các thành phần gia tốc: Gia tốc đại lượng véc tơ nên ta phân chia gia tốc làm thành phần: gia tốc tiếp tuyến at gia tốc pháp tuyến a n Mỗi thành phần gia tốc đặc trưng cho biến đổi véc tơ vận tốc phương diện: độ lớn phương chiều Xét chất điểm chuyển động cong, giả sử sau thời gian Δt nhỏ, cho quỹ đạo MM1 coi cung đường trịn tâm O, bán kính R: Tại điểm M: chất điểm có vận tốc v biểu diễn véc tơ MA r r - Sau thời gian Δt, chất điểm vị trí M1 có véc tơ vận tốc v1 = v + Δv biểu diễn véc tơ MA - Từ điểm M vẽ véc tơ MB = v1 Nối A B ta vectơ - Từ điểm M phương v, ta đặt đoạn MC = v1 Nối C B, theo hình vẽ ta có: r Vậy gia tốc a phân tích thành hai thành phần Ta tìm ý nghĩa thành phần 3.3.1 Gia tốc tiếp tuyến r - Phương at : phương Δ vt , Δt - > Nghĩa phương tiếp tuyến với quỹ đạo cong lại M Do at coi gia tốc tiếp tuyến 15 r - Chiều at : chiều Δ vt , chiều V v1 > v ngược lại (nghĩa chiều chuyển động, chuyển động nhanh dần, at ngược chiều chuyển động chuyển động chậm dần v1 < v) Vậy gia tốc tiếp tuyến có độ lớn đạo hàm bậc độ lớn vận tốc theo thời gian Độ lớn vận tốc biến đổi nhiều, at lớn Vì ta nói: gia tốc tiếp tuyến đặc trưng cho biến đổi véc tơ vận tốc mặt độ lớn 3.3.2 Gia tốc pháp tuyến: Phương a n : phương Δ Δt - > Véc tơ Δ hợp với phương tiếp tuyến MC góc: Trong đó: Khi Δt - > 0; điểm M1 tiến tới trùng M; Δα - > Nghĩa a n có phương trùng với pháp tuyến quỹ đạo cong điểm M Vì a n coi gia tốc pháp tuyến Chiều a n : chiều Δ ln hướng phía tâm quỹ đạo, nghĩa hướng tâm đường trịn, a n gọi gia tốc hướng tâm + Độ lớn a n : Từ hình vẽ ta thấy ΔMCB đồng dạng với ΔOMM1 Do đó: Khi Δt - > 0; MM1 ≈ ΔS nên 16 Từ công thức ta suy ra: gia tốc pháp tuyến đặc trưng cho thay đổi phương véc tơ vận tốc Thực vậy: với giá trị v xác định, bán kính R quỹ đạo nhỏ, an lớn quỹ đạo cong, nghĩa phương v thay đổi nhiều ngược lại 3.3.3 Kết luận: Véc tơ gia tốc phân tích thành hai thành phần: - Gia tốc tiếp tuyến at đặc trưng cho biến đổi vec tơ vận tốc độ lớn - Gia tốc pháp tuyến an đặc trưng cho biến đổi véc tơ vận tốc phương Về độ lớn: 17 Vì cơng trọng lực phụ thuộc vào vị trí đầu vị trí cuối nên ứng với vị trí người ta đưa vào đại lượng gọi Et cho: Độ giảm chất điểm trọng trường chuyển dời cơng trọng lực chuyển đổi Suy ra: Thế chất điểm độ cao h tính từ mặt đất là: Trong C số phụ thuộc vào việc chọn mốc tính Nếu ta chọn mặt đất h = 0; Etd = Khi chất điểm cách mặt đất độ cao h là: Et = m.g.h * Ý nghĩa: Thế dạng lượng đặc trưng cho tương tác - Thế chất điểm trọng trường đất lượng đặc trưng cho tương tác đất với chất điểm * Định nghĩa: Thế chất điểm độ cao h so với mặt đất công trọng lực dịch chuyển chất điểm từ độ cao h tới điểm mặt đất ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG TRONG TRƯỜNG LỰC THẾ Cơ năng: Cơ chất điểm bao gồm động Khi chất điểm khối lượng m chuyển động từ vị trí đến vị trí trường lực cơng trường lực cho bởi: Nhưng theo định lý động (nếu chất điểm chịu tác dụng trường lực thế) Ta có: Vậy: Hay Tổng gọi tồn phần có giá trị khơng đổi, khơng phụ thuộc vị trí chất điểm 40 *Định luật: Khi chất điểm chuyển động trường lực (mà không chịu tác dụng lực khác) tồn phần chất điểm đại lượng bảo toàn Định luật gọi định luật bảo toàn trường lực *Hệ Vì Cơ chất điểm bảo tồn trình chuyển động nên giảm, động tăng ngược lại Tức động chuyển hoá cho nhau, động giảm lượng tăng lượng hay ngược lại 41 CHƯƠNG CƠ HỌC CHẤT LƯU ĐẶC ĐIỂM CỦA CHẤT LƯU Chất lưu bao gồm chất lỏng chất khí Về mặt học, chất lưu quan niệm môi trường liên tục tạo thành chất điểm liên kết với nội lực tương tác (nói chung lực hút) Các chất lưu có tính chất tổng qt sau: Khơng có hình dạng định Các chất lưu bao gồm chất lưu dễ nén (chất khí) chất lưu khó nén (chất lỏng) Khi chất lưu chuyển động lớp chất chuyển động với vận tốc khác nhau, nên lớp chất xuất lực nội ma sát Chất lưu lí tưởng chất lưu dược coi khơng chịu nén Nó khơng có lực nhớt Một chất lưu khơng lý tưởng gọi chất lưu thực Theo định nghĩa trên, chất lưu chất lưu thực Tuy nhiên chất lưu linh động (khơng nhớt) tạm gọi chất lưu lý tưởng Ngoài ra, theo lực nội ma sát xuất chất lưu chuyển động Vậy chất lưu trạng thái nằm n có gắn đầy đủ tính chất chất lưu lý tưởng Trong chương chủ yếu nghiên cứu định luật chuyển động chất lỏng TĨNH HỌC CHẤT LƯU 2.1 Áp suất Xét lòng chất lỏng khối chất lỏng nằm mặt kín S, gọi dS diện tích vi phân bao quanh điểm M S Thực nghiệm chứng tỏ phần chất lỏng ngồi mặt kín r S tác dụng lên dS lực d F gọi áp lực (lực nén) r Trong trường hợp chất lỏng nằm yên, áp lực d F vng góc với dS Ta định nghĩa áp suất điểm M chất lỏng là: 42 Thực nghiệm chứng tỏ với chất lỏng lý tưởng áp suất P điểm M đại lượng xác định phụ thuộc vào vị trí điểm M, không phụ thuộc vào r hướng d F Biểu cụ thể áp suất nhúng mỏng vào chất lỏng bề mặt vật xuất lực nén (áp lực) chất lỏng tác dụng, có độ lớn vng góc với bề mặt mỏng, mỏng định hướng Đơn vị đo: N/m2 (gọi Pascan) 2.2 Áp suất thủy tĩnh Giả sử có khối chất lỏng không chịu nén trạng thái tĩnh (đứng yên) Hãy xét diện tích S nằm ngang độ sâu h chất lỏng (hình 3.3) Nếu khơng kể đến áp lực khí mặt thống lực tác dụng lên diện tích S trọng lượng cột chất lỏng phía S Trong đó: V = S.h (thể tích cột chất lỏng) D: Khối lượng riêng chất lỏng g: Gia tốc trọng trường Áp suất thuỷ tĩnh: Nếu áp suất khí mặt thống chất lỏng Pa áp suất tồn phần tác dụng lên diện tích S độ sâu h là: Chú ý Hai điểm chất lỏng mặt phẳng ngang (cùng độ sâu) áp suất tương ứng 43 ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƯU LÝ TƯỞNG 3.1 Khái niệm chuyển động chất lỏng 3.1.1 Đường dòng Xét khối chất lỏng chuyển động, phần tử chất lỏng có vận tốc riêng đặc trưng véc tơ v Toàn khối lượng chất lỏng gồm tập hợp vô số véc tơ v Đó trường véc tơ vận tốc Nếu trường véc tơ vận tốc có đường cong mà tiếp tuyến đường cong điểm đường cong trùng với véc tơ vận tốc v chất lỏng đường cong gọi đường dịng 3.1.2 Ống dịng Tập hợp nhiều đường dịng tựa đường cong kín gọi ống dòng Khái niệm đường dòng ống dịng hình ảnh để mơ tả chuyển động chất lỏng 3.1.3 Chế độ chảy dừng Trong chảy chất lỏng nói chung vận tốc phân tử điểm vị trí thời điểm khác khác Nhưng có trường hợp vận tốc chuyển động phân tử chất lỏng vị trí xác định thời điểm khác lại Nghĩa phân tử chất lỏng thời điểm qua vị trí xác định tuỳ chọn có vận tốc chuyển động Trường hợp người ta nói chất lỏng trạng thái chảy dừng chế độ chảy chất lỏng gọi chế độ chảy dừng Ví dụ: Có khối chất lỏng lý tưởng, tách ống dịng để khảo sát Tại vị trí (1) (2) có tiết diện S1, S2; chất lỏng có vận tốc v1 , v2 Chất lỏng trạng thái chảy dừng 3.2 Lưu lượng chất lỏng Là thể tích chất lỏng chảy qua tiết diện đơn vị thời gian Ký hiệu là: L Lưu lượng trung bình: 44 Sau khoảng thời gian Δt, tích ΔV chất lỏng chảy qua tiết diện ΔS Nếu chất lỏng trạng thái chảy dừng lưu lượng trung bình lưu lượng tức thời Gọi tắt lưu lượng Gọi v độ lớn vận tốc chảy chất lỏng qua tiết diện ΔS Ta có: Lưu lượng chất lỏng qua tiết diện ΔS tích số diện tích ΔS với độ lớn vận tốc chảy v chất lỏng qua diện tích 3.3 Định lý liên tục dòng Giả sử có khối chất lỏng lý tưởng trạng thái chảy dừng Ta tưởng tượng tách riêng ống dòng chứa chất lỏng để khảo sát chuyển động chất lỏng qua phần giới hạn vị trí (1) (2) - Ở vị trí ống dịng chất lỏng có vận tốc, tiết diện ống ΔS1 - Ở vị trí vận tốc chất lỏng là, tiết diện ống ΔS2 Sau khoảng thời gian Δt chất lỏng chảy qua ΔS1là ΔV1 qua ΔS2 ΔV2 Vì chất lỏng xét chất lỏng lý tưởng trạng thái chảy dừng có chất lỏng chảy qua ΔS1cũng có nhiêu chất lỏng chảy qua Δ S2 Nếu xét vị trí trung gian khác ống dịng ta có: Định lý: Với chất lỏng lý tưởng trạng thái chảy dừng lưu lượng thời điểm ống dịng số Trên thực tế chỗ ống có diện tích bé (hẹp) nước chảy xiết, chỗ có diện tích lớn, nước chảy từ từ Tức ΔS nhỏ v lớn ngược lại 45 HIÊN TƯỢNG NHỚT ỨNG DỤNG Khi chất lỏng chảy với vận tốc nhỏ, chảy thành lớp Giả sử có dịng chất lỏng chảy theo hướng xác định Ox Mỗi lớp chất lỏng có tốc độ v1, v2, v3… (các hạt chất lỏng lớp có vận tốc nhau) Do ma sát, lớp tác dụng lên Lớp có v lớn có xu hướng kép lớp có v nhỏ Ngược lại, lớp chuyển động chậm chậm kìm hãm lớp chuyển động nhanh Xuất lực ma sát nội (lực nhớt) Fms Độ lớn lực nội ma sát hai lớp thứ i j nhiệt độ định phải: - Tỷ lệ thuận với dS phần diện tích tiếp xúc hai lớp j - Tỷ lệ thuận với dv = vi - vj Trong vi, vj vận tốc thứ i j - Tỷ lệ nghịch với khoảng cách hai lớp (dz) - Tuỳ thuộc vào chất chất lỏng đặc trưng số tỷ lệ Gọi hệ số nhớt chất lỏng η (eta) Theo Niutơn: dv : gọi gradiêng vận tốc Cho thấy mức độ thay đổi vận tốc từ lớp dz qua lớp khác Nếu dS = đơn vị diện tích dv = Thì Fms = η dz Ý nghĩa vật lys η: hệ số nhớt chất lỏng lực ma sát nội xuất hai lớp chất lỏng có diện tích đơn vị gradiêng vận tốc chúng Lúc hệ số nhớt η phụ thuộc vào chất chất lỏng nhiệt độ chất lỏng T20 oC số vật lý với số vật lý khác dùng để định tính chất Chú ý: hệ số nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ lực nội ma sát gây phân tử chất lỏng chuyển động tương Khi nhiệt độ thay đổi trạng thái chuyển động phân tử thay đổi Hệ số nhớt xác định thực nghiệm, có ý nghĩa y học Chẳng hạn xác định hệ số nhớt máu, huyết cho ta biết tình trạng bệnh lý thể 46 Đơn vị η: N.s/m2 hay kg/m.s, gọi poadơi Bảng hệ số nhớt số chất 20oC η (N.S/m2) η/η0 Nước 0,01 Rượu êtylic 0,012 1,2 8,5 850 Tên chất Glycerin Máu người 0,038 - 0,045 3,8 4,5 Hệ số nhớt máu phụ thuộc vào huyết hồng cầu Theo Anhstanh, hệ số nhớt dung dịch chứa hạt nhỏ phụ thuộc vào hệ số η riêng chất lỏng thể tích V tất hạt 1cm3 dung dịch Như lượng hồng cầu ảnh hưởng nhiều đến η máu Người thiếu máu người bình thường có hệ số η khác Ngoài hệ số η cho ta biết tình trạng thể Bình thường η huyết từ 1,64 - 1,69 20oC Khi ốm từ 1,5 - Do tỷ lệ chất lượng albumin huyết thay đổi 47 PHẦN THỨ HAI: NHIỆT HỌC BÀI MỞ ĐẦU ĐỐI TƯỢNG Trong phần học ta nghiên cứu dạng chuyển động cơ, thay đổi vị trí vật vĩ mơ khơng gian Khi nghiên cứu chuyển động ta chưa ý đến trình xảy bên vật, chưa xét đến trình liên quan cấu tạo vật Thực tế có nhiều tượng liên quan đến q trình xảy bên vật Ví dụ: vật nóng chảy bốc bị đun nóng, vật nóng lên bị ma sát Những tượng liên quan đến dạng chuyển động vật chất chuyển động nhiệt Chuyển động nhiệt đối tượng nghiên cứu nhiệt học Để nghiên cứu chuyển động nhiệt người ta dùng hai phương pháp: * Phương pháp thống kê: Phương pháp ứng dụng phần vật lý phân tử Ta biết chất cấu tạo nguyên tử, phân tử riêng biệt đưa vào qui luật thống kê để xác định tính chất vật Phương pháp thống kê dựa cấu tạo phân tử chất, cho biết sâu sắc chất tượng Tuy nhiên, số trường hợp việc ứng dụng phương pháp tương đối phức tạp * Phương pháp nhiệt động học: Phương pháp ứng dụng phần nhiệt động học Nhiệt động học nghành vật lý nghiên cứu điều kiện biến hoá lượng từ dạng sang dạng khác nghiên cứu biến đổi mặt định lượng Phương pháp nhiệt động học dựa hai nguyên lý rút từ thực nghiệm nguyên lý thứ nguyên lý thứ hai nhiệt động học Nhờ nguyên lý không cần ý đến cấu tạo phân tử vật ta rút nhiều kết luận tính chất vật điều kiện khác Mặc dù có hạn chế chỗ khơng giải thích sâu sắc chất tượng nhiều vấn đề thực tế nhiệt động học cho ta cách giải đơn giản MỘT SỐ KHÁI NIỆM 2.1 Thơng số trạng thái phương trình trạng thái Khi nghiên cứu vật tính chất thay đổi ta nói trạng thái vật thay đổi Như tính chất vật biểu trạng thái vật ta dùng tập hợp tính chất để xác định trạng vật Mỗi tính chất thường biểu đại lượng vật lý trạng thái vật xác định tập hợp xác định đại lượng vật lý Các đại lượng vật lý gọi thông số trạng thái 48 Trạng thái vật xác định nhiều thơng số trạng thái Tuy nhiên có số thơng số độc lập, cịn lại thông số phụ thuộc Những hệ thức thông số trạng thái vật gọi phương trình trạng thái vật Để biểu diễn trạng thái khối khí định, người ta thường dùng ba thơng số trạng thái: thể tích V, áp suất P, nhiệt độ T khối khí Thực nghiệm chứng tỏ ba thơng số có hai thơng số độc lập, nghĩa ba thơng số có liên hệ biểu diễn phương trình trạng thái với dạng tổng quát sau: f (p,V,T) = Việc khảo sát dạng cụ thể phương trình trạng thái vấn đề nhiệt động Sau ta xét hai thông số áp suất nhiệt độ 2.2 Khái niệm áp suất nhiệt độ a Áp suất Áp suất đại lượng đại lý có giá trị lực nén vng góc lên đơn vị điện tích Nếu ký hiệu F lực nén vng góc lên diện tích ΔS, áp suất p cho bởi: p= F ΔS Trong hệ số SI đơn vị áp suất Niutơn mét vng (N/m2) hay Pascan (pa) Ngồi để đo áp suất người ta cịn dùng đơn vị tính sau: - Atmotphe kỹ thuật (gọi tắt atmôphe, ký hiệu at) áp suất bằng: 9.80665.104 = 9,81.104 N/m2) - Atmotphe vật lý (ký hiệu atm); atm = 760 mmHg ≈ 1,013.105 N/m2; atm = 1,033 at - Milimet thuỷ ngân (viết tắt mmHg) hay gọi tor áp suất tạo trọng lượng cột thuỷ ngân cao mm at = 736 mmHg = 9,81.104 N/m2 b Nhiệt độ Mỗi vật có tính chất gọi nhiệt độ, hai vật cân nhiệt nhiệt độ chúng Nhiệt độ đặc trưng mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử Để xác định nhiệt độ người ta dùng nhiệt kế Nguyên tắc nhiệt kế dựa vào biến thiên đại lượng (chiều dài, thể tích, độ dẫn điện ) đốt nóng làm lạnh suy nhiệt độ tương ứng Nhiệt kế thường dùng nhiệt kế thuỷ ngân Trong nhiệt kế nhiệt độ xác định thể tích khối thuỷ ngân định 49 Để chia độ nhiệt kế thuỷ ngân người ta nhúng vào nước sơi áp suất 1,033 at (bằng áp suất khí điều kiện bình thường) ghi mức thuỷ ngân 100 Sau nhúng vào nước đá tan (cũng áp suất 1,033 an ghi mức thuỷ ngân Đem chia đoạn thành 100 phần nhau, độ chia tương ứng với độ Như ta có thang nhiệt độ gọi thang nhiệt độ bách phân (hay thang Cenciut, thang nhiệt độ ký hiệu oC) Ngồi thang bách phân, cịn dùng thang nhiệt độ tuyệt đối (còn gọi thang nhiệt độ Kenlvin) độ chia thang tuyệt đối độ chia thang bách phân, độ không thang tuyệt đối ứng với - 273,160 thang bách phân Trong thang nhiệt độ đo Kelvin, ký hiệu K Gọi: T nhiệt độ thang tuyệt đối t: nhiệt độ thang bách phân Ta có cơng thức Trong tính tốn đơn giản ta thường lấy: Ngồi người ta cịn dùng thang nhiệt độ Farenhai thang nhiệt độ điểm nước đá tan lấy làm nhiệt độ 320 điểm sôi nước lấy làm nhiệt độ 2120 Nhiệt độ xác định theo thang nhiệt độ gọi nhiệt độ Farenhai, kí hiệu 0F Như vậy: Hay có cơng thức sau: 50 CHƯƠNG CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ THUYẾT ĐỘNG HỌC CHẤT KHÍ VÀ KHÍ LÝ TƯỞNG Hiện tượng nhiệt tượng liên quan chặt chẽ đến chuyển động hỗn loạn phân tử tạo nên vật chất Khi nghiên cứu vật chất cấu tạo từ số lớn phân tử ta áp dụng phương pháp động lực học phần học Vì để nghiên cứu tượng nhiệt người ta phải dùng phương pháp khác Đó phương pháp vật lý thống kê Phương pháp không xét chuyển động phân tử riêng rẽ mà xét chuyển động chung tập hợp phân tử đo đại lượng vật lý phải lấy giá trị trung bình tất phân tử Ttước tiên ta xét cấu tạo vật chất từ phân tử, thuyết động học phân tử 1.1 Nội dung thuyết động học phân tử - Các chất có cấu tạo gián đoạn gồm số lớn phân tử - Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng Khi chuyển động chúng va chạm vào truyền lượng cho - Cường độ chuyển động phân tử liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ Cường độ phân tử mạnh nhiệt độ cao Nhiệt độ tuyệt đối tỷ lệ với động trung bình phân tử 1.2 Lượng chất mol Mol lượng chất chứa 6,023.1023 hạt (nguyên tử, phân tử, ion), gọi số Avogađrô Ký hiệu NA NA = 6,023.1023 mol-1 Chú ý chất khí nhiệt độ, áp suất thể tích chứa số phân tử Nếu ký hiệu N số phân tử chứa vật số mol n là: n= N NA 1.3 Khí lý tưởng Các định luật thực nghiệm Để biểu diễn trạng thái vật chất ta biết cần ba thông số áp suất, thể tích nhiệt độ Các định luật thực nghiệm chất khí nêu lên mối liên hệ hai thông số thông số Cụ thể người ta xét trình biến đổi trạng thái khối lượng khí số thơng số giữ khơng đổi, cụ thể trình: 51 - Đẳng nhiệt: nhiệt độ không đổi - Đẳng áp: áp suất không đổi - Đẳng tích: thể tích khơng đổi a Định luật Bơilơ - Mariôt Bôilơ (1669) Mariôt (1676) nghiên cứu trình đẳng nhiệt chất khí, tìm định luật sau đây: Trong trình đẳng nhiệt khối khí, thể tích tỷ lệ nghịch với áp suất, hay nói cách khác: tích số thể tích áp suất khối khí số p.V = số Nếu dùng hệ toạ độ OPV, với nhiệt độ không đổi, liên hệ áp suất thể tích khối lượng khí định biểu diễn hypebơn vng (Hình 1.1) Đường hypebơn gọi đường đẳng nhiệt ứng với nhiệt độ khác ta đường khác Nhiệt độ cao đường đẳng nhiệt xa gốc b Định luật Gay-luytxắc Năm 1800, nghiên cứu q trình đẳng tích, đẳng áp chất khí GayLuytxắc tìm định luật sau đây: - Trong q trình đẳng tích khối khí, áp suất tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối: - Trong q trình đẳng áp khối khí, thể tích tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối: Trên đồ thị dùng toạ độ OPT OVT, đường biểu diễn đường thẳng qua gốc O 52 c Giới hạn ứng dụng định luật thực nghiệm Các định luật Bôilơ - Mariôt, Gay - Luytxắc định luật gần Nếu áp suất chất khí lớn nhiệt độ thấp tích số P.V số khác chút ít, chúng thay đổi tuỳ theo chất khí tuỳ theo nhiệt độ Chúng ta gọi khí lý tưởng chất khí hồn tồn tn theo ba định luật nói Hay chất khí lý tưởng chất khí bỏ qua tương tác phân tử, nguyên tử Nhiều chất khí áp suất nhiệt độ phịng coi khí lý tưởng PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG 2.1 Thành lập phương trình trạng thái Xét khối lượng khí M chuyển từ trạng thái I mà qua thông số P1, V1,T1, sang trạng thái II có thơng số P1, V2, T2 qua trạng thái trung gian có thơng số P2, V1, T1 Trong q trình đẳng nhiệt I sang I' Ta có: Trong q trình đẳng áp từ I' sang II Ta có: Thay V'1, vào ta có: Do đó: 53 Vậy tỷ số: PV trạng thái ta viết: T Ta thấy trị số B phụ thuộc đơn vị đo P, V, T phụ thuộc khối lượng khí M chất khí ta Theo định luật Avơgađrơ áp suất Pa = 1.013.105 N/m2 nhiệt độ T0 = 273,13 K thể tích kilemol chất khí V0 = 22,4 m3, công thức (*) viết cho kilơmol thể tích Và ta có: Trong R số khí với chất khí Trong điều kiện áp suất nhiệt độ, thể tích chất khí tỷ lệ với khối lượng khí Do V thể tích ứng với khối lượng M Kg; V0 thể tích ứng với khối lượng, μ Kg = Kmol ta có: Ta dạng khác phương trình trạng thái khí lý tưởng: 2.2 Giá trị số R Khi nhiệt độ áp suất điều kiện T0 = 273,13 0k; Pa: 1,013.105 N/m2, trạng thái tiêu chuẩn ta có: 54