Vật lý đại cương a1 tập 1

Khoa Sư Phạm Vật Lý ðại Cương A1 Tác giả: Trần Thể Biên mục: sdms Chương I: ðộng học Giới thiệu TRƯỜNG ðẠI HỌC AN GIANG KHOA SƯ PHẠM Giáo trình VẬT LÝ ðẠI CƯƠNG A1 Tập (Dành cho sinh viên không chuyên Vật Lý ) Người biên soạn TRẦN THỂ LƯU HÀNH NỘI BỘ Tháng năm 2002 Sự chuyển ñộng vật hệ quy chiếu 1.SỰ CHUYỂN ðỘNG CỦA VẬT - CHẤT ðIỂM: Khái niệm chuyển ñộng khái niệm học Chuyển động học thay đổi vị trí vật so với vật khác ñược chọn làm mốc Giả sử chọn vật A B làm mốc ñể xét chuyển ñộng M TaÏi thời ñiểm t vị trí M xác định vectơ và Sau vị trí M xác ñịnh vectơ Nếu vật B lại chuyển ñộng so với vật A, vật B lại ñược xác ñịnh vectơ , khác với vectơ lúc ñầu Tức chuyển ñộng M so với A khác với chuyển ñộng M so với B Từ rút kết luận: Chuyển động mang tính tương ñối Chuyển ñộng ñơn giản chất ñiểm chuyển động đường thẳng Bấy vị trí chất ñiểm ñược xác ñịnh = x so với điểm O chọn làm gốc tọa độ Khi chất điểm chuyển động vị trí đường thẳng thay đổi toạ độ biến ñổi theo thời gian X = x (t) (1-1) Phương trình (1-1) biểu diễn chuyển động chất điểm ñường thẳng Trong trường hợp tổng quát vị trí chất điểm khơng gian hồn tồn xác định, biết tọa độ Thí dụ tọa độ ðềcác (o x y z ) Tập hợp ñại lượng: x ,y,z làm thành vectơ tia xác ñịnh vị trí chất điểm (cịn gọi bán kính vectơ): Vectơ xuất phát từ gốc tọa độ tới vị trí chất điểm (Hình 3-1) Khi chất điểm chuyển dời, vạch nên quỹ đạo, vectơ tia tọa độ biến đổi theo thời gian = (t) (1-2) X = x (t); y = y (t); z = z (t) (1-3) Phương trình vectơ tia phương trình tọa độ biểu diễn chuyển động chất điểm, biết phụ thuộc vectơ tia tọa ñộ theo thời gian ta xác định vị trí hạt bất ký thởi ñiểm Biểu diễn chuyển ñộng khơng gian phương trình (1-3) tọa ñộ chất ñiểm theo thời gian ñã phân tích chuyển động thành chuyển động thẳng trục tọa độ Nói cách khác chuyển động chất điểm khơng gian xem đồng thời tham gia vào chuyển động thẳng 2.HỆ QUY CHIẾU: Ta nói tới chuyển động vật khơng gian so sánh vị trí tương đối với vật khác Như nghiên cứu chuyển ñộng vật phải chọn vật khác làm mốc Tập hợp vật ñược chọn làm mốc (thường quy ước đứng n) có gắn hệ tọa độ dể xác định vị trí chuyển động làm thành hệ quy chiếu Vận tốc - Gia tốc VẬN TỐC: Ngồi vị trí chuyển động chất điểm cịn đặc trưng vận tốc ðể xây dựng khái niệm vận tốc xét chuyển ñộng chất ñiểm, quỹ ñạo (c) Vectơ xác định vị trí M1, vectơ khoảng thời gian t Như thời gian t chất ñiểm ñi từ M1 tới M2 Cung ñường ñi chất ñiểm Vectơ chuyển = - (2-1) - Vectơ vận tốc: xác định vị trí M2 Của chất điểm chuyển ñộng = ñược gọi vectơ dịch biểu diễn Tỷ số (2-2) Gọi vận tốc trung bình khoảng thời gian t -Vận tốc ñiểm M: (2-3) - Vậy vectơ vận tốc ñạo hàm vectơ vị trí theo thời gian Vì thành phần vectơ trục tọa ñộ là: x ,y,z nên hình chiếu vectơ rên trục tọa ñộ ñạo hàm tọa ñộ theo thời gian (2-4) - ðơn vị vận tốc: Trong hệ SI là: (mét giây) - ðộ lớn vận tốc: - Kết luận: Vận tốc ñại lượngvectơ, ñặc trưng cho chuyển ñộng mặt ñộng học, cho biết phương chiều, nhanh chậm chuyển ñộng Vận tốc có phương tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển động, có chiều chiều chuyển động có độ lớn ñạo hàm ñường ñi theo thời gian 2.GIA TỐC: Trong trường hợp tổng quát, vận tốc chất ñiểm không ngừng biến ñổi ñộ lớn lẫn phương chiều Vì vectơ vận tốc khơng thể đặc trưng ñầy ñủ cho chuyển ñộng chất ñiểm, mà phải xây dựng khái niệm mới: Vectơ gia tốc Giả sử chất ñiểm chuyể ñộng ñường cong (c) Tại điểm M1 có vận tốc điểm M2 có vận tốc Di chuyển (Hình 2-2) chung gốc với Ta có: , :là độ biến thiên vận tốc -ðịnh nghĩa gia tốc: Tỷ số (2-6) Gọi gia tốc trung bình khoảng thời gian Gia tốc ñiểm: t (2-7) Vậy: gia tốc ñại lượng vectơ, vectơ gia tốc ñạo hàm vectơ vận tốc theo thời gian (2-8) a= - ðơn vị gia tốc: Trong hệ SI là: (mét giây bình phương) 3.GIA TỐC TIẾP TUYẾN VÀ GIA TỐC PHÁP TUYẾN: Trên M1B lấy ñiểm C cho M1C, có ñộ lớn v1 Nối A với C, đặt Ta có: (2-10) ðộ biến thiên vận tốc gồm hai thành phần: - : ñặc trưng cho thay ñổi ñộ lớn vận tốc - : ðặc trưng cho thay ñổi phương vận tốc Vậy: (2-11) (2-12) Trong đó: Và độ lớn: (2-13) Vectơ gia tốc tiếp tuyến chuyển động Nó có phương tiếp tuyến với quỹ đạo điểm xét, có chiều chiều với vận tốc nếu > 0; ngược chiều với vận tốc < - Gia tốc pháp tuyến: Nếu chọn khoảng thời gian mặt phẳng Khi đó: Góc: Nếu t nhỏ, lúc coi vectơ Ta có: R = và (2-14) khơng mặt phẳng thì: R = (2-15) R: goị bán kính cong quỹ ñạo ñiểm M1; k = gọi ñộ cong Từ OM1M2 M1AC ta có: (2-16) (2-17) nằm Vì vậy: (2-18) (2-19) Giải tốn động học Bài tốn động học tốn tìm mối quan hệ chuyển động chất ñiểm gia tốc, vận tốc, ñường ñi tọa độ với thời gian xãy chyển động Vì việc giải tốn động học mơ tả chuyển ñộng chất ñiểm hệ quy chiếu chọn Chúng nghiên cứu số phương pháp mơ tả chuyển động chất điểm sau : Phương pháp thứ nhất: Vị trí điểm M xác định bán kính vectơ kể từ ñiểm cố ñịnh O (Hình 3-1) Trong khoảng thời gian t , điểm M dịch chuyển từ vị trí (1) ñến vị trí ( ) ðiểm cuối vectơ vị trí tốc trung bình Hiệu Gọi vectơ dịch chuyển Giá trị vận Vận tốc thời ñiểm ñịnh gọi vận tốc tức thời (3-1) Vận tốc ñại lượng vectơ Gia tốc chuyển ñộng ñiểm là: (3-2) thay ñổi vectơ vận tốc khoảng thời gian Trong thị thay ñổi vectơ vận tốc t Vectơ gia tốc biểu Nếu gia tốc chuyển động điểm khơng thay đổi ( =const) chuyển động gọi chuyển động thay đổi đều; trường hợp ta có phương trình: (3-3) (3-4) Trong đóĺ vận tốc vectơ bán kính thời điểm ban ñầu (t = 0) Trong chuyển ñộng thay ñổi ñều, ñiểm dịch chuyển theo quỹ ñạo thẳng Lúc phương trình (3-3) (3-4) biểu diễn vô hướng sau: S = // (3-5) Trong vt vận tốc thời ñiểm t ; v0 vận tốc thời ñiểm ban ñầu (t = 0) ; S quảng ñường ñi ñược sau khoảng thời gian t Gia tốc dương (chuyển động nhanh dần) âm (chuyển động chậm dần ) Từ (3-5) ta có: (3-6) Trường hợp thường gặp chuyển ñộng thay ñổi ñều rơi tự từ ñộ cao khơng lớn (so với đường kính trái ñất) Nếu từ ñộ cao h0 , thời gian rơi t gia tốc rơi g ta có: H = h0 - S (3-7) Phương pháp thứ hai: Xác ñịnh quỹ ñạo ñiểm theo trục ox ; oy ; oz bán kính vectơ (hình 3-2) Biểu diễn toạ độ theo thời gian ta có: x = x(t) ; y = y(t) ; z = z (t) (3-8) Các thành phần vec tơ vận tốc là: vx; vy; vg thành phần vectơ gia tốc là:vx; vy; vg -Theo trục ox: (3-9) -ðộ lớn vectơ vận tốc:v = (3-10) -ðộ lớn vectơ gia tốc:a = (3-11) Phương pháp thứ ba: Quỹ ñạo chuyển ñộng ñiểm ñược xác ñịnh cung S nối từ ñiểm ñầu tới ñiểm cuối (Hình 3-3) Khoảng S gọi cung toạ ñộ phụ thuộc vào thời gian ðộ lớn vận tốc: (3-1) Hướng vectơ vận tốc tiếp tuyến với quỹ ñạo ñiểm khảo sát chuyển ñộng Vận tốc thay ñổi ñộ lớn lẫn hướng Trên (Hình 3-4) Vectơ thời điểm t là: vận tốc toàn phần sau thời gian thời ñiểm t + ðộ biến thiên vectơ (3-13) Trong phương thay đổi ñộ lớn; thay ñổi Gia tốc chuyển ñộng gồm phần: Tốc ñộ thay ñổi ñộ lớn tốc ñộ thay ñổi hướng (3-14) (3-15) Một vài chuyển ñộng ñơn giản 1.CHUYỂN ðỘNG THẲNG ðỀU: Là chuyển động với quỹ đạo thẳng mà vật dịch chuyển quãng ñường khoảng thời gian Phương trình chuyển động: ds = v.dt Tích phân hai vế ta ñược: (4-1) Chọn thời ñiểm ban ñầu t0=0 S0=0 Ta có: S = v.t (4-2) 2.CHUYỂN ðỘNG THẲNG BIẾN ðỔI ðỀU: Là chuyển ñộng với quỹ đạo thẳng, vận tốc có độ lớn biến thiên (tăng hay giảm) lượng khoảng thời gian bất kỳø dv = a.dt v = v0 + a(t - t0) (4-3) dS = v.dt Do đó: Nếu: (4-4) (2-1) Trong đó: p áp suất chất khí, F lực nén vng góc diện tích S thành bình Áp suất chất khí ñại lượng ñặc trưng cho tính chất chất khí -Theo quan điểm vi mơ: Áp suất chất khí lực phân tử khí tác dụng vng góc lên đơn vị diện tích thành bình 2.2.Cơng thức tính áp suất chất khí: (2-2) Với ñộng trung bình chuyển ñộng tịnh tiến phân tử n: mật độ phân tử khí Cơng thức (2 -2) công thức thuyết ñộng học phân tử chất khí 2.3.ðơn vị áp suất: Trong hệ SI: ñơn vị ño áp suất Niutơn mét vng Ký hiệu : 3.NHIỆT ðỘ: Theo quan điểm ñộng học phân tử, nhiệt ñộ ñại lượng đặc trưng cho tính chất vĩ mơ vật, thể mức độ nhanh hay chậm trung bình chuyển ñộng hỗn loạn phân tử cấu tạo nên vật Nhiệt độ xác định cơng thức: (2-3) Liên hệ nhiệt độ áp suất có biểu thức (2-4) Mối liên hệ nhiệt ñộ ño ñơn vị lượng nhiệt ñộ ño đơn vị độ biểu thị cơng thức: = kT (2-5) Trong đó: k số Bơnzơman: k = 1,38.10-23J/độ T: nhiệt độ tính theo nhiệt giai Kenvin, hay cịn gọi nhiệt giai tuyệt đối Nhiệt độ gắn liền với động trung bình chuyển ñộng tịnh tiến phân tử, nên đại lượng này, nhiệt độ có tính chất thống kê Khơng thể nói nhiệt độ phân tử hay số phân tử, khơng thể nói phân tử “nóng” hay phân tử “lạnh” Ở nơi vũ trụ có số phân tử khí khơng thể đặt vấn đề đo nhiệt độ khí nơi Phương trình trạng thái phương trình thực nghiệm 1.PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI: ðối với chất khí lý tưởng, phương trình trạng thái nêu lên mối liên hệ ñại lượng đặc trưng cho trạng thái chất khí, áp suất p; nhiệt độ T; thể tích V khối khí xác định Các đại lượng gọi thơng số trạng thái, chúng khơng hồn tồn độc lập với Mỗi thơng số hàm số hai thơng số cịn lại Phương trình trạng thái ñược viết là: (3-1) R: số chung chất khí R = 8,31.103 J/Kmol.độ (3-2) Phương trình gọi phương trình Clapeyron - Mendeleep Tỷ số: cho biết số Kilomol khối khí xác ñịnh Nếu M = ; tức với Kmol khí ta có: PV0 = R.T (3-3) V0: thể tích 1Kmol khí V0 = 22,4 (3-4) 2.CÁC PHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM: 2.1.ðịnh luật Bơi - Ma riốt:( Boy-mariotte) Từ phương trình (3-1) P.V = R.T Nếu giử cho nhiệt độ khí khơng đổi ( T = const ) ta có: PV = const hay p1V1 = p2V2 (3-5) Phương trình (3-5) gọi phương trình đẳng nhiệt biểu thị định luật Boyle Mariotte: “Với khối khí xác định, nhiệt độ khơng đổi thay đổi trạng thái khí, tức làm biến thiên áp suất thể tích nó, tích số áp suất với thể tích số” Giá trị số tùy thuộc vào khối lượng (m) nhiệt ñộ (T) ðịnh luật Boyle Marotte ñược diễn tả ñồ thị ( 3-1 ) nhánh Hyberbol vuông ðường cong ứng với nhiệt độ khơng đổi nên gọi ñường ñẳng nhiệt 2.2.ðịnh luật Charles: Từ phương trình (3-1) P.V = Nếu giữ cho thể tích khối khí khơng đổi ( V = const ) ta có: hay (3-6) Phương trình (3-6) phương trình đẳng tích biểu diễn ñịnh luật Charles: Nếu thay thế: T = t + 273 Ta phương trình: Pt = p0 (1 + p)t c Trong đó: (3-7) hệ số biến đổi áp suất đẳng tích khí ðịnh luật Charles phát biểu sau: “Khi thể tích khơng đổi áp suất khối khí cho trước biến thiên bậc theo nhiệt ñộ” 2.3.ðịnh luật Gay - Lusac: -Từ phương trình (3-1) P.V = Nếu giữ cho áp suất khối khí khơng đổi ( p = const ) Thì ta có = const hay (3-8) Phương trình (3-8) phương trình đẳng áp biễu diễn ñịnh luật Gay-Lusac Nếu thay thế: T = t + 273 Ta phương trình: V = V0 (1 + Trong vt c) hệ số biến đổi thể tích đẳng áp khí ðịnh luật Gay - Lusac phát biểu sau: “ Khi áp suất khơng đổi thể tích khối khí cho trước biến thiên bậc theo nhiệt ñộ “ 2.4.ðịnh luật Dalton: Áp suất hỗn hợp khí tổng áp suất riêng phần khí thành phần tạo nên hỗn hợp P = P1 + P2 + …+ Pn Các ñịnh luật nhiệt ñộng lực học 1.CÁC TRẠNG THÁI CỦA HỆ NHIỆT ðỘNG: 1.1.Trạng thái cân bằng: Trạng thái cân hệ (gồm vật hay tập hợp nhiều vật ñược khảo sát) trạng thái mà ñại lượng vĩ mơ xác định trạng thái hệ khơng thay ñổi Những ñại lượng xác ñịnh trạng thái hệ cịn gọi thơng số trạng thái Ở trạng thái cân nhiệt động lực học, khơng xãy tượng truyền, phản ứng hóa học, biến ñổi trạng thái…Trạng thái cân ñộng lực học khác với trạng thái cân học đại lượng vĩ mơ đặc trưng cho hệ có giá trị không dổi, phân tử cấu tạo nên hệ (phân tử, ngun tử…) khơng ngừng chuyển động hỗn loạn Nhiệt độ, áp suất thể tích hệ ỡ trạng thái cân động khơng thay đổi theo thời gian Nhưng điều khơng loại trừ miền nhỏ hệ có nhiệt độ cao nhiệt độ hệ Ngay áp suất vậy, trạng thái cân bằng, giá trị áp suất khơng hồn tồn khơng thay đổi mà có dao động nhiều xung quanh giá trị cân Những dao ñộng nhỏ gọi thăng giáng Vì hệ cân nhiệt động có đặc tính sau: - Ở trạng thái cân thông số trạng khơng thiết có giá trị hồn tồn khơng đổi mà có thăng giáng quanh giá trị trung bình - Chỉ nói đến trạng thái cân nhiệt ñộng lực học trường hợp hệ cấu tạo số lớn hạt (nguyên tử, phân tử …) -Trạng thái cân khác với trạng thái dừng trạng thái dừng xãy tượng truyền nhiệt từ ñiểm ñến ñiểm khác hệ 1.2.Quá trình chuẩn cân bằng: Một q trình diễn biến vơ chậm, coi dãy nối tiếp trạng thái cân bằng, gọi q trình chuẩn cân Những q trình xẩy thực tế khơng phải trình chuẩn cân bằng, xét trình xãy chậm gần với q trình chuẩn cân băng Vì chí có trạng thái cân q trình chuẩn cân dùng phương pháp ñồ thị ñể nghiên cứu biểu diễn chúng, trình khảo sát phải coi q trình chuẩn cân 1.3.Quá trình thuận nghịch: Quá trình thuận nghịch trình diễn biến theo hai chiều Trong lúc đầu q trình diễn theo chiều (chiều thuận) sau lại diễn theo chiều ngược lại ñể trở trạng thái ban đầu hệ qua trạng thái giống lúc hệ diễn biến theo chiều thuận hệ ñã trở trạng thái ban đầu khơng gây biến đổi cho ngoại vật Mọi q trình chuẩn cân q trình thuận nghịch Nhiệt động lực học nghiên cứu biến đổi lượng q trình chuẩn cân bằng, tức trình thuận nghịch Vì q trình gọi chung q trình nhiệt ñộng lực học 2.NỘI NĂNG VÀ ðỊNH LUẬT PHÂN BỐ ðỀU NĂNG LƯƠNG: ðối với chất khí lý tưởng loại nguyên tử, xét N phân tử lượng chuyển động nhiệt là: (J) (4-1) ðối với 1Kmol khí lượng chuyển động nhiệt là: (4-2) ðộng trung bình chuyển động tịnh tuyến phân tử coi gồm phần, tức ñộng chuyển ñộng phân tử theo ba phương vng góc với nhau, tính chất hồn tồn hỗn loạn chuyển động phân tử nên ta coi thành phần động phương Sự phân bố ñộng phân tử nguyên tử thành thành phần ñộc lập liên quan tới việc coi phân tử chất ñiểm có bậc tự Từ nhận xét suy ñối với bậc tự ñộng trung bình chuyển ñộng tịnh tiến phân tử nguyên tử ðịnh luật phân bố ñều lượng: “Nếu hệ phân tử trạng thái cân nhiệt nhiệt ñộ T động trung bình phân bố theo bậc tự ứng với bậc tự phân tử động trung bình ” Tương tự xét với chất khí mà phân tử gồm hai nguyên tử (O2; H2; Cl) số bậc tự Do lượng chuyển động nhiệt lượng khí lý tưởng ngun tử gồm N phân tử là: (J) (4-3) Và với Kmol chất khí này: (4-4) Từ suy lượng chuyển động nhiệt Kilomol chất khí lý tưởng có cơng thức tổng qt là: (4-5) Năng lượng chuyển ñộng nhiệt vật thành phần nội vật Nội vật bao gồm lượng chuyển ñộng nhiệt (Tổng lượng chuyển ñộng phân tử), tương tác phân tử, ñộng tương tác hạt cấu tạo nên nguyên tử, phân tử Vì nội là: (cho 1Kmol ) U0 = E0 + Et + Ep E0: Năng lượng chuyển ñộng nhiệt Et: Tổng tương tác phân tử Ep: Tổng lượng bên phân tử Khi nhiệt ñộ thay ñổi lượng dT, độ biến thiên nội kmol khí lý tưởng là: dU0 = (4-7) Nếu xét với khối lượng khí có biểu thức tương tự: dU0 = Với M: khối lượng khí xét Hàm ENTRƠNPI Ngun lý thứ III HÀM ENTRÔNPI: Từ biểu thức (5-24) xét chu trình thuận nghịch ta có: (6-1) Theo giải tích tốn học tích phân dọc theo chu trình kín mà triệt tiêu đại lương dấu tích phân phải mơt vi phân tồn phần Vì ta có: (6-2) (6-3) Hàm S gọi hàm Entrơpi hệ: Hàm Entrơpi có tính chất sau: · Hàm Entrôpi S hàm trạng thái, nghĩa trạng thái hệ có giá trị xác định khơng phụ thuộc vào đường trình hệ từ trạng thái chuyển sang trạng thái khác · Hàm Entrơpi S đại lượng có tính cơng được, nghĩa Entrơpi hệ cân bằng tổng Entrôpi phần riêng biệt · Hàm Entrơpi S xác định sai số cộng (6-4) 2.ðỊNH LÝ NERNST: (Còn gọi nguyên lý thứ III) Nernst ñã chứng minh định lý cho phép xác định giá trị Entrơpi bất ký trạng thái nào, nội dung ñịnh lý sau: “Khi nhiệt ñộ tuyệt ñối tiến tới không, Entrôpi vật tiến tới khơng ” (6-5) Nhờ định lý Nernst tính ñược Entrôpi hệ nhiệt ñộ T (6-6) 3.THÍ DỤ TÍNH ðỘ BIẾN THIÊN ENTRƠPI: 3.1.Tính S q trình thuận nghịch đẳng áp (p = const) ; dQp = Cp.dT; (6-7) Giả sử Cp = const Trong khoảng từ T1 ñến T2 ta ñược (6-8) 3.2.Tính S q trình thuận nghịch đẳng tích (V = const) ; dQV = CV.dT; (6-9) Nếu Cv = const (6-10) Chương VIII: Trạng thái lỏng biến ñổi pha Cấu trúc chất lỏng Chất lỏng (hay trạng thái lỏng) trạng thái trung gian trạng thái khí trạng thái rắn Ở gần nhiệt độ đơng đặc chất lỏng có nhiều tính chất giống chất rắn Nhưng nhiệt độ thơng thường gần với nhiệt độ hóa chất lỏng lại có nhiều tính chất giống với chất khí ðiều khác biệt chất lỏng với chất khí, áp suất nội lòng chất lỏng lớn nhiều so với chất khí, có lớn gấp hàng vạn lần Aùp suất nôị tương tác phân tử mà có nên người ta cịn gọi áp suất áp suất phân tử Bằng kết nghiên cứu thực nghiệm người ta ñã chứng tỏ rạng thái bình thường xét cấu trúc chất lỏng gần giống chất rắn chất khí Những ảnh chụp tia Rơnghen (Tia X) cho thấy cấu trúc nước gần giống với cấu trúc nước ñá ðối với chất lỏng khác Tuy nhiên ñối với chất rắn hạt tạo nên mạng tinh thể dao động xung quanh vị trí cân (nút mạng), cịn chất lỏng phân tử dao động quanh vị trí cân chúng khơng gắn bó vĩnh viễn với vị trị mà lại thay đổi vị trí cân bằng, di chuyển đoạn có độ dài vào bậc kích thước phân tử Khoảng thời gian mà phân tử tồn vi trí cân lớn nhiệt ñộ thấp Dựa quan niệm cấu trúc phân tử chất lỏng vừa nêu trên, người ta ñã xây dựng thuyết ñộng học phân tử chất lỏng gồm công thức về: áp suất phân tử, hệ số khuyếch tán, tần số dao ñộng phân tử… Tuy ñạt ñược kết định thuyết chưa hồn chỉnh Cấu trúc phân tử chất lỏng tính chất chuyển ñộng nhiệt phân tử chất lỏng, tuỳ thuộc vào lực tương tác phân tử So với chất khí, chất lỏng có động trung bình chuyển động nhiệt phân tử nhỏ nhiều, coi phân tử chất lỏng dao động quanh vị trí cân Tuy nhiên động trung bình chuyển động nhiệt chất lỏng lớn so với chất rắn mà sau thời gian dao ñộng quanh vị trí cân bằng, chúng lại di chuyển tới vị trí cân ðể nghiên cứu đầy đủ chi tiết tính chất chất lỏng xét sau ñây số tính chất quan trọng chất lỏng có liên quan ñến lực tương tác phân tử Sức căng mặt ngồi HÌNH CẦU TÁC DỤNG PHÂN TỬ: Ta vẽ hình cầu bán kính r có tâm tâm phân tử A Ta nghiên cứu tác dụng tất phân tử có tâm nằm hình cầu bán kính r lên phân tử A (Hình 1-2) Khoảng cách r gọi bán kính tác dụng phân tử, hình cầu bán kính r hình cầu tác dụng phân tử Với giả thuyết phân tử nằm hình cầu tác dụng phân tử, lực tác dụng lên phân tử A ñáng kể Nếu phân tử A nằm chất lỏng hình cầu tác dụng phân tử hồn tồn nằm chất lỏng lực tác dụng tổng hợp phân tử chất lỏng nằm hình cầu tác dụng phân tử lên phân tử A khơng Nếu phân tử A di chuyển đến mặt thống phân tử B; cho hình cầu tác dụng phân tử có phần nằm ngồi chất lỏng, lực tổng hợp phân tử hình cầu tác dụng phân tử lên phân tử B có hướng vào khối chất lỏng Như phân tử nằm gần mặt thoáng (gọi lớp mặt ngồi) chịu tác dụng lực hướng vào khối chất lỏng 2.LỰC CĂNG MẶT NGOÀI: 2.1.ðịnh nghĩa: Nếu tưởng tượng phân tử nằm lớp mặt tạo thành đoạn cong ngun tố tổng hợp tất lực thành phần lên phân tử theo phương tiếp tuyến với mặt phân cách phía xác định đoạn cong gọi lực căng mặt Ký hiệu Dưới tác dụng lực căng mặt nhỏ , lớp mặt ngồi ln ln muốn co diện tích 2.2.Năng lượng tự do: Mỗi phân tử lớp mặt ngồi chịu tác dụng lực hướng vào chất lỏng, phân tử lịng chất lỏng muốn di chuyển ngồi lớp mặt ngồi, phải tiêu thụ cơng để thắng lực cản nói phân tử lớp mặt khác với phân tử lịng khối chất lỏng có phụ Tổng phụ phân tử lớp mặt ngồi gọi lượng tự Các lớp mặt ngồi chất lỏng ln ln có xu hướng co diện tích nhỏ nhất, điều ñó phù hợp với nguyên lý cực tiểu lượng tự SUẤT CĂNG MẶT NGOÀI: Lực căng mặt ngồi đặc trưng véctơ , tiếp xúc với mặt ngồi chất lỏng vng góc với đoạn cong ngun tố , vạch mặt ngồi (Hình 2-2) ðể so sánh lực căng mặt chất khác ta tính lực căng mặt ngồi ñơn vị ñộ dài ðại lượng gọi suất căng mặt ngoài, ký hiệu: (2-1) Áp suất mặt cong chất lỏng ÁP SUẤT PHỤ: • • • Nếu mặt chất lỏng mặt khum lồi, tác dụng lực căng mặt ngồi, mặt khum lồi tạo nên áp suất phụ nén xuống chất lỏng Nếu mặt chất lỏng mặt khum lõm tác dụng lực căng mặt ngoài, mặt khum lõm xẽ tạo thêm áp suất phụ kéo chất lỏng lên Áp suất mặt khum tác dụng vào chất lỏng gọi chung áp suất phụ Vậy: Tất mặt khum chất lỏng ñều tác dụng vào chất lỏng áp suất phụ so với trường hợp mặt mặt phẳng Mặt khum lồi gây áp suất phụ có giá trị dương, mặt khum lõm gây áp suất phụ có giá trị âm BIỂU THỨC CỦA ÁP SUẤT PHỤ: 2.1.Mặt phần mặt cầu: Với sin Biểu thức áp suất phụ là: (3-1) 2.2.Trường hợp mặt có dạng bất ký Cơng thức Laplace tính áp suất phụ là: (3-2) - Nếu mặt R1 = R2 ta trở lại cơng thức (3-1) - Nếu mặt ngồi có R1 = ( Hình trụ trịn xoay ) Ta có: P = Các tượng biến chất lỏng chất rắn tượng mao dẫn Chúng ta xét xuất lực căng mặt chỗ tiếp giáp chất lỏng với chất khí Xét phân tử A có lực tác dụng sau: : lực hút chất rắn với chất lỏng : lực hút chất lỏng với chất lỏng Xãy hai trường hợp Hình (1-4a) (1-4b) Tức lực tổng hợp chất lỏng lực hướng vào chất lỏng ðối với chất lỏng hoàn toàn làm ướt vật rắn: h= r: bán kính tiết diện ống mao dẫn hướng ðối với chất lỏng khơng làm ướt vật rắn: - Ta có cơng thức: Sự biến ñổi pha vật chất SỰ CÂN BẰNG PHA VÀ BIẾN ðỔI PHA: Tập hợp phần hệ vật chất có cấu trúc phân tử có tính chất hồn tồn giống ñược gọi pha vật chất Khi làm thay ñổi nhiệt ñộ áp suất pha vật chất gây biến ñổi pha Người ta phân biệt hai loại biến ñổi: • • Biến ñổi pha loạị 1: loại biến ñổi pha có kèm theo nhận truyền nhiệt ðó biến đổi trạng thái vật chất như: nóng chảy, hố hơi… Biến đổi pha loại 2: loại biến đổi pha khơng kèm theo nhận truyền nhiệt Biến ñổi pha loại xãy ñối với chất rắn, từ trường hợp biến ñổi pha Hêli lỏng Sự biến đổi pha ln xãy nhiệt ñộ xác ñịnh ứng với áp suất định Nếu khơng có tác dụng của ngoại vật (kể truyền nhiệt ngoại vật) hai pha ñồng thời tồn mãi nhiệt độ Ta nói có cân nhiệt hai pha Nếu nhiệt ñộ lớn hay nhỏ niệt ñộ biến ñổi pha (với áp suất định) tồn hai pha SỰ CÂN BẰNG GIỮA CHẤT LỎNG VÀ HƠN BẢO HÒA: Nếu bay xãy bình kín, mật độ phân tử chất mặt thoáng tăng dần giá trị đó, số phân tử bay khỏi chất lỏng số phân tử ñi trở vào chất lỏng, lúc nồng độ phân tử chất khơng tăng giữ khơng đổi, ta có cân ñộng chất lỏng gọi trạng thái bảo hoà Chất ứng với trạng thái gọi bảo hịa 2.1.Giải thích biến đổi pha loại 1: Sự tạo thành vật rắn kết hai tác dụng trái ngược là: chuyển ñộng nhiệt có xu hướng tách hạt xa, phá vỡ xếp trật tự chất rắn, lực liên kết hạt lại buộc chúng nằm vị trí cân Hai tác dụng đồng thời tồn tại, ñiều kiện nhiệt ñộ áp suất Nếu tăng nhiệt độ lên tức làm tăng chuyển động nhiệt, xu hướng tách hạt xa tăng lên ñến nhiệt ñộ xác định gọi nhiệt nóng chảy có tượng vật rắn nóng chảy tức tinh thể bị phá vỡ, hạt khơng dao động chỗ quanh vị trí cân nữa, mà lại thay đổi vị trí cân nghĩa ta có cấu trúc phân tử chất lỏng Khi chất rắn nóng chảy thành chất lỏng trung bình tăng lên , ñể bù vào phần tăng lên hệ phải nhận nhiệt lượng từ bên ngồi Kết thời gian nóng chảy nhiệt ñộ hệ không ñổi ta cung cấp nhiệt lượng cho hệ Ngược lại với trình nhiệt ñộ giảm diễn biến theo chiều ngược lại từ pha lỏng chuyển sang pha rắn gọi q trình đơng đặc Nhiệt độ đơng đặc khơng thay đổi suốt q trình đơng đặc hệ truyền nhiệt cho ngoại vật 2.2.Sơ lược biến ñổi pha loại 2: ðối với biến ñổi pha loại điểm biến đổi pha khơng có cân nhiệt pha trường hợp biến ñổi pha loại 1, mà có trùng hai pha Tại ñiểm chuyển pha biến ñổi pha loại 2, nội chất thay ñổi nhảy vọt Biến ñổi pha loại có ñặc ñiểm chủ yếu sau đây: • • • Khơng có thay đổi ñột ngột cấu trúc tinh thể Không kèm theo nhận truyền nhiệt Có thay đổi đột ngột nội ... diện ngang S1 S2 khoảng thời gian dt, ta có: dm = p1v1S1dt = p2v2S2dt (1- 1) Hay: p1v1S1dt = p2v2S2dt p1v1S1 = p2v2S2 = const (1- 2) Trong p1 p2 khối lượng riêng chất lỏng tiết diện S1 S2 Nếu chất... nên đổi chiều chuyển dời ngược lại cơng đổi dấu A1a2 = A1b2 = -A2b1 A1a2 + A2b1 = (1- 1) (1- 2) Cơng sinh theo đường cong kín trường lực khơng (1- 3) 3.THẾ NĂNG VÀ CƠ NĂNG CỦA TRƯỞNG LỰC THẾ: ðể... điểm từ (1) đến (2) có trị số cơng trọng trường để đưa chất điểm từ (1) ñến ñiểm (2) Ký hiệu chất ñiểm trọng trường Et ta có: (Et )1 - (Et)2 = A12 (1- 4) Với (Et )1 ñiểm (1) : (Et )1= mgh1 + C (Et)2