Ở trạng thái lỏng: sự chênh lệch giữa động năng chuyển động nhiệt và thế năng tƣơng tác không lớn lắm, do đó các hạt của chất lỏng vẫn có thể dịch chuyển, quay, dao động nhƣng không t[r]
(1)1
TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA CƠ BẢN
NGUYỄN THỊ KIỀU THU
BÀI GIẢNG
VẬT LÝ PHÂN TỬ VÀ NHIỆT HỌC
(2)2
LỜI NÓI ĐẦU
Học phần Vật lý phân tử nhiệt học gồm có hai phân mơn: Vật lý phân tử (VLPT) nhiệt động lực học (NĐLH).Trong VLPT ngƣời ta vận dụng quan điểm vi mô phƣơng pháp thống kê, NĐLH ngƣời ta vận dụng quan điểm vĩ mô phƣơng pháp nhiệt động lực học để nghiên cứu
Bài giảng gồm có chƣơng, hai phân mơn VLPT NĐLH đƣợc trình bày xen kẽ; chƣơng 2, 3, 4, thuộc phân mơn VLPT; cịn chƣơng chƣơng thuộc phân mơn NĐLH Ngồi chƣơng chƣơng mở đầu, cung cấp cho sinh viên khái niệm trƣớc nghiên cứu học phần
Tập giảng đƣợc biên soạn dùng cho sinh viên sƣ phạm ngành Vật lý Trên sở tham khảo tài liệu, giáo trình kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy mình, ngƣời biên soạn xếp lại kiến thức cách có hệ thống, khoa học, chi tiết với mong muốn giúp cho sinh viên dễ dàng việc tiếp thu kiến thức Sau chƣơng có phần câu hỏi tập cho sinh viên tự học
Mặc dù cố gắng nhƣng trình biên soạn khơng thể khơng có thiếu sót Rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp thầy cô, đồng nghiệp bạn sinh viên để giảng hồn thiện Mọi ý kiến đóng góp xin gửi địa email: ntkthu@pdu.edu.vn Xin chân thành cảm ơn!
(3)3
CHƢƠNG MỞ ĐẦU
1.1. Đối tƣợng phƣơng pháp nghiên cứu
1.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Vật lý phân tử nhiệt học nghiên cứu tƣợng liên quan đến trình xảy bên vật trình chuyển động nhiệt
1.1.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Ngƣời ta sử dụng hai phƣơng pháp:
Phƣơng pháp thống kê: phân tích q trình xảy phân tử, nguyên tử riêng biệt quan điểm vi mô, dựa vào qui luật chung cho tập hợp phân tử, từ giải thích tính chất vật
Phƣơng pháp nhiệt động lực học: nghiên cứu biến đổi lƣợng vật từ dạng sang dạng khác quan điểm vĩ mô Phƣơng pháp dựa hai nguyên lý nhiệt động học đƣợc rút từ thực nghiệm Từ đó, rút đƣợc tính chất vật điều kiện khác mà không cần ý đến cấu tạo phân tử
Trong học phần dùng hai phƣơng pháp để nghiên cứu vấn đề chuyển động nhiệt
1.2. Hệ nhiệt động
1.2.1. Hệ nhiệt động
Hệ nhiệt động tập hợp vật thể đƣợc bao bọc bề mặt chu vi Các vật thể cá thể có kích thƣớc vĩ mơ, phân tử, ngun tử có kích thƣớc vi mơ
Bề mặt chu vi thực, chẳng hạn nhƣ chu vi bình đựng khí, ảo nhƣ bề mặt bao quanh lƣợng chất lỏng chảy dọc theo ống mà ta tƣởng tƣợng
Nhƣ vậy, khái niệm “hệ nhiệt động” khái niệm rộng tổng quát
1.2.2. Hệ
(4)4
Hệ xem nhƣ đƣợc cấu tạo nhiều hệ Hệ chịu ảnh hƣởng phần lại hệ lên nó, nên trạng thái hệ ln thay đổi
1.2.3. Khoảng ngồi
Phần cịn lại ngồi hệ đƣợc gọi khoảng ngồi
1.2.4. Hệ cô lập
Hệ cô lập hệ hồn tồn khơng tƣơng tác trao đổi lƣợng với khoảng ngồi
1.2.5. Hệ lập phần
Hệ có trao đổi cơng mà khơng trao đổi nhiệt với khoảng ngồi đƣợc gọi hệ lập nhiệt, ngƣợc lại hệ có trao đổi nhiệt nhƣng khơng tra đổi cơng đƣợc gọi hệ cô lập công Những hệ nhƣ vậy, ta gọi hệ cô lập phần
1.3. Trạng thái hệ nhiệt động
1.3.1 Thông số trạng thái
Trạng thái hệ nhiệt động đƣợc xác định đại lƣợng vật lý, đại lƣợng đƣợc gọi thơng số trạng thái hệ
Ví dụ: Đối với khối khí, trạng thái đƣợc xác định biết áp suất p, nhiệt độ T, thể tích khối khí V Vậy p, V, T thơng số trạng thái khối khí
Hệ trạng thái cân nhiệt động trạng thái mà nơi hệ có áp suất, nhiệt độ
Về phƣơng diện vĩ mơ, ta chia thơng số trạng thái làm hai loại:
a Thơng số quảng tính: thơng số mà độ lớn tỉ lệ với khối lƣợng hệ Ví dụ: thể tích V
b Thơng số cƣờng tính: thơng số mà độ lớn khơng phụ thuộc vào khối lƣợng hệ Ví dụ: áp suất, nhiệt độ, mật độ…
1.3.2. Phƣơng trình trạng thái
Các thơng số trạng thái hệ khơng hồn tồn độc lập với nhau, thông số hàm thông số lại
(5)5 Đối với khối khí: F(p, V, T) =
1.4. Áp suất
Áp suất đại lƣợng vật lý có giá trị áp lực tác dụng lên đơn vị diện tích bề mặt
p = F
S (1.1) Đơn vị:
Trong hệ SI: áp suất có đơn vị N/m2, Pa
Ngồi ra, áp suất cịn có đơn vị: mmHg, atm, at…với 1at = 9,81.104N/m2
1atm = 1,013.105N/m2
1atm = 1,033at = 760mmHg 1at = 736mmHg
Đối với khối khí đựng bình chứa áp suất khí áp lực tác dụng lên đơn vị diện tích thành bình Áp lực va chạm phân tử khí thành bình gây nên
1.5. Nhiệt độ
1.5.1. Nhiệt độ
Nhiệt độ đại lƣợng đặc trƣng cho trạng thái vật Khái niệm trung tâm nhiệt động lực học nhiệt độ Khái niệm nhiệt độ đƣợc xuất phát từ cảm giác nóng, lạnh Khi ta sờ tay vào vật, ta biết vật nóng, vật lạnh, vật nóng vật kia…Tuy nhiên, cảm giác luôn Chẳng hạn ngày mùa đông giá lạnh, ta sờ tay vào sắt ta cảm thấy lạnh so với gỗ, hai có nhiệt độ Sự cảm nhận khác sắt dẫn nhiệt nhanh so với gỗ Do vậy, để đo nhiệt độ, ta sử dụng nhiệt kế
(6)6
Nhiệt độ đại lƣợng có tính đặc biệt mà khơng đại lƣợng có đƣợc, nhiệt độ khơng phải đại lƣợng cộng tính
Nhiệt độ bảy đại lƣợng chuẩn hệ SI Nó tăng lên vơ hạn nhƣng lại khơng thể hạ thấp vô hạn Giới hạn nhiệt độ thấp đƣợc chọn không độ thang đo Kenvin nhiệt độ gọi khơng độ tuyệt đối (0 K)
1.5.2. Nguyên lý thứ không nhiệt động lực học
Thực nghiệm cho thấy: ta cho hai vật đồng chất A B tiếp xúc nơi hồn tồn cách nhiệt (hệ lập) nhiệt đƣợc truyền từ vật nóng sang vật lạnh, làm cho vật nóng nguội dần vật lạnh nóng dần Sau thời gian đủ lâu, nhiệt độ hai vật nhau, hệ đạt trạng thái cân nhiệt Nếu hệ cô lập gồm nhều vật nóng lạnh khác sau thời gian đủ lâu hệ đạt cân nhiệt
Từ ta có kết luận: “Hai vật cân nhiệt với vật thứ ba chúng cân nhiệt với nhau” Kết luận đƣợc gọi nguyên lý thứ không nhiệt động lực học
1.5.3. Thang đo nhiệt độ
Để đo đƣợc nhiệt độ ta phải chế tạo nhiệt kế theo thang đo khác Để xây dựng thang đo nhiệt giai, ta phải chọn điểm cố định (ví dụ nhƣ điểm đóng băng hay điểm sơi nƣớc) gọi điểm chuẩn
Năm 1967, Hội nghị Quốc tế thỏa thuận chọn điểm ba (điểm tam trùng) nƣớc làm điểm chuẩn cố định gán cho giá trị 273 K
Kí hiệu: T3 = 273 K nhiệt độ điểm tam trùng Ở nhiệt độ trạng thái
cân nhiệt nƣớc, nƣớc đá nƣớc tồn
Nhiệt giai Kenvin (K) đƣợc chọn làm nhiệt giai quốc tế sử dụng khoa học Ở nhiệt giai này, ngƣời ta quy định điểm tam trùng nƣớc 273 K K nhiệt độ không tuyệt đối
(7)7
TC = T – 273,16 T = TC + 273 (1.2) Nhiệt giai Fahrenheit đƣợc dùng Anh, Mỹ vài nƣớc khác Trong thang đo Fahrenheit, ứng với nhiệt độ đá tan 320F nhiệt độ sơi nƣớc
2120F Vì vậy:
TF =
5 32 (1.3)
1.5.4. Các loại nhiệt kế
Không thể chế tạo nhiệt kế có khả đo nhiêt độ, nhiệt kế đo xác khoảng nhiệt độ
Nhiệt kế khí: nhiệt kế khí Heli đƣợc dùng để đo nhiệt độ thấp (cỡ 1K), nhiệt độ cao (< 2000C) ngƣời ta dùng nhiệt kế khí O2, H2
Nhiệt kế điện trở: vật nhiệt kế dây dẫn điện thƣờng làm kim loại hay hợp kim, đại lƣợng nhiệt kế điện trở R dây, R tăng theo nhiệt độ đƣợc biểu thị hệ số nhiệt điện
Nhiệt kế lỏng: vật nhiệt kế chất lỏng, đại lƣợng nhiệt kế thể tích khối chất lỏng
Nhiệt kế cặp nhiệt điện: nhiệt kế dựa vào nguyên lý hoạt động cặp nhiệt điện Dòng nhiệt điện đặc trƣng nhiệt điện E đƣợc phát sinh có chênh lệch nhiệt độ hai mối hàn cặp nhiệt điện Loại nhiệt kế đƣợc dùng để đo nhiệt độ cao từ 3000C đến 20000C tùy theo kim loại làm cặp nhiệt điện
(8)8
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 1. Nhiệt độ khái niệm vi mô hay vĩ mô?
2. Phƣơng pháp thống kê khác phƣơng pháp nhiệt động lực nhƣ nào?
3. Trong thực nghiệm nhà khoa học thu đƣợc nhiệt độ thấp 0,000000002 K, cịn nhiệt độ khơng tuyệt đối chƣa thể thu đƣợc Vì nhà khoa học cố gắng để thu đƣợc nhiệt độ thấp nữa?
4. Một nhiệt giai Z có điểm đóng băng điểm sơi nƣớc -140Z 650Z a Hỏi độ biến thiên nhiệt độ T nhiệt giai Z ứng với độ biến thiên 530F bao nhiêu?
b Nhiệt độ nhiệt giai Fahrenheit ứng với nhiệt độ T = -980Z bao nhiêu?
5. Để làm nhiệt kế thủy ngân có khoảng đo từ 00C đến 2000C, ngƣời ta cần
dùng cần hình trụ dài, tích 24mm3 Tính: a Thể tích bầu nhiệt kế
b Khối lƣợng thủy ngân
Cho khối lƣợng riêng thủy ngân 13,6g/cm3, hệ số nở biểu kiến thủy ngân thủy tinh
6. Một loại nhiệt giai Z mà điểm nƣớc đá tan -50Z điểm nƣớc sôi 1050Z điều kiện chuẩn Hỏi:
a Khi nhiệt giai Celsius biến thiên 600C nhiệt giai Z biến thiên bao nhiêu? b Nhiệt độ nhiệt giai Celsius 600C nhiệt độ nhiệt giai Z bao nhiêu?
(9)9
CHƢƠNG CẤU TẠO NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ CỦA VẬT CHẤT 2.1 Thuyết nguyên tử, phân tử cấu tạo chất
2.1.1 Thuyết nguyên tử phân tử a Thuyết nguyên tử
Lơxip (Leucippe) Đêmôcơrit (Desmocrite) hai triết gia ngƣời Hy Lạp đƣợc coi ngƣời nêu lên thuyết nguyên tử
Thuyết nguyên tử cho rằng: vật chất bị chia nhỏ tới giới hạn định, giới hạn đƣợc gọi nguyên tử (atomos: tiếng Hy Lạp có nghĩa khơng phân chia đƣợc)
Thuyết ngun tử thời cịn sơ sài nhƣng lại đoán đắn cấu tạo gián đoạn vật chất Tuy nhiên, thuyết bị Nhà thờ chống đối ngăn cấm thời gian dài
Đến cuối kỉ XVII, thuyết nguyên tử đƣợc phục hồi Bôilơ (Robert Boyle, 1627-1691) – nhà vật lí hóa học ngƣời Ailen đề thuyết hạt: “nguyên tố hóa học bao gồm hạt vơ nhỏ, có hình dạng kích thƣớc định chuyển động, hạt nguyên tố có khả kết hợp với thành hạt lớn vật thể phức tạp (ngày gọi hợp chất).”
Từ sở thuyết hạt, năm 1808 Đantơn (John Dalton,1766-1844) – nhà vật lí hóa học ngƣời Anh đƣa thuyết ngun tử có tính khoa học hơn: “Mọi vật chất đƣợc tạo thành từ nguyên tử, tất nguyên tử nguyên tố giống có tính chất đặc trƣng nguyên tố đó.”
b. Thuyết phân tử
(10)10
Trong thuyết nguyên tử mình, Avơgađrơ nêu rằng: “trong thể tích chất khí khác nhau, nhiệt độ áp suất, có số phân tử nhƣ nhau”
Năm 1860, Hội nghị Hóa học quốc tế lần thứ nhất, học thuyết nguyên tử Đantơn đƣợc chấp nhận, đƣa định nghĩa phân tử: “Phân tử phần tử nhỏ chất có khả tồn độc lập.”
Tuy nhiên, thuyết nguyên tử phân tử lúc giả thuyết khoa học, chƣa có chứng tồn nguyên tử nhƣ phân tử.Đến kỉ XX, khoa học lần nhìn thấy ngun tử kính hiển vi ion Sau lần lƣợt loại kính hiển vi Tunen, kính hiển vi lực nguyên tử… đời, với độ phân giải cao, giúp ta thấy rõ nguyên tử
2.1.2 Cấu tạo bên nguyên tử
Nguyên tử đƣợc cấu tạo từ hạt bản:
- Electron (kí hiệu e): có khối lƣợng me = 9,1.10-31kg, mang điện tích âm –e = 1,6.10-19C
- Proton (kí hiệu p): có khối lƣợng mp = 1,672.10-27kg, mang điện tích dƣơng +e = 1,6.10-19C
- Nơtron (kí hiệu n): có khối lƣợng mn = 1,675.10-27kg, khơng mang điện tích
Năm 1911, nhà vật lí ngƣời Anh Rơzơpho (Ernest Rutherford, 1871-1937) làm thí nghiệm phát hạt nhân ngun tử (có kích thƣớc khoảng 10-13
m) đề xuất mơ hình ngun tử có hạt nhân Mơ hình đƣợc hồn thiện ngày
Tóm lại, nguyên tử gồm:
- Hạt nhân tích điện dƣơng Hạt nhân đƣợc cấu tạo hai loại hạt: hạt proton tích điện dƣơng hạt nơtron khơng tích điện, hai loại hạt có tên chung nucleon, chúng liên kết với loại lực đặc biệt gọi lực hạt nhân Điện tích dƣơng hạt nhân tổng điện tích dƣơng proton
(11)11
Khi nguyên tử trung hòa điện, tổng điện tích âm tổng điện tích dƣơng Đƣờng kính nguyên tử vào khoảng 1A0
Kích thƣớc nguyên tử nguyên
tố khác khác tùy theo số proton, nơtron hạt nhân số electron bao quanh
2.1.3 Lƣợng chất Đơn vị mol
Năm 1971, Hội nghị Cân đo quốc tế nhà khoa học đƣa vào Hệ thống đơn vị quốc tế SI đơn vị mới, đơn vị thứ bảy, đơn vị lƣợng chất, gọi mol
Tại đây, mol đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Mol lượng chất hệ chứa
một số thực thể tổng số nguyên tử 0,012kg cacbon 12 Khi dùng mol phải rõ thực thể bản, chúng nguyên tử, phân tử, ion, điện tử các hạt nhóm đặc trưng hạt
Số nguyên tử hay phân tử chứa mol chất giá trị, đƣợc gọi số Avơgađrơ, kí hiệu NA, NA = 6,02.1023 mol-1
Khối lƣợng mol chất đƣợc gọi khối lƣợng mol chất đó, kí hiệu (muy)
Khối lƣợng phân tử (hay nguyên tử) chất;
m0=
NA (2.1)
Thể tích mol chất gọi thể tích mol chất Đơn vị thể tích mol m3/mol hay lít/mol Kí hiệu:
Từ định luật Avơgađrơ đƣa vào năm 1811: Những thể tích mọi khí nhiệt độ áp suất chứa số phân tử, ta suy kết luận sau đây: Ở nhiệt độ áp suất, thể tích mol chất khí Ở điều kiện chuẩn (00C, 1atm), thể tích mol chất khí 22,4 lít/mol hay 0,0224 m3/mol
2.2 Chuyển động nhiệt Chuyển động Brown
2.2.1. Chuyển động nhiệt
(12)12
Chuyển động học xét trình thay đổi vị trí vật vĩ mơ khơng gian mà khơng xét đến q trình xảy bên vật chất có liên quan đến cấu tạo vật chất
Trong thực tế, có dạng chuyển động không trông thấy, liên quan đến cấu tạo nguyên tử phân tử vật chất, chẳng hạn q trình nóng chảy, bay hơi, khuếch tán… Các dạng chuyển động khác với chuyển động học Chúng đƣợc thể dƣới dạng chuyển động khác gọi chuyển động nhiệt
Các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên chất không đứng yên mà luôn chuyển động hỗn loạn không ngừng bên chất Chuyển động chuyển động nhiệt
Sự kiện thực nghiệm chứng tỏ có tồn chuyển động nhiệt nói chuyển động Braonơ
2.2.2. Mơ tả chuyển động Brown
Năm 1827 nhà thực vật học ngƣời Anh Robert Brown quan sát chuyển động hỗn loạn không ngừng hạt phấn hoa nằm lơ lửng cốc nƣớc kính hiển vi Lúc đầu Brown cho hạt
phấn hoa chuyển động lơ lửng cốc nƣớc thời gian lắng chìm xuống đáy cốc, nhƣng thực tế lại cho thấy hạt phấn hoa không lắng chìm mà
chuyển động khơng ngừng tạo nên qũy đạo đƣờng gấp khúc không theo trật tự
Đây tƣợng phổ biến hạt bé nhỏ chất lỏng hay chất khí Chuyển động chuyển động Brown hạt nhỏ bé gọi hạt Brown
Quan sát chuyển động Brown điều kiện khác ngƣời ta rút số kết luận:
- Kích thƣớc hạt bé chuyển động Brown tăng; - Nhiệt độ mơi trƣờng tăng chuyển động Brown tăng - Độ nhớt mơi trƣờng tăng chuyển động Brown giảm
2.2.3. Giải thích chuyển động Brown
(13)13
Lúc đầu ngƣời ta nghĩ chuyển động đƣợc gây “lực sống” phấn hoa nhƣng sau ngƣời ta thấy tƣợng xảy hạt vô nhỏ bé lơ lửng chất khí hay chất lỏng Nhƣ cách giải thích không phù hợp
Mãi đến nửa sau kỷ XIX, ngƣời ta giải thích cách đắn chuyển động Braonơ sở va chạm nguyên tử, phân tử cấu tạo nên chất lỏng chất khí hạt Brown
-Các hạt Brown có kích thƣớc bé (cỡ 1μm nên va chạm ) nguyên tử, phân tử môi trƣờng vào hạt Brown từ phía khoảng thời gian khơng cân Do tổng xung lƣợng lực va chạm khác không Dƣới tác dụng xung lƣợng này, hạt Brown dịch chuyển theo hƣớng
- Các nguyên tử, phân tử môi trƣờng chuyển động hỗn loạn nên tổng xung lƣợng thay đổi vê hƣớng độ lớn nên quĩ đạo hạt Brown đƣờng gãy khúc
Vì chuyển động Brown lại khơng xảy hạt lớn? Khối lƣợng hạt lớn đáng kể, số va chạm phân tử mơi trƣờng vào hạt từ phía lớn nên nói chung chúng bù trừ lẫn nhau, tổng xung lƣợng chúng khác khơng song nhỏ, không đủ để gây biến thiên động lƣợng đáng kể cho hạt hạt khơng chuyển động
Tóm lại, nguyên nhân chuyển động Brown chuyển động nhiệt phân tử (hay nguyên tử) môi trường Ngƣợc lại, chuyển động Brown kiện thực
nghiệm chứng tỏ tồn chuyển động nhiệt hạt cấu tạo nên môi trƣờng
2.3. Lực tƣơng tác nguyên tử phân tử
2.3.1. Lực tƣơng tác nguyên tử phân tử
(14)14
Mặt khác, quan sát thực tế, ta thấy rằng: khối chất lỏng tích xác định, cịn vật rắn lại có hình dạng kích thƣớc xác định Nhƣ vậy, nguyên tử, phân tử có lực hút Nhờ lực hút nguyên tử, phân tử đƣợc giữ lại thể tích xác định
Tuy nhiên nguyên tử, phân tử tồn lực hút chất trạng thái đặc cứng, trạng thái mà nguyên tử, phân tử sít cạnh nhau, thể tích khối chất tối thiểu Trong đó, thực tế ta thấy nén đƣợc khối lỏng vật rắn chịu biến dạng nén Vậy nguyên tử, phân tử cịn có lực đẩy chúng cịn có khoảng trống Nhƣ vậy, ngun tử hay phân tử có lực tƣơng tác, lực tƣơng tác bao gồm lực hút lực đẩy
Khi nguyên tử, phân tử (các hạt) có lực tƣơng tác chúng tồn tƣơng tác, hàm phụ thuộc vào khoảng cách hai hạt Sau ta khảo sát tƣơng tác hai hạt Et(r):
Xét hai hạt cách khoảng r, chúng tƣơng tác Et(r)
Cơng lực tƣơng tác ⃗ làm khoảng cách hai hạt biến thiên khoảng dr độ giảm tƣơng tác chúng
⃗ ⃗⃗⃗⃗ -
+ Khi r lớn, lực tƣơng tác F nhỏ, khơng đáng kể Et =
+ Nếu hai hạt xích lại gần khoảng dr lực hút sinh cơng dƣơng (vì lực hút chiều với dr) dAh > dEth < 0: Eth giảm có giá trị âm Cịn lực đẩy sinh cơng âm dAđ < (vì lực đẩy ngƣợc chiều với dr) dEtđ > 0:
năng Etđ tăng có giá trị dƣơng
Et
r (1)
(2) (3) r
(15)15
Đƣờng cong (1) biểu diễn ứng với lực đẩy, đƣờng cong (2) biểu diễn ứng với lực hút, đƣờng cong (3) biểu diễn tổng hợp (tổng hai nói trên)
Từ đồ thị ta thấy biến thiên độ lớn Eth Etđ có đặc điểm sau:
- So với lực hút Eth lực đẩy Etđ giảm nhanh hai
hạt xa (r tăng) tăng nhanh hai hạt đến gần (r giảm)
- Đƣờng cong tổng hợp (3) có cực tiểu ứng với khoảng cách r0 hai hạt Đồ thị cho khái niệm chung dạng đƣờng biểu diễn biến thiên lực hút, lực đẩy, lực tƣơng tác tổng hợp theo khoảng cách r hai hạt nhân nguyên tử Cịn thân lực tƣơng tác khác phức tạp Ngay chất lực tƣơng tác khác tùy theo chất trạng thái Lực tƣơng tác sở để tạo liên kết nguyên tử hay phân tử Độ bền vững liên kết đƣợc đặc trƣng lƣợng liên kết, lƣợng đƣợc giải phóng hình thành liên kết (thƣờng lấy dấu âm) Ngƣợc lại phá vỡ liên kết gắn liền với thu nhận lƣợng (thƣờng lấy dấu dƣơng), trị số tuyệt đối lƣợng tỏa hình thành liên kết Có loại liên kết sau: liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết kim loại, liên kết hidrơ…
2.3.2. Các trạng thái tập hợp chất
Trong điều kiện xác định, số chất tồn trạng thái khí, lỏng rắn tùy theo tƣơng quan so sánh hai yếu tố sau:
- Chuyển động nhiệt hạt cấu tạo nên chất đó: làm cho hạt phân bố hỗn độn có khuynh hƣớng chiếm tồn thể tích bình đựng Yếu tố đƣợc đặc trƣng động chuyển động nhiệt hạt
- Lực hút hạt: liên kết hạt thành tập hợp chặt chẽ, có cấu trúc xác định Yếu tố đƣợc đặc trƣng tƣơng tác hạt
(16)16
quanh vị trí cân Khoảng cách hai vị trí cân gần xấp xỉ r0 (ứng với cực tiểu tƣơng tác tổng hợp)
Ở trạng thái khí: động chuyển động nhiệt lớn tƣơng tác hạt Vì hạt chuyển động gần nhƣ tự chiếm tồn thể tích bình đựng Trong chuyển động nhiệt, phân tử khí va chạm với với thành bình
Ở trạng thái lỏng: chênh lệch động chuyển động nhiệt tƣơng tác không lớn lắm, hạt chất lỏng dịch chuyển, quay, dao động nhƣng khơng thể khỏi vùng tác dụng lực Van dec van Vì vậy, chất lỏng tích xác định nhƣng khơng có hình dạng xác định
(17)17
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG
1. Điều kiện để quan sát đƣợc chuyển động Brown? Giải thích? Nêu số ví dụ
về chuyển động Brown thực tế
2. Hãy cho biết vai trò lực tƣơng tác phân tử (nguyên tử) trạng thái tồn chất
3. Một vật lƣu niệm có diện tích bề mặt 25cm3 đƣợc mạ lớp bạc dày Hỏi có nguyên tử bạc chứa lớp bạc đó?
4. Hịa tan 0,002g muối ăn NaCl vào lít nƣớc Nếu lấy thìa múc 3cm3 nƣớc muối có phân tử muối thìa? Cho biết khối lƣợng riêng muối 2,1.103 kg/m3
5. Xác định lƣợng chất số phân tử chứa 1,5kg khí CO2
6. Tính số ngun tử có 1dm3 đồng Cho biết khối lƣợng mol đồng 0,0635kg/mol khối lƣợng riêng đồng 9000kg/m3
7. Trƣờng hợp sau có lƣợng chất nhiều nhất?
a 5cm3 bạc b 1cm3 vàng b 10cm3 nhôm c 20cm3 graphit
(18)18
CHƢƠNG THUYẾT ĐỘNG PHÂN TỬ CHẤT KHÍ 3.1 Khí lí tƣởng
3.1.1. Các định luật thực nghiệm chất khí a. Định luật Bơilơ-Mariơt
Phát biểu: Ở nhiệt độ khơng đổi, tích áp suất thể tích lƣợng khí xác định số
pV = const = a (3.1)
Giá trị số a phụ thuộc vào khối lƣợng m, nhiệt độ T khối khí Từ (3.1) suy p = a
V Dƣới dạng ta thấy p hàm tỉ lệ nghịch với V Trong hệ tọa độ p – V, đƣờng biểu diễn hàm nói hàm hypebon, gồm hai nhánh đối xứng qua
O Do p, V có giá trị dƣơng nên đồ thị biểu diễn định luật Bôilơ-Mariôt nhánh dƣơng đƣờng hypebon Vì dọc theo đƣờng biểu diễn, nhiệt độ không đổi nên đƣờng biểu diễn đƣợc gọi đƣờng đẳng nhiệt
Khi nhiệt độ tăng đƣờng biểu diễn dịch xa gốc tọa độ
b. Định luật Saclơ
Phát biểu: Đối với lƣợng khí cho, giữ ngun thể tích áp suất khí tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối
= const (3.2)
Trong hệ tọa độ p – T, đƣờng biểu diễn (3.2) đƣờng thẳng qua gốc tọa độ Còn hệ tọa độ p – t, đƣờng biểu diễn đƣờng thẳng cắt trục tung
p
V O
T1
T2 >T1
(19)19
p0 cắt trục hồnh giá trị -2730C (hình 3.3) Tại điểm đƣờng biểu diễn có giá trị thể tích Đƣờng đƣợc gọi đƣờng đẳng tích
c. Định luật Gay-Luyxăc
Phát biểu: Khi áp suất khối khí khơng đổi thể tích tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối
= const (3.3)
Đƣờng biểu diễn hàm V theo T đƣờng thẳng qua gốc tọa độ tọa độ (V-T) (hình 3.4) đƣờng thẳng cắt trục tung V0 cắt trục hồnh
-2730C (hình 3.5) Dọc theo đƣờng biểu diễn áp suất không thay đổi, đƣờng gọi đƣờng đẳng áp
V
t O
V0
-2730C
Hình 3.5
V
T O
Hình 3.4
p
T O
Hình 3.2
t O
V1
V2>V1 p01
p02
-2730C
(20)20
3.1.2. Định luật Đantơn
Nhà vật lí hóa học ngƣời Anh Đantôn (1766-1844) nghiên cứu áp suất hỗn hợp khí, khí đƣợc coi khí lí tƣởng khơng có phản ứng hóa học xảy chúng, vào năm 1809 tìm thấy: “Áp suất hỗn hợp khí
bằng tổng áp suất riêng phần khí có hỗn hợp khí đó”
Áp suất riêng phần chất khí hỗn hợp áp suất mà khí bình tác dụng lên thành bình
Nếu gọi p áp suất hỗn hợp khí p1, p2,… áp suất riêng phần khí hỗn hợp theo định luật Đantơn ta có công thức:
p = p1 + p2 … (3.4)
3.1.3. Phƣơng trình trạng thái khí lí tƣởng
a. Phƣơng trình Clapêrơn
Giả sử có lƣợng khí khối lƣợng m biến đổi từ trạng thái (1) sang trạng thái (2) hai trình:
(1)(2’): trình đẳng nhiệt (2’)(2): trình đẳng tích
Áp dụng định luật Bơilơ cho q trình đẳng nhiệt (1)(2’):
p1V1 = p2V2 (3.5) Áp dụng định luật Saclơ cho q trình đẳng tích (2’)(2):
p2 T1 =
p2 T2
p2 = p2T1
T2 (3.6)
Thay (3.6) vào (3.5) ta đƣợc: p1V1 T1 =
p2V2
T2 (3.7)
Ta viết: pV
T = const (3.8)
p V p1 p2’ p2
V1 V2 (1)
(2’) (2)