Một số quá trình chuyển pha của vật chất

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ Đề tài: MỘT SỚ Q TRÌNH CHUYỂN PHA CỦA VẬT CHẤT Người hướng dẫn: ThS Lê Tấn Nghĩa Người thực hiện: Bùi Thị Phương Ngọc Đà Nẵng, tháng 5/2013 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Lịch sử nghiên cứu vấn đề Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục tiêu phương pháp nghiên cứu .5 Bố cục khóa luận CHƯƠNG 1: CHUYỂN PHA CỦA THỂ THUẦN NHẤT 1.1 KHÁI NIỆM PHA 1.1.1 Khái niệm .7 1.1.2 Các pha tiêu biểu 1.2 CHUYỂN PHA VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA .12 1.2.1 Chuyển pha 12 1.2.2 Các đặc trưng trình chuyển pha 13 1.3 CÂN BẰNG PHA 14 1.3.1 Cân hai pha hệ rắn-lỏng, rắn-khí, lỏng-khí 14 1.3.2 Điều kiện cân hệ pha rắn-lỏng, rắn-khí, lỏng-khí .16 1.3.3 Cân hệ ba pha rắn-lỏng-khí 17 1.3.4 Điều kiện cân hệ pha rắn-lỏng-khí 18 1.3.5 Điểm ba .18 1.3.6 Qui tắc pha Gibbs 19 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CHUYỂN PHA LOẠI MỘT VÀ CHUYỂN PHA LOẠI HAI 21 2.1 CHUYỂN PHA LOẠI MỘT .21 2.1.1 Ẩn nhiệt chuyển pha 21 2.1.2 Phương trình Clapetron-Clausius: phương trình đặc trưng chuyển pha loại 23 2.1.3 Ý nghĩa phương trình Clapetron-Clausius .25 2.2 CHUYỂN PHA LOẠI HAI 26 2.2.1 Phương trình Erenfest: điều kiện chuyển pha loại hai 26 2.2.2 Lý thuyết Landau chuyển pha loại hai 28 CHƯƠNG 3: MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA TIÊU BIỂU 31 3.1 MỘT SỚ Q TRÌNH CHUYỂN PHA LOẠI MỘT TIÊU BIỂU 31 3.1.1 Chuyển hóa đa hình 31 3.1.2 Hiện tượng nóng chảy đơng đặc 32 3.1.3 Hiện tượng bay thăng hoa 35 3.2 CHUYỂN PHA LOẠI HAI 39 3.2.1 Hiện tượng siêu dẫn 39 3.2.2 Hiện tượng siêu chảy 52 CHƯƠNG 4: MỘT SỐ CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHUYỂN PHA TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ PHỔ THÔNG 59 4.1 CÂU HỎI LÍ THUYẾT .59 4.1.1 Câu hỏi nóng chảy, đơng đặc 59 4.1.2 Câu hỏi ngưng tụ, bay .61 4.2 CÂU HỎI BÀI TẬP .65 4.2.1 Bài tập nóng chảy, đơng đặc .65 4.2.2 Bài tập ngưng tụ, bay .77 KẾT LUẬN 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Ngày nay, giới không ngừng phát triển mặt văn hóa, khoa học, kĩ thuật, y học… Các vật liệu tiếp tục đổi cải tiến vật liệu polime, vật liệu bán dẫn, vật liệu nano,v.v… thay bổ sung cho vật liệu cũ Có nhiều phát minh lý thuyết lẫn thực nghiệm có ảnh hưởng lớn đến phát triển dụng cụ kĩ thuật Ví dụ điển phát minh Shockley, Bardeen Brattain transitor khởi đầu cách mạng điện tử, nghiên cứu Townes, Basov Prokhorov dẫn đến phát triển maser laser Và xuất vài tượng xảy trở thành bí ẩn khoa học tượng siêu dẫn, tượng siêu chảy,… Những tượng xảy điều kiện định Những vật liệu chế tạo dựa nguyên tắc ứng dụng tượng có nhiều tính ưu việt có khả ứng dụng nhiều lĩnh vực, mang lại hiệu kinh tế cao Để hiểu rõ tính ưu việt điều kiện để xảy tượng đặc biệt đó, ngành Vật lý chuyên tâm nghiên cứu phát triển tượng đặc biệt thành nhánh nhỏ có vai trị vơ quan trọng việc tìm vật liệu thay có vậ liệu cũ, Vật lý chuyển pha Vật lý chuyển pha cho ta nhìn đầy đủ số tượng tự nhiên, số tượng đặc biệt số chất điều kiện định Để góp phần nâng cao hiểu biết số tượng đặc biệt đó, sinh viên sư phạm chuyên ngành Vật lý để giúp cho việc nghiên cứu thêm giảng dạy môn Vật lý sau trường, chọn đề tài “Một số quá trình chuyển pha vật chất” Phạm vi đề tài rộng nên tập trung nghiên cứu hai loại chuyển pha có nhiều ứng dụng thực tế để phục vụ đời sống chuyển pha loại chuyển pha loại hai Cụ thể nêu khái quát chuyển pha, từ thiết lập phương trình tổng quát chuyển pha loại chuyển pha loại vận dụng phương trình kiến thức cần thiết để giải thích số tượng biến đổi trạng thái vật chất ứng dụng đời sống kĩ thuật Lịch sử nghiên cứu vấn đề Hiện tượng chuyển pha biết đến cách 100 năm vào khoảng năm 70 kỉ 19 Mở đầu nhờ cơng trình VarderWalls Sau cơng trình Landau (1971) Sau thời gian dài chuyển pha ý Vì tượng phát lúc tìm thực nghiệm chưa có giải thích rõ ràng lý thuyết Ví dụ chuyển pha siêu dẫn kim loại thường phát vào năm 1914 đến năm 1957 giải thích chất thực nguồn gốc trạng thái siêu dẫn Tuy nhiên năm gần đây, với phát triển mạnh mẽ khoa học kĩ thuật chuyển pha lại ý nhiều Điều chứng minh qua số kiểu trạng thái phát thêm nhiều Trước hết, chuyển pha từ trạng thái rắn sang trạng thái rắn khác Sau chuyển pha vật liệu từ Những kiện góp phần quan trọng cho ngành Vật lý vật liệu khoa học kĩ thuật mở nhiều triển vọng chẳng hạn cơng trình phát minh tượng siêu dẫn công bố vào đầu kỷ 20 Tiếp theo phát minh tượng siêu chảy chất lỏng Hêli Hêli 4… Vì lẽ mà lý thuyết chuyển pha tách khỏi Vật lí thống kê trở thành ngành độc lập nhiều người nghiên cứu Đối tượng, phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu: phương diện lý thuyết ứng dụng thực tế loại chuyển pha vật chất chuyển pha loại chuyển pha loại hai * Phạm vi nghiên cứu: - Lý thuyết chuyển pha - Các dạng câu hỏi tập chuyển pha chương trình Vật lý phổ thông Mục tiêu phương pháp nghiên cứu * Mục tiêu nghiên cứu: - Tìm hiểu trình chuyển pha thể - Tìm hiểu lý thuyết chuyển pha - Nêu vài biến đổi pha tiêu biểu - Tìm hiểu vài dạng câu hỏi tập chương trình Vật lý phổ thông * Phương pháp nghiên cứu: để hồn thành khóa luận chúng tơi sử dụng phương pháp nghiên cứu sau đây: - Sử dụng website - Sử dụng tài liệu in nước - Tham khảo ý kiến giáo viên hướng dẫn Bố cục khóa luận Ngồi phần Mở đầu, Kết luận Tài liệu tham khảo,Nội dung khóa luận gồm chương: Chương 1: Chuyển pha thể Chương 2: Lý thuyết chuyển pha loại chuyển pha loại hai Chương 3: Một số trình chuyển pha tiêu biểu Chương 4: Một số câu hỏi tập chuyển pha chương trình Vật lý phổ thông CHƯƠNG 1: CHUYỂN PHA CỦA THỂ THUẦN NHẤT 1.1 KHÁI NIỆM PHA 1.1.1 Khái niệm Tập hợp phần đồng tính hệ coi có pha Phần đồng tính hệ phần mà đặc trưng vật lý (độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt …) hệ biến đổi liên tục Ví dụ khơng khí có sương mù hệ hai pha: pha lỏng (các hạt nước nhỏ) pha khí (khơng khí); hỗn hợp nước dầu hỏa hệ hai pha: pha nước pha dầu ngăn cách với mặt phân cách rõ rệt Trạng thái vật chất dạng rắn, lỏng, khí pha nhiều Để phân biệt pha với người ta thường dựa vào tính chất vật lí Thường người ta phân biệt học, pha có tồn biên phân biệt Khi nghiên cứu sâu vào cấu trúc vi mơ hệ vật chất, ta thấy có mối liên hệ pha vật chất cấu trúc vi mơ hệ vật chất Bởi cấu trúc hạt cấu thành hệ hoàn tồn tương ứng với tính chất vật lý xác định Vì vậy, theo quan điểm vi mơ, pha cịn hiểu cấu trúc trật tự tương ứng với tính chất vật lý xác định Vật chất thơng thường có pha dạng sau: pha rắn, pha lỏng, pha khí, siêu dẫn, siêu chảy … 1.1.2 Các pha tiêu biểu Dưới giới thiệu vài pha tiêu biểu 1.1.2.1 Pha rắn Ở pha rắn vật chất có đặc tính giữ ngun hình dạng cố định Ở mức độ vi mơ vật chất pha rắn có đặc tính: - Các phân tử hay ngun tử nằm sát - Các phân tử hay nguyên tử có vị trí trung bình tương đối cố định khơng gian so với nhau, nên chúng có tính chất giữ ngun hình dạng vật chất - Các phân tử hay nguyên tử vật rắn dao động nhiệt quanh vị trí cân Khi nhiệt độ tăng cao, dao động nhiệt mạnh làm phá vỡ liên kết Từ làm chất rắn chuyển sang pha lỏng pha khí Vật chất pha rắn (hay chất rắn) thường hai dạng chất rắn kết tinh chất rắn vô định hình Đa phần chất rắn kết tinh có cấu tạo tinh thể, hạt cấu thành ln có khuynh hướng chiếm vị trí bền vững (khoảng cách phân tử chất r  r0 ) từ hạt xếp không gian theo cấu trúc hình học định bền vững, hình thành nên tinh thể Ví dụ tinh thể muối có dạng lập phương tinh thể muối NaCl hai ion Na  ion Cl  liên kết chặt chẽ với Chất rắn kết tinh có đặc tính đặc trưng: - Các chất rắn kết tinh cấu tạo từ loại hạt, cấu trúc tinh thể khơng giống tính chất vật lí chúng khác Ví dụ than chì kim cương cấu tạo chất Cacbon, nhiên hai chất có cấu trúc tnh thể khác dẫn đến chúng có tính chất vật lí khác nhiệt độ nóng chảy, độ cứng … - Trong chất rắn kết tinh tính chất vật lý theo phương khác khác nhau, người ta gọi tính dị hướng Ví dụ: tinh thể than chì (graphit) có cấu tạo theo lớp, tách than chì theo lớp dễ tách theo mặt vng góc với lớp khó - Đối với chất rắn kết tinh người ta chia làm hai loại: chất rắn đơn tinh thể loại chất rắn cấu thành loại tinh thể (ví dụ muối ăn tạo thành tinh thể muối nhỏ có dạng lập phương) chất rắn đa tinh thể loại cấu thành nhiều loại tinh thể khác liên kết hỗn hợp lại mà thành Do tính liên kết hỗn độn mà chất rắn đa tinh thể khơng có tính dị hướng, tính dị hướng tinh thể bù trừ lẫn làm vật rắn đa tinh thể có tính đẳng hướng, mà có nhiệt độ nóng chảy định, tính dẫn điện, dẫn nhiệt , dãn nở,… giống theo phương Chất rắn vơ định hình chất rắn khơng có cấu trúc tinh thể, hạt tạo thành phân bố hỗn độn bên khối chất, chất khơng có dạng hình học định Thực tế, trật tự gần (trong phạm vi nhỏ) hạt phân bố theo trật tự đó, trật tự khơng lan rộng xét phạm vi lớn tồn khối chất Chất rắn vơ định hình có tính chất vật lý tính dẫn điện, dẫn nhiệt, độ bền… giống theo phương, từ chất rắn vơ định hình có tính đẳng hướng Chất rắn vơ định hình khơng có nhiệt độ nóng chảy xác định, q trình nóng chảy nhiệt độ biến đổi liên tục Ngồi dạng vơ định hình chất rắn bền, lượng tương tác phân tử lớn tương tác phân tử dạng tinh thể, nên có số chất rắn để lâu chất dạng vơ định hình chuyển sang dạng tinh thể 1.1.2.2 Pha lỏng Ở pha lỏng phân tử cấu tạo nên vật chất có liên kết khơng chặt chẽ so với liên kết chất rắn có liên kết chặt chẽ so với chất khí Lực liên kết phân tử với chất lỏng tạm thời cho phép chất lỏng chảy chất rắn cố định Từ nói, vật chất pha lỏng (hay gọi chất lỏng) nằm trạng thái trung gian trạng thái khí trạng thái rắn Chất lỏng có hình dạng phụ thuộc vào vật chứa Do hạt chất lỏng (thường phân tử) chuyển động tự khối lỏng Tuy nhiên phân tử chất lỏng có liên kết với Ở nhiệt độ xác định, giá trị lực liên kết phân tử chất lỏng bị thay đổi, liên kết bị phá vỡ để trở thành chất khí liên kết chặt chẽ để trở thành chất rắn Một đại lượng đặc trưng cho chuyển động phân tử chất lỏng tính nhớt Nói rõ tính nhớt tính chất chất lỏng chống lại trượt hay dịch chuyển lớp chất lỏng Nguyên nhân tượng xuất nội ma sát lớp chất lỏng chuyển động tương Kết nghiên cứu chuyển động ổn định dòng chất lỏng dọc theo bề mặt phẳng: vận tốc dòng chất lỏng điểm xét giảm tỉ lệ với khoảng cách tới bề mặt phẳng Tức vận tốc v=0 y=0 Khi lớp chất lỏng xuất ứng xuất (lực/một đơn vị diện tích) tiếp tuyến Theo giả thiết Newtơn ứng suất tiếp tuyến lớp chất lỏng tỉ lệ thuận với gradien vận tốc phụ thuộc vào loại chất lỏng   dv dy Với  : hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào loại chất lỏng,  gọi độ nhớt chất lỏng Đơn vị N.s m2 Trong công thức thành phần dv đặc dy trưng cho mức độ dịch chuyển Như chất lỏng chuyển động xuất ứng suất tiếp tuyến Khi chất lỏng đứng yên coi ứng suất tiếp tuyến Trong kĩ thuật sử dụng khái niệm hệ số nhớt, kí hiệu  , đơn vị m  s   Cần lưu ý so sánh độ nhớt hai chất lỏng phải dùng đơn vị độ nhớt điều kiện đo Đồng thời độ nhớt phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ áp suất sau: - Nhiệt độ tăng độ nhớt chất lỏng giảm Đối với chất khí ngược lại nhiệt độ tăng độ nhớt chất khí tăng Sự phụ thuộc vào nhiệt độ độ nhớt đánh giá theo cơng thức sau:  0  T   T Trong  0 độ nhớt ứng với nhiệt độ T T0   hệ số tỉ lệ Với nước thì: 0  0,0179P ,   0,03368 ,   0,000221 10 Theo đề ta có A  12,8.103 kg m3  a  0,64.12,8.103  8,2.103 kg m3 Từ bảng đặc tính nước bão hồ ta thấy: để làm bão hồ khơng khí nhiệt độ C cần có 6,8.103 kg nước khơng khí So sánh với kết ta thấy đêm có sương Lượng nước khơng khí ngưng tụ là: m  8,2.103  6,8.103  1,4.103 kg Câu 35 Buổi sáng nhiệt độ 230 C độ ẩm tỉ đối khơng khí 80%, buổi trưa nhiệt độ 300 C độ ẩm 60% Khơng khí vào thời điểm chứa nhiều nước hơn? Trả lời: Từ bảng đặc tính nước bão hồ ta tính độ ẩm tuyệt đối buổi sáng trưa là: as  f s As  80%.20,6  16,6 g m3 at  ft At  60%.30, 29  18, g m3  as  at Vậy khơng khí buổi trưa chứa nhiều nước Câu 36 Nếu 250 C khơng khí có độ ẩm 75% độ ẩm khơng khí nhiệt độ để khơng khí có sương mù bao nhiêu? Trả lời: Từ bảng đặc tính nước bão hồ ta suy A  23 g m3 81 Và f  a  a  f A  75%.23  17.25 g m A Cũng theo bảng đặc tính 200 C độ ẩm cực đại khơng khí 17,3 g m3 Do điểm sương khơng khí xấp xỉ 200 C Câu 37 Nhiệt độ không khí phịng 150 C , độ ẩm tỉ đối 70% Thể tích phịng 100m Tính lượng nước phịng? Trả lời: Theo bảng đặc tính nước 150 C có độ ẩm cực đại A  12,8 g m3 Vậy lượng nước có phịng là: M=a.V=A.f.V=12,8.0,7.100=900(g) Câu 38 Nhiệt độ khơng khí phịng 200 C Điểm sương 120 C Tính độ ẩm tuyệt đối độ ẩm tỉ đối khơng khí nước có phịng Biết kích thước phòng là: 6m  4m  5m Trả lời: Độ ẩm tuyệt đối nhiệt độ 200 C độ ẩm cực đại điểm sương 120 C Theo bảng đặc tính nước bão hồ ta có a20  A12  10,7.103 kg Độ ẩm cực đại 200 C A20  17,3.103 kg  f 20  m3 m3 a20  0,62  62% A20  10,7.103 (6.4.5)=1,3 kg  Lượng nước có phịng M  aV 82 Câu 39 Khơng khí 300 C có độ ẩm tuyệt đối 21,53 g m3 Hãy xác định độ ẩm cực đại suy độ ẩm tỉ đối không khí 300 C Trả lời: Dựa vào bảng áp suất nước bão hoà bh khối lượng riêng  nó, khơng khí 300 C có độ ẩm cực đại (đo khối lượng riêng nước bão hồ khơng khí) nhiệt độ A  30,29 g m3 Do độ ẩm tỉ đối khơng khí 300 C là: f  a 21,53 100%  100%  71% A 30,29 Câu 40 Nhiệt độ ban ngày phòng họp 300 C độ ẩm tuyệt đối a  20,6 g m3 Biết áp suất nước bão hoà 300 C p0  31,8mmHg a) Tính độ ẩm tỉ đối f khơng khí b) Giả sử phịng kín tích 20m , muốn nước phịng bão hồ cần cung cấp thêm lượng nước bao nhiêu? (cho 1mmHg  1,3333.102 Pa) Trả lời: Độ ẩm cực đại A khơng khí là: A  Dbd    m p 31,8.1,3333.102.18    30,3 g m V RT 8,31.303 a) Độ ẩm tỉ đối khơng khí là: f  a 20,6   0,68  68% A 30,3 b) Lượng nước cần cấp thêm để khơng khí phịng bão hồ Mỗi m khơng khí cần cung cấp thêm lượng nước để trở thành bão hoà nhiệt độ 300 C là: m1  30,3  20,6  9,7 g Khối lượng tổng cộng cần thiết để cung cấp thêm cho khơng khí phịng trở thành bão hoà là: m  V m1  9,7.20  194( g) 83 Câu 41 Trong phịng có kích thước 5m  4m  3m 200 C có độ ẩm tỉ đối 70% a) Hãy xác định điểm sương b) Có nước tách khỏi khơng khí ẩm nhiệt độ phịng 110 C ? c) Khi độ ẩm tỉ đối khơng khí bao nhiêu? Trả lời: a) Xác định điểm sương Thể tích phịng là: V  5.4.3  60m3 Để xác định điểm sương cần xác định độ ẩm tuyệt đối Từ công thức f  a , A Suy a=0,7A Ở 200 C A  17,3.103 kg m3 Vậy a  0,7.17,3.103  12,1.103 kg m3 Theo bảng áp suất bão hoà nước nhiệt độ khác giá trị 12,1.103 kg m nằm khoảng nhiệt độ từ 100 C (ứng với A  9,4.103 kg 150 C (ứng với A  12,8.103 kg m ) Bằng cách nội suy: m3 ) đến x 12,1  9,4   0,8 12,8  9,4 Suy x  40 C Vậy điểm sương là: 100 C  40 C  140 C b) Tìm lượng nước ngưng tụ (khi nhiệt độ phịng 110 C ) Ở 110 C độ ẩm cực đại là: A  10.103 kg m3 (tính cách nội suy) Khối lượng nước ngưng tụ là: m  60(12,1.103 10.103 )  126.103 kg c) Lúc nước có khơng khí phịng trở nên bão hồ nên độ ẩm tỉ đối 100% 84 Câu 42 Khơng khí phịng kín tích 45m nhiệt độ 250 C có độ ẩm tương đối 50% Phải làm bay nước để có độ ẩm 60% Trả lời: Lượng nước chứa thể tích 45m nhiệt độ 250 C có độ ẩm tương đối  0,5.23.45  517,5(g) 50% là: m1  a.1V  B1.AV Lượng nước chứa thể tích 45m nhiệt độ 250 C có độ ẩm tương đối m2  a.2V  B2 AV  0,6.23.45  621( g) 60% là: Vậy lượng nước bay (lượng nước cần cung câp cho bầu khí này) m  m2  m1  621 517,5  103,5( g) Câu 43 Một bình kín dung tích 50lít chứa 5g nước 500 C Người ta làm lạnh đến 300 C điều kiện đẳng tích Tính khối lưọng nước hai trạng thái nhiệt hoá toả Coi nước khí lí tuởng bỏ qua thể tích nước lỏng Cho biết: áp suất nước bão hoà 500 C 12,33kPa 300 C 4,242kPa; cịn nhiệt hố riêng nước 500 C 2,38 MJ 300 C 2,40 MJ kg kg Hướng dẫn: Coi biến thiên nhiệt hoá riêng nước khoảng nhiệt độ từ 500 C đến 300 C tuyến tính để tìm nhiệt hố toả Trả lời: Tính lượng nước 500 C : m1  pV 12330 0,05  18   4,13g RT 8,31 323 Tính lượng nước 300 C : m2  4242  0,05  18  1,52g 8,31 303 Lượng nước hoá lỏng là: 4,13-1,52=2,61g 85 Để tính nhiệt hố toả ra, ta cần tính nhiệt hố riêng Vì đề cho biết khoảng nhiệt độ từ 500 C xuống 300 C nhiệt hố riêng biến thiên tuyến tính, ta lấy giá trị trung bình cộng, nghĩa là: r  2,38  2,4  2,39 MJ kg (ở r nhiệt hoá riêng) Lượng nhiệt hoá toả là: 2390  0,00261 6,238kJ Câu 44 Trong ngày khơng khí khơ có khối lượng riêng   1,25 kg m3 Ngày hôm sau độ ẩm không khí tăng lên khơng khí chứa 2% khối lượng nước Áp suất nhiệt độ hôm trước Hỏi khối lượng riêng khơng khí  ' lúc bao nhiêu? Khối lượng phân tử trung bình khơng khí khơ 28,8 g Khối lượng phân tử nước 18 g Coi khí mol mol khí lí tưởng Trả lời: Phương trình khí lí tưởng N phân tử pV=NkT Hai thể tích khí áp suất nhiệt độ chứa số phân tử, mật độ hai thể tích tỉ lệ với khối lượng phân tử trung bình chất khí Dưới ta dùng số k a để kí hiệu “khơ” “ẩm” Đối với khí khơ với khối lượng phân tử trung bình    k  mk N k mk p  V kT Đối với khí ẩm với khối lượng phân tử trung bình a  ma Đối với khối lượng M khí khơ N ~ Na ma p  V kT M 28,8 Đối với khối lượng M’ khí ẩm N a ~ 0,02 M' M'  0,98 18 28,8 86 Ta có N k  N a Do a M '   k M  0,9881  0,02 0,98  28,8    18 28,8   '   a  0,9925 k  1,2352kg m3 Câu 45 Một ống nghiệm hình trụ, tiết diện S  2cm úp ngược vào chậu thuỷ ngân giữ thẳng đứng, mức N thuỷ ngân chậu coi không đổi Trong ống nghiệm giam lượng không khí    29 g mol  Khi mức n   thuỷ ngân ống nghiệm mức N chậu ngang cột khơng khí ống nghiệm có chiều cao h=5m, nhiệt độ t  150 C áp suất khí bên p=76cmHg Bây người ta đưa vào ống nghiệm 0,015g chất dễ bay mà áp suất bão hồ 150 C pbh  19cmHg có khối lượng riêng áp suất bão hoà   9.104 g cm3 Tìm độ chênh lệch hai mực thuỷ ngân n N Trả lời: Trước tìm đáp số toán, ta cần xác định đảm bảo ống nghiệm chất lỏng luôn bão hồ Muốn vậy, ta tính thể tích tối đa không gian giới hạn ống nghiệm chứa bão hồ chất lỏng, là: Vgh  0,015  16,6cm3 9.104 Như vậy, chiều cao tối đa cột khí là: hgh  16,6  8,3cm Và khoảng dịch chuyển thẳng đứng lên phạm vi: 8,3-5=3,3cm Không gian ống nghiệm chứa hỗn hợp khí gồm có khơng khí bão hồ chất lỏng Để tính độ chênh lệch hai mức n N, ta áp dụng định luật Bơilơ-Mariốt khơng khí định luật Đan-tơn hỗn hợp khí Gọi y độ hạ thấp mức n, ta có phương trình: 76  5.S  19  76  y (5  y)S Suy phương trình bậc hai là: y  62y  95  87 Nghiệm phương trình bậc hai là: y=1,49cm y=-63,49cm Ta chọn giá trị y=1,49cm Chú ý: Theo đề cho mức N thuỷ ngân chậu coi không đổi Câu 46 Máy điều hồ trang bị cho phịng làm việc giây hút 2m khơng khí từ khí có nhiệt độ t1  400 C độ ẩm tương đối 85% Máy làm cho lượng không khí lạnh xuống đến t2  50 C đưa vào phòng làm việc Sau thời gian máy hoạt động, nhiệt độ phòng hạ xuống t3  250 C Tính lượng nước ngưng tụ máy máy hoạt động tính độ ẩm tương đối phòng Cho biết áp suất bão hoà nhiệt độ t1 , t , t3 tương ứng p1bh  7400Pa , p2bh  870Pa , p3bh  3190Pa Trả lời: Áp suất nước khí p1  f p1bh  0,85.7400  6290(Pa) Khối lượng riêng nước nhiệt độ t1 D1    p1 6290.18   43,53 g m RT1 8,31(273  40) Ở máy điều hồ, khơng khí có nhiệt độ nên khối lượng nước bão hoà nhiệt độ t D2    p2bh  870.18   6,78 g m RT2 8,31(273  5) Lượng nước ngưng tụ 1m không khí M  D2  D1  43,53  6,78  36,75( g) Lượng nước ngưng tụ máy hoạt động m  M.2.3600  36,75.2.3600  264,6.103 ( g) Khơng khí phịng khơng khí qua máy có khối lượng D Khi nhiệt độ phòng nhiệt độ khối lượng riêng nước bão hoà là: D3    p3bh  3190.18   23,19 g m RT3 8,31.(273  25) Độ ẩm tương đối phòng f  D2 6,78 100%  100%  29, 24% D3 23,19 88 Câu 47 Một bình chứa m1  20 g khơng khí khơ t1  5000 C áp suất p1  1atm a) Tính thể tích bình chứa b) Người ta đưa vào m2  g nước dạng lỏng t  1000 C Giả sử nước bay hồn tồn Tìm nhiệt độ cuối t f áp suất cuối p f Biết thành bình đoạn nhiệt Cho Cv1  0,71 J khơng khí khơ Cv1\  1,59 J nước kg.K kg.K Nhiệt chuyển pha nước 1000 C Lv  2253 J g Trả lời: a)Không khí khơ xem khí lí tưởng với khối lượng mol M  29 g mol V nRT m1 RT  p1 Mp1 b) Khi ta thêm 2g nước dạng lỏng 1000 C , chất lỏng bay bán phần tồn phần Theo đề bay tồn phần thể tích coi khơng đổi (vì bình kín xảy đoạn nhiệt) Gọi U biến thiên nội khơng khí khơ Ta có: U1  m1.Cv1.(t f  500) Gọi U biến thiên nội nước lỏng 1000 C áp suất 1atm chuyển hoá thành nước 1000 C áp suất 1atm Ta có: U  m2 Lv  ( p1V )  m2 Lv  p(V f  Vi ) Với V f thể tích 2g nước lỏng 1000 C Vi thể tích 2g nước 1000 C áp suất 1atm, khối lượng mol 18 g Với V f  m2 mol RT2 p1 Hơi nước xem khí lí tưởng Vi nhỏ so với V f 89 U  m2 Lv  pV f  m2 Lv  Ta có: m2 RT2 M Gọi U biến thiên nội nước mà nhiệt độ thay đổi từ 1000 C đến tf U  m2 Cv2 (t f  100) Ta có Cuối ta có U1  U  U3  Suy t f  m2 RT2  m2 Lv M m1 Cv1  m2 Cv m2 Cv 100  m1 Cv1 500  Hỗn hợp cuối đạt nhiệt độ xem khí lí tưởng Câu 48 Trong xilanh có pittơng dùng để nén hay dãn khí, chứa khơng khí 250 C với độ ẩm tỉ đối 56% Đẩy từ từ pittơng làm giảm thể tích buồng kín cho nước xilanh chuyển sang trạng thái bão hồ Cho q trình nén khí đẳng nhiệt, tính thể tích khí xilanh sau q trình nén biết thể tích ban đầu 500cm3 Trả lời: Vì độ ẩm tỉ đối đại lượng tính tỉ số phần trăm áp suất riêng phần p nước áp suất p0 nước bão hồ khơng khí nhiệt độ f  p 100% p0 Theo đề ta biết q trình nén khí đẳng nhiệt, áp dụng phương trìnhBơilơ-Mariốt: p.V1  p0 V2  V2  p.V1  f V1  0,56.500  269cm3 p0 Câu 49 Đối với nhiều chất tồn giá trị nhiệt độ Tdb áp suất mà pdb tất ba pha rắn, lỏng khí nằm cân với Điểm mà ba pha tồn 90 gọi điểm ba Đối với nước Tdb  0,00750 C , nhiệt hoá riêng điểm ba r  595,8 cal , g nhiệt nóng chảy riêng   79,7 cal Tìm nhiệt thăng g hoa riêng (sự thăng hoa chuyển trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái khí) nước gần điểm ba Trả lời: Ở hình bên đưa giản đồ trạng thái chất toạ độ p-V Ta xét chu trình thực chất có khối lượng m gần điểm ba Trong chu trình trình tự xảy chuyển pha sau: nóng chảy  bay  biến đổi (khí) trực tiếp thành chất rắn Từ nguyên lí thứ nhiệt động lực học suy co thắt khơng giới hạn chu trình đến điểm ba rm  m  m  Trong  nhiệt thăng hoa riêng (công hệ sau chu trình khơng, khơng có đưa nhiệt vào từ bên ngoài, thay đổi nội toàn phần hệ khơng) Do đó:   r   Khi thay số liệu nước ta tìm nhiệt thăng hoa riêng nước   675,5cal Câu 50 Cách chưng cất rượu thủ công từ gạo (từ cơm) sau: Người ta ủ cơm từ men vào nước sôi đem đun sôi lên từ nồi cơm bốc lên hỗn hợp gồm có rượu nước Cho hỗn hợp vào ống xuyên qua nồi ngưng chứa nước lạnh, hỗn hợp ngưng tụ lại thành dung dịch nước pha rượu, sau dung dịch chảy vào bình hứng Hỏi người ta hứng lít nước pha rượu nồi ngưng nhận nhiệt hoá hơi? Biết dung dịch nước pha rượu có 40% khối lượng rượu 60% khối lượng nước 91 Cho biết nhiệt hoá nước Ln  2260 kJ rượu Lr  963kJ : nhiệt độ kg kg ngưng tụ, khối lượng riêng nước  n  998,4 kg  r  790 kg m3 m3 rượu Bỏ qua tổn thất nhiệt toả ngồi khơng khí Trả lời: Để tính nhiệt hố toả cho nồi ngưng, ta phải tính khối lượng rượu khối lượng nước có lít dung dịch nước pha rượu hứng Gọi x khối lượng rượu y khối lượng nước có lít dung dịch, ta thiết lập hai phương trình sau: x 40    y  1,5x y 60 Và y x   0,001 790 998,4 Đưa (1) vào (2), ta có (1) (2) 1,5 y x   0,001 790 998,4 (3) Từ (3) ta tìm được: x  0,362kg y=1,5x=0,543kg Nhiệt hoá toả từ rượu ngưng tụ là: 0,362  96300  348606J Nhiệt hoá toả từ nước ngưng tụ là: 0,543  2260000  1227180J Tóm lại, nhiệt hố mà bình ngưng nhận ta hứng lít nước pha rượu là: 348606+1227180=1575786 92 KẾT LUẬN Chuyển pha vật chất chủ đề thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học giới Đặc biệt loại chuyển pha loại hai Các nhà Vật lý lí thuyết thực nghiệm nổ lực tìm hiểu qui luật biến đổi thơng số kĩ thuật định để tìm vật liệu nhằm mục đích phục vụ cho khoa học đời sống Hiện vật liệu tìm thay cho vật liệu cũ, mang nhiều lợi hẳn Tuy nhiên ứng dụng phạm vi nhỏ Hy vọng tương lai gần, vật liệu tìm mở chân trời cho cơng nghiệp đại tồn giới, đem lại nhiều lợi ích bối cảnh nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày khan cạn kiệt Ở nước ta việc nghiên cứu sáng tạo vật liệu từ trình chuyển pha cịn mẻ Khóa luận trình bày lí thuyết số q trình chuyển pha loại chuyển pha loại hai, đồng thời giới thiệu vài dạng câu hỏi tập chuyển pha chương trình Vật lý phổ thông Với mong muốn đem lại cho bạn đọc, đặc biệt bạn sinh viên số hiểu biết số trình chuyển pha vật chất, chúng tơi cố gáng thu thập trình bày kiến thức cách ngắn gọn, dễ hiểu Tuy nhiên, điều kiện thời gian nghiên cứu đề tài có hạn nên khơng tránh khỏi hạn chế, thiếu sót Chúng tơi mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn Xin chân thành cảm ơn 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Nguyễn Tư Bân, Giáo trính Nhiệt, Đại Học khoa học Sài Gịn Lương Dun Bình, Nguyễn Xn Chi, Tơ Giang, Trần Chí Minh, Vũ Quang, Bùi Gia Thịnh (2010), Vật lí 10 – Sách giáo viên, Nhà xuất giáo dục Việt Nam Lương Dun Bình, Tơ Giang, Nguyễn Xuân Chi, Bùi Gia Thịnh, Vũ Quang, Trần Chí Minh (2009), Vật lí 10, Nhà xuất giáo dục Nguyễn Hữu Đức (2003), Vật lý chuyển pha, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Tơ Giang, Đặng Đình Tới, Bùi Trọng Tn (2012), Tài liệu chuyên Vật lí – Bài tập Vật lí 10, Nhà xuất giáo dục Việt Nam TS Nguyễn Quang Học, ThS Vũ Thị Phương Anh (2001), Các tập hay Vật lý sơ cấp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Trần Ngọc Hợi, Phạm Văn Thiều (2006), Vật lí đại cương – nguyên lí ứng dụng – tập một: Cơ học Nhiệt hoc, Nhầ xuất giáo dục Nguyễn Thế Khôi, Phạm Quý Tư, Lương Tất Đạt, Lê Chân Hưng, Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Đình Thiết, Bùi Trọng Tuân, Lê Trọng Tường (2009), Vật lí 10 nâng cao – Sách giáo viên, Nhà xuất giáo dục Nguyễn Thế Khôi, Phạm Quý Tư, Lương tất Đật, Lê Chân Hưng, Phạm Đình Thiết, Bùi TRọng Tuân, Lê Trọng Tường (2006), Vật lí 10 nâng cao, Nhà xuất giáo dục 10 Mai Thị Kiều Liên (2009), Siêu dẫn ứng dụng siêu dẫn, Khóa luận tốt nghiệp, Khoa Vật lý, trường Đại Học Sư Phạm – Đại Học Đà Nẵng 11 ThS Lê Tấn Nghĩa, Giáo trình Nhiệt động lực học Vật lý thống kê, Đại Học Sư Phạm – Đại Học Đà Nẵng 12 ThS Lê Tấn Nghĩa, Giáo trình Vật lý phân tử nhiệt học, Đại Học Sư Phạm – Đại Học Đà Nẵng 13 TS Trần Ngọc (2011), Phân loại phương pháp giải dạng tập Vật lí 10, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội 14 Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý tượng từ, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội 94 15 Lê Trọng Tường, Lê Tất Đạt, Lê Chân Hưng, Phậm Đình Thiết, Bùi Trọng Tuân (2006), Bài tập Vật lí 10 – nâng cao, Nhầ Xuất giáo dục 16 http://doc.edu.vn 17 http://en.wikipedia.org 18 http://www.google.com 19 http://www.khoahoc.com.vn 20 http://mientayvn.com 21 http://phanminhchanh.info 22 http://svnet.vn 23 http://thuvienso.com.vn 24 http://ttvnol.com 25 http://updatebook.net 26 http://vi.wikipedia.org 95 ... chương: Chương 1: Chuyển pha thể Chương 2: Lý thuyết chuyển pha loại chuyển pha loại hai Chương 3: Một số trình chuyển pha tiêu biểu Chương 4: Một số câu hỏi tập chuyển pha chương trình Vật lý phổ thông... loại chuyển pha có ứng dụng quan trọng sống kĩ thuật chuyển pha loại chuyển pha loại hai Chuyển pha loại chuyển pha có kèm theo hấp thụ nhiệt hay tỏa nhiệt Các trình chuyển hóa đa hình, chuyển pha. .. hai pha pha (a) Pha lỏng pha khí (b) Pha rắn pha khí Đặc điểm cân hai pha (ví dụ pha lỏng pha rắn), pha trạng thái tĩnh, hồn tồn khơng có chuyển pha, mà ngược lại có chuyển pha liên tục từ pha