Bài giảng vật lý đại cương 2 chương 4 GV nguyễn như xuân

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SƯ BỘ MÔN VẬT LÝ NGUYỄN NHƯ XUÂN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 Chương 4: KHÍ THỰC  Phương trình Van der-Walls.  Đường đẳng nhiệt thực nghiệm.  Hiệu ứng Joule-Thomson.  Bài tập khí thực I. Phương trình trạng thái của khí thực (PT Van der-Walls) 1. Khái niệm về khí thực: Ta xét hai thí dụ. Thí dụ 1. Ở đktc (0 0 C – 1,033 at) mật độ phân tử không khí là 2,69.10 19 phân tử/cm 3 . Từ đó xác định được khoảng cách trung bình giữa hai phân tử là 3,4 nm, khá lớn hơn so với đường kính phân tử 0,3 ÷ 0,4 nm. Khi áp suất tăng lên đến 10 at thì khoảng cách giữa hai phân tử còn 1,1 nm. Kích thước phân tử không thể bỏ qua so với khoảng cách này. Thí dụ 2. 1 mol chất khí N 2 ở 0 0 C, có các số liệu đo được như sau: 46,032,225,524,022,4pV  (at.lit) 0,0460,06250,0850,2422,4V  (lít) 10005003001001p (at) áp suất tăng lên thì giá trị tích pV  sai khác nhiều so với khí lý tưởng. Cần phải xét chất khí bằng phương pháp gần với thực tế hơn. Cụ thể là phải tính đến kích thước của phân tử khí và tương tác giữa chúng. Một chất khí được xét tới kích thước phân tử và tương tác giữa các phân tử, với giả thiết rằng kích thước phân tử nhỏ hơn đáng kể so với khoảng cách giữa các phân tử và tương tác giữa các phân tử nhỏ hơn đáng kể so với động năng phân tử được gọi là khí thực. 2. Lực tương tác phân tử - Thế năng tương tác. r 0 r F 1 (lực đẩy) F 2 (lực hút) F(lực tổng hợp) F • Do tương tác giữa các điện tích nên giữa các phân tử có lực tương tác: hút và đẩy, đ• lớn của chúng phụ thu•c vào khoảng cách r giữa các phân tử. + Khi r < r 0 lực đẩy chiếm ưu thế; + khi r > r 0 lực hút chiếm ưu thế. Lực tác dụng tổng c•ng giữa hai phân tử: F = F 1 + F 2 (1) Ở k/c r 0 ≈ 3.10 -10 m (cỡ khoảng cách phân tử trong chất lỏng và chất rắn) lực tương tác tổng c•ng bằng 0. Như vậy r 0 là khoảng cách giữa hai phân tử mà nếu không có chuyển động nhiệt thì phân tử ở trạng thái cân bằng bền. r 0 r W t W tmin W t (thế năng) Thế năng tương tác giữa các phân tử được tìm theo biểu thức : dW t = - Fdr (2) + Tại r = r 0 thì W t = min, khoảng cách cân bằng bền của phân tử. Để các phân tử tách nhau ra xa ∞ thì động năng W đ của phân tử phải ≥ W tmin . + Đối với trạng thái rắn, Wđ << W tmin , chuyển đ•ng nhiệt chỉ làm các phân tử dao động xung quanh vị trí cân bằng. + Đối với trạng thái lỏng W đ ~ W tmin : các phân tử vừa dao đ•ng xung quanh VTCB, đồng thời lại vừa có thể dịch chuyển trong toàn khối chất lỏng. + Đối với trạng thái khí W đ > W tmin : các phân tử khí c/đ hoàn toàn hỗn loạn. r 0 r F 1 (lực đẩy) F 2 (lực hút) F(lực tổng hợp) F [...]... RT V b 2 2a V3 0 d2 p dV 2 2 RT V b 3 6a V4 Giải ba phương trình, tìm được các thông số tới hạn : VK Suy ra: 3b; pK a ; TK 2 27b 8a 27 bR 0 III HIỆU ỨNG JOULE – THOMSON 1 Nội năng khí thực - Giữa các phân tử khí thực có thế ác Vì vậy nội năng khí thực bao gồm tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử Wđ bằng nội năng của khí ởng và tổng thế ác của các phân tử Wt: 2 mi RT U = Wđ + W t = 2 m a V... lỏng Với các loại khí khác nhau, ờng đẳng nhiệt thực nghiệm có dạng như đối với CO2, nhưng có TK khác nhau 2 So sánh đường đẳng nhiệt Vanderwalls và Andrews Đường đẳng nhiệt Andrews Đường đẳng nhiệt Vanderwalls Ở nhiệt độ T > TK đường đẳng nhiệt thực nghiệm giống đường đẳng nhiệt lý thuyết Vanderwalls Ở T < TK có sự khác nhau: đường lý thuyết có ạn lồi lõm, còn đường thực nghiệm đoạn tương ứng là nằm... gần giống đường đẳng nhiệt của khí lý tưởng + Khi T < TK, đường đẳng nhiệt rất khác đường đẳng nhiệt của khí ởng, nó có một đoạn lồi lõm rõ rệt RT a V b V2 II NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC BẰNG THỰC NGHIỆM 1 ờng đẳng nhiệt Andrews Năm 1866 Andrews lấy 1 mol Lỏng khí CO2 làm thí nghiệm và vẽ ợc Khí họ ờng đẳng nhiệt của khí CO2 gọi là họ ờng đẳng nhiệt Andrews Khi T < TK = 304K, nhận thấy: ầu khi nén khí thì áp... được CO2 và đường đẳng nhiệt có dạng gần Hyperbol + Nối đầu của các đoạn nằm ngang của họ các đường đẳng nhiệt lại ta được đường cong có dạng hình chuông; ờng cong này và ờng đẳng nhiệt tới hạn chia mặt phẳng OpV làm 4 miền : miền 1 và miền 2 ứng với trạng thái khí, miền 1 có T < TK và có thể hóa lỏng khí bằng nén đẳng nhiệt nên còn được gọi là miền hơi Miền 3 ứng với trạng thái hỗn hợp và miền 4 ứng... Ứng dụng T < Tk, muốn hoá lỏng khí chỉ cần nén đẳng nhiệt ối với các chất khí (O2, N2, H2, He,…) có nhiệt đ• tới hạn rất thấp để hoá lỏng, trước tiên ta phải làm lạnh bằng hiệu ứng Joule -Thomson Với các chất khí ở nhiệt đ• phòng có hiệu ứng Joule – dương thì có thể làm lạnh và hoá lỏng trực tiếp bằng bơm nén áp suất cao (~ 20 0 at), khí nén áp suất cao có nhiệt đ• ợc làm lạnh (bằng nước) ến nhiệt đ• ầu,... lạnh và hoá lỏng bằng hiệu ứng Joule – ÔN TẬP So sánh đường đẳng nhiệt thực nghiệm Angđriu với đường đẳng nhiệt lý thuyết Vandecvan Nguyên nhân xuất hiện nội áp và cộng tích So sánh khí thực và khí ởng Hiệu ứng Joule – Thopmson Các bài tập tối thiểu yêu cầu sinh viên ôn tập: 10.1, 10 .2, 10 .4, 10.5, 10.8 ... khí, áp suất không Hơi tăng nữa và quá trình hoá lỏng bắt đầu - Khi V=VC, toàn bộ khí CO2 hoá lỏng BC biểu diễn trạng thái hỗn hợp: CO2 vừa ở thể lỏng vừa ở thể à Ở mỗi trạng thái hỗn hợp sẽ xảy ra trạng thái cân bằng động giữa các phân tử pha lỏng và phân tử PB là áp suất hơi bão hoà ở nhiệt độ xét Khi toàn b• khí CO2 á lỏng, tiếp tục nén thì thể tích nó giảm không đáng kể, đường biểu diễn là ạn CD... Wđ + W t = 2 m a V Wt phụ thuộc k/c giữa các phân tử tức phụ thuộc thể tích của khối khí 2 Hiệu ứng Joule-Thomson là hiện tượng đặc thù của khí thực, nó chứng tỏ thế phân tử phụ thuộc thể tích khối khí ác Xét m•t khối khí cô lập, do không trao đổi công và nhiệt với bên ngoài nên n•i năng nó ổi, tức : U = 0 U i R T 2 Wt 0 Đối với khí ởng Wt = 0 nên T = 0 Đối với khí thực Wt ≠ 0 nên T ≠ 0 Hiện tượng nhiệt... thể thấm sang bình B qua m•t màng ngăn xốp có lỗ rất nhỏ Nhờ m•t bơm hút khí giữ cho áp suất bình B luôn nhỏ áp suất bình A Trong điều kiện nhiệt đ• và áp suất thường, ố các chất khí ều lạnh đi, nhưng đối với H2 và He lại nóng lên - khi T > 0: hiệu ứng Joule - Thomson âm khi T < 0: hiệu ứng Joule - Hiệu ứng Joule số hiệu chỉnh a và b quyết định : à do vai trò của các + Khi vai trò của b là lớn, a không . qua so với khoảng cách này. Thí dụ 2. 1 mol chất khí N 2 ở 0 0 C, có các số liệu đo được như sau: 46 ,0 32, 225 , 5 24 , 022 ,4pV  (at.lit) 0, 046 0,0 625 0,0850 , 24 22, 4V  (lít) 10005003001001p (at) áp suất. THUẬT QUÂN SƯ BỘ MÔN VẬT LÝ NGUYỄN NHƯ XUÂN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 Chương 4: KHÍ THỰC  Phương trình Van der-Walls.  Đường đẳng nhiệt thực nghiệm.  Hiệu ứng Joule-Thomson.  Bài tập khí thực I hai phương trình sau:   2 3 2 0 dp RT a dV V V b       2 3 2 4 2 6 0 d p RT a dV V V b     Giải ba phương trình, tìm được các thông số tới hạn : 2 8 3 ; ; 27 27 K K K a a V b p T b bR 