CHUONG 1 DONG HOC chất điiẻm

PHẦN CƠ HỌC CHƯƠNG ÐỘNG HỌC I II III IV V VI ÐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CƠ HỌC Khái niệm học Phương pháp nghiên cứu Vật lý Ðo lường vật lý Ðơn vị đo CÁC ÐƠN VỊ ÐO DÙNG CHO CƠ HỌC Ðộ dài Khối lượng Thời gian MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA CƠ HỌC Vị trí chất điểm Phương trình chuyển động phương trình qũy đạo Véctơ vận tốc GIA TỐC Biểu thức gia tốc Biểu diễn gia tốc Gia tốc pháp tuyến gia tốc tiếp tuyến CHUYỂN ĐỘNG THẲNG Khái niệm Tính vận tốc tọa độ Rơi tự CHUYỂN ĐỘNG TRÒN Khái niệm Véc tơ vận tốc góc Gia tốc góc I ÐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CƠ HỌC Khái niệm Cơ học TOP Vật lý học ngành khoa học tự nhiên nghiên cứu qui luật vận động phổ biến vật chất lĩnh vực học, nhiệt học, điện từ học, quang học cấu trúc phân tử, nguyên tử Cơ học sâu nghiên cứu chuyển động vật thể tức thay đổi vị trí vật khơng gian theo thời gian Tùy theo kích thước vật chất nghiên cứu, người ta phân thành ngành vật lý Vật lý vĩ mô Vật lý vi mô Vật lý vĩ mơ khảo sát vật có kích thước lớn nhiều so với kích thước nguyên tử (10- 8cm), ngành nầy gọi vật lý cổ điển Vật lý Vi mô khảo sát vật có kích thước khối lượng nhỏ; Ðặc biệt hạt cấu thành nguyên tử phân tử Vật lý vi mô thuộc phạm vi Vật lý đại Phương pháp nghiên cứu Vật lý TOP Phương pháp nghiên cứu vật lý thực nghiệm tiến hành qua bước: 1) Quan sát tượng, kết hợp thí nghiệm để khảo sát tượng 2) Ðưa lý luận giả thuyết để giải thích tượng quan sát 3) Dùng thí nghiệm để kiểm chứng đắn lý thuyết số liệu đo đạc xác Nếu kết sai với thực tế phải làm lại từ đầu (Xem sơ đồ) Ðo lường vật lý TOP Vật lý khoa học thực nghiệm hầu hết định luật, thuyết vật lý phải xây dựng từ sở kết đo đạc thực nghiệm Mặt khác, lý luận chưa thực nghiệm kiểm chứng đắn khơng có gía trị sử dụng Thế nên việc đo lường đại lượng vật lý vô quan trọng Ðo lường vật so sánh vật cần đo với vật chuẩn gọi đơn vị Khi cần đo độ dài bàn, ta so sánh với đoạn thẳng dài mét để xem lớn hay nhỏ lần Trong thực tế, đại lượng vật lý dùng phương pháp so sánh để đo kết người ta gọi chúng đại lượng đo trực tiếp Chiều dài, khối lượng, thời gian đại lượng đo trực tiếp Ðại đa số đại lượng vật lý khác khối lượng riêng, gia tốc, xung lượng khơng thể đo trực tiếp được, chúng gọi chung đại lượng đo gián tiếp Ðơn vị đo TOP Thực đại lượng vật lý phải có đơn vị đo riêng có số đại lượng vật lý đo trực tiếp, đại lượng vật lý liên hệ với qua công thức, định luật vật lý, nên người ta chọn số đơn vị đo trực tiếp mang tính phổ biến thơng dụng làm đơn vị để xây dựng đơn vị đo đạc đại lượng vật lý khác Ví dụ đơn vị đo gia tốc m/s2, đơn vị đo khối lượng riêng kg/m3 Ðó đơn vị dẫn xuất Ðơn vị dẫn xuất đơn vị suy từ đơn vị qua công thức định luật định lý Vì nước dùng đơn vị đo khác gây khó khăn cho việc trao đổi thông tin khoa học nên nhà khoa học thống sử dụng hệ thống đơn vị đo lường bản, viết tắt SI Ðây hệ thống đơn vị đo lường có tính quốc tế Hệ SI bao gồm đơn vị đo là: Ðộ dài L (Length) đo mét (m) Thời gian t (Time) đo giây (s) Khối lượng M (Mass) đo kílơgam (kg) Nhiệt độ T (Temperature) đo độ Kenvin ( 0K) Cường độ dòng điện I (Intensity) đo ampère (A) Cường độ ánh sáng Io đo candela (cd) Trong học người ta lưu ý đến đơn vị : độ dài, khối lượng thời gian Ðể biểu diễn đơn vị dẫn xuất thông qua đơn vị người ta dùng cơng thức chung gọi cơng thức thứ ngun có dạng sau: [X] = [M]p[L]q[T]r p, q, r số nguyên [X] ký hiệu thứ nguyên đại lượng vật lý X Thí dụ: Ðơn vị vận tốc v m/s ( [v] = [L][T]-1 Ðơn vị lực F kgm/s2 ( [F] =[M][L][T]-2 Công thức thứ nguyên dùng để kiểm tra xác cơng thức vật lý Một số lưu ý: 1) Các đại lượng dùng vật lý có số thuộc đại lượng vơ hướng đa số đại lượng véctơ Ðại lượng véctơ có dạng dạng bị buộc dạng tự do, dạng tự có điểm đặt gắn lên vật di động ví dụ véc tơ vận tốc, véc tơ gia tốc 2) Trong tính tốn, ghi kết thực nghiệm nên biểu diễn số dạng tích với số mũ 10 Những số có q nhiều số hạng làm trịn số để việc tính tốn khơng phức tạp Việc làm tròn đến chữ số tùy thuộc vào điều kiện cụ thể Ví dụ 0,0034 g nên viết 34.10-4 g = 34.10-7 kg Số 755 921 475 làm tròn thành 756.106, số 0,000 345 892 65 làm trịn thành 3459.10-7 II CÁC ÐƠN VỊ ÐO DÙNG CHO CƠ HỌC Ðộ dài TOP Ðơn vị mét Mét định nghĩa độ dài 1650763,73 lần bước sóng chân không vạch màu da cam nguyên tử Krypton (số thứ tự 36) chuyển từ mức 5d5 xuống 2P10 phát Mét gần 1/40.000.000 độ dài kinh tuyến Trái đất Bảng 1.1 Bội số ước số mét Số mũ Cách đọc Ký hiệu Số mũ Cách đọc Ký hiệu 1018 Examet Em 10 -1 Decimet dm 1015 Petamet Pm 10 -2 Centimet cm 1012 Teramet Tm 10 -3 Millimet mm 109 Gigamet Gm 10 -6 Micromet µm 106 Megamet Mm 10 -9 Nanomet ηm 103 Kilomet km 10 -12 Picomet pm 102 Hectamet hm 10 -15 Femtomet fm 101 Decamet dam 10 -18 Attomet am Bảng 1.2 Các đơn vị đo độ dài khác tính mét Tên Ký hiệu Tính mét Inch in 2,54 x 10 -2 Feet ft 30,48 x 10 -2 Dặm mi 1609 Hải lý 1850 Yard Yd 0,9144 Ăngstrong Ao 10 -10 năm ánh sáng Light year 9, 461 x 10 15 Ðơn vị thiên văn Ae 1,49 x 10 Bảng 1.3 Ý nghĩa số độ dài Ðộ dài (m) 10 -17 10 -15 Ý nghĩa Trình bày giới hạn thí nghiệm vế cấu trúc hạt nhân Bán kính proton 10 -10 10 -8 10-6 10 10 11 10 16 10 22 10 26 Bán kính nguyên tử Ðộ dài ribosome Bước sóng ánh sáng thấy Bán kính trái đất Bán kính quỹ đạo trái đất Một năm ánh sáng Khoảng cách đến thiên hà gần Bán kính cấp vũ trụ Khối lượng TOP Ðơn vị Kg; Kg khối lượng vật chuẩn Platin-Iridi giữ phòng cân đo quốc tế Sèvres gần Paris Khối lượng 1Kg gần khối lượng 1000 cm3 nước nguyên chất nhiệt độ 4oC Bảng 1.4 Một số đơn vị khối lượng tính kg Các đơn vị khác Slug Pound Tạ Tấn u (đơn vị khối lượng nguyên tử ) Cara (đo khối lượng đá quí) Qui theo kg 14,59 0,454 10 10 1,66057 x 10 -27 x 10 -4 Bảng 1.5 Ý nghĩa số khối lượng Khối lượng (Kg) 10 -30 10 -21 10 -15 10 25 10 30 10 41 10 52 Ý nghĩa Khối lượng electron Khối lượng ribosome Khối lượng vi khuẩn Khối lượng Trái Ðất (5,98 x 10 24) Khối lượng Mặt trời (1,99 x 10 30) Khối lượng Thiên hà Khối lượng vũ trụ Thời gian TOP Thời gian đo giây; Giây định nghĩa khoảng thời gian tổng 9192631770 chu kỳ xạ ứng với chuyển hai mức trạng thái siêu tinh tế nguyên tử Xêzi (133) Giây gần 1/86400 ngày mặt trời trung bình Bảng 1.6 Ý nghĩa số độ dài thời gian Ðộ dài thời gian 10 -23 10 -15 10 -8 10 -2 → 109 10 Ý nghĩa Thời gian cho ánh sáng qua proton Chu kỳ sóng ánh sáng Thời gian xạ photon từ nguyên tử bị kích thích Thang thời gian cho người Một năm (3,16 x 10 s) 10 16 Hệ mặt trời quay vòng quanh trung tâm Thiên hà Tuổi Trái đất 10 17 10 18 Tuổi vũ trụ III MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA CƠ HỌC Vị trí chất điểm TOP Chất điểm: Chất điểm vật mà kích thước nhỏ nhiều so với quãng đường mà (nhỏ từ vài trăm đến vài ngàn lần) Một vật xem chất điểm chất điểm, điều phụ thuộc vào độ dài quãng đường chuyển động vật khơng phụ thuộc vào kích thước Hệ qui chiếu: Là vật mà ta chọn làm mốc để xét chuyển động vật khác tức khảo sát khoảng cách từ vật làm mốc đến vật quan sát xem có thay đổi hay không thay đổi Khi chọn vật làm hệ qui chiếu, thông thường người ta chọn vật đứng yên để gắn lên hệ trục toạ độ Ðiểm đặt hệ qui chiếu gốc tọa độ O Phương pháp xác định vị trí chất điểm: Muốn xác định vị trí chất điểm M khơng gian, phải xác định véctơ định vịĠ=Ġ O gốc hệ qui chiếu chọn Một véctơ xác định thông qua yếu tố phương, chiều, độ lớn điểm đặt Tọa độ: Ðể biểu diễn véctơĠ hệ tọa độ xác định, người ta dùng giá trị tọa độ Các giá trị tọa độ xây dựng phụ thuộc cấu trúc hệ tọa độ khác Ðể biểu diễn vị trí chất điểm mặt phẳng, người ta sử dụng hệ tọa độ sau: a) Hệ tọa độ cực b) Hệ tọa độ Descartes chiều OXY Trong hệ tọa độ Descartes hai chiều ta phân tích: Sự phân tích nầy x, y gọi tọa độ chất điểm M Trong hệ tọa độ Descartes chiều, vị trí điểm M xác định hai tọa độ x y c) Liên hệ tọa độ hai hệ: Ðể biểu diễn vị trí chất điểm M không gian, người ta sử dụng hệ tọa độ Descartes chiều OXYZ Trên hình 1.3 ta thấy M/ hình chiếu M lên mặt phẳng OXY, R hình chiếu M lên OZ, P Q hình chiếu M/ lên OX OY Trong hệ tọa độ Descartes chiều, vị trí chất điểm M xác định tọa độ x, y z Muốn tìm độ lớn véctơĠ không gian, người ta sử dụng công thức sau: OM2 = r = x2 + y2 + z2 (1.4 ) Ngồi ra, để biểu diễn vị trí chất điểm khơng gian, người ta cịn dùng hệ tọa độ khác hệ tọa độ cầu, hệ tọa độ trụ Phương trình chuyển động phương trình quỹ đạo TOP a) Phương trình chuyển động Khi chất điểm M đứng n rõ ràngĠ khơng đổi độ lớn lẫn phương chiều Khi M di chuyển đến M,Ġ thay đổi thànhĠ lúc xét hệ toạ độ tọa độ biểu diễn điểm M thay đổi Theo thời gian, điểm M qua nhiều điểm M khác nhau, tọa độ véc tơ Ġ thay đổi liên tục nhận nhiều giá trị khác Phương trình chuyển động hàm số biểu thị thay đổi tọa độ chất điểm M theo thời điểm cụ thể Trong tọa độ cực, phương trình chuyển động có dạng : t gọi tham số phương trình - Trong hệ tọa độ Descartes chiều, phương trình chuyển động có dạng là: - Trong hệ tọa độ Descartes chiều phương trình chuyển động có dạng là: Một cách tổng quát, phương trình chuyển động viết dạng : b) Phương trình quỹ đạo Quỹ đạo hiểu tập hợp tất vị trí mà chất điểm qua trình chuyển động Phương trình quỹ đạo không lệ thuộc vào tham số thời gian t nên ta tìm phương trình quỹ đạo cách khử tham số t từ phương trình chuyển động Giả sử ta có phương trình chuyển động : Khử tham số t từ hai phương trình ta suy phương trình quỹ đạo : Vì phương trình đường elip nên ta nói quỹ đạo chuyển động chất điểm elip có bán trục lớn cm bán trục nhỏ cm Véctơ vận tốc a) Véctơ vận tốc trung bình TOP b) Véctơ vận tốc tức thời c) Biểu diễn véctơ vận tốc Tốc độ: Tốc độ thuật ngữ dùng để độ lớn vận tốc trung bình khoảng thời gian chuyển động Người ta định nghĩa tốc độ trung bình xe độ dài toàn quãng đường xe chia cho toàn thời gian hết qng đường Tốc độ khơng có phương, chiều Ví dụ: Một vật chuyển động đường thẳng OX; Ở thời điểm t1 = 1s, vị trí tọa độ x1 = cm Khi vật chuyển động đến thời điểm t2 = s, vị trí tọa độ x2 =- cm Ta tính vận tốc trung bình dọc theo phương x : v tb = (x2 - x1) /(t2 - t1) = (- - 4)/(3 - 1) = -9/2 = - 4,5 cm/s Vậy vật chuyển động ngược chiều OX (vì vận tốc trung bình có dấu trừ), cịn tốc độ trung bình vật 4,5 cm/s Lưu ý: Trong thực tế xe chạy đường ngoằn ngoèo phương chuyển động thay đổi nên vận tốc tức thời thay đổi Như với véctơ vận tốc điểm đặt gắn lên vật chuyển động, góc véctơĠ ln ln thay đổi khơng véctơ định vịĠ Do người ta gọiĠ véc tơ tự Ðơn vị: IV GIA TỐC Ðể đặt trưng cho biến đổi nhanh hay chậm véc tơ vận tốc theo thời gian người ta đưa khái niệm gia tốc Biểu thức TOP 2.Biểu diễn gia tốc TOP Ðể tính gia tốc hệ tọa độ Descartes người ta sử dụng phương pháp toán học sau: Gia tốc pháp tuyến gia tốc tiếp tuyến TOP Quá trình thuận nghịch TOP Trong nhiệt động lực học, xét q trình nói chung mà ta cần ý đến chiều diễn biến trình Vì ta xét khái niệm trình thuận nghịch Quá trình thuận nghịch trình diễn biến theo hai chiều, lúc đầu q trình diễn theo chiều (chiều thuận) sau lại diễn theo chiều ngược lại để trở trạng thái ban đầu hệ qua trạng thái giống lúc hệ diễn biến theo chiều thuận hệ trở trạng thái ban đầu khơng gây biến đổi cho ngoại vi Mọi trình thuận nghịch q trình chuẩn cân Ta biểu diễn trình thuận nghịch đồ thị đường cong liền nét trình chuẩn cân Mọi trình thực diễn biến nhanh có tỏa nhiệt ma sát nên chúng trình thuận nghịch Trong trường hợp hệ trở lại trạng thái ban đầu trình gây biến đổi cho ngoại vi trình bao gồm dãy trạng thái khơng cân Những q trình gọi q trình khơng thuận nghịch Nếu chúng xảy chậm ma sát chúng gần với trình thuận nghịch qúa trình q trình lý tưởng hóa Nhiệt động lực học nghiên cứu biến đổi lượng trình chuẩn cân tức trình thuận nghịch Những trình gọi chung trình nhiệt động lực học II NĂNG LƯỢNG CHUYỂN ÐỘNG NHIỆT VÀ NỘI NĂNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG Ðịnh luật phân bố lượng Boltzmann TOP Năng lượng chuyển động nhiệt gọi nhiệt vật tổng lượng chuyển động tất phân tử cấu tạo nên vật Việc xét riêng nhiệt biến đổi vật khó khăn lượng chuyển động nhiệt phân tử luôn liên quan mật thiết với tương tác phân tử Chẳng hạn đung nóng vật, nhiệt độ tăng lên khơng lượng chuyển động mà phân tử cấu tạo nên vật biến đổi Vì vậy, để thuận tiện cho việc tìm hiểu sâu lượng chuyển động nhiệt ta chọn khí lý tưởng lực tương tác tương tác phân tử nhỏ, bỏ qua Ðối với khí ngun tử (ví dụ Hêli, Nêon, Argon) ta coi phân tử chất điểm Phân tử có nguyên tử có động chuyển động tịnh tiến động ứng với chuyển động quay khơng có Ngun tử gồm hạt nhân tập trung hầu hết khối lượng nguyên tử vành nhẹ electron Khi phân tử va chạm ngồi việc trao đổi cho động chuyển động tịnh tiến phân tử, phân tử truyền cho vành electron phân tử xung lượng quay Nhưng xung lượng không làm quay hạt nhân hạt nhân vành electron khơng có liên kết rắn Hơn mơmen qn tính I chuyển động quay phân tử có nguyên tử nhỏ coi khơng (vì bán kính hạt nhân q nhỏ) động chuyển động quay phân tử coi không, nghiã cho nguyên tử không quay Vậy khí lý tưởng nguyên tử chứa N phân tử lượng chuyển động nhiệt là: Sự phân bố động phân tử nguyên tử thành thành phần độc lập liên quan tới việc coi phân tử chất điểm có bậc tự Ta nhớ số bậc tự hệ số toạ độ độc lập cần thiết để xác định vị trí cấu hình hệ khơng gian Từ nhận xét ta suy bậc tự do, động trung bình chuyển động tịnh tiến phân tử có nguyên tử KT/2 Từ đó, cách tự nhiên, người ta giả thiết phân tử cịn có thêm số bậc tự khác bậc tự có thành phần động trung bình KT/2 Trong phạm vi vật lý cổ điển lý thuyết chứng minh phát biểu cách đầy đủ sau: Nếu hệ phân tử trạng thái cân với nhiệt độ T động trung bình phân bố theo bậc tự ứng với bậc tự phân tử động trung bình KT/2 Ðó định luật phân bố động theo bậc tự hay gọi tắt định luật phân bố lượng Boltzmann Năng lượng chuyển động nhiệt chất khí mà phân tử gồm nhiều nguyên tử TOP Trước hết ta xét phân tử có nguyên tử Phân tử coi hệ gồm nguyên tử cách khoảng (Hình 10.3) Giả sử khoảng cách hai nguyên tử không đổi (trường hợp phân tử coi phân tử "rắn chắc") Một hệ vậy, nói chung, có bậc tự Tóm lại phân tử nguyên tử "rắn chắc" (như H2, O2, N2 v.v ) số bậc tự bậc tự ứng với chuyển động tịnh tiến (quy ước gọi tắt bậc tự tịnh tiến) bậc tự ứng với chuyển động quay (quy ước gọi tắt bậc tự quay) Vậy động trung bình phân tử nguyên tử là: Ðối với phân tử có hay nhiều nguyên tử liên kết rắn với (như H2O, NH3 v.v ) có bậc tự tịnh tiến bậc tự quay, trừ trường hợp nguyên tử nằm đường thẳng, số bậc tự quay có (giống phân tử có ngun tử) Hình vẽ 10.4 nêu thí dụ phân tử nguyên tử rắn Vậy lượng chuyển động nhiệt lượng khí lý tưởng hay nhiều nguyên tử gồm N phân tử : Cần ý nhiệt độ bình thường nguyên tử phân tử coi không dao động Nhưng nhiệt độ đủ cao, nguyên tử dao động chung quanh vị trí cân Dao động coi dao động điều hoà Cơ học cho biết, giá trị trung bình động dao động điều hồ Vì phân tử mà nguyên tử dao động điều hồ theo định luật phân bố lượng, lượng ứng với bậc tự dao động gồm phần: phần lượng dạng động có giá trị bằngĠ, phần lượng dạng có giá trị KT/2 Như lượng ứng với bậc tự dao động KT/2 mà KT/2 Từ suy phương diện phân bố lượng bậc tự dao động tương đương với bậc tự tịnh tiến quay Ðể đến công thức tổng quát cho lượng chuyển động nhiệt khí lý tưởng, ta gọi i số bậc tự phân tử Mỗi bậc tự tương đương với bậc tự dao động tính tổng số bậc tự toàn phân tử i ,ta đổi bậc tự dao động thành bậc tự tịnh tiến hay quay Vậy lượng trung bình phân tử chuyển động biểu thị cơng thức: Từ suy lượng chuyển động mol chất khí lý tưởng có cơng thức tổng qt là: Lý thuyết lượng chuyển động nhiệt trình bày có tính chất gần ứng dụng chất khí điều kiện bình thường Năng lượng chuyển động nhiệt vật thành phần nội vật Nội vật gồm toàn dạng lượng vật gồm lượng chuyển động nhiệt, tương tác phân tử, tương tác nguyên tử phân tử, động tương tác hạt cấu tạo nên nguyên tử (hạt nhân electron) v.v Tất dạng lượng trừ dạng lượng gọi chung lượng bên phân tử Ðối với mol vật chất ta gọi III SỰ LIÊN QUAN GIỮA NHIỆT LƯỢNG VÀ CÔNG CƠ HỌC TOP Từ công thức (10.15) ta thấy nhiệt độ khí lý tưởng thay đổi nội khí thay đổi Vậy ta làm thay đổi nội khí trao đổi nhiệt lượng khí với ngoại vật Phần lượng chuyển động nhiệt truyền từ ì vật đến vật khác gọi nhiệt lượng Ta làm thay đổi nhiệt độ khí cách thực cơng học Chẳng hạn, để làm nóng khí lên, ta dùng tay nén cách đột ngột Ngược lại để làm khí lạnh đi, ta khí tự dãn đột ngột khí thực cơng học Vậy truyền lượng nói chung thực hai hình thức khác Ðó truyền nhiệt lượng thực công học Sự truyền nhiệt lượng hình thức truyền lượng xảy trực tiếp nguyên tử hay phân tử chuyển động hỗn loạn cấu tạo nên vật tương tác; cịn thực cơng hình thức truyền lượng vật vĩ mô tương tác với Căn vào chất vật lý nhiệt lượng công học nêu hai đại lượng phải đo đơn vị Trong hệ SI đơn vị đo nhiệt lượng giống đơn vị đo cơng học Ðó Joule (J) Nhưng q trình phát triển vật lý học, lúc đầu chưa hiểu chất tượng nhiệt, nên dựa vào thuyết "chất nhiệt" người ta quy ước đo nhiệt lượng calo (viết tắt cal) tức nhiệt lượng để làm nóng gam (g) nước áp suất chuẩn (p = 760 mmHg) từ 19,5oC đến 20,5oC Ðơn vị nhiệt lượng cịn chọn kcal: kcal = 1000 cal Khoảng kỷ 19, Joule chứng minh thực nghiệm mối liên quan định lượng đơn vị J đơn vị cal cal = 4,18 J Ðể biểu thị mối liên quan này, ta định nghĩa đương lượng công nhiệt là: I = 4.18 J/cal (10.16) Và đương lượng nhiệt công Nhiệt lượng công học đơn vị truyền nhiệt lượng thực cơng hai hình thức truyền lượng khác nhau, nên chúng có điểm khác mặt định tính Sự truyền nhiệt cho hệ truyền lượng chuyển động hỗn loạn phân tử từ nơi đến nơi khác trực tiếp dẫn đến tăng nội hệ Ngược lại, thực cơng lên hệ truyền dạng lượng khơng phải nhiệt từ nơi đến nơi khác Cũng biến đổi dạng lượng khác nhau, trực tiếp dẫn đến tăng dạng lượng hệ (động năng, năng, nội năng, ) Bây ta phân tích khác lượng với nhiệt lượng công Ta biết lượng đại lượng đặc trưng cho chuyển động tương tác vật chất Chẳng hạn đặc trưng cho chuyển động động học, nhiệt đặc trưng cho chuyển động hỗn loạn phân tử, điện đặc trưng cho chuyển động hạt mang điện, hấp dẫn đặc trưng cho tương tác hấp dẫn vật thể, điện trường đặc trưng cho tương tác điện vật mang điện v.v Vậy ta thấy nhiệt lượng công dạng lượng mà phần lượng trao đổi vật tương tác với có thay đổi trạng thái Nhiệt cơng xuất có truyền biến đổi lượng cịn lượng ln tồn vật chất Trong phần nầy ta gặp nhiều lần khái niệm "biến nhiệt thành công" (hay ngược lại) Ta khơng thể giải thích biến đổi nhiệt thành giải thích thiếu xác Ta cần hiểu biến đổi cách truyền lượng hình thức nhiệt cơng Ðể làm sáng tỏ vấn đề, ta dẫn thí dụ sau Khi đun nóng khí xylanh có pit-tơng, ta truyền phần lượng chuyển động nhiệt từ chất đốt nhiệt độ cao cho chất khí nạp vào xylanh từ bên ngồi, nghĩa có truyền lượng hình thức nhiệt Sau nội hệ khí tăng lên truyền phần thành cho pit-tơng (khí xylanh đẩy pit-tơng) phần khác truyền thành nhiệt làm nóng cho vỏ xylanh pit-tông (do ma sát pit-tông xylanh) Tất biến đổi lượng xảy hình thức cơng Kết hai trình gọi biến nhiệt thành cơng Rõ ràng khơng có biến đổi trực tiếp từ chuyển động nhiệt phân tử sang chuyển động pit-tông mà phải qua khâu trung gian từ việc dùng nhiệt nhiên liệu làm tăng nội từ nội sang Ta tóm tắt nhận xét sơ đồ sau: Sau nghiên cứu nguyên lý nhiệt động lực học ta thấy rõ ràng khơng biến đổi trực tiếp nhiệt thành ngược lại ta biến đổi trực tiếp thành nhiệt (ví dụ cọ sát bàn tay vào nhau) IV NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ÐỘNG LỰC HỌC Ngun lý bảo tồn biến hóa lượng TOP Ngun lý bảo tồn biến hóa lượng nóïi rằng: "Ở q trình khác diễn tự nhiên, lượng không sinh từ hư vơ khơng biến mà biến hóa từ dạng sang dạng khác" Nguyên lý thứ nhiệt động lực học nguyên lý bảo tồn biến hóa lượng áp dụng q trình có liên quan đến biến đổi nội sang nhiệt sang dạng lượng khác ngược lại Nội hàm số đơn giá trạng thái TOP Từ ngun lý bảo tồn biến hóa lượng chứng minh rằng: Nội hàm số đơn giá trạng thái nghĩa ứng với trạng thái xác định (p, V, T) có gía trị nội Thật vậy, trạng thái hệ có nhiều giá trị khác nội khai thác phần lượng khác mà hệ khơng thay đổi (vì trạng thái khơng đổi) có nghĩa thu lượng từ hư vơ Ðiều trái với định luật bảo tồn biến hóa lượng Ngun lý thứ nhiệt động lực học TOP Bây ta khảo sát trường hợp hệ biến đổi từ trạng thái (1) đến trạng thái (2) trao đổi nhiệt hệ với ngoại vật thực công ngoại vật hệ Nếu trao đổi nhiệt thực công ngoại vật lên hệ mà hệ chuyển từ trạng thái xác định nầy sang trạng thái xác định khác, cách chuyển xảy hai trạng thái đó, tổng nhiệt lượng trao đổi công thực không đổi Trong trường hợp hệ thực q trình kín (chu trình) nghĩa sau trình biến đổi trạng thái hệ lại quay trở trạng thái ban đầu ta có: Từ ta rút cách phát biểu nguyên lý thứ cho chu trình là: Nếu hệ biến đổi trạng thái theo chu trình xảy tổng nhiệt lượng trao đổi cơng thực chu trình phải khơng, nội hệ khơng đổi Hệ thức nói lên giá trị nội trạng thái hệ xác định sai khác số cộng Quá trình thiết lập nguyên lý thứ có liên quan chặt chẽ với vấn đề hấp dẫn lịch sử vật lý thực động vĩnh cửu loại hay không ? Ðộng vĩnh cửu loại 1đó loại động sinh cơng mà không cần tiêu thụ lượng tiêu thụ phần lượng cơng sinh Một động thực Biểu thức giải tích nguyên lý thứ Với biến đổi nhỏ trạng thái hệ, ta viết Biểu thức (10.22) nội dung nguyên lý thứ Khi vận dụng để xét vấn đề cụ thể ta quy ước sau: V NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG TOP Nhiệt dung riêng chất đại lượng vật lý có giá trị nhiệt lượng cần cung cấp cho đơn vị khối lượng chất để làm tăng nhiệt độ thêm 1o Để thuận tiện việc tính tốn người ta cịn đưa thêm khái niệm nhiệt dung riêng phân tử Nhiệt dung riêng phân tử chất đại lượng vật lý có giá trị nhiệt lượng cần cung cấp cho kmol chất để làm tăng nhiều độ lên 1o Ký hiệu nhiệt dung riêng c, nhiệt dung riêng phân tử C, rõ ràng ta có: Ðối với chất khí ta cần phân biệt xem ta làm nóng chất khí điều kiện nào: đẳng tích hay đẳng áp Do ta có nhiệt dung riêng đẳng tích nhiệt dung riêng đẳng áp Nhiệt dung riêng đẳng tích TOP Theo định nghĩa, nhiệt dung riêng phân tử đẳng tích viết dạng: Nhiệt dung riêng đẳng áp Theo định nghĩa, nhiệt dung riêng phân tử đẳng áp viết dạng: TOP Ký hiệu p phía vịng ngoặc q trình truyền nhiệt để làm tăng nhiệt độ trình đẳng áp Ðể giữ cho áp suất khơng đổi bị đun nóng chất khí phải dãn nghĩa phải tăng thể tích, nhiệt lượng truyền cho chất khí dùng để làm tăng nội khí sau để giữ cho áp suất khơng đổi nên phần nội dùng để sinh cơng thắng ngoại lực để tăng thể tích khí Vận dụng nguyên lý thứ nhiệt động lực học cho trường hợp ta có: Để chứng minh điều ta tưởng tượng KMOL khí chứa xylanh phía có pittơng (Hình 10.5a) Dưới tác dụng áp suất p chất khí (coi khơng đổi) đun nóng khí, pit-tơng chuyển lên phía đoạn dh Từ công thức (10.30) ta thấy, số chung chất khí R có giá trị cơng thực kmol khí lý tưởng dãn q trình đun nóng đẳng áp để làm tăng nhiệt độ thêm 1o Tỉ số nhiệt dung riêng đẳng áp đẳng tích Ðơn vị đo nhiệt dung riêng TOP TOP Những kết tính nhiệt dung riêng phân tử theo lý thuyết cho số chất khí ghi bảng (10.1) Giá trị thực nghiệm nhiệt dung riêng phân tử số chất khí ghi bảng (10.2) Ðối chiếu giá trị lý thuyết với gía trị thực nghiệm, ta có nhận xét sau: Thuyết nhiệt dung riêng trình bày gọi thuyết nhiệt dung riêng cổ điển Nó ứng dụng phạm vi định Thiếu sót chủ yếu thuyết là: 1- Khơng giải thích sai lệch trị số lý thuyết thực nghiệm nhiệt dung riêng sai lệch không lớn vượt sai số thực nghiệm sai lệch có thực 2- Khơng giải thích cách đầy đủ rõ ràng giá trị thực nghiệm lớn nhiệt dung riêng khí mà phân tử có số ngun tử lớn