KHÍ THỰC VÀ CHUYỂN PHA

LỜI NĨI ĐẦU BAN BIÊN TẬP Chun đề: KHÍ THỰC VÀ CHUYỂN PHA Ngơ Văn Hồng - Trường THPT Chuyên Thái Nguyên (Chuyên đề đạt giải Nhất) I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Các tượng vật lý khí thực chuyển pha xuất hàng ngày sống hàng ngày người Từ hoạt động, sinh hoạt đơn giản hàng ngày gia đình, hoạt động quân an ninh lượng Chính việc nghiên cứu tượng vật lý liên quan đến khí thực chuyển pha giúp người có thêm hiểu biết nhằm nâng cao hiệu suất máy móc thiết bị nhằm tiết kiệm đảm bảo an ninh lượng tài nguyên thiên nhiên Chính chúng tơi định lựa chọn vấn đề “khí thực chuyển pha” để nhằm nâng cao hiểu biết xây dựng tài liệu tham khảo cho người bắt đầu tìm hiểu vấn đề II ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Lý thuyết, tập khí thực chuyển pha III MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU, ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI - Củng cố kiến thức chất lỏng chuyển pha, sâu phân tích lý thuyết giải thích chất tượng vật lý liên quan - Tạo tài liệu tham khảo cho người bắt đầu tìm hiểu phần khí thực chuyển pha - Giải thích số tượng thực tế liên quan cách khoa học IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu lí thuyết + Phân tích lý thuyết để phân chia vấn đề cần nghiên cứu thành đơn vị kiến thức, cho phép tìm hiểu dấu hiệu đặc thù, cấu trúc bên đơn vị kiến thức Từ nắm vững chất phần kiến thức toàn vấn đề + Trên sở phân tích, tiến hành tổng hợp kiến thức để tạo hệ thống, thấy mối quan hệ đơn vị kiến thức dựa suy luận logic để rút kết luận khoa học Phương pháp nghiên cứu thực tiễn Thu thập thông tin từ quan sát, luyện tập, trao đổi số tượng thực tế có liên quan đến vấn đề V CẤU TRÚC CHUYÊN ĐỀ Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, phần nội dung đề tài gồm phần: Khí thực 2 Bài tập khí thực Chuyển pha vật chất Bài tập chuyển pha Bài tập dụng Đáp án lời giải KHÍ THỰC Ta thường vận dụng phương pháp động học phân tử nhiệt động lực học để tìm hiểu tính chất khí lý tưởng Tuy nhiên mơ hình khí lý tưởng, kết thu từ lý thuyết phản ánh gần tính chất khí thực phạm vi định.Với khí nhẹ khí hidro, thấy có khơng phù hợp định luật Bôi – lơ – Ma-ri-ốt với thực nghiệm nhiệt độ thấp, áp suất cao Khi nhiệt độ khoảng từ 300oC đến -208oC tích pV số, dù tăng áp suất Nhưng nhiệt độ đạt tới -236oC, -241oC … tích pV khơng số nữa, mà giảm nhanh áp suất tăng Những sai khác khí lý tưởng khác với khí thực hai điểm là:  Các phân tử khí thực tích hay nói cách khác phân tử khí thực có kích thước nhỏ khơng thể bỏ qua so với khoảng cách trung bình hai phân tử lân cận  Các phân tử khí thực ln tương tác với nhau, chúng không va chạm với Chỉ phạm vi định (chẳng hạn áp suất nhiệt độ thường) lực tương tác phân tử chất khí nhỏ bỏ qua lúc kết dựa tính tốn khí lý tưởng phù hợp với khí thực Để hiểu rõ điều phần ta xét kỹ lực tương tác hai phân tử thông qua hai phương pháp động học phân tử nhiệt động lực học 1.1 Phương trình trạng thái khí thực (Vandec Van) Sự sai khác khí lý tưởng khí thực lực tương tác phân tử vận dụng xét tính chất khí thực Một biểu thành cơng vận dụng việc Vandec Van tìm cách hiệu chỉnh phương trình trạng thái khí lý tưởng tác dụng lực tương tác tổng hợp phân tử lực đẩy lực hút Từ ơng xác lập phương trình trạng thái khí thực mang tên phương trình Van đe Van-xơ p.Vo = RT Xuất phát từ phương trình khí lý tưởng ta có: 1.1.1 Hiệu chỉnh thể tích Đối với khí lý tưởng, Vo khơng gian tự để số phân tử kmol khý lý tưởng chuyển động Đối với khí thực, gọi b phần thể tích mà phân tử khí thực khơng xâm nhập vào Vo − b thể tích khơng gian tự chuyển động [ b] = m kmol Đơn vị b=4Nυo Độ lớn ; Với υ= πr 3 thể tích phân tử Phương trình trạng thái khí hiệu chỉnh thể tích (lực tương tác tổng hợp lực đẩy) p (Vo − b) = RT (1) 1.1.2 Hiệu chỉnh áp suất r > ro Ở điều kiện bình thường, khoảng cách hai phân tử lực tổng hợp lực hút Những phân tử khí thực nằm sát thành bình chịu lực hút tổng hợp khác khơng từ phân tử khí khác Gọi pi áp suất phân tử (áp suất nội có nguồn gốc lực hút phân tử gây ra) p áp suất thực tác dụng lên thành bình, ta có p+pi áp suất lý tưởng pi = a Vo2 Áp suất nội pi có chiều tác dụng hướng vào mơi trường khí có độ lớn [ a ] = Nm kmol Đơn vị Từ ta có phương trình Vandec Van viết cho kmol khí thực: (p + a )(Vo − b) = RT Vo2 (2) 1.2 Phương trình Vandec Van viết cho lượng khí thực V= m Vo µ Gọi V thể tích m kg khí nhiệt độ T áp suất p Ta có Vo = rút µ V m Thay Vo phương trình (2) cơng thức vừa tính được, ta có: m2a m m ( p + 2 )(V − b) = RT µV µ µ (3) Các số hạng hiệu Vandenvan a b cơng thức (3) khối lượng khí m có giá trị kmol khí số chất khí cho trước phạm vi định Các giá trị chúng xác định từ thực nghiệm Giới hạn phạm vi áp dụng phương trình Vandec Van: − Phạm vi áp dụng rộng so với phương trình trạng thái khí lý tưởng − Có sai lệch so với thực nghiệm: • Theo lý thuyết a,b khơng thay đổi nhiệt độ thay đổi, song thực nghiệm lại cho kết ngược lại RTk ≈ 2,7 Pk Vok • Trạng thái tới hạn: Theo lý thuyết song thực nghiệm lại cho 3,7 Nguyên nhân đơn giản hóa cách tính a,b 1.3 Đường đẳng nhiệt Vandec Van đường đẳng nhiệt thực nghiệm 1.3.1 Đường đẳng nhiệt Vandec Van Phương trình viết cho kmol khí thực: (p + a )(Vo − b) = RT Vo2 Là phương trình bậc Vo: có nghiệm nghiệm thực nghiệm thực, ảo Vẽ đồ thị phụ thuộc p(Vo), ứng với giá trị nhiệt độ xác định có họ đường đẳng nhiệt Vandec Van − − − − 1.3.2 Đường đẳng nhiệt thực nghiệm Chỉ nhiệt độ cao đường đẳng nhiệt biến thiên đơn điệu đường đẳng nhiệt ứng với định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt Trong đường đẳng nhiệt ứng với trị số T thay đổi có đường đẳng nhiệt ứng với trị số Tk phân chia đường đẳng nhiệt có mấp mơ với đường đẳng nhiệt không mấp mô Đường đẳng nhiệt ứng với Tk khơng mấp mơ mà có điểm uốn K Ở điểm tiếp tuyến song song với trục hoành Ở nhiệt độ thấp Tk khoảng áp suất thể tích xác định đường đẳng nhiệt bị mấp mô, miền áp suất p tương ứng với ba giá trị thể tích Vo Đây điều lạ lùng: đường mấp mô biểu tính chất vật chất điều kiện nhiệt độ áp suất p, vật chất có thể tích khác nhau? Để giải thích điều ta tìm cách nén khí nhiệt độ khơng đổi khảo sát đồ thị thực nghiệm phụ thuộc thể tích V áp suất p tức đồ thị đường đẳng nhiệt thực nghiệm Ở nhiệt đột thấp Tk khoảng áp suất thể tích xác định đường đẳng nhiệt bị Hình mấp mơ, miền áp suất p tương ứng với ba giá trị thể tích Vo Đây điều lạ lùng: đường mấp mơ biểu tính chất vật chất điều kiện nhiệt độ áp suất p, vật chất có tích khác nhau? Để giải thích điều ta tìm cách nén khí nhiệt độ khơng đổi khảo sát đồ thị thực nghiệm phụ thuộc thể tích V áp suất p tức đồ thị đường đẳng nhiệt thực nghiệm Hình − Trong xy lanh A thành dầy, pittong B có chứa mọt kmol chất khí, thí dụ khí CO Xy lanh giữ nhiệt độ khơng đổi q trình làm thí nghiệm Ta đẩy pittơng B có chứa kmol chất khí, thí dụ khí CO Xy lanh giữ nhiệt độ khơng đổi q trình làm thí nghiệm Ta đẩy pittong để nén thu kết sau Ban đầu V giảm p tăng tới giá trị po dừng lại dù V tiếp tục giảm Khi xy lanh đột ngột xuất CO2 Ta có CO2 lỏng bão hòa CO2 nhiệt thí nghiệm Càng nén phần khí CO2 hóa lỏng tăng po khơng đổi tồn khí CO hóa lỏng tất cả, lúc mà ta tiếp tục nén p tăng nhanh chất lỏng chịu nén Pbh gọi áp suất bão hòa nhiệt độ T cho trước Đồ thị hình biểu thị đường đẳng nhiệt thực nghiệm ứng với nhiệt độ T khác Ở nhiệt độ cao đường đẳng nhiệt thực nghiệm giống đường đẳng nhiệt khí lý tưởng 1.3.3 So sánh họ đường đẳng nhiệt Vandec Van họ đường đẳng nhiệt thực nghiệm − Ở khoảng nhiệt độ cao T>Tk hai họ đường đẳng nhiệt giống nhau, giống họ đường đẳng nhiệt khí lý tưởng − Ở khoảng nhiệt độ thấp T