Bài giảng vật lý đại cương 2 chương 1 GV nguyễn như xuân

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SƯ BỘ MÔN VẬT LÝ NGUYỄN NHƯ XUÂN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Chương 1: THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ Phương trình hệ Nội khí lý tưởng Định luật phân bố lượng theo bậc tự Công thức khí áp Phân bố Boltzman Quãng đường tự trung bình phân tử Các tượng vận chuyển (Đọc thêm) I MỞ ĐẦU VỀ NHIỆT HỌC Nhiệt học nghiên cứu tượng liên quan đến trình xảy bên vật Đó dạng chuyển động khác vật chất gọi chuyển động nhiệt Chuyển động nhiệt đối tượng nghiên cứu nhiệt học Hai phương pháp: Phương pháp thống kê : Nghiên cứu trình với phân tử riêng biệt + định luật thống kê tìm qui luật chuyển động chung cho tập thể hệ Phương pháp cho ta biết cách sâu sắc chất tượng Tuy nhiên số trường hợp việc ứng dụng phương pháp tương đối phức tạp Phương pháp nhiệt động: Nghiên cứu trình chuyển hoá lượng dựa nguyên lý thứ nguyên lý thứ hai nhiệt động học Phương pháp nhiệt động học không giải thích sâu sắc chất tượng lại có phạm vi ứng dụng sâu rộng đơn giản phương pháp thống kê II NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN Hệ nhiệt động gồm nhiều phân tử, nguyên tử (hoặc nhiều vật) thông thường có thông số trạng thái là: Nhiệt độ, áp suất, thể tích, số lượng hạt, khối lượng hóa… Nhiệt độ: Nhiệt độ vật cho ta cảm giác mức độ nóng lạnh vật Nhiệt độ đại lượng vật lý, đặc trưng cho tính chất vĩ mô vật thể mức độ nhanh, chậm chuyển động hỗn loạn phân tử vật - Nhiệt độ đo nhiệt kế: Đo cách đo biến thiên đại lượng theo nhiệt độ: VD: độ cao cột thủy ngân, suất điện động… Đơn vị nhiệt độ độ (0) Tùy theo cách chia độ mà ta có thang nhiệt độ (nhiệt giai) khác nhau: -Nhiệt giai Celsius (nhiệt giai bách phân): kí hiệu 0C Trong nhiệt giai này, người ta chọn điểm tan nước đá điểm sôi nước (ở áp suất atm) 00C 1000C Trong khoảng này, chia làm 100 phần nhau, phần gọi 10C: t0C = -273,160C   - Nhiệt giai Kelvin (nhiệt giai Quốc tế): kí hiệu K (thay oK) định nghĩa từ biểu thức: Wđ =3/2 (kT) T nhiệt độ vật, đơn vị đo kelvin (K); k = 1,38.10-23 (J/K) số Boltzmann Hệ thức nhiệt độ K nhiệt độ Celsius là: T = t0C + 273,16 -Nhiệt giai Fahrenheit: kí hiệu 0F Trong nhiệt giai này, người ta chọn điểm tan nước đá điểm sôi nước (ở áp suất atm) 320F 2120F Trong khoảng chia làm 180 phần nhau, phần 10F Hệ thức liên hệ nhiệt độ Celsius độ F: T F  t 0C  32  t 0C  T F  32  Áp suất khí Áp suất đại lượng vật lý có giá trị lực nén vuông góc lên đơn vị diện tích Fn P S Đơn vị áp suất N/m2 hay pascal (Pa) Còn dùng đơn vị: Atmophe kỹ thuật, Milimet thuỷ ngân (còn gọi tor) + atmosphere kỹ thuật, ký hiệu at: at = trọng lượng kg nén lên cm2 = 98066 Pa ≈ 9,81.104 Pa =736mmHg + atmosphere vật lý, ký hiệu atm: atm = áp suất không khí mặt đất 00C = 101325 Pa = 1,033 at + milimet thủy ngân, ký hiệu mmHg: mmHg = áp suất ứng với làm dâng cột thủy ngân lên cao 1mm = 133,32 Pa Theo thang này, áp suất không khí mặt đất 760 mm Hg Thể tích khí: thể tích bình chứa III NỘI DUNG CỦA THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ Những sở thực nghiệm chất khí Sự phụ thuộc lực hút, lực đẩy vào khoảng cách:  Khoảng cách nhỏ (r < 3.10-10m) lực đẩy mạnh lực hút  Khoảng cách lớn (3.10-10 m < r < 15.10-10m) lực hút mạnh lực đẩy  Khoảng cách lớn (r > 15.10-10m thì: lực tương tác không đáng kể Các thể rắn lỏng khí: Lực tương tác Chuyển động Hình dạng Thể tích RẮN LỎNG KHÍ Rất mạnh Lớn chất khí, nhỏ chất rắn Yếu Dao động quanh VTCB, di chuyển Hỗn loạn Xác định Phụ thuộc bình chứa Không xác định Xác định Phần bình chứa Không xác định Dao động quanh VTCB Nội dung: Thuyết động học phân tử kế thừa quan điểm cổ đại cấu tạo vật chất, tóm tắt luận điểm sau: - Các chất khí có cấu tạo gián đoạn gồm số lớn ph tử - Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng va chạm với va chạm với thành bình chứa - Cường độ c/đ biểu nhiệt độ, Wđ (TB) T - Các phân tử tương tác với lực hút lực đẩy Kích thước phân tử [...]... v ix2 Á p suất khí hướng O x là: Px  Fx  S  m n v Fy Pz  Fz  S  m n v Tương tự, ta cũng có áp suất theo các hướng O y, O z: Py  S   m n v , 2 i iy i i 2 ix 2 iz D o tính hỗn loạn (không có hướng ưu tiên), nên p x = p y = p z = p p W đ 1 1 1 p x  p y  p z    m n i v ix2  v iy2  v iz2    m n i v i2  3 3 3 là động năng trung bình của các p t khí, ta có: p W đ =  m v i2 2 2 n... chứng minh được rằng:   f (v)  4    2  3/ 2 dn    4   n 2      v2  2 m exp    v với   kT  2  3/ 2   v2  2 exp    v dv  2  (biểu thức định luật phân bố Maxwell) Điều kiện:    0 0 0 n   dn   n f (v)dv   f (v)dv  1 Các hệ quả thu được từ định luật này: - Vận tốc tại đó f(v) đạt GTLN gọi là vận tốc xác suất: df (v) 2 2kT 2 RT  0  v  vxs    dv  m   - Vận... trung bình là quãng đường mà trên đó tính một cách trung bình phân tử không bị va chạm với phân tử khác  v 1 kT   Z 2 d 2 n0 2 d 2 p Thí dụ, chất khí oxy, đường kính hiệu dụng phân tử là d = 0 ,29 nm, ở điều kiện bình thường T = 300 K, p = 1 at, có   11 0nm 6 Nội năng – nội năng của khí lý tưởng: a Khái niệm: Năng lượng của một hệ nhiệt động (hệ nhiều hạt) gồm có: Động năng do chuyển động có hướng,... khí lý tưởng có thể được mô tả bởi các thông số vĩ mô: nhiệt độ T, áp suất p và thể tích V PT diễn tả mối quan hệ giữa các thông số đó, được gọi là phương trình trạng thái khí lý tưởng m pV  RT  nRT  Còn gọi là phương trình Mendeleev – Clapeyron Đó chính là phương trình trạng thái của một khối khí lí tưởng bất kỳ N m n  = số mol khí NA  R =k.NA = 1, 38 .10 -23 6, 02. 1 023 = 8, 31 (J/mol.K ) = 0,0 82 (atm.lít/... = 0,0 82 (atm.lít/ mol.K) = 0,084 (at.lít/mol.K) 2 Các định luật thực nghiệm về chất khí: a Định luật Boyle – Mariotte: Khi T = const, suy ra: pV = const Hình 3: Đường đẳng nhiệt b Định luật Gay Lussac: V V Khi p = const, suy ra: T  const  T 1 1  V2 T2 Hình 4: Đường đẳng áp c Định luật Charles: P P P  c onst   Khi V = const, suy ra: T T T 1 2 1 2 Hình 5: Đường đẳng tích 3 Định luật phân bố đều... bậc tự do như sau: Một khối khí ở trạng thái cân bằng về nhiệt độ thì năng lượng chuyển động nhiệt của các 1 phân tử khí được phân bố đều theo bậc tự do, mỗi bậc là kT 2 Đối với khí đơn nguyên tử, động năng TBcác phân tử khí là: Wđ = suy ra, vân tốc TB các phân tử khí là: v 2Wd 3kT 3RT   m m  4 Mật độ phân tử khí p 2 3 p 3 p p n W d  n=   3 2 Wd 2 3 kT kT 2 Ở đktc: (số Loschmidt) 3 kT 2 5 Quãng... i2 2 2 n   ni  i 3 2 3 W iđ nW n  i i suy ra: p 2 n W đ 3 id  nW i n id nW i id n W đ (1) Trong đó: n =  ni là nồng độ (hay m ật độ) phân tử khí – chính là số phân tử khí trong m ột đơn vị thể tích W đ là động năng trung bình của các phân tử khí; p là áp suất của khí V CÁC HỆ QUẢ CỦA PHƯƠNG TRÌNH 1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng: - Trạng thái của một hệ vật lý được mô tả bởi các... trình cơ bản của Thuyết động học phân tử 2 p  nWđ 3 Hình 1: Va chạm của 1 phân tử khí với thành bình Hình 2: Trong thời gian dt, các phân tử có vận tốc vix nằm trong hình trụ này sẽ va vào diện tích Đ ộ biến thiên động lượng theo phương O x: d p ix = m (v’ ix - m v ix = 2m v ix Suy ra, áp lực vuông góc m à phân tử khí này tác dụng lên thành bình là: dp ix 2 m v ix  dt dt f ix  G ọi n i là m ật... 2 2kT 2 RT  0  v  vxs    dv  m   - Vận tốc trung bình: v   f (v)dv  0 8 8kT 8 RT    m   - Vận tốc căn quân phương: vc  v  2  f (v)v 2 dv  0 3kT 3RT  m  vxs  v  vc - Động năng trung bình của chuyển động nhiệt: 1 3 Wd  mv 2  kT 2 2 Ý nghĩa: + Xác suất các phân tử có vxs là cao nhất + VC ứng với động năng trung bình của phân tử + v là GTTB cộng của vận tốc của tất cả các phân... exp  - t n0 (0) p (0)  kT Công thức tổng quát:   Wt   n ( h )  n exp 0   - kT      Wt 2  Wt1   exp   n(Wt 2 ) kT   n(Wt1 ) định luật phân bố Boltzmann biểu thị mật độ phân tử khí phụ thuộc thế năng phân tử trong trọng trường 4 Định luật phân bố Maxwell – Boltzmann Dùng định lý trong lý thuyết xác suất: “xác suất để hai hiện tượng độc lập xảy ra đồng thời bằng tích các xác suất xảy ... áp suất atm) 320 F 21 20F Trong khoảng chia làm 18 0 phần nhau, phần 10 F Hệ thức liên hệ nhiệt độ Celsius độ F: T F  t 0C  32  t 0C  T F  32  Áp suất khí Áp suất đại lượng vật lý có giá trị... khoảng cách:  Khoảng cách nhỏ (r < 3 .10 -10 m) lực đẩy mạnh lực hút  Khoảng cách lớn (3 .10 -10 m < r < 15 .10 -10 m) lực hút mạnh lực đẩy  Khoảng cách lớn (r > 15 .10 -10 m thì: lực tương tác không đáng... atmosphere vật lý, ký hiệu atm: atm = áp suất không khí mặt đất 00C = 10 1 325 Pa = 1, 033 at + milimet thủy ngân, ký hiệu mmHg: mmHg = áp suất ứng với làm dâng cột thủy ngân lên cao 1mm = 13 3, 32 Pa Theo