NGUYỄN QUANG HỌC - v ũ VĂN HÙNG Giáotrình VÂTƯTHỔNGKÊ VẦ NHIỆTĐỘNGLựcHỌC Tập w P G S T S N G U Y Ẻ N Q U A N G H Ọ C G S T S V Ũ V À N H Ù N G Giáo trình VẬT LÍ THỐNG KÊ VÀ NHIỆT ĐỘNG Lực HỌC ■ ■ ■ ■ ■ Tập NHIỆT ĐỘNG Lực HỌC • • • • NHA XUẤT BAN ĐAI HOC SƯPHẠM Mã số: 01.01.101/224-Đ H MỤC LỤC Tra nạ LỜI NÓI Đ Ầ U Chương I CÁC KHÁI NIỆM NHIỆT ĐỘNG Lực HỌC 1.1 Đối tượng phương pháp nghiên cứu nhiệt động lực học 1.2 Các khái niệm nhiệt động lực học 1.3 Đơn vi thứ nguyên 17 1.4 Áp suấ t .18 1.5 Nhiệt độ nguyên li số không nhiệt động lực học 19 1.6 Nhiệt lượng 22 1.7 Công 24 Bài tập chương I 29 Chương II NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG Lự c HỌC VÀ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI 35 2.1 Nguyên lí thứ nhiệt động lực học ứng dụng 35 2.2 Phương trình trạng thái 46 Bài tập chương I I 59 Chương III NGUYÊN LÍ THỨ HAI CỬA NHIỆT ĐỘNG Lực HỌC VÀ ENTRÔPI 65 3.1 Các q trình thuận nghịch khơng thuận nghịch .65 3.2 Chu trình Carnot 66 3.3 Nguyên lí thứ hai nhiệt động lực học 68 3.4 Hiệu suất chu trình Carnot tổng q u t .71 3.5 Bất đẩng thức Clausius chu trình bất k ì 74 3.6 Entrôpi 77 3.7 Cóng thức tổng qt ngun lí thứ hai nhiệt động lực học 78 3.8 Công cực đại cực tiểu 80 Bài tập chương III 81 Chương IV CÁC THẾ NHIỆT ĐỘNG VÀ ĐIỂU KIỆN CÂN BẰNG 91 4.1 Các nhiệt động 91 4.2 Ngun lí entrơpi cực đại 94 4.3 Entrôpi nội nhiệt động 95 4.4 Nâng lượng tự d o 97 4.5 Entanpi 100 4.6 Thế Gibbs .103 4.7 Thế lớ n .108 4.8 Hướng trình thực 109 4.9 Phương trình Gibbs - Duhem 111 4.10 Các đại lượng nhiệt động hệ thứcnhiệt động 112 4.11 Nguyên lí thứ ba nhiệt động lực học(định lí Nernst - Planck) 114 4.12 Nhiệt độ tuyệt đối â m 115 4.13 Điều kiện cản hệ nhiệt động 119 4.14 Các bất đẳng thức nhiệt động 122 4.15 Nguyên lí Le Châtelier - Braun 125 Bài tập chương IV 127 Chương V CÂN BẰNG PHA VÀ CÂN BẰNGHÓA HỌC .137 5.1 Pha .137 5.2 Cân pha khác củachất tinhkhiết (hệ cấu tử ) 137 5.3 Sức căng bề m ặt 140 5.4 Cân hệ nhiều pha nhiều cấu tử 141 5.5 Quy tắc pha Gibbs 143 5.6 Thế hóa học chất khí 143 5.7 Thế hóa học áp suất bão hòa chất lỏng chất rắ n 145 5.8 Các dung dịch pha loãng 146 5.9 Các dung dịch lí tưởng (dung dịch rắn lí tưởng) dung dịch ổn định 147 5.10 Nồng độ dung dịch 148 5.11 Hoạt độ hệ số hoạt đ ộ 149 5.12 Các dung dịch chất điện li m ạnh 150 5.13 Cân hóa học 152 5.14 Nhiệt động lực học pin điện hoá 155 5.15 ứng dụng nguyên lí thứ ba nhiệtđộng lực học 157 Bài tập chương V 158 Chương VI MỘT số ỨNG DỤNG KHÁCCỦA NHIỆTĐỘNG Lực HỌC 171 6.1 Chuyển pha 171 6.2 Khí thực van der VVaals 182 6.3 Hiện tượng từ 186 6.4 Động nhiệt, bơm nhiệt lượng, máy lạnh hoá lỏng chất khí 188 6.5 Hiệu ứng bề mặt ngưng kết 198 6.6 Các ứng dụng hoá học 201 6.7 Bức xạ vật đen 203 6.8 Vụ nổ lớn 206 6.9 Cấu tạo s a o 210 6.10 Áp suất thẩm thấu 214 6.11 Giới hạn nhiệt động lực học 219 Bài tập chương V I 222 TÀI LIỆU THAM KHẢO 230 LỜI NĨI ĐẦU Giáo trinh Vật lí thông kè nhiệt động lực học gồm hai tập (Tập Nhiệt động lực học Tập Vật lí thống kê) biên soạn phục vụ cho sinh viên Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Giáo trình có thê dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên trường đại học khác có học mơn Vật lí thống kê nhiệt độns lực học Giáo viên giảng dạy Vật lí trường đại học trung học phổ thòng tham kháo sách Khi biên soạn giáo trình, tác giả cò gắng đạt tới mục đích bản, đại Việt Nam Tập Giáo trình Vật lí thơng kè nhiệt động lực học trình bày phần cốt lõi Nhiệt độns lực học bao gồm: Các khái niệm nhiệt động lực học (chương I), Nguyên lí thứ nhiệt độns lực hoc phương trình trạng thái (chương II), Ngun lí thứ hai nhiệt động lực hoc entròpi (chương ///), Các nhiệt đòng điểu kiện càn (chươỉio ỉ\ ) Càn bàng pha càn hóa học (chương V) Một số ứng dụng khác cua nhiệt động lực học (chương Vỉ) Ngoài phần giảng bao gồm vấn để lí thuyết bản, giáo trình đưa hệ thống tập ban nâng cao có kèm theo hướng dẫn đáp số Những tập Ìúp cho sinh viên hiểu sâu nói dung vật lí giảng vận dụns kiến thức thu đế giải số vấn đề vật lí cụ Trong trình biên soạn giáo trình, cố gắng chắn khòng tránh khỏi thiếu sót Các tác giả mong nhận ý kiến đóng góp cùa bạn đồng nghiệp, sinh viên bạn đọc để giáo trình ngày hồn thiện Các tác gia chân thành cảm ơn ban đóng nghiệp thuộc Bơ mơn Vật lí lí thuyết, Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội đóng góp nhiều ý kiến quý báu trình biên soạn giáo trình Các tác giả Chương I CÁC KHÁI NIỆM NHIỆT ĐỘNG Lực HỌC 1.1 Đối tượng phương pháp nghiên cứu nhiệt động lực học Nhiệt độns lực học khoa học vật lí, tron® tất ngun lí tạo thành táns nhiệt độne lực học dựa trẽn quan sát tượng vật lí Theo quan sát tượng, nsười ta thu thập chứng thực nghiệm để xác minh quan sát thực quan sát xác Cuối cùng, rút nsun lí quan sát vật lí viết lại thành phát biểu toán học nhằm cuns cấp chè mà nhờ nsun lí áp dụng cho toán kĩ thuật Phần lớn văn đề nhiệt độns lực học liên quan đến nghiên cứu lượns Thực tế có nhiều nhà rmhièn cứu định nghĩa nhiệt động lực học khoa học nghiền cứu nãng lượng mối quan hệ với tính chất vật chất Nhiệt độns lực học cung cấp mối quan hệ quan trọng truyền nhiệt, tươns tác côns, động Đóng góp chủ yếu nhiệt động lực học mối quan hệ toán học lượns nãnơ lượng truyền cho chất thay đổi tính chất chất Mối quan hệ dùng để nghiên cứu hoạt động cùa thiết bị sử dụng biến đổi nhiều dạne lượng khác Do đó, nhiệt độns lực học trở nên đặc biệt quan trọng kỉ nguyên suy giảm nguồn cung cấp lượng sán có tăng mơi quan tâm đến vấn đề bảo toàn nãns lượns Theo truyền thống, việc nghiên cứu nhiệt động lực học nhấn mạnh đến ứns dụng cho thiết bị tuabin, bơm, động cơ, máy nén, máy điều hòa khóns khí, Các ngun lí nhiệt động lực học áp dụng cho nhiều thiết bị đại góp nãng lượng mặt trời, máy phát từ thủy độne lực, động tên lừa, pin nhiên liệu, hệ lượng mặt trời gió hệ khác nhằm biến đổi lượng từ dạng sang dạng khác Nhiệt động lực học với hai lĩnh vực khác học chất lòng truyền nhiệt tạo thành lĩnh vực rộng gọi khoa học nhiệt Nhiệt động lực học có ảnh hưởng quan trọng đến việc thiết kế hệ thống kĩ thuật đóng vai trò việc lựa chọn vặt liệu phương pháp thiết kẽ cùa tất hệ thống kĩ thuật trẽn thực tế Mọi hệ bao ?ồm sô lớn hạt vật chất (chẳng hạn phân tử, nguyên tử, electron, ) gọi hệ vĩ mô hay hệ nhiêu hạt Hệ vĩ mơ có sỏ lớn bậc tự kích thước hệ lớn nhiều so vói kích thước phân tử nguyên tử Nhiệt động lực học nghiên cứu hệ vĩ mô mà kích thước khơng gian tồn theo thời gian chúng đủ lớn việc thực q trình đo đạc thơng thường Nhiệt động lực học có đối tượng nghiên cứu vật lí thống kê Nhiệt động lực học sử dụng phương pháp nghiên cứu phươiig pháp nhiệt động lực học Theo phương pháp này, nhiệt động lực học khái quát hóa kinh nghiệm lâu đời nhân loại thực nghiệm xác nhận thành nguyên lí Nhiệt động lực học khảo sát biến đổi lượng tượng trình tuân theo ngun lí khơng phân tích chi tiết q trình phân tử (sự biến đổi khơng ngừng trạng thái vi mơ) Còn phương pháp nghiên cứu vật lí thống kê phương pháp thốnq kê Nó cho phép xác định trị trung bình đại lượng xác suất trị số chúng Như vậy, nhiệt động lực học vật lí thống kê khác phương pháp nghiên cứu Nhiệt động lực học theo cách tiếp cận tượng học, vật lí thống kê tiếp cận theo cấu trúc vi mô Đối với hệ vĩ mô trạnơ thái cân bằng, định luật thu vật lí thống kê đại lượng trung bình trùng với định luật nhiệt động lực học Vật lí thốns kê đặt sở lí thuyết cho quy luật nhiệt động lực học Đối với hệ vĩ mơ trạng thái khơng cân bằns, áp dụng vật lí thống kê để nghiên cứu nhiệt động lực học q trình khơng thuận nghịch (hay nhiệt độns lực học không cân bằng) 1.2 Các khái niệm nhiệt động lực học Một hệ nhiệt động lực (còn gọi hệ nhiệt động hay hệ) vùng bao kin bời biên ảo biên cứng uốn cons Biên ảo thường trùng với biên vật lí Người ta cần khái niệm hệ để phân tích tất toán nhiệt động lực thực tế Các hệ phân loại thành hệ kín, hệ mở hệ lập Hệ kín hệ, khơng có khối lượng giao với biên hệ Thực tế hệ kín khơng loai trừ khả nãng lượng qua biên hệ hệ làm thay đổi hình dạng Hệ mở hệ, khối lượng nãng lượng phép truyền qua biên cùa Hệ mờ gọi th ể tích điều chỉnh Loại hệ thứ ba gọi hệ lập Đó hệ, khơng có khối lượng lượng qua biên Mặc dù có ví dụ thực tế hệ cô lập khái niệm hệ lập đặc biệt có ích việc phát biểu nguyên lí cùa nhiệt động lực học Để thuận tiện, nsirời ta thường chọn hệ chi Rồm chất thiết bị Nhưng người ta chọn hệ bao sồm sơ thiết bị chẳng hạn nhà máy điện Thòne qua việc phân tích hệ phức tạp nhiều thành phần, ta rút kết luận chuns tồn hoạt độns hệ mà khơng để ý đến hoạt động thành phần rièns hệ Tất hệ bao 20111 ba yếu tò bàn: bể mặt ảo bao quanh hệ gọi biên hệ, thể úch ưonơ bẻ mật ảo gọi thẻ' tích hệ bên ngồi hệ gọi mơi trường xung quanh Nếu ta nghiên cứu phần hệ phần lại gọi mỏi trưcmẹ xu n ẹ quanh Bộ điều nhiệt môi trường xung quanh trina tượns có sò điều kiện hệ khảo sát (chẳng hạn điều kiện khơng đổi nhiệt độ, áp suất, thè hóa học Tồn lượng khơi lượns vào khỏi hệ cần phải giao với vùng bể mặt biên hệ Khi điểu xảy tính chất bên thể tích hệ có thè thay đổi Một trons mục đích nghiên cứu nhiệt động lực học nhằm liên hệ lượng lượng khỏi lượng vào khỏi hệ với thay đổi tính chất bên thể tích cùa hệ Một tinh chất đặc trưng đo hệ Các ví dụ quen thuộc tính chất áp suất, nhiệt độ, thê tích khối lượng Còn có tính chất khác độ nhớt, mơđun đàn hổi hệ số dãn nở nhiệt, hệ số ma sát điện trở suất Một số tính chất định nghĩa theo tính chất khác Chẳng hạn mật độ chất định nahĩa khối lượng chất ứng với đơn vị thể tích Một vấn đề quan trọng nhiệt động lực học tìm mối liên hệ tính chất nhiệt động Các mối liên hệ biểu diễn phương trình Một số phương trình dựa sở phép đo thực nghiệm, số phương trình khác rút từ phân tích lí thuyết Khơng xét đến nguồn gốc, môi liên hệ tính chất y, (i = 1, , , n) ò dạng f( ỵ |, v2, , v„) = gọi phương trình trạng thái Các đai lượng vật lí đặc trưng cho trang thái vĩ mơ hệ nồns; độ, mật đó, số mol, thể tích, gọi thõng s ố vĩ mơ Thóng số vĩ mô hàm tọa độ vật bên ngồi hệ xác đinh vị trí vật bên hệ gọi thõng sốnqoải Do thể tích xác định bời phân bố vật bên ... thứcnhiệt động 11 2 4 .11 Nguyên lí thứ ba nhiệt động lực học(định lí Nernst - Planck) 11 4 4 .12 Nhiệt độ tuyệt đối â m 11 5 4 .13 Điều kiện cản hệ nhiệt động 11 9 4 .14 Các bất đẳng... 15 8 Chương VI MỘT số ỨNG DỤNG KHÁCCỦA NHIỆTĐỘNG Lực HỌC 17 1 6 .1 Chuyển pha 17 1 6.2 Khí thực van der VVaals 18 2 6.3 Hiện tượng từ 18 6 6.4 Động... 14 9 5 .12 Các dung dịch chất điện li m ạnh 15 0 5 .13 Cân hóa học 15 2 5 .14 Nhiệt động lực học pin điện hoá 15 5 5 .15 ứng dụng nguyên lí thứ ba nhiệtđộng lực học 15 7