BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG: KHÍ THỰC - CHUYỂN PHA

BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Chương 4: KHÍ THỰC - CHUYỂN PHA Chương KHÍ THỰC - CHUYỂN PHA NỘI DUNG 4.1 TƯƠNG TÁC PHÂN TỬ 4.2 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ THỰC 4.3 NỘI NĂNG CỦA KHÍ THỰC, HIỆU ỨNG JOULE – THOMSON 4.4 CHUYỂN PHA Tương tác phân tử Lực tương tác phân tử:  Lực tương tác phân tử bao gồm lực hút lực đẩy: A B F    13 r r  Số hạng thứ đặc trưng cho lực hút, có tác dụng phân tử xa  Số hạng thứ hai đặc trưng cho lực đẩy, có tác dụng phân tử gần Tương tác phân tử Lực tương tác phân tử:  Lực tác dụng ngắn: Các phân tử tương tác với phân tử xung quanh phạm vi cỡ kích thước phân tử  Tồn khoảng cách hai phân tử cho lực hút cân với lực đẩy (d ≈ 3.10-10 m) Tương tác phân tử Thế tương tác:  Thế tương tác xác định từ biểu thức: U(r)   F.dr  Gốc chọn vô  Tại r = d (F = 0) đạt giá trị cực tiểu, khoảng cách r = d ứng cân bền phân tử Tương tác phân tử Thế tương tác:  Để phân tử tách xa động Wđ phân tử phải ≥ Umin  Đối với trạng thái rắn, Wđ Umin, phân tử khí chuyển động hồn tồn hỗn loạn Phương trình trạng thái khí thực Khí thực:  Có hai điểm khác biệt quan trọng khí thực khí lý tưởng:  Khí lý tưởng xem phân tử khí chất điểm, thực tế phân tử khí có kích thước  Phân tử tích riêng đáng kể  Mơ hình khí lý tưởng bỏ qua tương tác phân tử  Khi áp suất cao nhiệt độ thấp, mơ hình khí lý tưởng khơng áp dụng khí thực Phương trình trạng thái khí thực Cộng tích nội áp:  Đối với khí lý tưởng, phân tử coi chất điểm nên thể tích khối khí thể tích mà phân tử chuyển động tự  Đối với khí thực, phân tử khí tích riêng nó, gọi Vt thể tích mol khí thực thể tích dành cho chuyển động tự phân tử nhỏ bằng: V = Vt - b Với b  4N( d )là số hiệu chỉnh thể tích, gọi cộng tích Đơn vị b m3/mol Phương trình trạng thái khí thực Cộng tích nội áp:  Áp suất chất khí va chạm phân tử với thành bình  Giữa phân tử khí thực có tương tác, phân tử tới va chạm vào thành bình chúng bị phân tử khối khí (gần nó) kéo lại  áp suất khí nhỏ trường hợp lý tưởng p = pt + pi Với pi số hiệu chỉnh áp suất, gọi nội áp pi phụ a p  thuộc vào thể tích theo hệ thức: i Vt2 Phương trình trạng thái khí thực Phương trình Van der Walls:  Thay giá trị V, p vào phương trình trạng thái khí lý tưởng mol khí:   a  a   pt    Vt  b   RT   p    V  b   RT V  Vt     Phương trình (Van der Walls) trạng thái khí thực  Phương trình trạng thái khối khí thực bất kỳ:  m2 a   m  m  p  2   V  b   RT  V      Phương trình trạng thái khí thực Họ đường đẳng nhiệt Van der Walls:  Tồn nhiệt độ tới hạn TK: Đường đẳng nhiệt có điểm uốn K, tiếp tuyến với đường K song song với trục hoành  Khi T > TK: Giống đường đẳng nhiệt khí lý tưởng  Khi T < TK: Khác đường đẳng nhiệt khí lý tưởng, có đoạn lượn sóng ABCDE Họ đường đẳng nhiệt Phương trình trạng thái khí thực Họ đường đẳng nhiệt Andrews (thực nghiệm): Andrews thực phép đo nhiệt độ thấp để so sánh lý thuyết thực nghiệm: Đoạn LA ứng với trạng thái lỏng Đoạn EH ứng với trạng thái Đoạn AE đẳng áp, ứng với trạng thái vừa lỏng vừa Họ đường đẳng nhiệt Phương trình trạng thái khí thực Trạng thái tới hạn thông số tới hạn:  Khi tăng nhiệt độ, hai điểm A E gần lại đến nhiệt độ tới hạn TK chúng trùng K  Điểm K ứng với trạng thái tới hạn, trạng thái vừa coi lỏng, vừa coi bảo hồ (khơng có khác chất lỏng bão hòa) Họ đường đẳng nhiệt Phương trình trạng thái khí thực Trạng thái tới hạn thông số tới hạn:  Các thông số tới hạn thỏa mãn hệ phương trình:  a  p  V  b   RT  k  k Vk    dp 0   dV k  d2p  0  dV k a 8a ; Tk   Giải hệ, ta được: Vk  3b; pk  27b 27bR Phương trình trạng thái khí thực Trạng thái tới hạn thông số tới hạn: Nội khí thực, hiệu ứng Joule - Thomson Nội khí thực: Nội khí thực bao gồm tổng động chuyển động nhiệt phân tử Wđ tổng tương tác phân tử Wt: U = Wđ + Wt  Tổng động chuyển động nhiệt nội khí lý tưởng Đối với mol khí, ta có: Wđ = CV.T  Thế tương tác Wt phụ thuộc khoảng cách a phân tử, phụ thuộc thể tích khối khí: Wt   V Nội khí thực, hiệu ứng Joule - Thomson Hiệu ứng Joule - Thomson:  Hiệu ứng Joule - Thomson tượng đặc thù khí thực, chứng tỏ tương tác phân tử phụ thuộc thể tích khối khí  Hiện tượng nhiệt độ khối khí thay đổi thể tích thay đổi điều kiện khơng trao đổi nhiệt với bên gọi hiệu ứng Joule - Thomson Nội khí thực, hiệu ứng Joule - Thomson Hiệu ứng Joule - Thomson:  Hệ không trao đổi cơng nhiệt với bên ngồi: Xét giãn nở tự do: U = A + Q =  a   a  U   CV T2     CV T1    V2   V1   a a CV T   V2 V1 Khi giãn nở tự khối khí lạnh đi: T < Nội khí thực, hiệu ứng Joule - Thomson Hiệu ứng Joule - Thomson:  Hệ biến đổi có cơng ngoại lực: Xét 1mol khí thực thẩm thấu qua vách xốp tác dụng ngoại lực cho áp suất khơng đổi Nội khí thực, hiệu ứng Joule - Thomson Hiệu ứng Joule - Thomson:  Hệ biến đổi có cơng ngoại lực: U = A1 + A2 = -p1(0 - V1) - p2(V2 - 0) = p1V1 - p2V2  Đối với khí lý tưởng: CV T  RT1  RT2  RT  T   Đối với khí thực:  a   a   a ab   a ab  C T   C T   RT  p b    RT  p b   2  V   V   1 2   V2   V1   V1 V1   V2 V2   1   1   (CV  R)T  (p1  p2 )b  2a     ab     V1 V2   V1 V2  Nội khí thực, hiệu ứng Joule - Thomson Hiệu ứng Joule - Thomson:  Nếu T > 0: Hiệu ứng Joule - Thomson âm  Nếu T < 0: Hiệu ứng Joule - Thomson dương  Xét hai trường hợp giới hạn: Lực tương tác phân tử yếu (a nhỏ), kích thước phân tử lớn (b lớn): 1  1   (CV  R)T  (p1  p2 )b  2a     ab     V1 V2   V1 V2  (CV  R)T  (p1  p )b Vì p1 > p2 nên T > 0, hiệu ứng Joule - Thomson âm Nội khí thực, hiệu ứng Joule - Thomson Hiệu ứng Joule - Thomson:  Xét hai trường hợp giới hạn: Kích thước phân tử không đáng kể (b nhỏ), lực tương tác phân tử lớn (a lớn): 1  1   (CV  R)T  (p1  p2 )b  2a     ab     V1 V2   V1 V2  1  (CV  R)T  2a     V1 V2  Vì V1 < V2 nên T < 0, hiệu ứng Joule - Thomson dương Nội khí thực, hiệu ứng Joule - Thomson Hiệu ứng Joule - Thomson: Đường cong đảo:  Chọn giá trị p, T ban đầu cho T = 0, gọi điểm đảo  Tập hợp điểm đảo tạo thành đường cong đảo  Các điểm đường cong đảo cho hiệu ứng (+), cịn phía cho hiệu ứng (-) Một số tập cần làm Bài tập chương 10 (Sách BT tập 1): 1, 2, 4, 5, Một số tập ví dụ Ví dụ: Một bình kín tích 500 lít chứa 0,6 kmol khí CO2 áp suất 3.106 N/m2 Hỏi áp suất khối khí tăng lên hai lần nhiệt độ khối khí tăng lần nếu: a) Xem CO2 khí thực b) Xem CO2 khí lý tưởng