Luận văn tốt nghiệp các nguyên lý nhiệt động lực học và các ứng dụng trong các môi trường

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÍ ĐÀO KHÁNH LINH CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CÁC ỨNG DỤNG TRONG CÁC MÔI TRƢỜNG Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hà Nội - 2018 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÍ ĐÀO KHÁNH LINH CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CÁC ỨNG DỤNG TRONG CÁC MÔI TRƢỜNG Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Th.S NGUYỄN THỊ PHƢƠNG LAN Th.S ĐỖ CHÍ NGHĨA Hà Nội - 2018 LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tri ân sâu sắc đến cô giáo Th.S Nguyễn Thị Phƣơng Lan thầy giáo Th.S Đõ Chí Nghĩa ngƣời tận tình hƣớng dẫn, bảo tạo điều kiện tốt để em hồn thành khóa luận Em xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo trƣờng ĐHSP Hà Nội thầy cô giáo khoa Vật lý giúp đỡ em trình học tập trƣờng tạo điều kiện thuận lợi cho em đƣợc thực khóa luận tốt nghiệp Đây lần em làm đề tài nghiên cứu khoa học nên khơng tránh khỏi thiều sót hạn chế Kính mong đƣợc đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn để đề tài đƣợc hoàn thiện Em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Ngƣời thực Đào Khánh Linh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Những nguyên lý nhiệt động lực học ứng dụng môi trường” kết nghiên cứu tơi Trong q trình nghiên cứu có sử dụng tài liệu số nhà nghiên cứu, số tác giả Tuy nhiên sở để rút đƣợc đề cần tìm hiểu đề tài Đây kết riêng cá nhân tơi, hồn tồn khơng trùng với kết tác giả khác Tôi xin chịu trách nhiệm cam đoan Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Sinh viên Đào Khánh Linh MỤC LỤC PHẦN I: MỞ ĐẦU 1.1 Lí chọn đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Đối tƣợng nghiên cứu 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.6 Cấu trúc .2 PHẦN II: NỘI DUNG .3 CHƢƠNG 1: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1.1 Nguyên lý số không nhiệt động lực học .3 1.2 Nguyên lý thứ nhiệt động lực học 1.2.1 Nguyên lý thứ nhiệt động lực học .3 1.2.2 Ứng dụng nguyên lý thứ cho trình nhiệt động 1.2.3 Giới hạn ứng dụng nguyên lý 10 1.3 Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học 11 1.3.1 Phát biểu nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học 11 1.3.2 Định lý Carnot 14 1.3.3 Phát biểu định lƣợng nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học 15 1.3.4 Giới hạn ứng dụng nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học 16 1.4 Nguyên lý thứ ba nhiệt động lực học (định lý Nerst) 16 1.4.1 Phát biểu nguyên lý thứ ba nhiệt động lực học .16 1.4.2 Giá trị hệ số nhiệt nhiệt độ T  0K 17 1.4.3 Các hệ nguyên lý thứ ba nhiệt động lực học 18 1.4.3.1 Không thể đạt đƣợc nhiệt độ 0K 18 1.4.3.2 Tính entropy dạng biến đổi nhiệt dung T  0K 19 1.4.3.3 Sự suy biến khí lí tƣởng nhiệt độ thấp 20 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CÁC NGUYÊN LÝ TRONG CÁC MÔI TRƢỜNG 21 2.1 Nhiệt động lực học chất điện môi từ môi 21 2.2 Nhiệt động lực học xạ 31 2.2.1 Sự tồn áp suất xạ (áp suất ánh sáng) 31 2.2.2 Định luật Kirchhoff không phụ thuộc tỉ số suất phát xạ ε ν suất hấp thụ A ν vào chất chất 32 2.2.3 Định luật Stéfan – Boltzmann phụ thuộc mật độ lƣợng toàn phần xạ cân vào nhiệt độ 33 2.2.4 Định luật Wienn mật độ phổ xạ 34 2.2.5 Sự tăng entropy trình khúc xạ thuận nghịch ánh sáng tính kết hợp tia phản xạ khúc xạ (Tính không cộng đƣợc entropy tia kết hợp) 36 2.3 Nhiệt động lực học plasma .37 2.4 Nhiệt động lực học tƣợng sức căng mặt .41 KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO .46 PHẦN I: MỞ ĐẦU 1.1 Lí chọn đề tài Vật lý học môn khoa học nghiên cứu quy luật vận động tự nhiên từ thang vi mô (các hạt cấu tạo nên vật chất) thang vĩ mô (các hành tinh, thiên hà, vũ trụ) Các đối tƣợng nghiên cứu vật lí học nhƣ vật chất, lƣợng, không gian, thời gian, Nhiệt động lực học Vật lí thống kê hai ngành Vật lí học, áp dụng phƣơng pháp thống kê để nghiên cứu hệ bao gồm lớn số hạt nhƣ nguyên tử, phân tử, ion hạt khác mà ngƣời ta gọi hệ vi mơ hay hệ nhiều hạt Trong đó, Nhiệt động lực học nghiên cứu quy luật tính chuyển động nhiệt hệ cân hệ chuyển trạng thái cân bằng, đồng thời khái qt hóa quy luật tính cho hệ không cân Cơ sở nhiệt động lực học ngun lý Cịn Vật lí thống kê có nhiệm vụ nghiên cứu mối quan hệ đặc tính vĩ mơ hệ mà ta khảo sát với đặc tính định luật chuyển động hạt vi mô cấu thành hệ Và Vật lí thống kê có quan hệ chặt chẽ với Nhiệt động lực học Ngƣời ta thấy trƣờng hợp hệ vĩ mô nằm trạng thái cân định luật mà ta thu đƣợc Vật lí thống kê đại lƣợng trung bình trùng với định luật Nhiệt dộng lực học Trong thời gian gần việc nghiên cứu ứng dụng nguyên lý nhiệt động lực học môi trƣờng phát triển mạnh cịn tài liệu vấn đề Vì vậy, tơi chọn “Các ngun lý nhiệt động lực ứng dụng môi trường” làm đề tài khóa luận để sâu nghiên cứu nguyên lý nhiệt động lực học ứng dụng môi trƣờng, khảo sát biến đổi cấu trúc vi mô vật chất cách vận dụng lý thuyết thống kê Tôi hi vọng tài liệu bổ ích cho sinh viên sau 1.2 Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu nguyên lý nhiệt động lực học - Tìm hiểu ứng dụng nguyên lý môi trƣờng 1.3 Đối tƣợng nghiên cứu - Các nguyên lý nhiệt động lực học - Ứng dụng nguyên lý môi trƣờng 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu nguyên lý nhiệt động lực học - Nguyên cứu ứng dụng nguyên lý môi trƣờng 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu - Đọc nghiên cứu tài liệu tham khảo - Thống kê, lập luận, diễn giải 1.6 Cấu trúc Chƣơng 1: Các nguyên lý nhiệt động lực học Chƣơng 2: Một số ứng dụng nguyên lý môi trƣờng PHẦN II: NỘI DUNG CHƢƠNG 1: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1.1 Nguyên lý số không nhiệt động lực học Xét hai hệ nhiệt động hai trạng thái nhiệt động riêng rẽ, hai hệ cân nhiệt động với khơng có trao đổi lƣợng ta cho hai hệ tiếp xúc với Nguyên lý số không nhiệt động lực học nói cân nhiệt động, đƣợc phát biểu nhƣ sau: Nếu hai hệ cân nhiệt động với hệ thứ ba hai hệ cân nhiệt động với Theo nguyên lý cân nhiệt hai hệ nhiệt động có tính chất bắc cầu: A cân nhiệt với B, B cân nhiệt với C A cân nhiệt với C 1.2 Nguyên lý thứ nhiệt động lực học 1.2.1 Nguyên lý thứ nhiệt động lực học Xét hệ nhiệt động trạng thái 1, sau tƣơng tác với mơi trƣờng xung quanh hệ chuyển sang trạng thái Gọi: Q nhiệt lƣợng mà hệ nhận đƣợc A công mà hệ sinh trình biến đổi Bằng thực nghiệm ngƣời ta chứng tỏ đƣợc nhiệt lƣợng Q công A phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối mà phụ thuộc vào trình chuyển trạng thái hệ Tuy nhiên, đại lƣợng Q  A phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối (với Q  A lƣợng mà hệ nhận đƣợc chuyển từ trạng thái tới trạng thái 2) Kí hiệu: U  Q  A (1.1) Nhƣ U phụ vào trạng thái đầu trạng thái cuối nên coi độ biến thiên hàm phụ thuộc trạng thái : U  U (1)  U (2) (1.2) Trong đó: U độ tăng nội hệ chuyển từ trạng thái sang trạng thái U (2) nội hệ trạng thái U (1) nội hệ trạng thái (1.1) (1.2) biểu thức toán học nguyên lý thứ nhiệt động lực học Nguyên lý thứ nhiệt động lực học định luật bảo tồn lƣợng phát biểu cho hệ nhiệt động lực học: Tổng lƣợng Q  A mà hệ nhận đƣợc trình độ tăng nội U hệ, độ tăng phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối trình Xét q trình biến đổi vơ nhỏ, theo ngun lý thứ ta có: dU   Q   A dQ  U   A Trong đó: (1.3) dU nội mà hệ biến đổi, hàm trạng thái  Q nhiệt lƣợng mà hệ nhận đƣợc, hàm trình  A công mà hệ sinh ra, hàm q trình Biểu thức (1.3) dạng vi phân nguyên lý thứ nhiệt động lực học Từ nguyên lý thứ nhiệt động lực học, suy rằng: hệ nhận đƣợc lƣợng nhiệt, nội biến thiên cơng 2.2) Ở đầu cuối xy-lanh có khe pit-tơng di động với thành gƣơng Ban đầu bỏ pit-tông P2 khỏi xy-lanh giữ P1 mặt vật A Khi tồn thể tích xy-lanh chứa đầy xạ cân phát từ vật B Sau lắp pit-tơng P2 vào rút pit-tơng P1 ra, đẩy P2 cho tiếp xúc với vật A Khi tất xạ xy-lanh bị vật A hấp thụ, xy-lanh lại đƣợc lấp đầy xạ phát từ vật B Tiếp theo, lắp pit-tông P1 mặt vật B sau rút P2 ra, đẩy P1 vật A Khi vật A lại hấp thụ toàn lƣợng vật B xạ Lặp lại thao tác cách tuần hồn, ta chuyển lƣợng xạ tùy ý từ vật B đến vật A, vật A nóng lên, vật B lạnh đi, nghĩa nhiệt truyền từ vật lạnh sang vật nóng Theo nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học, điều có đƣợc tiêu tốn cơng, trƣờng hợp xét dịch chuyển pit-tông phải tiêu tốn cơng Từ suy rằng, xạ gây áp suất lên pit-tông nhiệt độ xạ lớn, áp suất lớn Xuất phát từ định luật điện động lực học, mật độ lƣợng (năng lƣợng riêng xạ cân bằng) u , áp suất ánh sáng bằng: p u 2.2.2 Định luật Kirchhoff không phụ thuộc tỉ số suất phát xạ ε ν suất hấp thụ A ν vào chất chất Giả sử hốc kín có vật đen A vật không đen B Khi cân bằng, nhiệt độ xạ hai vật nhƣ nhau, lƣợng lƣợng xạ đơn vị mặt vật lƣợng lƣợng mà hấp thụ Vì mật độ lƣợng xạ hốc nơi nhƣ nhau, nên đơn vị vật giây nhận đƣợc lƣợng lƣợng Giả 32 lƣợng lƣợng I d Nếu suất phát xạ vật đen lí tƣởng đ cân bằng: I d  đ d I  đ (2.32) Vật không đen không hấp thụ tất lƣợng I d đạp tới, mà hấp thụ phần I d A Khi cân I d A   d Kết hợp với (2.32) ta nhận đƣợc:  A  đ  const (T , ) Hệ thức biểu diễn định luật Kirchhoff: Tỉ số suất phát xạ vật suất hấp thụ nhiệt độ cho khơng phụ thuộc vào tính chất vật lý vật suất phát xạ vật đen lí tƣởng Tỉ số  A hàm phổ biến nhiệt độ tần số 2.2.3 Định luật Stéfan – Boltzmann phụ thuộc mật độ lƣợng toàn phần xạ cân vào nhiệt độ Ứng dụng phƣơng trình nhiệt động lực học cho xạ cân bằng: TdS  dU  pdV Vì dS vi phân tồn phần nên có hệ thức:  p   U  T    p  T V  V T Đối với xạ cân p  T (2.33) u U  uV , (2.33) có dạng: du  4u dT Sau lấy tích phân, ta tìm đƣợc phụ thuộc mật độ lƣợng toàn phần xạ cân vào nhiệt độ: U  T 33 Biểu thức đƣợc gọi định luật Stéfan – Boltzmann: Mật độ lƣợng xạ cân tỉ lệ với lũy thừa bậc bốn nhiệt độ tuyệt đối Với  số lấy tích phân (hằng số định luật Stéfan – Boltzmann) Thực nghiệm vật lý thống kê cho giá trị:   7,64.1015  = 1,82.1012 Nếu biết đƣợc phƣơng trình trạng thái nhiệt xạ p  u phƣơng trình trạng thái calo ( U   T 4V ) ta tính đƣợc entropy xạ: dS  Q T  dU  pdV Vdu  ( p  u )dV  T T hay 4 dS  4 VT dT   T dV   (3VT dT  T 3dV )  d(  T 3V ) 3 Và S   T 3V (2.34) Mật độ entropy xạ cân bằng: S  T 3 Vì trình đoạn nhiệt S  const nên dựa vào (2.34) tìm đƣợc phƣơng trình đoạn nhiệt xạ cân bằng: VT  const pV  const hay (2.35) So sánh (2.35) với phƣơng trình đoạn nhiệt khí lí tƣởng ta nhận thấy rằng: trình đoạn nhiệt xạ cân có tính chất giống nhƣ khí lí tƣởng với tỉ số nhiệt dung   Tuy nhiên, điều khơng có nghĩa xạ cân   , mà vơ hạn 2.2.4 Định luật Wienn mật độ phổ xạ 34 Hình 2.3: Pit-tơng di động có thành vật phản chiếu lí tƣởng [4] Khảo sát xạ hốc (với pit-tơng di động) (hình 2.3) có thành vật phản chiếu lí tƣởng Khi pit-tơng chuyển động, trình đoạn nhiệt nên nhiệt độ xạ thay đổi theo định luật: VT  const Khi phản xạ lên pit-tông gƣơng chuyển động, xạ thực cơng lên pit-tơng nên tần số lƣợng xạ thay đổi Dựa vào định luật nhiệt động lực học điện động lực học ta xác định đƣợc độ biến thiên tần số lƣợng đƣợc xác định công thức:  T  const u  const T3 Từ hệ thức này, ta suy ra: u   T T Và T3         f    T  T  u       , u  T     T  (2.36) Đó định luật Wienn Định luật Wienn dẫn đến dịch chuyển xác định cực đại mật độ phổ xạ nhiệt độ biến thiên Để xác định  m u m , lấy vi phân (2.36) theo υ cho đạo hàm không:     3 m2 f  m    m  T  T  35   f  m 0 T  từ m hay max T  b T  const (trong b số Wienn) Nhƣ vậy: Bƣớc sóng tƣơng ứng với mật độ phổ cực đại lƣợng xạ đen tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối Theo phép đo đây, số Wienn b  0, 288 cm.độ 2.2.5 Sự tăng entropy trình khúc xạ thuận nghịch ánh sáng tính kết hợp tia phản xạ khúc xạ (Tính khơng cộng đƣợc entropy tia kết hợp) Phƣơng trình nhiệt động lực học mật độ phổ lƣợng entropy xạ cho ta: dS  du T Vì T khơng đổi dấu nên dS dƣơng giảm u tăng, thay du đổi giới hạn từ vơ đến khơng Từ thấy hàm S (u ) hàm tăng phi tuyến ácgumen Khi u  , entropy S khơng, đồ thị hàm có đƣờng cong qua gốc tọa độ, điểm có tiếp tuyên thẳng đứng , nơi quay bề lồi phía tiệm cận có phƣơng song song với trục hồnh b c Hình 2.4: Đồ36 thị hàm d [4] Tất điều dẫn đến tín khơng cộng đƣợc entropy tia kết hợp Giả sử, chùm tia có tần số xác định lƣợng riêng u , nhờ mỏng, tách thành hai chùm: chùm phản xạ chùm khúc xạ có lƣợng riêng u u d Vì lƣợng không đổi nên: u  u  u d Kí hiệu mật độ phổ entropy hai tia sυ sυ Giả sử hình vẽ: AB  u , AC  u d AD  u  u d Do CD  AB Tiếp theo giả sử Bb  S , Cc  S d Dd  S Nếu nhƣ hàm S  u  tuyến tính có đẳng thức D  Cc  B Tuy nhiên hàm S  u  phi tuyến tính biểu diễn đường cong nêu Vì tồn bất đẳng thức: Dd  Cc  Bb Hay S  S  S d Như vậy: Entropy toàn phần sau tách chùm tia tăng ên 2.3 Nhiệt động lực học plasma Plasma chất khí bị ion hóa cao mà đa số hạt bị tích điện Về nhiều phƣơng diện plasma khác hẳn chất khí thơng thƣờng, số tƣợng tƣơng tự nhƣ chất điện phân vật dẫn rắn (kim loại, bán dẫn) có số tính chất đặc biệt Các đặc điểm plasma đƣợc xác định đặc tính tác dụng xa lực tƣơng tác điện hạt cấu tạo nên plasma Căn vào tính chất nhiệt động lực học mà plasma đƣợc chia làm hai loại: plasma nóng – thermal Plasma plasma lạnh – non-thermal Plasma 37  Plasma nóng dạng plasma trạng thái cân nhiệt động; đặc trƣng áp suất lớn (103 Pa) nhiệt độ electron lớn ( > 104 K) Mức độ ion hóa tổng số phân tử plasma gần 100%  Plasma lạnh dạng plasma trạng thái không cân nhiệt, nhiệt độ electron lớn nhiều so với nhiệt độ ion (trong nhiệt độ ion nguyên tử trung hòa nhiệt độ phịng) tạo nên electron lƣợng cao Vì mà lƣợng plasma lạnh chủ yếu electron tự Nếu đặt vật chất vào môi trƣờng plasma vật chất bị ion hóa, cƣờng độ ion hóa khác phụ thuộc vào nguồn phát tạo mơi trƣờng plasma Khi điện tích (+) chạy cực ẩm, điện (-) chạy cực dƣơng Chính làm thay đổi tinh chất vật chất Lợi dụng tính chất mà ngƣời ta ứng dụng chúng để xử lý màu, mùi, vị, diệt vi sinh vật, ngành công nghệ môi trƣờng, ngành công nghệ thực phẩm, công nghệ bảo quản sau thu hoạch Plasma nóng làm hại đến mơ nên đƣợc dùng hạn chế ngƣời đƣợc sử dụng nhiều vô trùng dụng cụ phẫu thuật Plasma lạnh có khả diệt vi khuẩn vết thƣơng mà không làm hại tới quan khác Ngồi ra, plasma lạnh cịn diệt đƣợc vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh, điều có ý nghĩa hêt sức to lớn y học Khảo sát plasma cân nhiệt động gồm hai loại hạt mang điện tích trái dấu ( e e ) Để đạt đƣợc độ ion hóa cao, cần phải giảm tối đa kết hợp hạt Điều thực đƣợc áp suất thấp hệ số tái hợp tỉ lệ với e2 áp suất Năng lƣợng tƣơng tác Coulomb trung bình giũa hai hạt nhỏ r so với lƣợng chuyển động nhiệt kT hạt (với r khoảng cách trung bình hạt) Bất đẳng thức e2  kT biểu diễn điều kiện loãng plasma r 38 Để thu đƣợc plasma hoàn toàn bị ion hóa, cần phải nung khí đến nhiệt độ T cho lƣợng trung bình chuyển động nhiệt nguyên tử hay lớn ion hóa I nó: kT  I Trong trƣờng hợp hidro hay đơtêri, ion hóa 13,54eV ( 1eV  1,6.1012 éc ), thu đƣợc plasma hidro hồn tồn bị ion hóa nhiệt độ T I 13,54.1, 6.1012   160000 K k 1,38.1016 Tại nhiệt độ cao nhƣ thế, plasma khơng cịn đƣợc coi hệ gồm hạt mang điện mà cần phải xét đến xạ chứa Ta dễ dàng tìm đƣợc nhiệt độ mật độ lƣợng xạ  T mật độ lƣợng chuyển động nhiệt kTn (với n số hạt có đơn vị thể tích)  T  kTn hạt: T 3kn 2 Với áp suất khí p  0,01mmHg , mật độ hạt n  105 nhiệt độ cm3 T  4.104 K Nhƣ vậy, nhiệt độ để plasma bị ion hóa hoàn toàn ( T  105 K ) mật độ lƣợng xạ plasma trở nên chiếm ƣu Điều dẫn đến hệ khó khăn việc lập đoạn nhiệt chất plasma nhƣ Nội U plasma gồm động chuyển động hỗn loạn hạt U lt (nội khí lí tƣởng) lƣợng trung bình tƣơng tác tĩnh điện Ue chúng : U  Ult  U e 39 U lt U e đƣợc lấy từ thực nghiệm hay tìm đƣợc phƣơng pháp vật lý thống kê: Ult  CV T  U Ue   e2 N d Trong e điện tích hạt, N số hạt loại thể tích V, d kTV bán kính Debye, xác định độ xuyên sâu điện trƣờng 8 Ne2 vào plasma Nhƣ vậy, nội plasma bằng: U  U lt  Ne 8 Ne2 kTV F   :  T V Lấy tích phân phƣơng trình Gibbs – Helmholtz U  F  T   F    F  U  F T    T   T  T   T V Từ đó: F   U dT  IT T2 8 Ne2 F  F0  Ne2 kTV Xét trƣờng hợp chúng ta: Vì khí lỗng ( V   với N cho trƣớc), lƣợng tự plasma trở nên lƣợng tự khí lí tƣởng Flt nên F0  Flt Nên: 8 Ne2 F  Flt  Ne2 kTV Phƣơng trình trạng thái nhiệt, entropy nhiệt dung plasma xác định dựa vào biểu thức: 40  F  p    ;  V T  F  S    ;  T V  2 F  CV  T    T V Kết thu đƣợc: p RT 8 Ne2  Ne V kTV 8 Ne2 S  (CV )lt ln T  R ln V  Ne2 kT 3V CV  (CV )lt  8 Ne2 Ne kT 3V Áp suất entropy plasma nhỏ khí lí tƣởng, điều đƣợc giải thích lực hút chiếm ƣu Nhƣng nhiệt dung plasma lớn nhiệt dung khí lí tƣởng, mặt vật lí điều đƣợc thây rõ: tăng nhiệt độ plasma, cần phải tốn lƣợng để làm tăng động chuyển động hỗn loạn hạt mà cịn để tăng tƣơng tác trung bình hạt có thay đổi đám mây hạt tích điện trái dấu gần hạt 2.4 Nhiệt động lực học tƣợng sức căng mặt Sức căng mặt độ lớn lực căng mặt đơn vị độ dài đƣờng lấy mặt giới hạn, có chất chênh lệch lực hút phân tử khiến phân tử bề mặt chất lỏng thể đặc tính màng chất dẻo chịu lực kéo căng Giá trị sức căng mặt phụ thuộc vào chất pha tiếp xúc, nhiệt độ lƣợng chất hòa tan Coi lớp mặt “pha mặt” mới, khác với pha khối chỗ bề dày nhỏ so với kích thƣớc theo hai chiều khác giới hạn phân 41 tử Việc coi nhƣ cho phép ta ứng dụng phƣơng trình tổng quát vệ cân hệ khơng đồng tính cho pha mặt Xét pha mặt có kích thƣớc lớn đáng kể so với bán kính tƣơng tác phân tử Để đơn giản, thay lớp mặt có bề dày hữu hạn mặt ngăn cách lí tƣởng hóa, tách biệt hai pha mà gọi đơn giản mặt Cùng với thể tích V , đại lƣợng  pha thông số đặc trƣng cho trạng thái mặt Kí hiệu lực suy rộng ứng với thơng số   Khi cơng ứng với tăng mặt lƣợng d  bằng:  A  dF   dF Đại lƣợng  đặc trƣng cho cân hai pha, đƣợc gọi sức căng mặt lực tác dụng lên đơn vị dài mặt hay lƣợng tự  đơn vị mặt: dF  d Năng lƣợng mặt bằng: U F        F T     T      T     T T   T V ,  Xét điều kiện cân hệ gồm hai pha ngăn cách mặt ngăn cách Khi bỏ qua tƣợng mặt ngồi điều kiện cân hai pha chất là: T '  T '' ; p'  p'' ;  '   '' Tƣơng tự, cân hai pha có xét đến tƣợng mặt ngồi, ta có đẳng thức: T '  T '' ; 42  '   '' Đối với áp suất, mặt giới hạn có xét đến lực căng mặt ngồi nên cân pha xảy áp suất khác pha Ta tìm điều kiện cân học hệ gồm hai pha: chất lỏng ( ' ) ( '' ), xuất phát từ cực tiểu lƣợng tự T  const V  const Vơi hệ gồm chất lỏng, mặt phân cách chúng, nhiệt độ hóa pha nhƣ nhau, vi phân lƣợng tự bằng: dF   p'dV '  p''dV ''   d  Khi cân dF  , đó: p '  p ''   ' '' Vì V  V  V  const , nên: Đại lƣợng d dV '  d   p'dV '  p''dV ''  d dV ' xác định độ cong mặt ngăn cách pha d Trƣờng hợp mặt cầu: dV '  d (4 r )  4 3 r d  r  3  ( r đƣợc coi dƣơng độ cong mặt hƣớng pha ( ' )) Trong trƣờng hợp mặt bất kì: d dV '  1  r1 r2 (Trong r1 r2 bán kính cong mặt) Nhƣ vậy: Khi có cân giọt chất lỏng hình cầu ( ' ) với ( '' ), áp suất p giọt áp suất p liên hệ với điều kiện: p '  p ''  2 r 43 hay p '  p ''  2 r Từ đây, ta thấy rằng, mặt ngăn cách hai pha có bƣớc nhảy áp suất 1 1 2 2 Đại lƣợng     hay (trƣờng hợp hai mặt cầu) đƣợc gọi r r  r1 r2  áp suất mặt Trƣờng hợp mặt ngăn cách chất lỏng mặt phẳng ( r   ), áp suất mặt ngồi khơng điều kiện cân học trùng với điều kiện không xét đến tƣợng mặt p '  p'' 44 KẾT LUẬN Đề tài “ Các nguyên lý nhiệt động lực học ứng dụng mơi trƣờng” sau hồn thiện thu đƣợc số kết quả: - Đƣa cách ngắn gọn nội dung nguyên lý nhiệt động lực học, đặc biệt nêu lên đƣợc giới hạn áp dụng nguyên lý - Đƣa đƣợc số biểu thức nhiệt động lực học môi trƣờng điện môi, từ mơi Bên cạnh đề tài nêu đƣợc hàm nhiệt động xạ, plasma tƣợng sức căng mặt 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Quý Tƣ (1998), Nhiệt động lực học, NXB ĐHQG Hà Nội [2] Vũ Thanh Khiết (1996), Nhiệt động lực học vật lí thống kê, NXB ĐHQG Hà Nội [3] Lê Văn (1978 ), Vật lý phân tử nhiệt học, NXBGD [4] I.P.BAZAROV (1975 ), Nhiệt động lực học, H Khoa học kĩ thuật [5] Ngơ Thị Mơ ( 2015 ), Khóa luận Nhiệt động lực học hệ sinh vật, Khoa Vật lý, Trƣờng ĐHSP Hà Nội [6] Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ TP.HCM ( 2014 ), Ứng dụng Plasma chế biến bảo quản thực phẩm, Sở Khoa học Công nghệ TP.HCM [7] Bài giảng vật liệu – Khí cụ điện, Bộ mơn Thiết bị điện, Khoa Điện, Trƣờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên [8] www.wikipedia.org 46 ... CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1.1 Nguyên lý số không nhiệt động lực học .3 1.2 Nguyên lý thứ nhiệt động lực học 1.2.1 Nguyên lý thứ nhiệt động lực học .3 1.2.2 Ứng dụng. .. nguyên lý nhiệt động lực học Chƣơng 2: Một số ứng dụng nguyên lý môi trƣờng PHẦN II: NỘI DUNG CHƢƠNG 1: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1.1 Nguyên lý số không nhiệt động lực học Xét hai hệ nhiệt. .. nghiên cứu - Tìm hiểu nguyên lý nhiệt động lực học - Tìm hiểu ứng dụng nguyên lý môi trƣờng 1.3 Đối tƣợng nghiên cứu - Các nguyên lý nhiệt động lực học - Ứng dụng nguyên lý môi trƣờng 1.4 Nhiệm