báo cáo thí nghiệm vật lí 1

XÁC ĐỊNH GIA TỐC TRỌNG TRƯỜNGBẰNG CON LẮC THUẬN NGHỊCHI MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:Vận dụng lý thuyết về chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định và khái niệm mô men quán tính để khảo sát chuyển động dao động quanh vị trí cân bằng của con lắc vật lý tại hai điểm treo O1 và O2 của nó. Khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của sự phân bố khối lượng gia trọng đến chu kì dao động của con lắc vật lý nhằm thiết lập trạng tháI thuận nghịch để từ đó xác định chính xác gia tốc trọng trường tại nơi làm thí nghiệm.II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT:Con lắc vật lý là một vật rắn bất kì, khối lượng m, có thể dao động quanh một trục cố định nằm ngang đi qua điểm O1 nằm cao hơn khối tâm G của nó (H.1). O1 gọi là điểm treo của con lắc.

XÁC ĐỊNH GIA TỐC TRỌNG TRƯỜNG BẰNG CON LẮC THUẬN NGHỊCH

I- MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:

Vận dụng lý thuyết về chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định và khái niệm mô men quán tính để khảo sát chuyển động dao động quanh vị trí cân bằng của con lắc vật lý tại hai điểm treo O1 và O2 của nó Khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của sự phân

bố khối lượng gia trọng đến chu kì dao động của con lắc vật lý nhằm thiết lập trạng tháI thuận nghịch để từ đó xác định chính xác gia tốc trọng trường tại nơi làm thí nghiệm

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT:

Con lắc vật lý là một vật rắn bất kì, khối lượng m, có thể dao động quanh một trục cố định nằm ngang đi qua điểm O1 nằm cao hơn khối tâm G của nó (H.1) O1 gọi là điểm treo của con lắc

Vị trí cân bằng của con lắc trùng với phương thẳng đứng của đường thẳng O1G Khi kéo con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng một góc  nhỏ, rồi buông nó ra thì thành phần Pt của trọng lực P=mg tác dụng lên con lắc một mômen lực M1 có trị số bằng:

M1=-Pt.L1=-mg.L1.sin (1)

Trong đó g là tốc trọng trường, L1=O1G là khoảng cách từ điểm O1 đến khối tâm G, dấu (-) cho biết mômen lực M1 luôn kéo con lắc về vị trí cân bằng, tức quay ngược chiều với góc lệch  Khi  nhỏ, ta có thể coi gần đúng:

1

1 1

I

M



 (3)

ở đây 1 = d2/dt2 là gia tốc góc, I1 là mômen quán tính của con lắc đối với trục quay

đi qua O1 Kết hợp (3) với (2) và thay 12 = mg.L1/I1, ta nhận được phương trình dao động của con lắc:

dt

1 2

1

L mg

I 2 2

Trong con lắc vật lý, ta có thể tìm thấy một điểm O2, nằm trên đường thẳng đi qua O1

và G, sao cho khi dao động quanh trục nằm ngang đi qua O2 thì chu kỳ dao động của con lắc đúng bằng chu kỳ dao động của nó khi dao động quanh trục đi qua O1 Con lắc vật lý

khi đó được gọi là con lắc thuận nghịch

Thật vậy, ta có thể dễ dàng chứng minh rằng, có tồn tại điểm treo O2 này, như sau : Khi dao động quanh trục đi qua điểm O2 (H1), chu kỳ dao động T2 của con lắc được tính toán tương tự trên, và ta tìm được:

2 2 2

2

L mg

I 2

Nếu điểm treo O2 thoả mãn điều kiện T1=T2, thay (9), (8) vào (7), (6) ta tìm được biểu thức xác định vị trí của O2:

m

I L

2 1 2 1 2

L.TL.T

)LL).(

LL

T

L.4

g  (12) với L= L1+L2= O1O2 là khoảng cách giữa hai trục nằm ngang đi qua O1 và O2

III CÂU HỎI KIỂM TRA

1 Con lắc vật lý so với con lắc toán khác nhau và giống nhau ở những điểm nào? (Con lắc toán gồm một sợi dây không dãn, khối lượng không đáng kể, một đầu buộc vào một điểm O cố định, đầu kia treo tự do một quả cầu hoặc một chất điểm khối lượng m)

Về sự khác nhau:

Con lắc toán học: gồm 1 sợi dây không dãn, khối lượng không đáng kể 1 đầu

buộc vào 1 điểm cố định còn đầu kia treo 1 quả cầu hoặc 1 chất điểm có khối

lượng m, con lắc toán học chủ yếu nghiên cứu động học chất điểm, mà chất

điểm được quy ước có kích thước là 0 nhưng vẫn có khối lượng tùy ý

Con lắc vật lí: là 1 vật rắn bất kì có khối lượng và có trọng tâm xác định, trục

quay nằm trong chính nó( không đi qua trọng tâm) và không biểu diễn vật thể

như 1 chất điểm

Sự giống nhau: Khi xét đến giao động với gia tốc trọng trường thì chúng cùng

chuyển động với cùng 1 công thức tính chu kì và chúng đều thực hiện những

dao động xung quanh 1 điểm hay 1 trục cố định dưới tác dụng của trọng lực

2 Hãy chứng minh rằng một con lắc vật lý bất kỳ với điểm treo O1 cho trước đều có thể tìm thấy điểm O2 để con lắc trở thành thuận nghịch

Thật sự ta có điểm O2 như vậy: Khi dao động quanh trục đi qua điểm O2

và chu kì dao động T2 của con lắc được xác định theo công thức:

2 2 2

2

22

L mg

Với L2 = O2G là khoảng cách từ trục quay đi qua điểm O2 đến khối tâm G

và I2 là momen quán tính của con lắc đối với trục quay đi qua O2 Gọi I G là

momen quán tính của trục quay đi qua khối tâm G và song song với 2 trục đi

qua O1 và O2 Theo Định lý Huyghens-Steiner:

2 1

1 I m L

I  G 

2 2

2 I m L

I  G 

Nếu điểm O2 thỏa mãn điều kiện T1 = T2 thì:

1 1 1

1

22

L mg



2

1

3 Trình bày cách điều chỉnh gia trọng C để con lắc trở thành thuận nghịch với hai điểm treo O1, O2 cho trước

Vặn gia trọng C về sát quả nặng 4 Dùng thước cặp đo khoảng cách x0

giữa chúng Ghi giá trị x0 vào bảng Đặt con lắc lên giá đỡ theo chiều thuận sau

đó đo thời gian 50 chu kỳ dao động và ghi vào bảng , dưới cột 50T1 Đảo

ngược con lắc và đo thời gian 50 chu kỳ nghịch, ghi kết quả vào bảng 1 dưới

cột 50T2 Vặn gia trọng C về vị trí cách quả nặng 4 một khoảng x0 =x0+40mm

Đo thời gian 50 chu kỳ thuận và 50 chu kỳ nghịch ứng với vị trí này, ghi kết

quả vào bảng

Biểu diễn kết quả đo trên đồ thị: trục tung dài 120mm, biểu diễn thời

gian 50T1 và 50T2, trục hoành dài 80mm, biểu diễn vị trí x của gia trọng C Nối

các điểm 50T1 với nhau và các điểm 50T2 với nhau bằng các đoạn thẳng, giao

của chúng là điểm gần đúng vị trí x1 của gia trọng C để có T1 = T2 = T Dùng

thước cặp đặt gia trọng C về đúng vị trí x1 Đo 50T1 và 50T2 Ghi kết quả vào

bảng, bên phải điểm cắt thì 50T1 > 50T2 Từ kết quả phép đo 5 tại vị trí x1 cho

ta rút ra nhận xét cần dịch chuyển nhỏ gia trọng C theo hướng nào để thu được

kết quả tốt nhất sao cho 50T1 = 50T2.Cuối cùng, khi đó xác định được vị trí tốt

nhất của gia trọng C

4 Viết biểu thức xác định chu kỳ dao động của con lắc thuận nghịch với biên độ nhỏ

Ta có biểu thức xác định gia tốc trọng trường:

2 2 2 1 2 1

2 1 2 1 2

.

) ).(

.(

4

L T L T

L L L L g

L

T  2

5 Để xác định chu kỳ dao động của con lắc thuận nghịch, tại sao không đo từng chu

kỳ mà phải đo nhiều chu kỳ (50 chu kỳ chẳng hạn)? Khi đo như vậy, khắc phục được những sai số nào? Sai số của phép đo được tính như thế nào?

Để xác định chu kì chu kì dao động của con lắc thuận nghịch ta phải đo nhiều

chu kì vì để khắc phục những sai số ngẫu nhiên và khi đo như vậy ta có thể

khắc phục được sai số của phép đo và sai số của dụng cụ đo Sai số của phép

đo được tính theo công thức: ∆T =(∆T)dc +T

6 Viết công thức tính sai số phép đo g bằng con lắc thuận nghịch? Trong công thức đó sai số của số  được xác định như thế nào ?

Sai số phép đo g bằng con lắc thuận nghịch được tính theo công thức:

) 2 2 (

L g g

trong đó nếu lấy π=3,14 thì giá trị sai số của số sẽ bằng: ∆π=0,01

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH GIA TỐC TRỌNG TRƯỜNG BẰNG CON LẮC THUẬN NGHỊCH Xác nhận của thầy giáo Trường: Đại Học Bách Khoa TP HCM

Lớp: VP2016/1 Nhóm: 5

Họ tên sinh viên 1: Võ Nguyễn Gia Luật

Họ tên sinh viên 2: Huỳnh Thế Hào

I KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Bảng 1: L = 72  1 (mm)

Vị trí gia trọng C (mm)

Bảng 2: Tại vị trí tốt nhất x1' con lắc vật lý trở thành thuận nghịch T1= T2 = T:

Vị trí tốt nhất x'1 = 14,5 (mm) Lần đo 50T1 (s)  (50t1) 50T2 (s)  (50t2)

1

2

3

84,93 84,95 84,91

0 0,02 0,02

84,91 84,93 84,92

0,01 0,01

0

3 Xác định chu kỳ dao động của con lắc thuận nghịch:

* Căn cứ vào bảng 2, tính chu kỳ dao động T của con lắc thuận nghịch là trung bình của các giá trị đo được của 50T1 và 50T2:

) ( 6985 , 1 2

50 50 50

s T

) 50 ( ) 50 ( 50

s T

72 , 0 4

2 2 2

2

s m T

001 , 0 2 6985 , 1

0053 , 0 2 72 , 0

001 , 0 2 2

L g g

- Tính sai số tuyệt đối của gia tốc trọng trường:

g= .g = 0,0083.9,8528 = 0,0818

5 Viết kết quả phép đo gia tốc trọng trường:

g  g = 9,8528  0,0818 (m/s2)

II NHẬN XÉT: Kết quả này là phù hợp với dự đoán với sai số là nhỏ

KHẢO SÁT CÁC QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT ĐỘNG

XÁC ĐỊNH TỶ SỐ NHIỆT DUNG PHÂN TỬ CP/CV CỦA CHẤT KHÍ

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Khảo sát các quá trình biến đổi trạng thái cân bằng nhiệt động của một khối không khí

chứa trong bình và xác định tỷ số nhiệt dung phân tử  = Cp /CV của khối khí

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nhiệt dung phân tử của chất khí

Trạng thái của khối khí được đặc trưng bởi các đại lượng : áp suất p, thể tích V, nhiệt độ T Đối với 1 mol khí, các đại lượng này liên hệ với nhau bởi phương trình trạng thái :

Đơn vị đo của c là J/ kg.K, của C là J/mol.K và của là kg/mol

Nhiệt dung của chất khí phụ thuộc đặc điểm quá trình nung nóng Để chứng minh điều này, ta áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng và nguyên lý thứ nhất của nhiệt

động lực học Theo nguyên lý này : Độ biến thiên nội năng dU của một hệ nhiệt động trong quá trình biến đổi trạng thái nào đó đúng bằng lượng nhiệt Q và công A mà hệ nhận từ ngoài vào trong quá trình đó, tức là:

Q

A

dU   (4)

ở đây A = - p dV, với p là áp suất và dV là độ biến thiên thể tích của khối khí

Rút Q từ (4) và thay vào (3), ta tìm được :

Quá trình đoạn nhiệt là quá trình biến đổi trạng thái mà hệ không trao đổi nhiệt với

ngoài, tức là Q = 0 Khi đó (4) viết thành :

C p

có ý nghĩa rất quan trọng trong lý thuyết nhiệt động học, nó cho phép xây dựng một chu trình hoạt động cho loại động cơ nhiệt đặc biệt, có hiệu suất cao nhất, đó là chu trình Cac nô

Trong thí nghiệm này, ta sẽ xác định tỷ số nhiệt dung phân tử  của không khí theo phương pháp dãn đoạn nhiệt

III CÂU HỎI KIỂM TRA

Định nghĩa và viết biểu thức của nhiệt dung riêng và nhiệt dung phân tử Nhiệt dung của chất khí có phụ thuộc điều kiện của quá trình nung nóng không ?

Trạng thái của khối khí được đặc trưng bởi các đại lượng : áp suất p,

V

P V

p V.  const

Ở đây R = 8,31J/mol.K là hằng số chất khí

Khi truyền lượng nhiệt δQ cho khối khí có khối lượng m, khối khí sẽ

nóng lên và nhiệt độ của nó tăng thêm một lượng dT Theo định nghĩa,

nhiệt dung riêng c của chất khí là đại lượng đo bằng lượng nhiệt cần

truyền cho 1 kilôgam chất khí để nhiệt độ của nó tăng thêm 1 độ Do





Đơn vị đo của c là J/ kg.K, của C là J/mol.K và của là kg/mol Nhiệt dung của

chất khí phụ thuộc đặc điểm quá trình nung nóng

Phân biệt nhiệt dung phân tử đẳng tích và đẳng áp CP Tìm biểu thức liên hệ giữa

C V là nhiệt dung tính trong quá trình biến đổi mà thể tích của hệ không đổi và

được tính bằng δ.Q v chia cho n.dT

C P là nhiệt dung tính trong quá trình biến đổi mà áp suất của hệ không đổi và

được tính bằng δ.Qp chia cho n.dT

C v

C p C v

Các công thức liên hệ đã được thiết lập ở phần nguyên lý đo

Trong thực tế, khi nào có thể coi gần đúng các quá trình nén hoặc dãn khí là đẳng nhiệt hoặc đoạn nhiệt ? Sau khi nén hoặc dãn khí chứa trong bình A, tại sao lại phải chờ một khoảng thời gian nào đó (khoảng 4 - 5 phút) thì độ chênh cột nước trên hai nhánh áp kế

M mới đạt giá trị ổn định ?

Khi quá trình nén hoặc dãn khí xảy ra rất nhanh, không kịp trao đổi nhiệt với

ngoài ( Q = 0) nên có thể coi gần đúng là quá trình nén hoặc dãn đoạn nhiệt

Khi quá trình nén hoặc dãn khí diễn ra trong thời gian dài( đủ để cân bằng

nhiệt) thì được coi là quá trình nén hoặc dãn đẳng nhiệt( vì nhiệt độ môi

trường được coi là không đổi và khí sẽ cân bằng với nhiệt độ môi trường)

Chờ một khoảng thời gian 4 - 5 phút cho nhiệt độ của khối khí trong bình A

cân bằng với nhiệt độ phòng Khi đó độ chênh cột nước trong hai nhánh áp kế

M đạt giá trị ổn định

Tại sao trong thí nghiệm này, ta phải dùng á p k ế cộ t n ướ c mà k h ô n g d ù n g áp kế

t h uỷ n g ân để đo áp suất khí trong bình thuỷ tinh A ?

Trong thí nghiệm này, ta phải dùng áp kế cột nước mà không dùng áp kế thuỷ

ngân để đo áp suất khí trong bình thuỷ tinh A tại vì:

Ta có điều kiện thí nghiệm là: h và H << H0 Ta có H0 của Hg = 760 mm, H0

của nước là 10,3m Điều này chứng tỏ rằng đo áp suất bằng nước nhạy hơn

thủy ngân Do đó, nếu ta dùng thủy ngân khi ta đo các giá trị h, H thì sẽ khó

trong việc quan sát sự thay đổi và đo đạc H, h

Đo an toàn thí nghiệm: Thủy ngân là một chất rất độc, ống đo của ta là ống

hình chữ U hở 2 đầu, nếu ta để nó rơi ra ngoài thì rất nguy hiểm!

5 Muốn đảm bảo kết quả đo được chính xác, tại sao phải đóng kín van K2 ngay khi cột nước trong hai nhánh áp kế M vừa đạt mức ngang nhau ?

6 Chứng minh công thức tính sai số tương đối của tỷ số nhiệt dung phân tử chất khí

có dạng :

Ta có công thức:

h H

H

h H H

C

C p v

2

7 2

8 Nếu không khí trong bình có độ ẩm cao chứa nhiều hơi nước thì giá trị lý thuyết của tỷ

số nhiệt dung phân tử của không khí sẽ thay đổi như thế nào (tăng hay giảm so với không khí khô) ? Giải thích tại sao ?

Cho biết số bậc tự do I phụ thuộc cấu tạo của các phân tử khí :

phân tử đơn nguyên tử (khí trơ, ) : i = 3

phân tử lưỡng nguyên tử (O2,N2, ) : i = 5

phân tử đa nguyên tử ( H2O, CO2, ) : i = 6

Dùng công thức:

i i

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH TỶ SỐ NHIỆT DUNG PHÂN TỬ CP / CV

CỦA CHẤT KHÍ Xác nhận của thầy giáo

Trường: Đại Học Bách Khoa TP HCM

Lớp: VP2016/1 Nhóm: 5

Họ tên sinh viên 1: Võ Nguyễn Gia Luật

Họ tên sinh viên 2: Huỳnh Thế Hào

Tính sai số tuyệt đối trung bình :  = 0,0234

Viết kết quả phép đo :     = 1,3563  0,0234

3 Tính giá trị lí thuyết của tỷ số  của không khí theo công thức :

3563 , 1 4 , 1

3,1214%

II NHẬN XÉT: Kết quả là phù hợp với lý thuyết khi sai số là nhỏ

KHẢO SÁT CÁC QUÁ TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ VA CHẠM TRÊN ĐỆM

KHÔNG KHÍ NGHIỆM CÁC ĐỊNH LUẬT NEWTON

Định luật I của Newton

Khi một vật không chịu tác dụng của lực nào (vật cô lập) hoặc chịu tác dụng của các lực có hợp lực bằng không ( F

= 0), nếu vật đó đang đứng yên thì nó tiếp tục đứng yên, còn nếu vật đó đang chuyển động thì nó tiếp tục chuyển động thẳng đều

Trong hai trường hơp nêu tren, vận tốc v 

của vật đều không thay đổi, tức là trạng thái chuyển động của vật được bảo toàn Tính chất bảo toàn trạng thái chuyển động gọi

Định luật II của Newton

Khi một vật chịu tác dụng của các lực có hợp lực khác không ( F

 0), thì nó sẽ chuyển động có gia tốc Gia tốc a

của vật tỉ lệ với hợp lực F

tác dụng lên vật và tỉ lệ nghịch với khối lượng m của vật đó :

m

F a





= (2)

Đơn vị đo của lực F là newton (N), của khối lượng m là kilôgam (kg) và của gia tốc

a là mét trên giây bình phương (m/s2 )

Độ lớn của gia tốc trong chuyển thẳng biến đổi đều tính bằng :

1 2

1

t t t

với ∆s và ∆t là đủ nhỏ Để đạt được điều này, trong thực tế, ta có thể chọn

miếng chắn tia hồng ngoại có kích thước khoảng 1cm Thời gian đo được

trên đồng hồ điện tử cũng chính là khoảng thời gian mà vật dịch chuyển

được 1cm mà thông qua bảng kết quả số liệu - ta cũng biết là rất nhỏ Vì

vậy, vận tốc tức thời tại điểm đang xét sẽ là

v22 12  2

Với thủ thuật như đã trình bày, ta hoàn toàn có thể đo được vận tốc tức thời

của vật tại các điểm A (tương ứng với thời điểm t1) và B (tương ứng với thời

điểm t2) Có được độ dài giữa 2 cổng quang điện E, F, ta có thể tìm ra gia tốc

a theo công thức:

v v a

Ta sử dụng đồ thị tương quan vận tốc và thời gian (v−t) là tốt

nhất Khi vật chuyển động thẳng đều, đồ thị là một đường

thẳng song song với trục Ox Khi vật chuyển động có gia tốc,

đồ thị là một đường thẳng dốc nghiêng một góc α so với phương ngang (tanα = a).

3 Nếu mép bên phải của cờ che sáng của xe nằm ở vị trí ban đầu cách tia hồng ngoại cổng F là 3mm, thì phép đo vận tốc tức thời và gia tốc tại điểm E cách F một khoảng

l = 0,5m, phạm thêm sai số hệ thống là bao nhiêu % ?

Trường hợp chuyển động thẳng đều

Hình 6: Đồ thị v-t trong các trường hợp khả năng

Trường hợp chuyển động có gia tốc

Kết quả đo vận tốc tức thời có sai số hệ thống bằng 0

Ta có:

t

x

 với x0 là bề rộng của cờ chắn sáng và t là thời gian mà cờ chắn

cổng hồng ngoại Giá trị này không phụ thuộc vào nơi đặt xe ban đầu, luôn thể hiện đúng (về mặt hệ thống) vận tốc tức thời tại điểm E

Kết quả đo gia tốc tức thời có sai số hệ thống bằng

500 3

Ta có: v2 2 - v 0

2 = 2.a.s = c.t.e 

a

a s

s a s s

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Phần I KHẢO SÁT CÁC QUÁ TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TRÊN ĐỆM KHÔNG

KHÍ NGHIỆM CÁC ĐỊNH LUẬT NEWTON

Xác nhận của thầy giáo

Trường: Đại Học Bách Khoa TP HCM

Lớp: VP2016/1 Nhóm: 5

Họ tên sinh viên 1: Võ Nguyễn Gia Luật

Họ tên sinh viên 2: Huỳnh Thế Hào

KHẢO SÁT CHUYỂN PHA LOẠI I CỦA NƯỚC

XÁC ĐỊNH NHIỆT NÓNG CHẢY CỦA NƯỚC ĐÁ

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Khảo sát quá trình chuyển pha của nước, quá trình nóng chảy-đông đặc (chuyển pha loại 1) Xác định nhiệt nhiệt nóng chảy riêng của nước theo phương pháp dùng bình nhiệt lượng kế

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các quá trình chuyển pha của nước

Các “phần” có cùng tính chất hoá học và vật lí tồn tại trong một hệ vật gọi là pha Trong

những điều kiện xác định, các pha trong hệ vật có thể cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng, hoặc

chuyển từ pha này sang pha khác - gọi tắt là quá trình chuyển pha Ví dụ : Dưới áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng, nước có thể tồn tại ở pha lỏng L, pha rắn R (nước đá) hoặc pha khí

K (hơi nước) Khi bị làm lạnh đến 00C, thì nước chuyển dần thành nước đá theo chuyển pha lỏng-rắn (L-R); còn khi bị đun nóng đến 1000C thì nước chuyển dần thành hơi nước theo chuyển pha lỏng-khí (L-K)

Các quá trình chuyển pha của nước luôn xảy ra ở một nhiệt độ không đổi T ứng với áp suất p cho trước - gọi là nhiệt độ và áp suất chuyển pha Mối quan hệ giữa nhiệt độ T và áp suất p trong các quá trình chuyển pha của nước được mô tả trên giản đồ pha (Hình 1), trong đó :

đoạn cong MB là tập hợp các trạng thái cân bằng giữa hai pha rắn (R) và lỏng (L),

đoạn cong MC là tập hợp các trạng thái cân bằng giữa hai pha lỏng (L) và khí (K), có điểm tận

cùng tại C, gọi là điểm tới hạn,

đoạn cong OM là tập hợp các trạng thái cân bằng giữa hai pha rắn (R) và khí (K),

điểm M là trạng thái cân bằng giữa ba pha R-L-K và được gọi là điểm ba

Ẩn nhiệt chuyển pha : nhiệt nóng chảy và nhiệt ngưng tụ

Nếu ta liên tục cung cấp nhiệt cho một lượng chất ban đầu tồn tại ở pha rắn (nước đá

chẳng hạn) thì nhiệt độ T của lượng chất này sẽ thay đổi theo thời gian t như đồ thị trên Hình

Lượng nhiệt cần thiết do lượng chất hấp thụ hoặc toả ra trong quá trình chuyển pha

rắn-lỏng (R-L) hoặc rắn-lỏng-khí (L-K) gọi là ần nhiệt chuyển pha Nếu Qnc là nhiệt nóng chảy và

Qnt là nhiệt ngưng tụ của một chất có khối lượng m, thì đại lượng :

gọi là nhiệt ngưng tụ riêng của chất đó Các đại lượng này có giá trị bằng lượng nhiệt hấp thụ

hoặc toả ra trong quá trình chuyển pha của 1 kilôgam khối chất và được đo theo đơn vị jun trên kilogam (J/g)

Trong thí nghiệm này, ta sẽ xác định nhiệt nóng chảy riêng của nước đá theo phương pháp dùng bình nhiệt lượng kế

III CÂU HỎI KIỂM TRA

Định nghĩa về pha và chuyển pha Nêu ví dụ về pha và chuyển pha của nước Chuyển pha của một chất có đặc điểm gì ?

Hình 14: Giản đồ pha của nước

Hình 15: Đồ thị nhiệt độ - thời gian (T −t)

Các “phần” có cùng tính chất hoá học và vật lí tồn tại trong một hệ vật gọi là pha

Trong những điều kiện xác định, các pha trong hệ vật có thể cùng tồn tại ở trạng

thái cân bằng, hoặc chuyển từ pha này sang pha khác, gọi tắt là quá trình chuyển

pha Ví dụ: dưới áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng, nước có thể tồn tại ở pha

lỏng L, pha rắn R (nước đá) hoặc pha khí K (hơi nước) Khi bị làm lạnh đến 0o C,

thì nước chuyển dần thành nước đá theo chuyển pha lỏng-rắn (L-R); còn khi bị

đun nóng đến 100o C thì nước chuyển dần thành hơi nước theo chuyển pha

lỏng-khí (L-K) Các quá trình chuyển pha của nước luôn xảy ra ở một nhiệt độ không

đổi T ứng với áp suất p cho trước - gọi là nhiệt độ và áp suất chuyển pha Mối

quan hệ giữa nhiệt độ T và áp suất p trong các quá trình chuyển pha của nước

được mô tả trên giản đồ pha ở bên cạnh

Đoạn cong MB là tập hợp các trạng thái cân bằng giữa hai pha rắn (R) và lỏng

(L)

Đoạn cong MC là tập hợp các trạng thái cân bằng giữa hai pha lỏng (L) và khí

(K), có điểm tận cùng tại C, gọi là điểm tới hạn

Đoạn cong OM là tập hợp các trạng thái cân bằng giữa hai pha rắn (R) và khí (K)

Điểm M là trạng thái cân bằng giữa ba pha R-L-K và được gọi là điểm ba

ẩn nhiệt chuyển pha là gì ? Viết biểu thức và nói rõ đơn vị đo nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt ngưng tụ riêng của một chất

Nếu ta liên tục cung cấp nhiệt cho một lượng chất ban đầu tồn tại ở pha rắn (nước

đá chẳng hạn) thì nhiệt độ T của lượng chất này sẽ thay đổi theo thời gian t như đồ

thị trên hình, trong đó:

Các đoạn thẳng nghiêng OA, BD, EF tương ứng với các quá trình nung nóng của

pha rắn, pha lỏng và pha khí, các đoạn thẳng ngang AB, DE ứng với các quá trình

chuyển pha rắn-lỏng (R-L) xảy ra ở nhiệt độ không đổi T1 và quá trình chuyển

pha lỏng-khí (L-K) xảy ra ở nhiệt độ không đổi T2 Như vậy nhiệt cung cấp cho

một lượng chất trong quá trình chuyển pha không làm tăng nhiệt độ của lượng

chất đó

Nguyên nhân là do trong quá trình nóng chảy, nhiệt cung cấp được chuyển thành

năng lượng giải phóng các phân tử khỏi mạng tinh thể của pha rắn; còn trong quá

trình bay hơi, nhiệt cung cấp được chuyển thành năng lượng cần thiết để thắng lực

tương tác giữa các phân tử của pha lỏng Ngược lại, trong quá trình đông đặc hoặc

ngưng tụ thì lượng chất này lại toả ra cùng một lượng nhiệt giống như trong quá

trình nóng chảy hoặc bay hơi mà nhiệt độ của lượng chất vẫn giữ nguyên không

đổi Lượng nhiệt cần thiết do lượng chất hấp thụ hoặc toả ra trong quá trình

chuyển pha rắn-lỏng (R-L) hoặc lỏng-khí (L-K) gọi là ần nhiệt chuyển pha Nếu

Q nc là nhiệt nóng chảy và Q nt là nhiệt ngưng tụ của một chất có khối lượng m, thì

gọi là nhiệt ngưng tụ riêng của chất đó Các đại lượng này có giá trị bằng lượng nhiệt hấp thụ

hoặc toả ra trong quá trình chuyển pha của 1 kilôgam khối chất và được đo theo đơn vị jun trên kilogam (J/g)

Mô tả cấu tạo của bình nhiệt lượng kế Trình bày phương pháp xác định nhiệt nóng chảy riêng của nước đá và nhiệt ngưng tụ riêng của hơi nước theo phương pháp dùng bình nhiệt lượng kế

Hình 16: Bình nhiệt lượng kế Đê-oa

Bình nhiệt lượng kế là dụng cụ dùng xác định lượng nhiệt trao đổi giữa các chất chứa bên trong nó

Cấu tạo của bình nhiệt lượng kế gồm một bình có lớp vỏ cách nhiệt 1 và nắp đậy

2, bên trong có một chiếc cốc 3 (thép inox) và một que khuấy 4 (đồng thau) Hỗn hợp nước thực hiện chuyển pha (nóng chảy hoặc ngưng tụ) được chứa trong cốc 1

Do bình nhiệt lượng kế có vỏ (DEWAR), cách nhiệt tốt, nên thực tế có thể coi nó như một hệ cô lập (không trao đổi nhiệt với ngoài) và các quá trình trao đổi nhiệt chỉ xảy ra ở bên trong nó

PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT NÓNG CHẢY RIÊNG CỦA NƯỚC ĐÁ

Đặt bình nhiệt lượng kế (gồm cả nắp đậy, cốc inôc và que khuấy) lên đĩa cân để

đo khối

lượng ban đầu M0 của bình này Đổ dần nước (nước cất) vào cốc

inôc cho tới khi bình nhiệt lượng kế đạt khối lượng M = M0+150g

Đo nhiệt độ t1 của nước trong cốc bằng nhiệt kế hiện số

Đặt một cục nước đá (khoảng 150g) vào cốc thuỷ tinh chịu nhiệt (250 ml), rồi đổ thêm vào cốc này khoảng 100 ml nước (nước cất) Khuấy nhẹ cho cục nước đá bắt đầu tan trong nước Đặt đầu đo của nhiệt kế hiện số trong hỗn hợp nước va nước

đá để theo dõi nhiệt độ của hỗn hợp này cho tới khi số chỉ của nhiệt kế đạt giá trị

không đổi t2= 0o C Sau đó, đổ gạn hết nước trong cốc thủy tinh ra ngoài, giữ lại cục nước đá có khối lượng m2 ở nhiệt độ t2 = 0o C trong cốc

Thả cục nước đá có khối lượng m2 ở nhiệt độ t2= 0o C lăn nhẹ xuống cốc inôc đang chứa khối lượng nước m1 = 150g ở nhiệt độ t1 đặt trong bình nhiệt lượng kế

Theo dõi nhiệt độ của hỗn hợp nước trong cốc inôc cho tới khi nhiệt độ này giảm

tới giá trị cân bằng tc (giá trị thấp nhất trước khi bắt đầu tăng)

Đặt bình nhiệt lượng kế lên đĩa cân để đo khối lượng cuối cùng M của bình này

Từ đó suy ra khối lượng m2 của nước đá (đã tan thành nước ở nhiệt độ tc)

Sử dụng phần nguyên lý đo nêu trên để tính toán các số liệu

Tìm công thức xâc định nhiệt nóng chảy riêng của nước đá theo phương pháp dùng bình nhiệt lượng kế

Khối lượng nước m1 (chứa trong bình nhiệt lượng kế) ở nhịêt độ t1 , trong quátrình chuyển

thành nước ở nhiệt độ cân bàng tc (với tc < t1), đã toả ra một lượng nhiệt :

* 1

của nhiệt lượng kế : Cnlk = m*cn)

Khối lượng nước đá m2 ở nhiệt độ t2 = 0 0C, trong quá trình chuyển pha tan thành nước ở 0 0C

và sau đó chuyển thành nước ở nhiệt độ cân bàng tc (với tc > t2), đã thu vào một lượng nhiệt :

Q2 m2q nc m2c n(t c t2)

(6)

trong đó qnc là nhiệt nóng chảy riêng của nước đá

Do có vỏ cách nhiệt tốt, nên có thể coi bình nhiệt lượng kế như hệ cô lâp, không trao đổi

nhiệt với bên ngoài : Q = 0 Trong trường hợp này, áp dụng định luật bảo toàn năng lượng

cho các vật bên trong bình nhiệt lượng kế, ta có thể viết :

t t t t m

m m c

(8)

Trong thí nghiệm này, bình nhiệt lượng kế có đương lượng nước m* = 26 g

Nêu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của cân kỹ thuật Trình bày phương pháp cân khối lượng của vật trên cân này

CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG

Cân kỹ thuật là dụng cụ đo khối lượng của các vật trong giới hạn 0−200g, chính

xác tới 0,02g Cấu tạo của nó gồm phần chính là một đòn cân làm bằng hợp kim

nhôm, cạnh phía trên đòn cân có khắc các độ chia từ 0 đến 50, trên đó có đặt một

“con mã” C Ở chính giữa thân của đòn cân có gắn một con dao O hình lăng trụ

tam giác bằng đá mã não, cạnh của dao O quay xuống phía dưới và tựa trên một

gối đỡ phẳng ngang (bằng hợp kim cứng hoặc đá mã não) đặt tại đỉnh của trụ cân

Ở hai đầu đòn cân có hai con dao O1 và O2 giống như con dao O Các cạnh của hai con dao này quay lên phía trên, đặt song song và cách đều cạnh của con dao O,

nên các tay của đòn cân OO1 = L1 và OO2= L2 có độ dài bằng nhau Hai máng treo hình chữ V có các móc dùng treo hai hai đĩa cân được đặt tựa trên cạnh của hai

dao O1 và O2

Hình 17: Cân kỹ thuật độ chính

xác tới 0,02g