C. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM – BÌNH LUẬN :
2. Nghiên cứu lý thuyết :
2.1. Các khái niệm về hệ nhiệt động :
o Hệ nhiệt động là tập hợp các chất cĩ cùng trạng thái.
o Hệ cơ lập là hệ khơng đổi cả về chất và về năng lượng với mơi trường bên ngồi. o Hệ kín là hệ khơng trao đổi chất với mơi trường bên ngồi. Hệ mở : Đối với các hệ cịn lại.
oTrạng thái cân bằng là trạng thái mà các thơng số của hệ khơng thay đổi theo thời gian và tính bất biến đĩ khơng phụ thuộc vào mơi trường bên ngồi.
oTrạng thái khơng cân bằng là các trạng thái mà các thơng số (P, V, T,...) thay đổi theo thời gian.
oQuá trình cân bằng là quá trình gồm một chuỗi biến đổi liên tiếp các trạng thái cân bằng. Quá trình cân bằng là quá trình lý tưởng, trong thực tế chỉ cĩ những quá trình gần cân bằng.
oQuá trình khơng cân bằng là quá trình gồm các trạng thái mà trong đĩ cĩ một số trạng thái khơng cân bằng.
2.2. Nhiệt phản ứng : 2.2.1 Khái niệm : 2.2.1 Khái niệm :
Trong quá trình phản ứng, một hệ kín cĩ thể xảy ra các hiện tượng nhiệt.
Nếu hệ giải phĩng nhiệt, đĩ là phản ứng toả nhiệt, ngược lại, nếu hệ nhận nhiệt của mơi trường thì phản ứng thu nhiệt.
Nhiệt phản ứng là nhiệt trao đổi giữa phản ứng với mơi trường ngồi. Ký hiệu: Q Q > 0 nếu hệ thu nhiệt; Q < 0 nếu hệ toả nhiệt.
2.2.2. Nhiệt phản ứng đẳng tích :
Nhiệt phản ứng đẳng tích là nhiệt lượng trao đổi trong quá trình phản ứng, trong đĩ từ trạng thái đầu sang trạng thái cuối hệ cĩ thể tích khơng đổi và nhiệt độ ở hai trạng thái đĩ bằng nhau.
Theo nguyên lý I : , ∆ =U W + Q V Với 2
1 P P W = - PdV = 0∫ Suy ra : ∆ =U Q V 2.2.3. Nhiệt phản ứng đẳng áp :
Nhiệt phản ứng đẳng áp là lương nhiệt trao đổi trong quá trình phản ứng trong đĩ từ trạng thái đầu sang trạng thái cuối, hệ cĩ áp suất khơng đổi và nhiệt độ hai trạng thái đĩ bằng nhau: Theo nguyên lý I : ∆ =U W + Q P (1) Mà : 2 1 P 2 1 1 1 2 2 P W = - PdV =∫ −P V( −V)=PV −PV (trong đĩ P1 = P2 = P) (2) Từ (1) và (2) suy ra : U2−U1=QP+PV1−PV2 Hay : (U2+PV2) (− U1+PV1)=QP
Đặt H U PV= + , gọi là hàm entanpi, là một hàm trạng thái
Từ đĩ suy ra : QP = ∆H
2.2.4. Mối quan hệ giữa QPvà Q V :
Ta cĩ : QP =U2−U1+P V( 2−V1)=U2−U1+(n2−n RT1) vậy : QP = ∆ + ∆U nRT
n1 : số mol các chất phản ứng; n2 : số mol các chất tạo thành; ∆ = −n n2 n1
2.3. Các định luật về Nhiệt phản ứng : 2.3.1. Định luật Hess : 2.3.1. Định luật Hess :
oPhát biểu : Nhiệt phản ứng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối của các chất tham gia và các chất tạo thành chứ khơng phụ thuộc vào các giai đoạn trung gian.
oCác hệ quả :
- Hiệu ứng nhiệt của phản ứng thuận bằng hiệu ứng nhiệt của phản ứng nghịch
nhưng ngược dấu
- Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng nhiệt tạo thành của các sản phẩm trừ đi nhiệt tạo thành của các chất tham gia.
2.3.2. Định luật Kirchoff : Biểu thức : P P P P Q H C T T ∂ ∂∆ = = ∆ ∂ ÷ ∂ ÷
Với ∆CP =CP2 −CP1, (CP2, CP1: nhiệt dung riêng của sản phẩm tạo và chất tham gia phản ứng ở áp suất khơng đổi).
2.4. Năng lượng liên kết - Nhiệt phản ứng :
Năng lượng liên kết là năng lượng cần thiết để phá vỡ một liên kết hố học.
Phản ứng hố học về bản chất là phá vỡ liên kết cũ, hình thành liên kết mới. Do đĩ, nếu phản ứng thực hiện ở áp suất và nhiệt độ khơng đổi thì sự biến thiên của Entanpi của phản ứng chính bằng tổng năng lượng của các liên kết mới hình thành trừ đi tổng năng lượng của các liên kết bị phá vỡ.Vì vậy, nếu biết được năng lượng của các liên kết cĩ thể tính được nhiệt phản ứng.
3. Thí nghiệm : 3.1. Mơ tả thiết bị :
Thiết bị bao gồm : Một nhiệt lượng kế cĩ đũa khuấy; Đầu dị nhiệt độ.; Cân điện tử.; Đồng hồ điện tử bấm giây.; Ống nghiệm cĩ chia độ; Lọ thuỷ tinh.
3.2. Trình tự thí nghiệm :
- Cân 2g bột kẽm trong một đĩa plastic.
- Tạo dung dịch CuSO4 nồng độ 0,1 mol/ l trong bình thí nghiệm.
- Cho khoảng 150 ml dd này trong nhiệt lượng kế. Đặt đầu dị nhiệt độ để đo nhiệt độ nhiệt lượng kế.
- Lấy đầu dị ra kỏi nhiệt lượng kế, nếu khơng bột kẽm bám vào đầu dị dẫn đến kết quả sai.
- Cho kẽm vào, cho đũa khuấy hoạt động, đặt đầu dị nhiệt.
- Cứ sau 30 giây, khi nhiệt độ hỗn hợp, trong khi đĩ vẫn khuấy hỗn hợp. - Đợi đến khi cĩ cân bằng nhiệt sau cùng, ghi nhiệt độ sau cùng θf.
- Dựa vào các số liệu thu được, vẽ đồ thị nhiệt độ theo thời gian.
3.3. Kết quả thí nghiệm : 3.3.1. Kết quả :
Nhiệt độ cân bằng của dung dịch CuSO4 lúc đầu là θ =i 280C.
Cho kẽm vào, ta thấy nhiệt độ của nhiệt lượng kế tăng lên, ghi nhận kết quả ta cĩ bảng số liệu sau : t [phút] 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 θ [0C] 28 28.1 28.2 28.4 28.5 28.7 28.8 29.1 29.3 29.5 t [phút] 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 θ [0C] 29.6 29.8 30 30.2 30.3 30.5 30.7 30.9 31.2 31.4 t [phút] 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 θ [0C] 31.5 31.6 31.7 31.7 31.8 31.8 31.9 31.9 31.9 32
Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian xảy ra phản ứng :
27.5 28 28.5 29 29.5 30 30.5 31 31.5 32 32.5 θ [0C]
Nhiệt độ cân bằng của dung dịch CuSO4 lúc sau bằng : θ =f 32 C
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp : 1 1 4185
hh
c = JKg K− −
3.3.2. Tính nhiệt phản ứng:
Thí nghiệm thực hiện ở áp suất khơng đổi, nên nhiệt phản ứng ở đây là nhiệt phản ứng đẳng áp.
P
Q Q= = ∆H
Phương trình phản ứng : Zn CuSO+ 4 =ZnSO4 +Cu
Ta cĩ : nCuSO4 =C VM. =0.1 0.15 0.015× = [mol] 2 0.0306 65.4 Zn Zn Zn m n M = = = [mol] 4 CuSO Zn
n <n nên CuSO4 phản ứng hết cịn Zn cịn dư. Hỗn hợp sau phản ứng gồm : Zn dư, Cu, ZnSO4, H2O Theo định luật bảo tồn khối lượng mhh khơng đổi.
Do đĩ : mhh =mZn+mdd CuSO. 4 2 Zn m = g 4 2 4 . 150 159.5 0.015 152.3925 152.4 dd CuSO H O CuSO m =m +m = + × = ≈ g 3.3.3. Nhiệt phản ứng : ( ) hh hh f i Q = ∆ =H m c θ θ− =0.1544 4185 (33.9 29.3)× × − =2972.354 J 3.3.4. Tính sai số :
Trong quá trình tiến hành thí nghiệm cĩ những sai số, dẫn đến sai số của phép tính nhiệt phản ứng : 0.000005 hh m Kg ∆ = ; ∆(θ θf − i) 0.05= 0C Do đĩ : ( ) ( f i)) 0.01 f i m H m θ θ θ θ ∆ − ∆ ∆ ∆ = + = − Kết quả : ∆ =H 2973.354 0.01±
3.3.5. Giải thích hiện tượng :
Vì Zn là kim loại mạnh hơn Cu trong dãy hoạt động hố học nên nĩ đẩy được ion Cu2+ ra khỏi khối muối CuSO4 , đồng thời năng lượng liên kết của Cu2+ với SO42- nhỏ hơn năng lượng liên kết của 2
Zn + với 2 4
SO − nên phản ứng là toả nhiệt.Nếu điều kiện thí nghiệm là lý tưởng, tức là nếu hệ cơ lập thì tồn bộ nhiệt của phản ứng tỏa ra sẽ dùng để làm cho hỗn hợp nĩng lên.
Theo lý thuyết, ta cĩ phương trình :
4 4 231040
Tức là 1 mol CuSO4 tác dụng với 1 mol Zn sẽ toả ra một nhiệt lượng là 2310040J. Suy ra : 0.015 mol CuSO4 tác dụng với 0.015 mol Zn sẽ toả ra một nhiệt lượng là :
' 0.015 231040 3465.6
Q = × = J
3.3.6. Nhận xét :
Như vậy trên lý thuyết, nhiệtt độ hỗn hợp tăng lên : 0 ' 3465.6 5.36 0.1544 4185 hh hh Q T C m C ∆ = = = ×
Nhưng trên thực tế, ta nhận được kết quả khơng hồn tồn giống với lý thuyết, điều đĩ bắt nguồn từ một số nguyên nhân chính sau đây :
+ Hệ khơng hồn tồn cơ lập, tức là vẫn cịn trao đổi nhiệt với bên ngồi, dẫn đến nhiệt lượng bị thất thốt một phần, tuy rất nhỏ nhưng vẫn khiến kết quả là ∆ <H Q'.
+ Sai số trong việc cân đo các chất để tiến hành thí nghiệm, sai số khơng lớn nhưng cũng ảnh hưởng đến kết quả tính nhiệt phản ứng.
+ Trong quá trình khuấy cĩ thể cĩ một phần các chất tham gia phản ứng tràn ra ngồi. Thao tác đọc nhiệt độ cĩ thể cịn mắc sai số. Quá trình bấm giây cĩ thể khơng được thật chính xác.
+ Tuy nhiên đồ thị nhận được cũng phù hợp với lý thuyết : Do phản ứng xảy ra tương đối nhanh, nên ngay từ khi tiến hành đo, nhiệt độ đã tăng lên. Khi phản ứng xảy ra, ban đầu tăng rất nhanh do nồng độ các chất cịn rất nhiều (tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ), phản ứng xảy ra nhanh, đồ thị nhiệt độ cĩ độ dốc tương đối lớn.
- Nhưng ta vẫn khơng thể khơng thừa nhận tốc độ phản ứng cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, nhưng ở đây, nồng độ ảnh hưởng nhiều hơn vận tốc phản ứng, nên phần sau nhiệt độ tăng chậm dần.
BÀI I :...1
NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG...1
CỦA CON LẮC TRỌNG LỰC...1
A. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ DAO ĐỘNG CƠ HỌC...1
1. Dao động tử điều hồ :...1
2. Dao động điều hồ tắt dần bởi lực ma sát nhớt :...1
2.1. Dao động điều hồ tắt dần :...1
3. Áp dụng khảo sát dao dộng của con lắc trọng lực :...2
3.1. Những dao động nhỏ của con lắc :...2
3.2. Những dao động tổng quát của con lắc :...4
3.3. Mặt phẳng pha :...4
3.3.1. Sự mơ tả pha :...4
3.3.3. Hình ảnh pha của một dao động tử điều hồ khơng tắt dần :...5
3.3.4. Hình ảnh pha của một dao động tử điều hồ khơng tắt dần :...5
3.3.5. Hình ảnh pha của một con lắc đơn cĩ biên độ lớn :...5
B. THÍ NGHIỆM VỀ DAO ĐỘNG CƠ HỌC CỦA CON LẮC TRỌNG LỰC...6
1. Mục đích thí nghiệm :...6
2. Mơ tả thiết bị thí nghiệm :...6
2. Tiến hành thí nghiệm :...6
2.1. Khảo sát chế độ tuyến tính của dao động với biên độ nhỏ :...6
2.2. Khảo sát chế độ tuyến tính của dao động với biên độ lớn :...6
2.3. Khảo sát chế độ tuyến tính của dao động quay vịng :...6
C. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM – BÌNH LUẬN :...7
1. Chế độ tuyến tính của dao động với biên độ nhỏ :...7
1.1. Chế độ khơng ma sát :...7
1.2. Chế độ ma sát nhớt (ma sát chất lưu) :...8
1.3. Chế độ ma sát cổ trục:...9
2. Chế độ tuyến tính của dao động với biên độ lớn :...11
2.1. Chế độ khơng ma sát :...11
2.2. Chế độ ma sát nhớt (ma sát chất lưu) :...12
2.3. Chế độ ma sát trục:...13
3. Chế độ tuyến tính của dao động quay vịng :...14
3.1. Chế độ khơng ma sát :...14
3.2. Chế độ ma sát nhớt (ma sát chất lưu) :...15
3.3. Chế độ ma sát trục:...16
BÀI 2 :... 18
KHẢO SÁT DAO ĐỘNG CỦA CON LẮC XOẮN...18
1. Mục đích thí nghiệm :...18
2. Khảo sát hoạt động ở chế độ tĩnh – Thanh xoắn ở vị trí nằm ngang :...18
2.1. Mơ tả thiết bị thí nghiệm :...18
2.3. Sự cân bằng khi cĩ tải trọng – Xác định hệ số xoắn C :...19
2.4. Nhiệm vụ cụ thể của bài thí nghiệm :...19
2.5. Phương pháp tiến hành thí nghiệm :...19
2.6. Số liệu và kết quả thí nghiệm – Bình luận :...20
2.6.1. Thí nghiệm với ba thanh xoắn cĩ cùng độ dài l = 60 cm:...20
2.6.3. Kết quả tính tốn :...22
3. Khảo sát hoạt động ở chế độ động – Thanh xoắn ở vị trí đứng :...23
3.1. Mơ tả thiết bị thí nghiệm :...23
3.2. Nhiệm vụ cụ thể của bài thí nghiệm :...24
3.3. Phương pháp tiến hành thí nghiệm :...24
3.4.4. Kết quả tính tốn :...26
3.4.5. Kết luận :...27
Bài 3 :...29
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC...29
ĐO NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA NƯỚC...29
ĐO NHIỆT NĨNG CHẢY CỦA NƯỚC ĐÁ...29
1. Mục đích thí nghiệm :...29
2. Tĩm tắt lý thuyết :...29
2.1. Cơng và nhiệt :...29
2.2. Nguyên lý thứ nhất Nhiệt động học :...29
2.3. Nhiệt dung riêng :...30
2.4. Các phương pháp đo nhiệt dung riêng :...30
3. Tiến hành thí nghiệm :...32
3.1. Mơ tả dụng cụ thí nghiệm :...32
3.2. Chuẩn bị thí nghiệm :...32
3.3. Đo nhiệt dung riêng c0 của nước :...32
3.4. Đo nhiệt nĩng chảy của nước đá :...35
3.5. Nhận xét và đo đương lượng ước của nhiệt lượng kế :...38
Bài 4 :...40
ĐO NHIỆT PHẢN ỨNG...40
1. Mục đích thí nghiệm :...40
2. Nghiên cứu lý thuyết :...40
2.1. Các khái niệm về hệ nhiệt động :...40
2.2. Nhiệt phản ứng :...40
2.2.2. Nhiệt phản ứng đẳng tích :...40
2.3. Các định luật về Nhiệt phản ứng :...41
2.4. Năng lượng liên kết - Nhiệt phản ứng :...41
3. Thí nghiệm :...41
3.1. Mơ tả thiết bị :...41
3.2. Trình tự thí nghiệm :...42