M (2.9) Theo định nghĩa (2.9) thì mômen độ ng l ượ ng
c. Nhiệt trong quá trình cân bằng – nhiệt dung
10.1. Lực tương tác phân tử và thế năng tương tác 1.Lực tương tác phân tử
10.1.1.Lực tương tác phân tử
Các phân tử cấu tạo từ các nguyên tử. Mỗi nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương (+) và các electron mang điện tích âm (−) quay xung quanh hạt nhân.
Do tương tác giữa các điện tích (trái dấu hoặc cùng dấu) nên giữa các phân tử sinh ra lực tương tác hút hoặc đNy
nhau. Những lực này phụ thuộc vào khoảng cách (r) giữa chúng. Nếu quy ước lực đNy là dương (+) như hàm f1, lực hút là âm (−) như hàm f2 trên hình 10.1, thì khi các phân tử ở gần nhau (r nhỏ), lực đNy f1 chiếm ưu thế f1 > f2 . Khi các phân tử ở xa nhau (r lớn) thì lực hút chiếm ưu thế f1 < f2 . Vậy lực tổng hợp tương tác giữa hai phân tử sẽ là: f (r) = f1 + f2 Lực tổng hợp này có dạng Parabol không đối xứng và cắt trục hoành tại ro. Giá trị của ro xác định cỡ 3.10−10 m. Ứng với nó, lực tương tác tổng hợp (f) bằng không. Tại vị trí này các phân tửở trạng thái cân bằng. Hình 10.1 còn cho thấy:
Khi r = r0≈ 3.10-10 m thì f = 0:
r < r0, lực đNy (f1) chiếm ưu thế vì vậy lực tổng hợp f > 0. r > r0, lực hút (f2) chiếm ưu thế vì vậy lực tổng hợp f < 0.
10.1.2.Thế năng tương tác giữa các phân tử
Nếu biết lực tương tác giữa các phân tử ta tìm được thế năng tương tác giữa chúng.
Gọi ∆A là công của lực tương tác giữa hai phân tử khi chúng dịch chuyển một đoạn ∆r thì:
∆A = f.∆r (10.1a)
đại lượng này chính bằng độ giảm thế năng ∆Et.
∆A = f.∆r = ∆Et (10.1b) Et gọi là thế năng tương tác giữa các phân tử.
Đồ thị Et (r) phụ thuộc khoảng cách (r) trong hình 10.1 cho thấy: khi r →∞ thì f(r) → 0. Vậy nếu ta chọn Et (r = ∞) = 0, từ r = ∞ giảm dần về phía gốc toạ độ thì f 0 f1 (lực đNy) f = f1 + f2 0 r0 f2 (lực hút) r ∆Et ∆Et min t E ∆ ∆r Et Et1 E2 r1 0 r Chiều dịch chuyển r r2 r0 r2 r1 ∆r Hình 10.1. Lực và thế năng tương tác của các phân tử khí thực
là lực hút (< 0) cùng chiều với độ dịch chuyển r. Do đó, ∆A > 0 nghĩa là sự thay đổi thế năng giữa hai điểm r1 và r2 là giảm dần: ∆A = −∆Et = 1 2 t t E −E >0
Tiếp tục giảm khoảng cách r cho đến khi r = ro ta thu được giá trị thế năng tương tác là thấp nhất. Tại đây ứng với trạng thái cân bằng, năng lượng tương tác của các phân tử là cực tiểu. Nếu tiếp tục giảm r thì f sẽ là lực đNy (> 0) (ngược chiều dịch chuyển r) nên ∆A < 0 nghĩa là: Et < 0 do đó thế năng tăng dần. Tại đây tổng hợp lực f tăng rất nhanh, nên Et cũng tăng nhanh. Vì vậy xung quanh vị trí cân bằng (ro) của các phân tửứng với năng lượng cực tiểu hình thành một hố có dạng parabol không đối xứng: hố sâu đó được gọi là hố thế năng. Người ta có thể dựa vào mức thay đổi của hố thế năng để giải thích một số hiện tượng chuyển động nhiệt và sự tồn tại của vật ở các dạng rắn, lỏng, khí. Chẳng hạn như:
Ở vật rắn: năng lượng chuyển động nhiệt của phân tử cỡ kBT < Et(min), vì vậy các phân tử nằm ở những vị trí cân bằng bền. Chuyển động nhiệt của các phân tử chỉ dao động quanh các vị trí đó.
Với chất lỏng: Năng lượng chuyển động nhiệt của phân tử vào cỡ kBT ≈ Et(min), nên các phân tử vừa dao động quanh vị trí cân bằng lại vừa có thể dịch chuyển trong cả khối chất lỏng.
Với chất khí: Năng lượng chuyển động nhiệt của phân tử là kBT > Et(min), vì vậy các phân tử khí chuyển động tự do trong cả khối khí.
Như vậy: Nghiên cứu lực tương tác và thế năng tương tác của phân tử giúp ta hiểu rõ cấu tạo và chuyển động phân tử trong các chất. Đồng thời có thể thiết lập phương trình trạng thái của chúng.