8. Các chữ viết tắt trong đề tài
2.4.2.2. Các định luật và phương trình cơ bản
a) Các định luật cơ bản.
Vì thuyết động học phân tử là sự vận dụng cơ học Newton vào thế giới vi mô, nên trong hệ thống các định luật dùng trong thuyết động học phân tử phải kể đến đầu tiên là các định luật cơ học của Newton. Bên cạnh những định luật trên là lớp các định luật bảo toàn như định luật bảo toàn năng lượng, định luật bảo toàn động lượng, định luật bảo toàn khối lượng…
Tuy nhiên khác với cơ học Newton, đối tượng của thuyết động học phân tử là hệ gồm một số rất lớn các phân tử chuyển động hỗn loạn. Do đó không thể dùng các quy luật toán học áp dụng cho những hệ chỉ bao gồm một số không lớn các vật để tác động lên hệ này.
Để mô tả nhiều hạt ta phải dùng phương pháp thống kê xây dựng trên cơ sở của lý thuyết xác suất. Ở đây vấn đề không phải chỉ ở chổ không thể giải được một tập hợp quá nhiều phương trình mà chủ yếu là ở chổ các hệ vô số hạt mang một tính chất khác hẳn các hệ thông thường, đó là tính chất thống kê. Cụ thể là hành vi của hệ nhiều hạt ở thời điểm đang xét hoàn toàn không phụ thuộc vào các điều kiện ban đầu. Các va chạm ngẫu nhiên của phân tử làm cho chúng chuyển động hỗn loạn, các điều kiện ban đầu không ảnh hưởng tới các tính cách kế tiếp của toàn bộ hệ.
Do đó hành vi của từng phân tử thì tuân theo các định luật động lực học của Newton, nhưng toàn bộ hệ thì tuân theo các quy luật thống kê, xác suất.
Vận dụng các định luật trên vào những mô hình cấu trúc vật chất sẽ thu được những phương trình mô tả các thuộc tính của vật chất ở những trạng thái khác nhau.
Trang 42
Clausius được coi là một trong những người sáng lập ra thuyết động học phân tử. Ông đã vận dụng thành công thuyết này vào việc nghiên cứu các chất khí.
Clausius cho rằng các phân tử khí chuyển động thẳng đều cho tới khi va chạm vào những phân tử khác. Va chạm giữa các phân tử là tuyệt đối đàn hồi.
Dựa trên những giả thuyết này Clausius xây dựng mô hình của khí lý tưởng.
- Khí lý tưởng được cấu tạo bởi những phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng.
- Thể tích riêng của các phân tử rất nhỏ có thể bỏ qua so với thể tích mà khí chiếm. Do đó các phân tử khí có thể coi là những chất điểm.
- Các phân tử khí chỉ tương tác với nhau trong quá trình va chạm, ngoài lúc va chạm, lực tương tác giữa chúng có thể bỏ qua. Va chạm giữa các phân tử khí với nhau hoặc với thành bình là những va chạm tuyệt đối đàn hồi.
Việc bỏ qua kích thước của các phân tử khí, tương tác giữa chúng khi chưa va chạm và coi va chạm của chúng là tuyệt đối đàn hồi làm cho mô hình trở nên đơn giản, thuận lợi cho việc vận dụng các định luật cơ học và thống kê.
Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn, va chạm vào thành bình gây áp suất lên thành bình. Giữa áp suất của chất khí và chuyển động của các phân tử khí phải có mối quan hệ khắng khít.
Dùng các định luật của cơ học Newton để xác định lực của một phân tử khi tác dụng lên thành bình; sau đó dùng quy luật thống kê suy ra tác dụng gây áp suất lên thành bình của tập hợp các phân tử khí trong bình, Clausius tìm ra phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử đối với chất khí.
Wd n P 3 2
Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử về chất khí cho thấy mối quan hệ giữa đại lượng vĩ mô Pđặc trưng cho tác dụng tập thể của các phân tử và đại lượng vi mô n và Wd đặc trưng cho phân tử và chuyển động của phân tử. Nó vạch ra cơ chế vi mô của áp suất chất khí lên thành bình và phản ánh một cách tường minh các quan điểm cơ bản của thuyết. Phương trình có tính thống kê, các đại lượng dùng trong phương trình là các đại lượng thống kê chỉ có thể nói tới áp suất và động năng trung bình của một tập hợp rất lớn các phân tử, không thể nói tới áp suất cũng như động năng của một hoặc một số phân tử.