- Sinh viên giải được các dạng bài tập của chương.
5.7 Nội năng của khí thực và hiệu ứng Joule – Thomson
5.7.1. Nội năng của khí thực
- Các phân tử khí thực vừa chuyển động nhiệt vừa tương tác với nhau. Do đó nội năng của khí thực là tổng động năng chuyển động tịnh tiến và thế năng tương tác của phân tử khí:
Uµ = Eđ + Et (5.23) - Xét một mol khí thực có biến đổi nội năng là
dUµ = dEđ + dEt (5.24) - Nếu thể tích thay đổi nhưng không có thực hiện công hay trao đổi nhiệt với vật ngoài thì dUµ = 0, suy ra:
dEt = -CVdt (5.25) - Vì dE ≠0 nên dT ≠0. Vậy khi thể tích của khí thực thay đổi mà không có sự thực hiện công và trao đổi nhiệt với ngoại vật thì nhiệt độ của khí phải thay đổi. Đây là điều khác với khí lí tưởng.
5.7.2. Hiệu ứng Joule – Thomson
- Hai bình A và B đựng cùng một chất khí và nối với nhau bằng một ống nối cách nhiệt, giữa ống có một nút xốp, hai bên nút xốp có đặt hai nhiệt kế. Dùng bơm khí và bơm hút làm sao giữ cho áp suất khí ở bình A luôn luôn là p1 và áp suất khí ở bình B luôn là p2 và p1 > p2. Nút xốp có tác dụng để cho khí đi qua nhưng không chảy thành dòng mà bằng khuếch tán. Khi khí dãn đoạn nhiệt qua nút xốp từ A sang B thì nhiệt độ của khí thay đổi là dT. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Joule – Thomson.
- Nhiệt độ của khí có thể hạ xuống hoặc tăng lên tùy theo điều kiện ban đầu. Làm thí nghiệm với các khí khác nhau thì đa số khí ở nhiệt độ phòng, có áp suất ban đầu không lớn lắm thì sau khi dãn thường lạnh đi (hiệu ứng Joule – Thomson dương), còn nếu khí có áp suất ban đầu khá cao thì sau khi dãn lại nóng lên (hiệu ứng Joule – Thomson âm).
- Trường hợp đặc biệt khi với một áp suất đã cho, để khí dãn như trên nhưng nhiệt độ của khí lại không đổi, lúc đố hiệu ứng Joule – Thomson bằng không và khí ở điểm đảo.
*) Tài liệu học tập
[1] Bùi Trọng Tuân (2005), Nhiệt học, NXB Đại học Sư phạm.
[2]. Lương Duyên Bình (2009), Bài tập Vật lí đại cương, tập 1 - Cơ nhiệt, NXB Giáo dục [3] Phạm Quý Tư (1997), Nhiệt động lực học, NXB Đại học Quốc gia, Hà Nội
[4] Lê Văn (1978) , Vật lý phân tử và nhiệt học, NXB Giáo dục Hà Nội
*) Câu hỏi, bài tập, nội dung ôn tập và thảo luận A. Câu hỏi ôn tập
1. Định nghĩa quá trình chuẩn cân bằng? điều kiện để có quá trình chuẩn cân bằng? 2. Định nghĩa về công, nhiệt lượng và nội năng? biểu thức tính nội năng của khí lý tưởng? 3. Phát biểu định luật thứ nhất của NĐLH? Biểu thức của định luật?
4. Áp dụng định luật thứ nhất của NĐLH cho một số quá trình đẳng tích, đẳng áp, đẳng nhiệt và đoạn nhiệt.
B.Giải thích hiện tượng:
1. Vì sao đèn kéo quân lại tự động quay được ?
2. Tại sao một giọt mực sau khi khuếch tán trong không khí sẽ không bao giờ tự động thu lại được nữa ?
3. Hãy liệt kê các cách làm tăng hiệu quả số va chạm phân tử trong một đơn vị thời gian của chất khí.
4. Giải thích định tính mối liên hệ giữa quãng đường tự do trung bình của các phân tử amôniac Và thời gian cần thiết để ngửi thấy mùi amôniac khi bình được mở trong phòng.
*) Thảo luận quá trình nước đóng băng, theo quan điểm của định luật thứ nhất của nhiệt động lực học (băng chiếm một thể tích lớn hơn so với nước có cùng một khối lượng)
B. Bài tập
1. Ở áp suất p1 = 106Pa và nhiệt độ t1 = 3000C thì 0,5 kg không khí dãn đẳng nhiệt sao cho 1
2 2 2
p
p = , sau đó bị nén đoạn nhiệt trở lại p1 rồi lại bị nén đẳng áp để trở về trạng thái ban đầu. biết rằng đối với không khí khối lượng mol bằng 29 g/mol, chỉ số đoạn nhiệt γ = 1,4. Tính công của chu trình này?
2. Một vật nặng 300g ở nhiệt độ -20oC được bỏ vào một nhiệt lượng kế bằng đồng có khối lượng 100g, chứa 280g nước ở 15oC. Tính nhiệt độ sau cùng của hệ thống. Biết rằng nhiệt dung riêng của vật là 0,1 cal/g.độ, của đồng là 0,09cal/g.độ, của nước là 1cal/g.độ.
3. Khi truyền cho 100g chì một nhiệt lượng 260J thì nhiệt độ của nó tăng từ 15oC đến 35oC. Tìm nhiệt dung và nhiệt dung riêng của chì.
4. Một quả bóng có khối lượng 0,1kg rơi từ độ cao 1,5m xuống đất và nảy lên đến độ cao 1,2m. tại sao bóng không nảy lên đến độ cao ban đầu? Tính độ tăng nội năng của bóng, đất và không khí. Cho g = 10m/s2.
5. Một lượng khí ở áp suất 2.104N/m2 có thể tích 6.10-3m3 ở nhiệt độ 27oC được nung nóng đẳng áp đến nhiệt độ 87oC.
a. Tính công do khí thực hiện được.
b. Tìm độ biến thiên nội năng của khí. Biết khi nung nóng khí nhận nhiệt lượng 100J. 6. Một khối khí có áp suất 1at, thể tích 10 lít được giãn nở đẳng áp, thể tích tăng gấp hai lần. Tìm công do khí thực hiện.
7. Cho 20g nitơ ở nhiệt độ 100C dãn ra gấp đôi thể tích cũ trong điều kiện áp suất không đổi nhờ nhận nhiệt từ ngoài. Tính:
b) Độ biến thiên nội năng của khí? c) Nhiệt lượng đã truyền cho khí?
8. Một khối khí có thể tích 3.10-3m3, áp suất 2.105N/m2 được nén đẳng áp và nhận 1 công 50J. Tìm nhiệt độ ban đầu của khí biết nhiệt độ của khí sau khi nén là 17oC.
9.Một khối khí có thể tích 3 lít, áp suất 2.105Pa ở 27oC được nung nóng đẳng tích rồi giãn đẳng áp. Khí đã thực hiện một công 60J. Hỏi khi dãn nở nhiệt độ của khí tăng lên bao nhiêu?
CHƯƠNG 6
Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học
Số tiết: 12 (Lý thuyết: 10 tiết; bài tập, thảo luận: 02 tiết)
*) Mục tiêu: +) Kiến thức:
- Sinh viên biết được định nghĩa quá trình thuận nghịch, bất thuận nghịch và quá trình chuẩn cân bằng, tính chất của chúng.
- Sinh viên biết được cấu tạo của chu trình Cacnô, hiệu suất của chu trình Cacnô với khí lí tưởng.
- Sinh viên hiểu được cấu tạo, cơ chế làm việc và công thức tính hiệu suất của động cơ nhiệt và máy làm lạnh, động cơ vĩnh cửu loại hai và máy lạnh lí tưởng.
- Sinh viên hiểu được nguyên lí hai của nhiệt động lực học của Thomson và Clausiuts, từ đó chứng minh được hai cách phát biểu này là tương đương nhau.
- Sinh viên hiểu được định nghĩa entropi và định luật tăng entropi, vận dụng định luật này để phát biểu định luật thứ hai của nhiệt động lực học theo cách phát biểu thứ ba..
+) Kỹ năng: