Cơ sở vật lý tập 3, nhiệt học

DAVID HALLIDAY - ROBERT RESNICK - JEARL WALKER sở VẬT LÍ TẬP BA - NHIÊT HOC DAVID HALLIDAY - ROBERT RESNICK - JEARL VVALKER G0SỞVẬTli TẬP BA • NHIỆT HỌC • • Chủ biên : NGƠ QUỐC QNH - HOÀNG HỮU THƯ Người dịch : NGUYỄN VIẾT KĨNlH (T i b n lân t h ứ m i) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM FOURTH EDITION Í FUNDAMENTALS OF t PHYSICS DAVID HALLIDAY University o f Pittsburgh ROBERT RESNICK Rensselaer Polytechnic Institute JEARL WALKER Cleveland State University JOHN WILEY & SONS, INC New York Chichester Brisbane Toronto Singapore Công ty CP Dịch vụ xuất Giáo dục Hà Nội - Nhà xuất Giáo dục Việt Nam giữ quyền công bố tác phẩm - l/CXB/157 - 2075/GD M ã số : K 121 h - DA I NHIỆT ĐỘ 19 Trong ảnh người câu cá qua lỗ đào băng mặt hồ bắc CANADA Nếu khơng có tính chất nhiệt kì diệu nước, củng chẳng có cá hồ đê bắt Thật vậy, chẳng có cối hay lồi vật sống nước đông cứng thành băng trải dài Vậy tính chất nhiệt nước cho phép có sống nước vùng lạnh giá ■ 19.1 NHIỆT ĐỘNG Lực HỌC : MỘT MÔN HỌC MỚI • • • • • • Trong chương này, chuyển từ môn học sang môn học - nhiệt động lực học Cơ học xét lượng (ngoại năng) hệ định luật Newton chi phối Nhiệt động lực học xét nội hệ tập hợp định luật chi phối mà tìm hiểu chương vài chương Để thêm "hương vị" cho vấn đẻ dùng vài từ gọi "từ học" lực, động năng, gia tốc, định luật Galilê định luật thứ hai Newton vài từ nhiệt động lực học nhiệt độ, nhiệt lượng, nội năng, entrôpi, kelvin định luật thứ hai nhiệt động lực học Khái niệm trung tâm nhiệt động lực học nhiệt độ Từ quen thuộc hầu hết chúng ta, hình thành nên từ cảm giác nóng lạnh, có xu hướng tin hiểu Thực ra, cảm giác nhiệt độ luôn Chẳng hạn, ngày mùa đông giá lạnh, ta sờ tay vào sắt cảm thấy lạnh so với cột gỗ hàng rào, hai nhiệt độ Sự khác vể cảm giác sắt dẫn nhiệt từ ngón tay ta nhanh so với gỗ Vì tầm quan trọng khái niệm nhiệt độ, ta bắt đầu nghiên cứu nhiệt động lực học cách phát triển khái niệm nhiệt độ từ tảng mà khơng liên hệ chút tới cảm giác nhiệt độ ta 19.2 NHIỆT ĐỘ ur Vũ tai sau Dig Baiìg 10* Nhiệt ổộ cao thí nghiệm Tâm mặt trời 10" 10* 1010" Bémặtmâttrởí Vỏn fam cháy Nước băng - VO tru - Heli - sỏí lí r Sư ỉanh vật pha loâng nr Nhiệt độ bảy chuẩn hệ SI Các nhà vật lí đo nhiệt độ theo nhiệt giai Kelvin Mặc dù nhiệt độ vật hiển nhiên tăng lên vơ hạn lại khơng thể hạ thấp vô hạn nhiệt độ thấp giới hạn chọn làm không độ nhiệt giai Kelvin Nhiệt độ phòng khoảng 290 kelvin (hay 290 K, theo cách ta viết) khơng độ tuyệt đơi Hình 19.1 cho ta vùng rộng nhiệt độ xác định Khi vũ trụ bắt đầu hình thành, khoảng -2 tỉ năm trước đây, nhiệt độ lúc Mr* 39 Mr* lo - ' Lam nguội spin hạỉ nhàn (Nhiệt dọ tháp kỉ lục, 1990) HÌNH 19.1 Một vài nhiệt độ nhiệt giai -00 Kelvin Chú ý T = ứng với 10 vẽ đồ thị loga k h ô ng thể khoảng 10 K Khi vũ trụ mở rộng ra, lạnh đạt nhiệt độ trung bình khoảng 3K Chúng ta nóng chút, ngẫu nhiên sống gần ngơi Tuy nhiên, khơng có Mặt Trời ta, lạnh 3K (đúng khơng tồn được) Các nhà vật lí giới cố gắng xem liệu họ tiến tới khống độ tuyệt đối đến mức Té không độ tuyệt đối giống vận tốc ánh sáng c, hai đểu giới hạn mà vật tiến sát tới, không đạt Chẳng hạn, năm 1992, nhà vật lí đạt thành tựu sau phòng thí nghiệm : Tốc độ electron nhanh : 0,999 999 999 4c Nhiệt độ thấp : 0,000 000 002 K Bạn nghĩ trường hợp chắn đủ đạt tới sát đích Tuy nhiên, tượng lại cho phép ta tiến gần đến đích khơng thể đạt tới Hóa hàng chữ số thập phân thêm với tốc độ electron lẫn với nhiệt độ phải vượt nhiều khó khăn thực nghiệm (và tốn kém) Với phạm vi rộng lớn mà nhiệt độ thay đổi tồn kì diệu lớn Nếu nhiệt độ Trái Đất thấp chút, tất lạnh cóng đến chết, nhiệt độ cao chút, nguyên tử cấu tạo nên thân thể chuyển động hỗn độn mạnh đến mức phân tử bị vỡ khơng thể có sống v ể phương diện nhiệt độ, tình trạng lơ lửng lửa băng, môi sinh phức tạp 19.3 ĐỊNH LUẬT Lực • • THỨ KHƠNG CỦA NHIỆT • ĐỘNG • • HỌC • Tính chất nhiều vật thay đổi ta thay đổi mồi trường nhiệt cùa chúng, chuyển chúng từ tủ lạnh sang tủ ấm Hãy nêu vài thí dụ : nhiệt độ tăng, thể tích chất lỏng tăng, sợi dây kim loại dài chút, điện trở dây dẫn tăng lên, áp suất chất khí bình khí tăng lên Chúng ta dùng tính chất làm sở cho dụng cụ giúp nắm khái niệm nhiệt độ Hình 19.2 trình bày dụng cụ Bất kì kĩ sư khéo léo thiết kế chế tạo dùng chất nêu Dụng cụ trang bị phần thị số, có tính chất sau : Nếu bạn đốt đèn Bunsen, số phần tử thị tăng lên, bạn đặt vào tủ lạnh, số phần tử thị giảm Dụng cụ khống thể chia độ cách cả, số khơng có ý nghĩa vật lí Thiết bị gọi nhiệt nghiệm mà chưa phải nhiệt kế Giả thiết rằng, hình 19.3a, bạn đặt nhiệt nghiệm (gọi vật T) tiếp xúc chặt với vật khác (vật A) Toàn hệ đạt hộp kín có thành dày cách nhiệt Số hiển thị nhiệt nghiệm thay đổi đến lúc dừng lại (chẳng hạn số đọc 137,04) sau khơng thay đổi Thực tế, tính chất đo vật T (nhiệt nghiệm) vật A coi có giá trị ổn định, ta nói hai vật trạng thái cân nhiệt với Bây ta cho vật T tiếp xúc chặt với vật thứ hai (vật B) hình 19.3Ồ Ta nói, hai vật (B T) tiến tới cân nhiệt cùm> s ố đọc nhiệt nghiệm Cuối cùng, hình 19.3c, ta cho vật A \ B tiếp xúc chặt với Liệu chúng có cân nhiệt với khơng ? Có Câu trả lời có lẽ hiển nhiên, thực lại khơng phải thu từ thí nghiệm mà thơi ! m ỊírtTớH / > JS5TSS3B A í;} ị 1Ị • I 1Ịu ịŨ o ì.u I m i\’l3 J l.- N m - V WỆÍ ' • li Phán lử nhay nhiệt I 1$] lừ- ỉb) HỈNH 19.2 Một nhiệt nghi ệm hiển thị tăng Ihiết bị nung nóng giảm thiết bị làm lạnh Phần tử nhậy nhiệt có ihể ià nhiều cách - mội cuộn dốy mà điện Irơ nỏ đo số HÌNH 19.3 ỉií’ dis> % Ẽk M ẵ M M M M S M M M M M Ể Ê Ế íc> a) v t T (nhiệt nghiêm) vật 'A trạng thái cân nhiệt với VẠt s cách nhiệt b) Vật T vật B trạng thái cân nhiệt với với số nhiệt nghiệm c) Nếu (a) (b) đú ng định ỉuặl ihứ k hô ng nhiệt đ ộn g iực học phát biểu : vật À vặt B cũ ng trạng thái cân nhiệt với Những kết thí nghiệm nêu hình 19.3 tổng hợp lại định luật thứ không nhiệt động ỉ ực học "Nếu hai vật A B, vật cân nhiệt với vật thứ T chúng cân nhiệt với nhau” Với ngơn ngữ quy hơn, nội dung định luật thứ khơng : Mỗi vật có tính chất gọi nhiệt độ Khi hai vật trạng thái cân nhiệt với nhau, nhiệt độ chúng Bây biến nhiệt nghiệm vật (vật T) thành nhiệt kế số đọc có ý nghĩa vật lí Chỉ việc chia độ cho xong Chúng ta dùng thường xuyên định luật thứ không phòng thí nghiệm Nếu muốn biết chất lỏng hai bình chứa có nhiệt độ khơng, đo nhiệt độ bình nhiệt kế Ta khơng cần đưa hai bình chất lỏng để chúng tiếp xúc chặt với quan sát xem chúng có cân nhiệt với hay khơng Chúng ta hồn tồn chắn chúng cân nhiệt với nhau, nhiệt độ chúng Định luật thứ không, gọi theo cách giải thích logic đến sau, đến năm 1930 định luật đời, lâu sau, định luật thứ thứ hai nhiệt động lực học khám phá đánh số Vì khái niệm nhiệt độ tảng hai định luật nói trên, nên định luật thiết lập nỈỊÌệt độ thành khái niệm vững chắc, phải có số thứ tự thấp số khỏng 19.4 ĐO NHIỆT ĐỘ Ta xét xem người ta định nghĩa đo nhiêt độ nhiệt giai Kelvin Một cách tương đương, ta xét xem người ta chia độ nhiệt nghiệm để biến thành nhiệt kế dùng ĐIỂM BA (ĐIỂM TAM TRỪNG) CỦA NƯỚC Bước việc xây dựng nhiệt giai nhặt vài tượng nhiệt tái tạo hồn toàn tuỳ ý gán vào nhiệt độ Kelvin cho mơi trường nhiệt Điều có nghĩa ta chọn điểm c ố định chuẩn Chẳng hạn, ta chọn điểm đóng băng hay điểm sơi nước, nhiều lí kĩ thuật, ta khơng chọn điểm mà chọn điểm ba (điểm tam trùng) nước Nước lỏng, nước đá rắn, nước đồng thời tồn trạng thái cân nhiệt trạng thái tập hợp giá trị nhiệt độ áp suất Hình 19.4 cho ta bình điểm ba, thực gọi điểm ba phòng thí nghiêm Theo thoả thuận quốc tế (năm 1967) điểm ba nước gán giá trị 27 ,16K Báu nhiẻt n h;êt độ chuẩn cố định việc chuẩn nhiệt kẻ Khí kế, tức : Hơi mm T = 273,16 K (nhiệt độ điểm ba) -y-ị ' (19-1) số nhắc điểnxba Chú ý là, không dùng độ để ghi nhiệt độ Kelvin Điều có nghĩa 300K (chứ khơng phải 300°K) đọc V Ç r Nước ỷ ) HÌNH 19.4 Một bình điểm ba, nước đá, nước nước cùn g tồn trạng thái cân nhiệt T heo thoả thuận quốc tế, nhiệt độ củ a hỗn hợp định n gh ĩa , 6K - Bầu nhiệt k ế k hí thể tích k hơ ng đổi đặt chỗ lõm bình "300 Kelvin" (Chứ khơng phải "300 độ Kelvin") Những tiếp đầu ngữ thông thường sử dụng Chẳng hạn 0,0035K 3,5mK Khơng có phân biệt tên gọi nhiệt độ hiệu nhiệt độ Vậy ta nói "điểm sơi lưu huỳnh 717,8 K" "nhiệt độ nước bồn tắm tăng lên 8,5K NHIỆT K Ế KHÍ THỂ TÍCH KHỐNG Đ ổ l Cho đến bây giờ, chưa thảo luận tính chất vật lí đăc biệt vật mà dựa vào đó, theo thoả thuận quốc tế chọn làm nhiệt kế Liệu có phải độ dài kim loại, điện trở dây dẫn, áp suất khí bình kín hay khác ? Việc lựa chọn quan trọng lựa chọn khác dẫn đến nhiệt độ khác nhau, cho điểm sơi nước chẳng hạn Vì ‘n hững lí ta trình bày sau đây, người ta chọn nhiệt kế chuẩn dựa áp suất tác dụng chất khí chứa bình tích khơng đổi để chuẩn tất nhiệt kế khác Hình 19.5 trình bày nhiệt kế khí (thể tích khồng đổi) vậy, gồm bầu chứa đầy khí thuỷ tinh, thạch anh, platin (tuỳ theo phạm vi nhiệt độ mà nhiệt kế cần đo) nối ống dẫn nhỏ Báng chia độ với áp kế thuỷ ngân Bằng cách nâng bình R lên hay hạ xuống mức thuỷ ngân nhánh trái luôn đưa số khống thang đo, điều đảm bảo thể tích -khí chứa bầu không đổi Nhiệt độ vật tiếp xúc nhiêt với bầu định nghĩa : 1U T = Cp (1 9-2 ) p ỉà áp suất khí với thể tích khơng đổi c số Áp suất tính theo hệ thức P = Po+ pgh (1 9-3 ) pơ áp suất khí quyển, p khối HÌNH 19.5 Một nhiệt k ế khí thể tích kh ôn g đổi, bầu nh ún g binh cần đo nhiệt độ T Áp suất chấĩ khí p0 + pgh, đ ó p0 áp suất khí (đọc áp k ế khí quyển, h độ chênh lệch mức áp kế lượng riêng thuỷ ngân áp kế h hiệu mức thuỷ ngân hai nhánh ống dẫn Khi bầu nhiệt kế khí nhúng vào bình điểm ba hình 19-4, ta có : T = Cp (19 -4) P áp suất đọc điều kiện Bằng cách khử c biểu thức 19-2 19-4 ta : f ( > \ (tạm thời vậy) = 273,16K T = T3 ^P3 y (1 -5) I p3, Phương trình 19-5 chưa phải định nghĩa cuối nhiệt độ đo nhiệt kế khí Chúng ta chưa nói chút khí khí mà sử dụng nhiệt kế Nếu nhiệt kế ta dùng để đo nhiệt độ điểm sơi nước chẳng hạn, ta thấy lựa chọn khác dẫn đến nhiệt độ đo sai khác chút Tuy nhiên, dùng lượng khí bầu giảm dần may, số đọc hội tụ tới nhiệt độ nhất, dù ta dùng loại khí Hình trình bày hội tụ (*) 375.50 373.40 ôoo n 73.125 K 373.30 ‘ : -3220 -1930 -1290 ; Chu trình : 520, 0, 520 b) v = 0,0246m3 ; p2 = 2,00 atm ; v = ,373m ; p = 1,00 atm Chương 22 a) 31% b) lókcal 25% a) 7200J b) 960J c) 13% a) 49kcal b) 31kJ a) 0,07 l J b ) 0,5J ; c) 2.0J d) 5.0J 11 99,999947% 13 75 17 19 13 J 23 e = a) 94J b)230J 21 a) 1,1 lkcal/s b) 0,995 kcal/s K +1 29 a ) % 27 l - i T3 1- Ặ T, b) 81kg/s 31.0 139 33 a) +0,602cal/K b) - 0,60 cal/K 35 4450cal 41 a) 1,95J/K b) 0,650J/K c) 0,217J/K d) 0,072J/K 43 a) 57°c b) -5,27cal/K c) +5.95 cal/K d) +0,68/K 45 +0,15cal/K 47 a) 320K b) số không c) +0,41cal/K 49 a) p 1/ ; p 1/ 1’4 ; T , / 0’4 b) Theo thứ tự w , Q, AEin t ; AS : -> ; 1,10RT, 1,10 R T „ 0, 1, 10R ; : 0, -8 R T ) ; -88 R T ! ; -1 ,1 R ; —►1 : -O^gỌRT! ; ; 0,880 R T ị ; ; 51 a) = 225 cal/K, b) +225 cal/K 53 a) 3p0V b) RT = 4ùt R ln c) hai không 191 MỤC LỤC ■ ■ c s VẬT LÍ - TẬP - NH IỆT HỌC T rưng C hư ơn g 19 NHIỆT ĐỘ 19.1 Nhiệt động lực học : Một mồn học 19.2 Nhiệt độ 19.3 Định luật thứ khồng nhiệt động lực học 19.4 Đo nhiệt độ 19.5 Nhiệt giai quốc tế 10 19.6 Nhiệt giai Celci Fahrenheit 11 19.7 Sự nở nhiệt 13 Ơn tập tóm tắt 18 Câu hỏi 19 Bài tập toán 21 C hư ơng 20 NHIỆT VÀ ĐỊNH LUẬT THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG Lực HỌC 20.1 Nhiệt lượng 30 20.2 Đo nhiệt lượng : đơn vị 31 20.3 Sự hấp thụ nhiệt chất rắn chất lòng Nhiệt dung 32 20.4 Đi sâu thêm chút nhiệt lượng cỏng 38 20.5 Định luật thứ nhiệt động lực học 41 20.6 Một vài trường hợp đặc biệt định luật thứ nhiệt động lực học 20.7 Sự chuyển nhiệt lượng 42 ' 45 Ơn tập tóm tắt 52 Câu hỏi 54 Bài tập toán 56 Tiểu luận Sự sồi hiệu ứng Leidenfrost Chươ n g 21 THUYẾT ĐỘNG HỌC CHẤT KHÍ 192 29 66 72 21.1 Một cách để xem xét chất khí 73 21.2 Số Avơgadrơ 73 21.3 Chất khí lí tưởng 75 1.4 Á p suất nhiệt độ : theo quan điểm phân tử 78 21.5 Động chuyển động tịnh tiến 81 21 Quãng đường tự trung bình 83 21.7 Sự phân bố tốc độ phân tử (tự chọn) 86 21 Nhiệt dung riêng phân tử gam (mol) khí lí tưởng 90 21.9 Sự phân bố lượng 95 21.10 Một chút thuyết lượng tử 97 21.11 Sự giãn đoạn nhiệt khí lí tưởng 98 Ơn tập tóm tắt 102 Câu hỏi 104 Bài tập toán 107 Tiểu luận Phải tạo thành lớp C làm ấmkhí hậu Chương 22 ENTROPI VÀ ĐỊNH LUẬT THỨ HAI CỦANHIỆT ĐỘNG L ực HỌC 119 125 22.1 Một số việc chẳng xảy 126 22.2 Động 126 22.3 Máy lạnh 134 22.4 Định luật thứ hai nhiệt động lực học 135 22.5 Một động lí tưởng 136 22.6 Chu trình Carnot 137 22.7 Hiệu suất động thực 140 22.8 Entropi - biến số 143 22.9 Độ biến thiên entropi với trình bất thuận nghịch 148 22.10 Entropi định luật thứ hai nhiệt động lực học 152 22.11 Tóm lại, entropi ? 154 22.12 Bản chất định luật vật lí : đề tài riêng 157 Ơn tập tóm tắt 158 Câu hỏi 160 Bài tập toán 163 Các phụ lục 171 Đáp số tập toán số lẻ 189 Mục lục 192 193 Chịu trách nhiệm xuất : Chủ tịch HĐQT kiêm Tổng Giám đốc NGƠ TRAN Phó Tổng Giám đốc kiêm Tổng biên tập NGUYÊN QUÝ THAO T ổ chức thảo chịu trách nhiệm nội dung : Phó Tổng biên tập PHAN XUÂN THÀNH Giám đốc CTCP Dịch vụ xuất Giáo dục Hà Nội PHAN KẾ THÁI Biên tập lần đầu : PHẠM QUANG TRựC Biên tập tái : ĐINH THỊ THÁI QUỲNH Trình bảy bìa : *■ ĐỒN HỒNG Sửa in : ĐINH THỊ THÁI QUỲNH C h ế : CỒNG TY CỔ PHẦN THIẾT KẾ VÀ PHÁT HÀNH SÁCH GIÁO DỤC c sở VẬT LÍ TẬP BA - NHIỆT HỌC Mã số: 7K 121hl - DAI In 1.000 (QĐ : 16), khổ 19 X 27 cm In Cõng ty c ổ phần In Phúc Yên Địa : Đường Trần Phú, thị xã Phúc Yên, Vĩnh Phúc Số ĐKKH xuất : 14 - 20 1/CXB/157 - 2075/GD In xong nộp lưu chiểu tháng năm 2011 ... lực học : hai vật A B vật cân nhiệt với vật thứ ba (nhiệt kế) A B cân nhiệt với N h iệ t giai Kelvin Nhiệt độ đo hệ SI theo nhiệt giai kelvin Nhiệt giai thiết lập sau : định nghĩa giá trị số nhiệt. .. t T (nhiệt nghiêm) vật 'A trạng thái cân nhiệt với VẠt s cách nhiệt b) Vật T vật B trạng thái cân nhiệt với với số nhiệt nghiệm c) Nếu (a) (b) đú ng định ỉuặl ihứ k hơ ng nhiệt đ ộn g iực học. .. luật thứ khơng : Mỗi vật có tính chất gọi nhiệt độ Khi hai vật trạng thái cân nhiệt với nhau, nhiệt độ chúng Bây biến nhiệt nghiệm vật (vật T) thành nhiệt kế số đọc có ý nghĩa vật lí Chỉ việc chia