Vật lý phân tử và nhiệt học

LI NểI U Theo khung chng trỡnh, sinh viờn i Hc S Phm ngnh Vt Lý nhng nm u c hc mụn Vt lý Phõn t v Nhit hc (60 tit) v mụn Nhit ng lc hc (30 tit) Tuy vy, nhiu ni dung hai giỏo trỡnh ny cú s trựng lp Trong iu kin ngnh hc mi m v thiu cỏn b ging dy nờn Khoa vt lý HSP N ch trng nhp chung ni dung hai giỏo trỡnh v ging dy 90 tit ỏp ng yờu cu ú v sinh viờn d dng tip cn mụn hc, chỳng tụi mnh dn biờn son giỏo trỡnh ny Vic lng ghộp hai ni dung ln vo mt giỏo trỡnh l iu khú khn cho ngi son, ng thi phự hp vi kin thc ca sinh viờn ó c trang b bc hc ph thụng v Cụng v Nhit, giỏo trỡnh ny ngi son theo ỳng quy c i s v du ca Cụng v Nhit nh ó cú chng trỡnh ph thụng trung hc, s thay i ny cng l mt khú khn ln trỡnh by cỏc ni dung Vi kin thc v trỡnh cú hn, ó rt c gng nhng chc rng giỏo trỡnh khụng th trỏnh nhng thiu sút Ngi son mong nhn c nhng gúp ý quý bỏu ca cỏc ng nghip v bn c NGI SON - Trang - CHNG I M U V CC KHI NIM C BN 1.1 CC KHI NIM 1.1.1 I TNG V PHNG PHP NHIT HC 1.1.1.1 i tng Vt lý Phõn t v Nhit hc nghiờn cu cỏc hin tng liờn quan n cỏc quỏ trỡnh xy bờn vt Vớ d: Quỏ trỡnh núng chy hoc quỏ trỡnh bc hi ca cỏc vt c nung núng, cỏc quỏ trỡnh ny cú liờn quan n dng ng xy bờn vt: chuyn ng nhit Vy; chuyn ng nhit l tng nghiờn cu ca nhit hc 1.1.1.2 Phng phỏp Nghiờn cu chuyn ng nhit ngi ta dựng hai phng phỏp: - Phng phỏp thng kờ (Vt lý phõn t ): Phõn tớch cỏc quỏ trỡnh xy i vi tng phõn t, nguyờn t riờng bit trờn quan im vi mụ v da vo qui lut thng kờ tỡm qui lut chung cho c hp cỏc phõn t, t ú gii thớch cỏc tớnh cht ca vt; phng phỏp cho phộp nhn thc mt cỏch sõu sc bn cht nhit hc - Phng phỏp nhit ng: Nghiờn cu s bin i nng lng ca vt t dng ny sang dng khỏc trờn quan im v mụ Phng phỏp da trờn hai nguyờn lý c bn ca NH c rỳt t thc nghim; t ú nờu nhng tớnh cht ca vt cỏc iu kin khỏc m khụng cn chỳ ý n cu to phõn t Phng phỏp cú im hn ch l khụng gii thớch sõu bn cht ca hin tng nhng nhiu nú cho ta cỏch gii quyt n gin, hiu qu Trong giỏo trỡnh ny chỳng ta dựng c hai phng phỏp trờn h tr, b sung cho nhm hiu thu ỏo cỏc ca chuyn ng nhit; vy khụng ớt khú khn trỡnh by s an xen ca cỏc phng phỏp v quan im 1.1.2 H NHIT NG 1.1.2.1 H nhit ng H nhit ng l mt hp cỏc vt th c bao bi mt b mt chu vi - Trang - - Cỏc vt th cú th l cỏc cỏ th kớch thc v mụ, cng cú th l cỏc phõn t, nguyờn t khớ kớch thc rt - B mt chu vi cú th l thc nh chu vi ca mt bỡnh ng khớ, cng cú th l o nh b mt bao quanh mt lng cht lng chy dc theo mt ng m ta theo dừi bng trớ tng tng Nh vy khỏi nim h nhit ng (gi tc l h) l mt khỏi nim rng v tng quỏt 1.1.2.2 H L mt phn ca h nhng s cỏ th ớt hn v cú th tớch hn Nh vy h cú th xem nh c cu to bi nhiu h H chu nh hng tỏc ng ca phn cũn li ca h lờn nú nờn trng thỏi ca h luụn thay i 1.1.2.3 Khoóng ngoi Phn cũn li ngoi h c gi l khong ngoi hay ngoi vt 1.1.2.4 H cụ lp H hon ton khụng tng tỏc v trao i nng lng vi khong ngoi c gi l h cụ lp; ngc li nu h cú tng tỏc hoc trao i nng lng vi khong ngoi thỡ gi l h khụng cụ lp 1.1.2.5 H cụ lp mt phn H cú trao i cụng vi khong ngoi m khụng trao i nhit thỡ h c gi l h cụ lp v nhit, ngc li cú trao i nhit nhng khụng trao i cụng thỡ c gi l h cụ lp v cụng, õy l cỏc h cụ lp mt phn 1.1.3 TRNG THI MT H NHIT NG 1.1.3.1 Thụng s trng thỏi Trng thỏi ca mt h nhit ng c xỏc nh bi mt b cỏc i lng vt lý, cỏc i lng ny c gi l thụng s trng thỏi ca h Vớ d: i vi mt khớ, trng thỏi ca khớ c xỏc nh bit ỏp sut p, nhit T v th tớch V khớ T ú cỏc i lng p, V v T l cỏc thụng s trng thỏi, thụng thng mt b ba thụng s (p,V, T) xỏc nh mt trng thỏi v mụ ca khớ i vi cỏc h thng phc tp, cn xỏc nh thờm cỏc i lng: Nng , t trng hoc in tớch Thc nghim cho thy: Mt h cụ lp khụng cõn bng nhit ng, nu mt thi gian lõu thỡ h tin ti cõn bng nhit ng, ú mi ni h u cựng - Trang - mt ỏp sut, cựng mt nhit Ta ch kho sỏt nhng h cõn bng nhit ng V phng din v mụ, cú th chia thụng s trng thỏi lm hai loi : - Thụng s qung tớnh: L thụng s m ln ca nú t l vi lng h, chng hn : th tớch v - Thụng s cng tớnh: L thụng s khụng ph thuc vo lng h Vớ du ỷ: p sut, nhit , mt nu ta chia nh h thnh nhiu h thỡ giỏ tr ca thụng s cng tớnh khụng i 1.1.3.2 Phng trỡnh trng thỏi Cỏc thụng s trng thỏi p, V, T ca h khụng hon ton p lp nhau, mi thụng s l mt hm ca cỏc thụng s cũn li H thc ni lin cỏc thụng s trng thỏi c gi l phng trỡnh trng thỏi ca h i vi mt khớ cú lng xỏc nh, phng trỡnh trng thỏi l h thc ni lin ba thụng s p, V, T p = f ( V, T ) hoc F ( p, V, T ) = (1.1) Vớ d : Phng trỡnh trng thỏi ca mt kilụmol khớ lý tng : p.V = RT Trong phng trỡnh trng thỏi, hai thụng s c xỏc nh thỡ thụng s th ba cũn li s c xỏc nh n giỏ theo hai thụng s v mt trng thỏi v mụ h c xỏc nh Vic kho sỏt phng trỡnh trng thỏi l mt c bn ca nhit hc 1.1.3.2.1 Biu din bng mt p - V - T: V biu ca phng trỡnh trng thỏi mt h trc ta gm ba trc ỏp sut p, th tớch V, nhit T vuụng gúc tng ụi, ta c mt mt p - V - T Bt k mt trng thỏi cõn bng no ca h cng c biu din bng mt im trờn mt p - V - T, ngc li mi im trờn mt p - V - T biu din mt trng thỏi cõn bng ca h (hinh1.1) P Mt p -V -T ca khớ Van der Waals V T1 Tth T2 T Hỗnh 1.1 - Trang - 1.1.3.2.2 Biu din bng mt p - V: Cỏc thụng s trng thỏi ph thuc nờn n gin ngi ta dựng gin p - V mt nhit xỏc nh T giao tuyn ca mt p - V - T vi mt phng vuụng gúc trc nhit T l nhng ng bin i cõn bng gi l ng ng nhit (hinh 1.2) - Tng t, giao tuyn gia mt p - V - T vi mt vuụng gúc trc th tớch V l ng bin i ng tớch, hoc vi trc ỏp sut p l ng bin i ng ỏp P K Nhng ng ng nhit ca khớ Van der Waals Tth T1 Hỗnh 1.2 V 1.2 P SUT 1.2.1 p sut l i lng vt lý cú giỏ tr bng lc nộn vuụng gúc lờn mt n v din tớch p= F S (1.2) S : din tớch b mt F : lc nộn vuụng gúc lờn din tớch S: ỏp lc n v: Trong h SI ỏp sut cú n v [ N/m2 ] cũn gi l Pa (Paxcan) Trong h CGS ỏp sut cú n v l : [dyn / cm2 ] ngoi ỏp suõừt cũn cú cỏc n v khỏc : bar ; at ; atm ; mmHg - bar = 105 N/m2 - Atmụtphe k thut: at4 N/m2 - Atmụtphe vt lý: atm = 1,013 105 N/m2 - mmHg [ 1Tor ] = 133,32 N/m2 l ỏp sut gõy bi trng lng ct thy ngõn cao 1mm Ta cú: 1atm = 1,033at = 760 mmHg; hoc 1at = 736mmHg - Trang - 1.2.2 p sut khớ p sut ca cht khớ l i lng c trng c bn cho tớnh cht ca khớ i vi khớ ng mt bỡnh cha, ỏp sut khớ l lc nộn vuụng gúc lờn mt n v din tớch thnh bỡnh, lc ny s va chm gia cỏc phõn t khớ vi thnh bỡnh m nờn Thụng qua vic ỏp sut ( bng ỏp k ) ta khụng nhng nhn bit s cú mt ca cht khớ bỡnh m cũn kho sỏt c tớnh cht ca khớ bỡnh p sut khớ quyn iu kin thng cú giỏ tr 1,033at 1.3 NHIT 1.3.1 Nhit Nhit l i lng c trng cho trng thỏi ca mt vt, xỳc giỏc cho khỏi nim v nhit : s tay vo vt ta cú th núi vt ny núng hn vt Tuy vy xỳc giỏc khụng tin v khụng nhy Mt chu nc núng hay lnh iu ú ph thuc vo vic: trc nhỳng tay vo nc ta ó nhỳng tay vo nc núng hay nc lnh, hn na xỳc giỏc khụng cho phộp phỏt hin nhng bin thiờn nh ca nhit xỏc nh núng ca vt ngi ta tỡm cỏch ỏnh du nhit ca vt Vớ d: di st tng c nung núng, nh vy, cú th dựng di st ỏnh du nhit ca T ú ta cú mt nhit k, dự rng nhit k ny khụng nhy o nhit ca mt vt A, ta cn so sỏnh nhit vt A vi nhit vt B ó c ỏnh du chun 1.3.2 Nguyờn lý O Nhit ng hc Thc nghim cho thy rng: cho hai vt ng cht A v B tip xỳc mt ni hon ton ngn cỏch nhit ( h cụ lp ) thỡ vt núng s ngui dn v vt lnh s núng dn; sau thi gian lõu nhit hai vt bng nhau, ú h t trng thỏi cõn bng nhit Thc nhim cng cho thy rng: nu h cụ lp gm nhiu vt núng lnh khỏc thỡ sau thi gian lõu h cng t cõn bng nhit T ú dn n kt lun quan trng sau : Hai vt cựng trng thỏi cõn bng nhit vi mt vt th ba thỡ chỳng cõn bng nhit vi Kt lun trờn c gi l nguyờn lý O nhit ng hc Nguyờn lý cho phộp so sỏnh nhit hai vt khỏc m khụng cn t tip xỳc nhau, nguyờn lý cng cho phộp ta s dng mt nhit k o nhit ca nhit k v nhit mụi trng t nhit k 1.3.3 Nhit lng - Trang - Thc nghim cho thy: t mt vt A cú nhit TA vo mt mụi trng nhit TB m TB< TA Sau thi gian lõu nhit vt v mụi trng cõn bng ( TA = TB ) Trong quỏ trỡnh ny phn nng lng m vt A ó cung cp cho mụi trng c gi l nhit lng (gi tc l nhit ) Vy: Nhit lng l i lng ch xut hin quỏ trỡnh trao i nng lng gia vt v phn cũn li ngoi vt, quỏ trỡnh ny trng thỏi ca vt b thay i, ú cõu núi: nhit lng ca vt hoc nhit lng ca h l vụ ngha, vỡ nhit lng khụng l hm trng thỏi ca h 1.3.4 im chun, thang nhit 1.3.4.1 im chun: Thc nghim cho thy: S núng chy hoc s sụi ca mt s nguyờn cht mt ỏp sut nht nh bao gi cng xy mt nhit khụng i c gi l nhit chun, trng thỏi tng ng c gi l im chun Vớ d: nhit núng chy ca nc ỏ Tch , hoc nhit sụi ca nc Ts ỏp sut khớ quyn luụn l nhng giỏ tr khụng i Cỏc im chun c dựng ỏnh du thc hin mt nhit giai (thang nhit ) 1.3.4.2 Thang nhit : thc hin mt nhit k ta cn phi dựng mt i lng vt lý ca vt gi l i lng nhit k, i lng ny phi thay i tuyn tớnh theo nhit Vớ d : i vi nhit k thy ngõn, th tớch ca thy ngõn bu l i lng nhit k Gi: a l i lng nhit k, c lm núng thỡ a phi bin thiờn n iu theo nhit T Vi : T = f (a ) Dng hm tuyn tớnh n gin nht l T = A.a vi A l mt hng s, t ú t s hai nhit T1 ; T2 ng vi hai giỏ tr ca a1; a2: T1 a1 = T2 a2 (1.3) Vic xõy dng mt nhit giai cn thit phi xỏc nh im chun Trc 1954: Hai im chun c chn l: - im nc ỏ: nhit nc ỏ ang tan Tch di ỏp sut chun khớ quyn atm; i lng nhit k tng ng ach - im sụi: nhit hi nc ang sụi Ts ỏp sut atm; i lng nhit k tng ng as Ti mt nhit T, i lng nhit k cú giỏ tr a thỡ : Tch / T = ach / a v T s / T = as / a - Trang - T ú : T= Ts Tch a s a ch a vy: Nu quy c hiu nhit Ts - Tch = 100 , thỡ: A == A= Ts Tch as ach 100 100 T= a as ach as ach Tng quỏt: T = A.a (1.4) Lu ý: Trng hp i lng nhit k a T = (chng hn a = a0 + bT) thỡ cú h thc sau : T Tch a ach = Ts Tch as ach (1.5) - Thang nhit Celcớus (nhit Bỏch phõn ): l thang nhit m Tch c qui c t = 00C v Ts c qui c t = 1000C Khoóng nhit t Tch n Ts c chia thnh 100 phn bng nhau, mi phn ng vi 10C Sau 1954: xõy dng thang nhit ngi ta ch chn mt im chun: im ba ca nc, nhit im ba l nhit cõn bng gia nc, nc ỏ v hi nc, nhit ny khụng ph thuc vo iu kin ỏp sut ngoi v c chn l Tb =273,16 0K T ú : Hay : T a = Tb a b T= Tb 273,16 a = a ab ab (1.6) - Thang nhit tuyt i (thang nhit Kelvin): Cỏc phộp o chớnh xỏc cho thy ỏp sut chun, nhit núng chy ca nc ỏ Tch = 273,150K, nhit sụi ca nc l Ts = 373,150K T ú thang nhit tuyt i (0K) c hỡnh thnh - Quan h gia nhit tuyt i (0K) v nhit bỏch phõn (0C) c xỏc lp nh sau: T = 273,15 + t (0K) (1.7) Nh vy nhit im ba ca nc l t = 0,01 C Tớnh u vit ca thang nhit tuyt i l chớnh xỏc cao Thang nhit tyờt i cng l thang nhit nhit ng lc sau ny - Thang nhit Fahrenheit ( 0F ): Ngoi hai thang nhit trờn cũn cú thang nhit Fahrenheit kộm thụng dng hn, thang ny c chia thnh 180 chia Quan h gia nhit Fahrenheit v nhit Celsớus xỏc lp nh sau: 320F = 00C 2120F = 1000C t ú: t ( 0F ) = 32 + 1,8 t ( 0C ) (1.8) 1.3.4.3 khụng tuyt i: Phng trỡnh trng thỏi khớ lý tng p.V = RT cho thy: T thỡ p ú khụng cũn s chuyn ng nhit ca phõn t Nhit T = c gi l khụng tuyt i nhit ny phõn t khụng cũn - Trang - chuyn ng nhit, s ng mc thp nht ng vi nng lng thp nht gi l nng lng khụng 1.4 CC LOI NHIT K Khụng th ch to mt nhit k cú kh nng o mi khong nhit , mi nhit k ch cú th o chớnh xỏc mt khong nhit no ú 1.4.1 Nhit k khớ Nhit k khớ Hờli c dựng o nhit rt thp ( c 10K ) nhit cao hn ( t < -2000C ) ngi ta dựng nhit k khớ O2 , H2 , i lng nhit k l ỏp sut hi no ca khớ 1.4.2 Nhit k in tr Vt nhit k l dõy dn in thng lm bng kim loi hay hp kim, i lng nhit k l in tr R ca dõy, in tr R tng theo nhit v c biu th bi h s nhit in tr VD: nhit k in tr bch kim cú khong o t -182,90C n 630,50 C i lng nhit k a l in tr R ca dõy bch kim (platin), khi: 00C t 630,50 C : 0 -182,9 C t C : R = R0( + At + Bt2 ) (1.9) R = R0 [ + At + Bt + Ct ( t - 100) ] 1.4.3 Nhit k lng Vt nhit k l cht lng, i lng nhit k l th tớch cht lng Mi loi nhit k lng ch dựng cho mt nhit thớch hp VD: Nhit k thy ngõn thụng dng khong 00C n 1000C; i lng nhit k l th tớch V ca thy ngõn bu nhit k V = V0 ( + t ) (1.10) V0 = th tớch ca bu tớnh n khc C v = V0 = th tớch ng vi mt chia ng = = h s n biu kin ca thy ngõn thy tinh 6400 1.4.4 Nhit k cp nhit in Nhit k ny da vo nguyờn lý hot ng ca cp nhit in Dũng nhit in c trng bi th nhit in E c phỏt sinh cú s chờnh lch nhit hai mi hn cp nhit in, t ú: cp nhit in l vt nhit k; E l i lng nhit k Loi nhit k ny c dựng o nhng nhit cao t 3000C n 20000C tựy theo kim loi lm cp nhit in E = A + Bt + Ct2 (1.11) - Trang 10 - 1.4.5 Ha k quang hc Cn c vo s bc x ca vt c nung núng v da vo cỏc nh lut bc xỷ ngi ta ch to k quang hc i lng nhit k l nng sut phỏt x ton phn R (T), lỳc ny phộp o nhit tr thnh phộp quang hc Ha k quang hc o nhit khong 20000C n 50000C R (T) = T4 = 5,67.10- (1.12) W = hng s Stefan m K4 1.5 CC NH LUT THC NGHIM V CHT KH Da vo thc nghim ngi ta ó xỏc nh c cỏc nh lut sau: 1.5.1 nh lut Bụi - Marit ( Boyle - Mariotte) Phỏt biu: Trong mt quỏ trỡnh bin i ng nhit (T= Const) ca mt khớ, tớch s gia ỏp sut v th tớch khớ l mt hng s p.V = Const (1.13) Giỏ tr ca hng s ph thuc vo lng m , nhit T ca khớ 1.5.2 nh lut Sacl v Gay- Luyxc 1.5.2.1 nh lut Sacl ( Charles) Phỏt biu: Trong quỏ trỡnh bin i ng tớch (V = Const) ca mt khớ, ỏp sut t l vi nhit tuyt i p = Const T (1.14) Gi : p0 , T0 l ỏp sut v nhit khớ 00C p, T l ỏp sut , nhit khớ t0C Ta cú : Vi: Ta cú: T T p p0 = p = p0 ( ) = p0 = p0T 273 T0 T T0 h s gin n nhit p = p0( T 273 + t = p0 (1 + t ) )= T0 273 (1.15) 1.5.2.2 nh lut Gay - Luyxc (Gay - Lusac) Phỏt biu: Trong quỏ trỡnh bin i ng ỏp (p = Const) ca mt khớ th tớch t l vi nhit tuyt i V = Const T Gi: V0, T0 : th tớch v nhit khớ 00C (1.16) - Trang 163 - õy p2 l ỏp sut riờng phn ca hi nc T ú ta cú: p2 = f RT Vỡ ỏp sut ca khụng khớ m p0 l c cng t ỏp sut riờng phn ca hi nc p2 v ỏp sut p1 ca khụng khớ khụ: f RT p0 = p1 + p2 ; p1 = p0 - p2 = p0 Khi lng riờng ca khụng khớ (khụng cú hi nc) ỏp sut riờng phn ny l : p p f ''= 1 = RT RT Khi lng riờng ca khụng khớ m l: = '+ ' ' = f RT p0 T s lng riờng ca khụng khớ m v khụng khớ khụ l: ( ) f RT 0,987 = 1 11 p0 BI TP T GII CHNG X : S CHUYN PHA Bi 10.1: Tỡm th tớch riờng ca hi nc 1000C v ỏp sut thng nu bit rng ỏp sut 735,5 mmHg thỡ nhit sụi ca nc l 99,10C Nhit húa hica nc 1000C l 539 kcal/kg S: 1,7 m3/ kg Bi 10.2: Bit th tớch riờng 00C ca nc ỏ l vr = 1,091cm3/g v ca nc lng vi = 1cm3/g n nhit núng chy ca nc l Ll = 80cal/g Mun lm gim nhit núng chy ca nc ỏ xung 10C thỡ phi tng ỏp sut lờn bao nhiờu ? S: 134 atm Bi 10.3: Tớnh lng hi nc 1m3 khụng khớ nhit 300C Bit m tng i ca khụng khớ l 75% S: 22,5.10- kg Bi 10.4: Tớnh n nhit húa hi L ca nc 1000C bng cụng thc Clapeyron Bit: dp = 27,1mm Hg/ v hi nc c coi nh mt khớ lý tng cú t i dT vi khụng khớ l d = Khi lng riờng khụng khớ iu kin chun l - Trang 164 - 0,001293g/cm3 H s gión n ca khớ lý tng l Khi lng riờng ca thy 273 ngõn 00C l 13,6 g/cm3 p sut cc i ca hi nc bóo hũa 1000C l 760mmHg Gia tc trng trng g = 9,8 m/s2 S: 2,278.106 j/kg Bi 10.5: Trong khong nhit t t: 1000C 2000C p sut cc i ca hi t 100 nc (tớnh kg/cm2 ) c tớnh gn ỳng bng cụng thc: p = Tớnh n nhit húa hi L ca nc khong nhit t: 1000C ti 2000C Cho rng: th tớch riờng v1 ca nc lng khụng ỏng k so vi th tớch riờng vh ca hi nc v xem hi nc bóo hũa nh khớ lý tng S: 614 calo/gam Bi 10.6: Mt xi lanh cú ng kớnh 20cm, cỏc thnh ca xi lanh cỏch nhit ỏy xi lanh cú cha 0,5g nc th lng v 00C Ban u Pittụng sỏt ỏy xi lanh, ta kộo pittụng lờn cao 38cm, ú xi lanh ch cũn mt cc nc ỏ 00C Hóy tớnh: a- Khi lng ca cc nc ỏ b- Nhit núng chy ca nc ỏ p sut cc i ca hi nc 00C l 4,6mmHg, t ca hi nc i vi khụng khớ l d = n nhit bc hi ca nc 00C l: L0 = 606cal/g S: 0,442g ; 80cal/g - Trang 165 - TI LIU THAM KHO Bựi Trng Tuõn - Vt lý phõn t v nhit hc - NXB Giỏo dc 1999 m Trung n - Nguyn Trng Phỳ - Vt lý phõn t v nhit hc - NXB Giỏo dc 1993 V Thanh Khit - Vt lý Thng kờ - NXB i hc Quc gia H Ni 1997 Phm Quý T - Nhit ng lc hc - NXB i hc Quc gia H Ni 1998 Lờ Võn - Vt lý Phõn t v Nhit hc Lng Duyờn Bỡnh (Ch biờn) - Vt lý i cng I - NXB Giỏo dc 1999 V Thanh Khit , Nguyn Vn n, Hong Vn Tớch - Bi Vt lý i cng I - NXB Giỏo dc 2000 Ngụ Phỳ An, Nguyn Xuõn Chỏnh, Nguyn Hu H - Nhit ng hc - NXB Giỏo dc 2000 Nguyn Hu H , Lờ Vn Ngha, Nguyn Tung - Bi Vt lý i cng I - NXB i hc v TH chuyờn nghip 1987 10 Nguyn T Bõn - Nhit hc - i hc khoa hc Si gũn - Trang 166 - MC LC Chng I: M U V KHI NIM C BN Trang: 1ữ14 Chng II: NGUYấN Lí I NHIT NG LC HC Trang: 15ữ38 Chng III: THUYT NG HC CHT KH Trang: 39ữ55 Trang: 56ữ71 Trang: 72ữ89 Trang: 90ữ101 Chng IV: CC HIN TNG NG HC TRONG CHT KH Chng V: NGUYấN Lí II NHIT NG LC HC Chng VI: PHNG PHP HM NHIT NG v NGUYấN Lí III NHIT ễNG LC HC Chng VII: KH THC v HI Trang: 102ữ115 Chng VIII: CHT LNG Trang: 116ữ129 Chng IX: CHT RN Trang: 130ữ142 Chng X: S CHUYN PHA Trang: 143ữ154 GIO TRèNH: VT Lí PHN T V NHIT HC CHNG : M U V CC KHI NIM C BN 1.1 i tng v phng phỏp nhit hc 1.1.1 i tng 1.1.2 Phng phỏp 1.2 H nhit ng 1.2.1 H nhit ng 1.2.2 H 1.2.3 Khong ngoi 1.2.4 H cụ lp 1.2.5 H cụ lp mt phn 1.3 Trng thỏi mt h nhit ng 1.3.1 Thụng s trng thỏi 1.3.2 Phng trỡnh trng thỏi 1.3.2.1 Biu din mt p-V-T 1.3.2.2 Biu din mt p-V 1.4 p sut 1.4.1 nh ngha 1.4.2 p sut khớ 1.5 Nhit 1.5.1 Nhit 1.5.2 Nguyờn lý O ca nhit ng lc hc 1.5.3 Nhit lng 1.5.4 im chun, thang nhit 1.5.4.1 im chun 1.5.4.2 Thang nhit 1.5.4.3 khụng tuyt i 1.6 Cỏc loi nhit k 1.6.1 Nhit k khớ 1.6.2 Nhit k in tr 1.6.3 Nhit k lng 1.6.4 Nhit k cp nhit in 1.6.5 Ha k quang hc 1.7 Cỏc nh lut thc nghim v cht khớ 1.7.1 nh lut Bụi-Marit (Boyle-Mariotte) 1.7.2 nh lut Sacl v Gay-Luyxc 1.7.2.1 nh lut Sacl (Charles) 1.7.2.2 nh lut Gay-Luyxc (Gay-Lusac) 1.8 Khớ lý tng 1.8.1 nh ngha 1.8.2 Phng trỡnh trng thỏi khớ lý tng 1.8.3 Khi lng riờng, th tớch riờng ca khớ lý tng 1.8.3.1 Khi lng riờng 1.8.3.2 Th tớch riờng 1.8.4 nh lut antụn (Dalton) CHNG 2: NGUYấN Lí I NHIT NG LC HC 2.1 Trng thỏi cõn bng v quỏ trỡnh cõn bng 2.1.1 Trng thỏi cõn bng 2.1.2 Quỏ trỡnh cõn bng 2.2 Ni nng h nhit ng, cụng v nhit 2.2.1 Ni nng h nhit ng 2.2.2 Cụng v nhit 2.2.2.1 Cụng 2.2.2.2 Nhit 2.2.2.3 Quan h cụng v nhit 2.3 Biu thc cụng v nhit quỏ trỡnh bin i cõn bng 2.3.1 Biu thc cụng 2.3.1.1 Cụng sinh bi khớ gión n 2.3.1.2 Trng hp tng quỏt 2.3.2 Biu din cụng bng th 2.3.3 Biu thc nhit quỏ trỡnh cõn bng 2.3.3.1 Nhit dung 2.3.3.2 Nhit dung riờng c (t nhit) 2.3.4 Nhit bin i trng thỏi (n nhit) 2.4 Nguyờn lý I nhit ng lc hc 2.4.1 Phỏt biu nguyờn lý 2.4.2 íù ngha nguyờn lý I 2.4.3 Quan h gia nhit dung Cp v CV 2.5 ng dng nguyờn lý I kho sỏt mt s quỏ trỡnh bin i cõn bng 2.5.1 Quỏ trỡnh ng tớch 2.5.2 Quỏ trỡnh ng ỏp 2.5.3 Quỏ trỡnh ng nhit 2.5.4 Quỏ trỡnh on nhit 2.5.5 Quỏ trỡnh a bin 2.5.6 Chu trỡnh 2.6 Cỏc hin tng truyn nhit 2.6.1 S dn nhit 2.6.1.1 Cỏc khỏi nim 2.6.1.2 nh lut Fourier v dn nhit 2.6.2 Truyn nhit bng i lu 2.6.2.1 C ch 2.6.2.2 Cụng thc Neuton 2.6.3 Truyn nhit bng bc x 2.6.3.1 Bc x nhit 2.6.3.2 Cõn bng bc x nhit CHNG 3: THUYT NG HC CHT KH 3.1 Chuyn ng nhit; s Avogadro 3.1.1 Mụ hỡnh cu to phõn t ca vt cht 3.1.2 Chuyn ng Braon 3.2 Thuyt ng hc cht khớ 3.3 Aùp sut v nhit theo thuyt ng hc phõn t 3.3.1 Aùp sut khớ tỏc dng lờn thnh bỡnh 3.3.2 Nhit ca khớ 3.3.3 Mt s h qu 3.3.3.1 Mt phõn t khớ 3.3.3.2 Vn tc cn quõn phng 3.4 Ni nng khớ lý tng 3.4.1 nh lut phõn b u nng lng theo bc t 3.4.1.1 Bc t 3.4.1.2 nh lut 3.4.2 Ni nng khớ lý tng 3.5 Nhit dung riờng ca khớ lý tng 3.5.1 Nhit dung phõn t 3.5.2 So sỏnh kt qu vi thc nghim 3.6 Phng phỏp thng kờ; nh lut phõn b phõn t ca Maxwell 3.6.1 Xỏc sut v giỏ tr trung bỡnh 3.6.1.1 Xỏc sut 3.6.1.2 Giỏ tr trung bỡnh 3.6.2 Mt xỏc sut 3.6.2.1 Mt xỏc sut 3.6.2.2 Cỏc giỏ tr trung bỡnh 3.6.2.3 S phõn t theo hm phõn b 3.6.3 nh lut phõn b phõn t theo tc ca Mcxoen 3.6.3.1 nh lut 3.6.3.2 Cỏc tc c trng i vi chuyn ng ca phõn t 3.6.3.3 S phõn t cú tc khong v v + dv 3.7 nh lut phõn b phõn t theo th nng ca Bụnzman 3.7.1 Cụng thc phong v biu 3.7.2 nh lut phõn b Bụnzman CHNG 4: CC HIN TNG NG HC TRONG CHT KH 4.1 Quóng ng t trung bỡnh ca phõn t khớ 4.1.1 S va chm trung bỡnh 4.1.2 Cụng thc quóng ng t trung bỡnh 4.2 Hin tng khuych tỏn 4.2.1 Xột theo quan im v mụ 4.2.2 Xột theo quan im vi mụ 4.3 Hin tng dn nhit 4.3.1 Xột theo quan im v mụ 4.3.2 Xột theo quan im vi mụ 4.4 Hin tng ni ma sỏt 4.4.1 Xột theo quan im v mụ 4.4.2 Xột theo quan im vi mụ 4.5 Phng trỡnh truyn, mi liờn h gia cỏc h s truyn 4.5.1 Phng trỡnh truyn 4.5.2 Liờn h gia cỏc h s truyn 4.5.3 Tớnh gn ỳng ca cỏc cụng thc tớnh h s truyn 4.6 Aùp sut thp 4.6.1 Khỏi nim khớ him 4.6.2 Hin tng ni ma sỏt v dn nhit ca khớ ỏp sut thp 4.6.3 Cỏch thc hin ỏp sut thp 4.6.3.1 Bm du 4.6.3.2 Bm khuyt tỏn 4.6.4 o ỏp sut thp 4.6.4.1 Aùp k Mc-Lờt 4.6.4.2 Aùp k ion 4.6.4.3 Aùp k nhit in CHNG V: NGUYấN Lí II NHIT NG LC HC 5.1 Nhng hn ch ca nguyờn lý I nhit ng lc hc 5.2 Quỏ trỡnh thun nghch v quỏ trỡnh khụng thun nghch 5.2.1 Quỏ trỡnh thun nghch 5.2.2 Quỏ trỡnh khụng thun nghch 5.3 Nguyờn lý II nhit ng lc hc 5.3.1 Mỏy nhit 5.3.1.1 ng c nhit 5.3.1.2 Mỏy lm lnh 5.3.2 Phỏt biu nguyờn lý II nhit ng lc hc 5.3.2.1 Phỏt biu ca Tụmxn (Thomson) 5.3.2.2 Phỏt biu ca Claodiut (Clausius) 5.4 Chu trỡnh Cỏcnụ v nh lý Cỏcnụ 5.4.1 Chu trỡnh Cỏcnụ thun nghch 5.4.1.1 Chu trỡnh Cỏcnụ thun 5.4.1.2 Chu trỡnh Cỏcnụ ngc 5.4.2 nh lý Cỏcnụ 5.4.2.1 Phỏt biu 5.4.2.2 Chng minh 5.4.2.3 Cỏc kt qu rỳt t nh lý Cỏcnụ 5.5 Bt ng thc Clausius 5.6 Entropi, nguyờn lý tng entropi 5.6.1 Entropi S 5.6.1.1 nh ngha 5.6.1.2 Tớnh cht ca entropi 5.6.2 Nguyờn lý tng entropi i vi quỏ trỡnh khụng thun nghch 5.6.2.1 Bt ng thc Clausius dng hm entropi 5.6.2.2 Nguyờn lý tng entropi 5.6.3 Entropi ca khớ lý tng 5.6.3.1 Quỏ trỡnh on nhit 5.6.3.2 Quỏ trỡnh ng nhit 5.6.3.3 Quỏ trỡnh bt k 5.6.4 íù ngha ca entropi 5.7 Nhit giai nhit ng lc CHNG VI: PHNG PHP HM NHIT NG V NGUYấN Lí III NHIT NG LC HC 6.1 Cỏc h s nhit 6.1.1 H s n ng ỏp 6.1.2 H s nộn ng nhit 6.1.3 H s tng ỏp ng tớch 6.1.4 Quan h gia cỏc h s nhit 6.2 S phi hp gia hai nguyờn lý nhit ng lc 6.3 Cỏc hm nhit ng lc 6.3.1 Hm ni nng U 6.3.2 Hm Entanpy H(S,p) 6.3.3 Hm th nhit ng Gibbs G(T,p) 6.3.4 Hm nng lng t F(T,V) 6.3.5 Cỏc c im chung 6.4 Th húa hc, iu kin cõn bng nhit ng 6.4.1 Th húa hc 6.4.2 iu kin cõn bng nhit ng 6.5 Nguyờn lý III nhit ng lc 6.5.1 Nguyờn lý III nhit ng lc 6.5.2 Khụng th t c khụng tuyt i CHNG VII: KH THC 7.1 Tng tỏc phõn t 7.1.1 Lc tng tỏc phõn t 7.1.2 Th nng tng tỏc phõn t 7.1.3 Quỏ trỡnh va chm gia hai phõn t khớ 7.2 Khớ thc, phng trỡnh Vandecvan (Vanderwaals) 7.2.1 Khớ thc 7.2.2 Phng trỡnh Vandecvan 7.2.2.1 Hiu chnh v th tớch (cng tớch) 7.2.2.2 Hiu chnh v ỏp sut (ni ỏp) 7.2.2.3 Phng trỡnh Vandecvan 7.3 ng ng nhit Vandecvan v ng ng nhit thc nghim ngdriu 7.3.1 H ng ng nhit Vandecvan 7.3.2 H ng ng nhit thc nghim ngdriu 7.3.3 Nhn xột 7.3.4 Trng thỏi ti hn 7.4 Ni nng khớ thc, hiu ng Jun-Tụmxn 7.4.1 Ni nng khớ thc 7.4.2 Hiu ng Jun-Tụmxn (Joule-Thomson) 7.4.3 S húa lng ca khớ 7.4.3.1 Gim nhit tip xỳc vi h cú nhit thp hn 7.4.3.2 Gim nhit gin khớ on nhit v sinh cụng 7.4.3.3 Gim nhit bng hiu ng Joule-Thomson dng CHNG VIII: CHT LNG 8.1 Tớnh cht chung v cu trỳc ca cht lng 8.1.1 Tớnh cht chung 8.1.2 Chuyn ng phõn t ca cht lng 8.2 Cỏc hin tng mt ngoi ca cht lng 8.2.1 Aùp sut phõn t 8.2.1.1 Hỡnh cu tỏc dng 8.2.1.2 Aùp sut phõn t 8.2.1.3 c im 8.2.2 Nng lng mt ngoi 8.2.3 Lc cng mt ngoi 8.2.3.1 Lc cng mt ngoi 8.2.3.2 Thc nghim xỏc nh lc cng mt ngoi 8.2.4 Mt s hin tng gõy bi lc cng mt ngoi 8.2.4.1 S nh git 8.2.4.2 Kim ni trờn mt nc 8.2.4.3 Nc trờn tm li 8.3 Hin tng dớnh t v khụng dớnh t 8.3.1 Hin tng 8.3.2 Gii thớch 8.4 Hin tng mao dn 8.4.1 Aùp sut ph 8.4.2 Hin tng mao dn 8.4.2.1 Hin tng 8.4.2.2 Gii thớch 8.4.2.3 Cụng thc tớnh chờnh lch gia hai mc cht lng 8.5 Aùp sut thm thu 8.5.1 Dung dch loóng 8.5.2 Aùp sut thm thu 8.5.3 Cụng thc Van-t-hp (Vant Hoff) CHNG IX: CHT RN KT TINH 9.1 i cng v cht rn 9.1.1 Cht rn kt tinh 9.1.1.1 Tinh th 9.1.1.2 Tớnh d hng ca tinh th 9.1.1.3 Cht rn n tinh th 9.1.1.4 Cht rn a tinh th 9.1.2 Cht rn vụ nh hỡnh 9.1.3 Tinh th lng 9.2 Cu trỳc tinh th 9.2.1 Nhng loi mng tinh th 9.2.1.1 Cỏc c trng chung ca mng tinh th 9.2.1.2 Phõn loi mng tinh th 9.2.2 Nhng mng vt lý 9.2.2.1 Tinh th ion 9.2.2.2 Tinh th nguyờn t 9.2.2.3 Tinh th kim loi 9.2.2.4 Tinh th phõn t 9.2.3 Cỏc khuyt tt mng tinh th 9.2.3.1 Sai hng im 9.2.3.2 Lch mng 9.2.3.3 Sai hng mt 9.2.4 Cỏc lc liờn kt mng tinh th 9.2.4.1 Liờn kt ion 9.2.4.2 Liờn kt ng húa tr 9.2.4.3 Liờn kt kim loi 9.2.4.4 Liờn kt phõn t 9.3 Chuyn ng nhit tinh th, nhit dung 9.3.1 Chuyn ng nhit ca phõn t cht rn 9.3.1.1 Chuyn ng nhit 9.3.1.2 Cỏc c trng ca chuyn ng nhit 9.3.2 Nhit dung ca cht rn 9.3.2.1 nhit cao 9.3.2.2 nhit thp 9.3.3 S gión n vỡ nhit ca cht rn 9.3.3.1 Gión n di 9.3.3.2 Gión n 9.3.3.3 Lc n v lc co vt rn chu tỏc ng nhit 9.3.4 S bin dng ca vt rn tinh th 9.3.4.1 Bin dng kộo 9.3.4.2 Bin dng ct 9.3.4.3 Gii thớch s bin dng theo cu trỳc mng CHNG X: S CHUYN PHA CA VT CHT 10.1 Khỏi nim v pha, s chuyn pha 10.1.1 Khỏi nim v pha 10.1.2 S lch pha 10.1.2.1 Chuyn pha loi I 10.1.2.2 Chuyn pha loi II 10.2 Mt s hin tng chuyn pha loi I 10.2.1 S núng chy v s ụng c 10.2.1.1 c im 10.2.1.2 Gii thớch 10.2.1.3 S bin i th tớch riờng 10.2.1.4 Aớnh hng ca ỏp sut ngoi 10.2.2 S húa hi v ngng t 10.2.2.1 c im 10.2.2.2 Gii thớch 10.2.2.3 Hi bóo hũa 10.2.2.4 S sụi 10.2.3 S thng hoa v s ngng t 10.3 th trng thỏi ca nguyờn cht, im ba 10.3.1 Mt p.V.T ca cỏc cht 10.3.2 im ba 10.3.3 Cỏc trờn th trng thỏi (gin pha) 10.4 Phng trỡnh Clapeyron-Clausius 10.5 Chuyn pha loi II 10.5.1 c im 10.5.2 Thớ d v bin i pah loi II 10.5.2.1 Hin tng siờu dn 10.5.2.2 S chuyn pha ca st t sang thun t 10.5.2.3 Hờli nhit thp 10.6 Chuyn pha ti hn ( ) [...]... trong vic nghiờn cu ngi ta nh ngha mt loi khớ l khớ lý tng Khớ lý tng l khớ tuõn theo hon ton chớnh xỏc hai nh lut Bụi - Marit v Gay - Luyxc mi gii hn nhit v ỏp sut Khớ lý tng khụng phi l loi khớ thc, tuy vy nhiu loi khớ nhit v ỏp sut thng cú th coi l khớ lý tng chng 7 ta s thy khớ thc khi b qua tng tỏc phõn t v kớch thc phõn t l mt loi khớ lý tng 1.6.2 Phng trỡnh trng thỏi KLT Gi s 1 kilomol... tn ti ng c vnh cu loi I: Theo nguyờn lý I: khụng th cú loi ng c ch mói sinh cụng cho bờn ngoi m khụng cn nhn nhit t bờn ngoi, hoc sinh cụng ln hn lng nhit truyn cho nú ng c nh vy c gi l ng c vnh cu loi I Nguyờn lý I ph nhn s tn ti ng c ú: Khụng th ch to c ng c vnh cu loi I 2.4.3 Quan h gia nhit dung CP v Cv Xột h l 1 kmol cht thc hin mt bin i vi mụ: Theo nguyờn lý I: dU =Q - p.dV Q = dU + p.dV Theo... Trong cỏch vit ny: Do U l mt hm trng thỏi h nờn dU l mt vi phõn ton chnh Cũn A, Q l cỏc hm ca quỏ trỡnh nờnQ ,A l lng nh nhit, lng nh cụng, chỳng l cỏc vi phõn khụng ton chnh 2.4.2 í ngha ca nguyờn lý I - Nguyờn lý I l mt dng ca nh lut Bo Ton v Bin i Nng Lng; Q =U + A nờn h mun sinh cụng cho bờn ngoi thỡ h phi nhn nhit Q, lng nhit m h nhn ỳng bng tng cụng h sinh ra v bin thiờn ni nng h - i vi ng c hot... trao i nhit vi bờn ngoi ( Q = 0 Q = 0 ) - Vớ d: quỏ trỡnh nộn hoc gin khớ trong bỡnh cú v cỏch nhit lý tng - Phng trỡnh ca quỏ trỡnh: do dQ = 0 Theo (2.16) ta cú : dU = Q - A dU = - A nu dU > 0 A < 0 h nhn cụng, ni nng h tng dU < 0 A > 0 h sinh cụng, ni nng h gim Ta cú: m CV dT = p.dV i vi khớ lý tng: p = m CV dT = m RT V m RT dV V dV dT = R thay R = CP CV V T dT dV = (CP CV )... trỡnh trng thỏi khớ lý tng cú th n kt qu: A= hoc 1 ( p1V1 p2V2 ) n 1 p1 V1 1 A = n 1 V1 V 2 (2.49) n 1 (2.50) Ta thy cỏc cụng thc trờn tng t nh cụng thc trong quỏ trỡnh on nhit ch khỏc ch s a bin n thay cho h s 2.5.6 Chu trỡnh Khi h thc hin mt bin i khộp kớn, h bin i theo chu trỡnh; sau mt chu trỡnh h tr li trng thỏi ban u bin thiờn ni nng hU = 0 - Trang 34 - Nguyờn lý I : Q = U + A... trỡnh lm lnh ng tớch Cú: (1) (1) (2) p1V1T1 p1V2 T1 p2 V2 T2 Vi quỏ trỡnh ng nhit: p1V1 = p1V2 P2T1 T2 Vi quỏ trỡnh ng tớch: p1= Thay vo trờn p1V1= P2T1 ì V2 T2 p1V1 p2V2 = T1 T2 Vy: i vi mt k.mol khớ lý tng ó cho Lngl mt hng s R - Trang 12 - pV = T R: hng s KLT Phng trỡnh trng thỏi ca 1 kilụmol KLT: pV = RT (1.18) + Giỏ tr ca hng s R k chun: t0 = O0C ; p0 = 1atm = 1,033at (T0 = 273,150K; p0 = 1,033*... 6,023.1026 phõn t; V: th tớch khớ Ta cú: pV = nRT Vy : pV = m vi n l s kilụmol; n = m (1.19) RT Cỏc phng trỡnh (1.18); (1.19) gi l phng trỡnh Clapeyron Mendenleev 1.6.3 Khi lng riờng, th tớch riờng ca khớ lý tng 1.6.3.1 Khi lng riờng G: khi lng riờng ca khớ Khi V = 1 m3 thỡ m = Vy: p.1 = RT = p RT (1.20) 1.6.3.2 Th tớch riờng v: l th tớch ca mt n v khi lng khớ Khi m = 1kg thỡ: v = Vy : v = 1 = RT ... z v : x y + y z z x (2.24) x = 0 z y (2.25) x y z = -1 y z z x x y hoc : (2.26) 2.5 NG DNG NGUYấN Lí I KHO ST MT S QU TRèNH BIN I CN BNG Gi s; H l m kg khớ lý tng thc hin mt bin i cõn bng t trng thỏi (1) sang trng thỏi (2) (2) (1) p2 V2 T2 p1 V1 T1 Nu quỏ trỡnh ny la:ỡ 2.5.1 Quỏ trỡnh ng tớch Quỏ trinh bin i cõn bng ng tớch l quỏ trỡnh bin i cõn bng m th... Q = m CV dT - Trang 27 2 Q = Q = 1 Q= m T2 m m CV dT = T1 T2 CV dT T1 CV T (2.29) Do ú : > 0 Q > 0h thc s nhn nhit < 0 Q < 0h thc s ta nhit (quỏ trỡnh lm lnh) - bin thiờn ni nng Theo nguyờn lý I U = Q - A Do A = 0 U = Q U = m CV T (2.30) Trong quỏ trỡnh ng tớch, nhit h nhn vo Q > 0 ch lm thay i ni nng h; nhit h tng 2.5.2 Quỏ trỡnh ng ỏp L quỏ trỡnh bin i cõn bng m ỏp sut h c gi khụng i... = dV RT V V V V1 1 V2 m P = RTln 1 V1 P2 (2.38) - bin thiờn ni nng: i vi KLT ni nng ch ph thuc nhit khi khớ (c chng minh sau) (2.39) Do nhit T = Const U = Const U = 0 - Nhit h nhn: T nguyờn lý I: Q = U + A Do U = 0 Q = A m V2 m P = RTln 1 V1 P2 Q= Võy: Nu Q 0 A 0 h nhn nhit, h sinh cụng Qui c: (2.40) Gi Q = - Q l nhit m h sinh ra, thỡ: Q = RTln m RTln V1 m P = RTln 2 V2 P1 (2.41) ... chỳng cõn bng nhit vi Kt lun trờn c gi l nguyờn lý O nhit ng hc Nguyờn lý cho phộp so sỏnh nhit hai vt khỏc m khụng cn t tip xỳc nhau, nguyờn lý cng cho phộp ta s dng mt nhit k o nhit ca nhit... nghiờn cu ngi ta nh ngha mt loi khớ l khớ lý tng Khớ lý tng l khớ tuõn theo hon ton chớnh xỏc hai nh lut Bụi - Marit v Gay - Luyxc mi gii hn nhit v ỏp sut Khớ lý tng khụng phi l loi khớ thc, vy nhiu... thc, vy nhiu loi khớ nhit v ỏp sut thng cú th coi l khớ lý tng chng ta s thy khớ thc b qua tng tỏc phõn t v kớch thc phõn t l mt loi khớ lý tng 1.6.2 Phng trỡnh trng thỏi KLT Gi s kilomol KLT