vật chất và vận động trong vật lý học

• Nhiệt học xét chuyển động của các phân tử cấu tạo nên vật Hệ chất điểm chuyển động như chất lỏng, chất khí.. Vận động của thế giới vật chất tuy phong phú đa dạng nhưng phải tuân theo

đến sự song hành của 2 lĩnh vực quan trọng đóng vai trò là “kim Chỉ nam” cho mọi hành

động đó là : Triết Học và Vật lý học Như chúng ta đã biết Triết học và Vật lý học là

hai nghành xuất hiện rất sớm (vào thời bình minh của văn minh nhân loại), thời mà Triếthọc và Vật lý học là một, chưa phân biệt rạch ròi.Thời mà một Nhà Triết học vừa là mộtnhà Vật lý học như : Arixtot, Platon, Ploteme,Decaste, v.v dần về sau thì chia ra haihướng, một bên đưa ra những tiền đề, định hướng còn một bên thì đi sâu vào thực tiễn,tuy phân biệt nhưng bổ sung song hành cho nhau nhờ vậy mà mới có 2 cuộc cách mạngkhoa học kỹ thuật vĩ đại góp phần to lớn vào bước tiến của nhân loại

Triết học là hệ thống những quan điểm và quan niệm chung của con người và thếgiới (Bao gồm cả thế giới tự nhiên, xã hội và tư duy) , là thế giới quan của một giai cấphay một lực lượng xã hội nhất định.Con người muốn làm chủ thế giới quan, dù ở lĩnh vựcnào thì trước hết là phải hiểu rõ, phải nắm những quy luật vận động của nó

Trong lịch sử phát triển các tư tưởng triết học, đã hình thành hai trường phái chính

là duy vật và duy tâm khi nghiên cứu về thế giới tự nhiên, triết học duy vật đã khẳng

định: bản chất của thế giới tự nhiên là vật chất, thế giới thống nhất ở tính vật chất Do đókhi nói về thế giới tự nhiên là ta nói đến thế giới vật chất Còn triết học duy tâm chorằng : nguồn gốc, bản chất của thế giới tự nhiên là thần thánh, lực lượng siêu tự nhiên nhưđấng tạo hóa rồi chia Thế giới làm 3 bộ phận : Trần Gian, Địa Ngục, Thiên đàng,

Để biết được các thành phần cơ bản nhất của vật chất và các tương tác giữa chúng,

để giải thích những hiện tượng tự nhiên , những đặc tính của vật chất tổng thể , và để

khẳng định tính đúng đắn của trường phái duy vật, nên Vật lý học đã đi sâu nghiên cứuvấn dề này.

1.Lý do chọn đề tài

Thế giới vật chất thường xuyên vận động và không có vận động nào không gắnliền với vật chất tính phong phú của thế giới vật chất không những thể hiện ở số lượng, ởhình thức, ở cấu trúc, bản chất, mà còn thể hiện ở vận động

Mặt khác, Vật lý học, một nghành khoa học tự nhiên, đã vận dụng phương pháp tư

duy biện chứng của Triết học duy vật biện chứng để nghiên cứu và đã đạt được nhiều

thành quả rực rở, chính xác Và chính các tri thức vật lý ngày nay, đã chứng minh rằngtriết học duy vật biện chứng là hoàn toàn đúng đắn

Thật vậy, tìm hiểu các dạng vận động của thế giới vật chất, vật lý học đã xây dựngnên các phần cụ thể như : Cơ học, Nhiệt học, Điện – từ học, Quang học, vật lý nguyên tử

và hạt nhân, và thế gới các hạt cơ bản Mỗi phần ấy xét vận động xảy ra ở một đối tượngvật chất cụ thể ở dạng hạt.Ví như :

• Cơ học Galile – Newton xét chuyển động cơ học (tịnh tiến, quay, dao động) của

một vật thể rắn hoặc một cơ hệ

• Nhiệt học xét chuyển động của các phân tử cấu tạo nên vật (Hệ chất điểm chuyển

động như chất lỏng, chất khí)

• Điện từ học xét chuyển động của các hạt mang điện trong thế giới vật chất như

(các hạt mang điện tích âm, điện tích dương, các hạt ion, )

• Vật lý nguyên tử và hạt nhân xét chuyển động của các hạt cấu thành nguyên tử

và hạt nhân ở mức độ thực sự cơ bản

• Đặc biệt ta nghiên cứu sự vận động của vật chất ở dạng trường (trường hấp dẫn, trường điện từ, trường tương tác mạnh, trường tương tác yếu)

Một hình thức đặc biệt của vận động là quá trình chuyển hóa; giữa điện trường

biến thiên và từ trường biến thiên, giữa năng lượng và khối lượng, hiện tượng sinh và hủycặp, đều được Vật lý tìm hiểu

Vận động của thế giới vật chất tuy phong phú đa dạng nhưng phải tuân theo nhữngđịnh luật tự nhiên như : định luật bảo toàn năng lượng, định luật bảo toàn động lượng,định luật bảo toàn điện tích,

Đề tài này lần lượt đề cập đến các vấn đề trên, để tìm hiểu thêm sâu sắc tính chấtcủa giới tự nhiên, và khẳng định tính đúng đắn của triết học duy vật biện chứng, do đó emchọn đề tài này để nghiên cứu, nhằm nắm vững những kiến thức về vật lý, đồng thờimang tính giáo dục cho học sinh để phục vụ cho việc giảng dạy sau này

2.Hạn Chế của đề tài

Đề tài : “vật chất và vận động” là đề tài muôn thuở của Triết học và Vật lý học, là

đề tài rộng và lớn đòi hỏi người viết phải có kiến thức rộng và dàn trãi trên các phần củavật lý học từ vi mô đến vĩ mô mới chứng minh được trọn vẹn tính “vận động” của vậtchất Do phạm vi của đề tài rộng lớn như vậy thêm nữa trình độ của người viết còn hạnchế (vì là SV nghành sư phạm) nên chỉ viết ở nét khái quát đại cương trong các phần: cơ,

nhiệt, điện, quang của vật lý nhằm làm rõ “tính vận động của vật chất” là chủ yếu.

3 Các giả thuyết của đề tài

Nếu như Triết học là cơ sở, là ánh sáng soi đường cho vật lý học thì ngược lại Vật

lý học cũng đã chứng minh, hoàn thiện các quan điểm của Triết học về thế giới vật chất

Đề tài này nghiên cứu các tính chất của vật chất trong thế giới tự nhiên theo quan điểmcủa triết học duy vật biện chứng, và từ đó, Vật lý học sẽ chứng minh để làm rỏ tính đúngđắn của quan điểm trên.Trong quá trình chứng minh, ở từng phần ta sẽ tìm hiểu thuộc tính

và bản chất của vận động từ thế giới vi mô đến thế giới vĩ mô diễn ra như thế nào

4 Các phương pháp và phương tiện tực hiện đề tài

• Thu thập các tài liệu từ các giáo trình sách báo, và internet có liên quan đến đề tài

• Tìm hiểu chọn lọc những ý hay, cơ bản để viết đề tài

• Tham khảo ý kiến của Giáo Viên hướng dẫn

• Tổng hợp các vấn đề và viết luận văn

5.Các bước tiến hành

• Nhận đề tài

• Sưu tầm tài liệu, định hướng công việc.

• Lập đề cương, tham khảo ý kiến của Giáo viên hướng dẫn

• Viết bài báo cáo luận văn

• Nộp bài cho giáo viên hướng dẫn chỉnh sửa

• Hoàn thành luận văn và nột cho Giáo viên phản biện

• Nộp luận văn cho Hội Đồng bảo vệ

• Bảo vệ luận văn

Phần : NỘI DUNG

  

CHƯƠNG I : THẾ GIỚI VẬT CHẤT TRONG TRIẾT HỌC VÀ VẬT

LÝ HỌC

1.1Quan điểm của triết học duy vật biện chứng về vật chất và sự tồn tại của vật chất

1.1.1 Định nghĩa phạm trù vật chất

“Vật chất” là một trong những phạm trù cơ bản, làm nền tảng của chủ nghĩa duy

vật Nó chứa dựng nội dung thế giới quan và phương pháp luận rất sâu sắc Từ đó LeNin

đã chỉ rõ : “Vật chất là một phạm trù triết học dùng để chỉ thực tại khách quan được đemlại cho con người trong cảm giác; được cảm giác chúng ta chép lại, chụp lại, phản ánh vàtồn tại không lệ thuộc vào cảm giác

Trong đời sống con người có quan hệ với thế giới xung quanh ; có nhu cầu tìmhiểu, nhận thức về thế giới xung quanh Vì vậy con người cần phải hiểu rõ bản chất củathế giới là gì và thế giới tồn tại như thế nào? Khoa học tự nhiên đã chứng minh rằng :Thếgiới xung quanh, từ những vật vô cùng nhỏ, đến những vật vô cùng lớn, từ tự nhiên đến

xã hội, từ hữu sinh đến vô sinh, từ thực vật đến động vật có cùng bản chất là vật chất và

thống nhất với nhau bởi bản chất ấy Vậy : “bản chất của thế giới tự nhiên là vật chất.

Ănghen viết: “tính thống nhất thực sự của thế giới là tính vật chất của nó và tính vật chấtnày đã được chứng minh bằng sự phát triển lâu dài và khó khăn của triết học và khoa học

tự nhiên trong đó có Vật lý học

Với định nghĩa này, Lênin đã khẳng định : Vật chất không có gì khác hơn là thựctại khách quan tồn tại độc lập với ý thức con người và được ý thức của con người phảnánh Nghĩa là cái đang tồn tại độc lập với loài người và cảm giác của con người và tấtnhiên tất cả những cái tồn tại đó đều thuộc phạm trù vật chất

1.1.2 Vật Chất và Vận Động

Vận động hiểu theo nghĩa chung nhất là một phương thức tồn tại của vật chất, là

một thuộc tính cố hữu của vật chất Vận động bao gồm tất cả mọi sự thay đổi và mọi quátrình diển ra trong vũ trụ; kể từ sự thay đổi vị trí đơn giản cho đến tư duy

Vận động là một phương thức tồn tại của vật chất Bất cứ ở đâu và bất cứ lúc nào,cũng không có và không thể có vật chất mà không có vận động: vận động của các thựcthể trong không gian vũ trụ; vận động cơ học của những khối nhỏ trên thiên thể riêngbiệt ; dao động phân tử dưới hình thức nhiệt, hay dưới hình thức dòng điện hay dòng từ;phân giải hóa học và hóa hợp hóa học; đời sống hữu cơ Đó là những hình thức vận động

mà mỗi một phân tử vật chất riêng biệt trong vũ trụ, trong mỗi lúc nhất định, đều nằmdưới một hình thức vận động hay nhiều hình thức vận động cùng một lúc Mọi trạng tháiđứng im; mọi trạng thái cân bằng điều chỉ là tương đối, chỉ ý nghĩa nếu đem so sánh vớimột hình thức vận động nhất định nào đó

Vậy : vận động là không thể tạo ra được mà chỉ có thể truyền đi được mà thôi Khivận động được truyền từ vật này sang vật khác thì trong chừng mực nào đó nó tự truyền

đi, nó là chủ động, mà người ta có thể coi là nguyên nhân của vận động, và trong chừngmực nó bị truyền đi, người ta gọi nó là bị động

1.2.Vận động trong Vật Lý học

Bất kỳ sự vận động nào cũng gắn liền với sự thay đổi vị trí nào đó, dù là sự thayđổi vị trí của các thiên thể, của những phân tử, nguyên tử hay những hạt ete Hình thứcvận động càng cao bao nhiêu thì sự thay đổi vị trí càng nhỏ bấy nhiêu, Sự thay đổi vị tríkhông tách rời khỏi sự vận động Do đó khi nghiên cứu về sự vận động thì ta cần phảinghiên cứu sự thay đổi vị trí của vật chất

Mọi sự vận động điều là tác động tương hỗ của hút và đẩy, sự tác động qua lại củagiới tự nhiên, trong đó không có cái gì là đứng yên, không thay đổi mà tất cả đều vậnđộng: biến hóa, phát sinh và mất đi

Trong thế giới tự nhiên vô sinh có hai dạng vật chất cơ bản đó là “hạt”(gọi là chất) và “trường” Hạt là cái gián đoạn được tạo ra từ chất liệu có một khối lượng nào

đó, bắt đầu từ hạt vi mô có cấu trúc nhỏ đến hạt vĩ mô xung quanh ta và cho tới những

thiên thể cực kỳ lớn Những hạt vi mô như: Proton, nơtron, electron, là những thànhphần cơ bản, chủ yếu nhất để cấu thành thế giới vật chất Hay nói khác hơn vật chất trongthế giới tự nhiên điều được tạo thành từ các hạt, các hạt đó được sắp xếp theo một trật tựnhất định và luôn luôn vận động, biến đổi Các hạt vận động và tương tác được với nhau

là nhờ có một môi trường đồng chất liên tục, không có khối lượng tĩnh gọi là “trường”,

như: trường hấp dẫn, trường điện từ, trường hạt nhân, trường làm cho các hạt liên

kết với nhau, tác động với nhau nhờ đó mà chúng tồn tại được Ranh giới giữa hạt vàtrường chỉ có tính tương đối, bởi chúng có thể bổ sung, chuyển hóa được với nhau để tạonên thế giới

Khoa học tự nhiên hiện đại đã phải mượn của triết học luận điểm về tính không thểtiêu diệt được của vận động, không có luận điểm này thì khoa học tự nhiên không thểhình thành được Nhưng vận động của vật chất không phải là vận động cơ giới thô sơ,một sự đổi chổ đơn giản, mà đó là nhiệt và ánh sáng, là điện áp và từ áp, là sự hóa hợp vàphân giải hóa học, là sự sống và cuối cùng là ý thức.Ta cần phải hiểu tính chất bất diệt

của vận động không chỉ đơn thuần ở mặt số lượng mà cần phải hiểu về mặt chất lượng nữa Vận động không phải chỉ là sự thay đổi về vị trí mà cả sự thay đổi về tư thế, mức

độ, tính chất và số lượng Vận động của vật làm thay đổi về “tư thế” như một vật quay

xung quanh một trục hay một điểm cố định nào đó, khi đó vật không thay đổi vị trí từ nơinày đến nơi khác mà tư thế của vật bị thay đổi Có những sự vận động mà ta không thểquan sát được, đó là vận động của các hạt vi mô, như các electron trong nguyên tử chẳnghạn, một nguyên tử có thể mất bớt hay thêm vào nhiều hơn số electron bên ngoài hạtnhân, đó là sự vận động thay đổi về số lượng của vật chất Ngoài ra còn có những vậnđộng làm thay đổi về tính chất của vật, như nước chẳng hạn, ở các nhiệt độ khác nhau sẽtồn tại ở các dạng khác nhau , nước có thể ở thể rắn khi nhiệt độ dưới 00c , ở thể lỏng khinhiệt độ lớn hơn 0oc và nhỏ hơn 1000c, ở thể hơi khi nhiệt độ lớn hơn 1000C Điều đó cho

ta thấy rằng vật chất luôn vận động, biến đổi, và tồn tại ở những dạng khác nhau trong thếgiới

Vận động còn được thể hiện dưới hình thức chuyển hóa, sinh và hủy của các chất

cái khả năng chuyển hóa, trong những điều kiện thuận lợi, thành nhiệt, điện, tác dụng hóahọc, sự sống, nhưng lại không có khả năng tạo ra được những điều ấy từ bản thân nó.

Trạng thái “tĩnh” và “cân bằng động” là trạng thái đặc biệt của vận động , cânbằng không thể tách rời khỏi vận động Trong vận động của các vật vĩ mô, có vận độngtrong cân bằng và có cân bằng trong vận động Nhưng bất kỳ vận động tương đối riêngbiệt nào cũng đều có xu hướng khôi phục lại sự đứng yên tương đối Khả năng đứng yêntương đối của các vật thể và khả năng cân bằng tạm thời là những điều kiện chủ yếu của

sự phân hóa của vật chất và của sự sống Trên trái đất sự vận động đã phân hóa thành vậnđộng và cân bằng xen kẽ nhau : vận động riêng biệt có xu hướng chuyển thành cân bằng,vận động toàn bộ lại có xu hướng phá hoại sự cân bằng riêng biệt “Đá đã đi đến trạngthái đứng yên, nhưng ảnh hưởng của mưa, nắng tác động của thủy triều, của sông ngòi,của băng tuyết lại luôn phá hoại sự cân bằng ấy Sự bốc hơi và mưa, gió, nhiệt, nhữnghiện tượng điện và từ cũng cho ta thấy một ảnh hưởng như vậy Trong cơ thể sống, chúng

ta thấy sự vận động liên tục của những hạt nhỏ nhất của cơ thể ấy cũng như của những khíquan lớn hơn, một vận động mà kết quả là cân bằng thường xuyên của toàn bộ cơ thểtrong một thời kỳ sinh sống bình thường, một vận động không lúc nào ngừng: đấy là sựthống nhất sinh động của vận độngvà cân bằng Mọi sự cân bằng chỉ tương đối và tạmthời

Như vậy, triết học duy vật khẳng định rằng: bản chất của thế giới tự nhiên là vật chất Thế giới vật chất luôn luôn vận động và biến đổi không ngừng Hai điều cơ bản

này mang tính khách quan ; là thuộc tính vốn có của mỗi sự vật, hiện tượng, không phải

do suy tưởng và Tôn giáo, đó là: nguồn gốc, bản chất của thế giới tự nhiên là thần thánh,

là lực lượng siêu tự nhiên như Đấng Tạo Hóa Mà con người chỉ phát hiện ra chúng theonhững quy luật vốn có mà thôi Vật lý học cổ điển và hiện đại đã chứng minh quan điểmtriết học duy vật là hoàn toàn đúng đắn và thừa nhận đây là chân lý khoa học Vật lý họctìm hiểu, mô tả, và xem vận động và biến đổi là quy luật cơ bản, là nguồn gốc của sự pháttriển.Vì vậy dưới sự chỉ đường của chủ nghĩa duy vật, Vật lý học đã đạt những thành tựu

to lớn, sâu sắc: nó mở ra kỷ nguyên cho sự nghiên cứu về bản chất, cấu trúc của vật chất

từ bên trong đến bên ngoài của những vật thể nhỏ nhất đến các vât siêu vĩ mô trong vũ

trụ Nhờ vào tri thức vật lý, con người đã chiếm lĩnh từ bản thân sự vật, hiện tượng tronggiới tự nhiên , mà con người đã nghiên cứu cấu trúc thành phần cấu tạo và quy luật vậnđộng bên trong của vật thể Và hơn thế nữa, con người đã đi vào vũ trụ xa xăm để nghiêncứu về hệ mặt trời của chúng ta và đã đưa ra những giải thuyết mới như : thuyết địa tâm,thuyết nhật tâm với những thành tự ấy đã khẳng định tính đúng đắn, sự vững vàng trong

quan điểm của chủ nghĩa duy vật, và cho ta thấy được mối quan hệ mật thiết giữa vật lý

và triết học.

Để chứng minh được vật chất luôn luôn vận động và biến đổi thì ta hãy nghiên cứusâu hơn về một lĩnh vực khoa học tự nhiên khác là Vật lý học Vì Vật lý học là một mônkhoa học tự nhiên nghiên cứu các dạng vận động tổng quát nhất của thế giới vật chất, nónghiên cứu những đặc trưng, quy luật tổng quát về cấu tạo và vận động của vật chất

Thế giới vật chất tồn tại dưới dạng vật thể, các vật thể có thể ở trạng thái rắn, lỏnghoặc khí, các vật thể đó đều được cấu tạo từ các hạt, nguyên tử, phân tử, có kích thướcnhỏ, được gọi là kích thước vi mô, những kích thước của các vật thể thông thường xungquanh ta gọi là kích thước vĩ mô Các quy luật của tự nhiên trong phạm vi kích thước vi

mô khác hẳn quy luật tự nhiên trong thế giới vĩ mô Do đó, Vật lý học chia làm hai phần

để nghiên cứu tùy theo đối tượng là vật lý vi mô hay vật lý vĩ mô Trong đó người ta lại

chia ra những phần riêng biệt để nghiên cứu, đó là: cơ, nhiệt, điên, quang, vật lý nguyên

tử và hạt nhân Ta sẽ đi sâu vào các phần đó trong các chương sau

Ở từng phần, ta chỉ nêu lên một cách khái quát về cấu tạo và tính chất của vật chất,

ta chỉ làm nổi bật lên tính chất vận động của vật chất, chứ không đi sâu vào chi tiết củatừng phần

Chương II :VẬN ĐỘNG TRONG CƠ HỌC 2.1.Các khái niệm chung

Thế giới vật chất luôn luôn vận động, và sự vận động của nó có thể chia thành 2

loại vận động đó là :vận động bên trong và vận động bên ngoài Có thể nói cơ học là

môn khoa học nghiên cứu sự vận động của vật thể ở bên ngoài, tức chưa quan tâm tới sự

vận động các phân tử bên trong ( ta sẽ xét đến trong phần chuyển động nhiệt ở chươngsau) Cơ học nghiên cứu các dạng vận động cơ (chuyển động) tức là sự chuyển đổi “vị trí”

và “tư thế” của các vật vĩ mô Cơ học gồm những phần sau:

• “Động Học” là phần nghiên cứu những đặc trưng của chuyển động và những dạng

chuyển động khác nhau như : tịnh tiến, quay và dao động, mà chưa xét tới nguyên

nhân gây ra chuyển động

• “Động Lực Học” là phần nghiên cứu mối liên hệ của chuyển động với sự tương

tác giữa các vật, phần này có xét tới nguyên nhân làm thay đổi chuyển động của vật

• “Tĩnh học” là một phần của động lực học nghiên cứu “trạng thái cân bằng” của

các vật

Vậy chuyển động cơ học là sự chuyển dời vị trí trong không gian của các vật hay là

sự chuyển động của một bộ phận này so với bộ phận khác của cùng một vật Vật thể xung

quanh ta đa phần là vật rắn cho nên ta phải nghiên cứu thẳng vào chuyển động của vật

rắn luôn mới đúng, nhưng chuyển động của vật rắn tương đối phức tạp nên các nhà khoa

học đã xây dựng mô hình hóa Động học chất điểm trước Rồi sau đó ứng dụng các kết quả nghiên cứu của Động lực học chất điểm cho Động lực học vật rắn với quan niệm

rằng: “ vật rắn là tập hợp hệ chất điểm có khoảng cách không đổi” Ở đây, người viết

cũng trình bày theo trình tự trên, tức là: trình bày những đặc trưng của chuyển động chấtđiểm, sau đó áp dụng nghiên cứu đặc trưng chuyển động của vật rắn, sau cùng là phầnphân tích nguyên nhân gây ra sự chuyển động

2.2.chuyển động của chất điểm

2.2.1.Hệ quy chiếu

Nói một vật chuyển động hay đứng yên thì điều đó chỉ có tính chất tương đối vì

điều này còn phụ thuộc vào việc người quan sát đứng ở vị trí nào Thật vậy, nếu ta

đứng bên đường quan sát thì ta thấy các cây đứng yên, nhưng nếu ta ngồi trên một cái

ô tô đang chuyển động thì ta thấy cái cây chuyển động Hoặc một tay đua mô tô đang

chạy với tốc độ 100km/h thì người này đang chuyển động so với cây cối và người bên

đường, nhưng người này sẽ đứng yên tương đối so với một tay đua khác đang chạy song

hành với cùng vận tốc Vậy muốn xét chuyển động của chất điểm hay vật rắn ta phải xét

hệ quy chiếu trước đã Hệ quy chiếu là hệ vật mà ta quy ước là đứng yên làm mốc đểkhảo sát sự thay đổi vị trí của vật so với nó Cho đến nay người ta vẫn chưa tìm được một

hệ quy chiếu nào là đứng yên tuyệt đối cả, kể cả mặt trời củng chuyển động xung quanhtâm Thiên Hà của chúng ta mà Thiên Hà củng chuyến động quanh Thiên hà khác trong

vũ trụ bao la vô tận Ngoài việc nghiên cứu chuyển động của các hành tinh quanh mặt

trời ta chọn hệ quy chiếu Mặt trời (hệ quy chiếu copechnich) thì khi nghiên cứu các

chuyển động trên trái Đất người ta thường dùng hệ quy chiếu gắn với trái đất để tiệnnghiên cứu

Để xác định chuyển động của một chất điểm chúng ta cần biết vị trí của chấtđiểm tại những thời điểm khác nhau Nói cách khác, chúng ta cần biết sự phụ thuộc

theo thời gian của bán kính vectơ của chất điểm:

r = r(t) (2.1) trong tọa độ Descartes, phương trình chuyển động của chất điểm là một hệ ;

(2.2)

Hàm trên cho ta biết cứ mổi thời điểm t chất điểm ở một vị trí xác định nhờ 3 tọa

độ và khi t biến thiên thì chất điểm chuyển động một cách liên tục vạch nên một quỹ đạotrong không gian Phương trình quỹ đạo có được là nhờ ta khử t trong 3 phương trình trênđược :

f1(x,y) = 0 ; f2(y,z) = 0Hai phương trình trên là 2 phương trình mô tả 2 mặt cong nào đó, quỹ đạo là giaotuyến của 2 mặt cong đó Quỹ đạo cho ta biết hình dạng chuyển động của chất điểm,điều này rất quan trọng, tuy nhiên trên cùng một quỹ đạo chất điểm có thể chuyển động

theo những quy luật khác nhau Vì vậy ngoài phương trình quỹ đạo, chúng ta cần phảibiết quy luật chuyển động của chất điểm trên quỹ đạo đó như: tốc độ nhanh, chậm, vậntốc, gia tốc,

mà nó luôn luôn thay đổi, để đặc trưng cho sự biến đổi của vận tốc ta phải xét tới gia tốccủa chất điểm nữa

2.2.3.Gia tốc

Vectơ gia tốc đặc trưng cho sự biến thiên của vectơ vận tốc cả về hướng và độlớn Theo định nghĩa thì vectơ gia tốc bằng đạo hàm của vectơ vận tốc đối với thời gian:

Vec tơ gia tốc theo 3 thành phần của hệ tọa độ Descartes:

Độ lớn được tính bởi :(2.7)

Do vec tơ gia tốc đặc trưng cho sự biến thiên của vận tốc cả về hướng và độ lớn nên

ta phân tích nó ra làm hai thành phần đó là :gia tốc tiếp tuyến và gia tốc pháp tuyến.

Mỗi thành phần đặc trưng cho sự biến thiên của vectơ vận tốc riêng về một mặt nàođó

• Gia tốc tiếp tuyến đặc trưng cho sự biến thiên của vectơ vận tốc về giá trị,

vectơ này có: Phương trùng với tiếp tuyến của quỹ đạo tại điểm M, chiều là chiều chuyển động khi v tăng và chiều ngược lại khi v giảm, và độ lớn bằng đạohàm độ lớn vận tốc theo thời gian :

• Gia tốc pháp tuyến đặc trưng cho sự biến thiên về phương của vec tơ vận tốc,

vec tơ gia tốc này có phương trùng với pháp tuyến của quỹ đạo tại M, chiều

hướng về bề lõm của quỹ đạo và có độ lớn bằng :

Tóm lại ta có thể phân tích vec tơ gia tốc ra làm hai thành phần :

Về độ lớn : = (2.8)

Vec tơ gia tốc tiếp tuyến đặc trưng cho sự thay đổi vận tốc về độ lớn còn gia tốc pháp tuyến đặc trưng cho thay đổi về hướng

2.2.4.Chuyển Động Tròn của chất điểm

Nghiên cứu chuyển động tròn của chất điểm, một dạng vận động đặc biệt sẽ giúpchúng ta hiểu rõ hơn về chuyển động quay của vật rắn quanh một trục sau này Có mộtđặc điểm khá quan trọng về chuyển động này là khi vật rắn chuyển động quay thì cácchất điểm trên vật rắn có cùng một vận tốc góc và gia tốc góc.Vậy ta hãy tìm hiểu ý

(Hình 1.4)

Liên hệ giữa vận tốc góc và vec tơ vận tốc dài : (2.9)

2.2.4.2.Gia tốc góc

Gia tốc góc có giá trị bằng đạo hàm của vận tốc góc theo thời gian và bằng đạo

hàm bậc hai của góc quay đối với thời gian.Gia tốc góc có đơn vị rad/s 2

• Khi > 0, tăng :chuyển động tròn nhanh dần

• Khi < 0, giảm :chuyển động tròn chậm dần

• Khi = 0, không đổi :chuyển động tròn đều

• Trường hợp = const, chuyển động tròn biến đổi đều

Ta có thể chứng minh được : (2.11)

Người ta biểu diển vec tơ gia tốc góc như hình (1.5) có đặc điểm như sau:

• Nằm trên trục của quỹ đạo tròn

• Cùng chiều với khi > 0 và ngược chiều với khi < 0.

• Độ lớn có giá trị bằng

(hình 1.5)

Liên hệ giữa vec tơ gia tốc góc và vec tơ gia tốc tiếp tuyến

(2.12)

2.2.5.Phương trình cơ bản của chất điểm

Là phương trình mô tả chuyển động tổng quát của chất điểm chuyển động trong mộttrường lực hay chịu các lực tương tác với gia tốc của nó Tức là nói lên mức vận động của

nó như thế nào so với các lực tác dụng tương ứng Phương trình có dạng như sau:

= m (2.13)Đây là phương trình quan trọng nhất trong cơ học cổ điển, nó thâu tóm định luật I

và định luật II NewTon Lưu ý đây là phương trình cơ bản áp dụng cho chất điểm, cònphương trình cơ bản áp dụng cho vật rắn sẽ khác hơn một chút nhưng cũng xây dựng từphương trình cơ bản của chất điểm mà ra

Tuy phương trình (2.13) trên rất quan trọng nhưng ứng dụng của nó chỉ áp dụngtrong các hệ quy chiếu quán tính thôi, còn hệ quy chiếu phi quán tính thì không áp dụngđược Muốn áp dụng được ta phải xét tới định lý động lượng của chất điểm

Đạo hàm vectơ động lượng theo thời gian có giá trị bằng lực (hay tổng hợp lực) tác dụng lên chất điểm đó Trong đó Vectơ động lượng = là đại lượng đặc trưng cho mức vận động của vật về mặt động lực học.

Ở phần nghiên cứu chuyển động của vật rắn ta sẽ thấy hai phương trình (2.13) và(2.14) trên được biểu diễn một cách tổng quát hơn

2.3 Chuyển động của Vật rắn

Vật rắn được xem như là một hệ chất điểm đặc biệt trong đó khoảng cách giữa cácchất điểm luôn luôn giữ nguyên không đổi trong quá trình chuyển động của vật rắn Đây

là một đối tượng cơ học quan trọng và phổ biến trong cuộc sống nên ta chú trọng khảo sát

nó với phương pháp áp dụng các quy luật của chất điểm ở trên vào chuyển động của vậtrắn

2.3.1 khối tâm của vật rắn

Nghiên cứu tới vật rắn ta không thể bỏ qua một đại lượng quan trọng, vì khi khảo sát các quy luật chuyển động đều liên quan tới nó Đó là khối tâm của vật rắn

Khối tâm của một hệ chất điểm M1, M2, , Mn, lần lượt có khối lượng m1, m2, , mn

là một điểm G xác định bởi đẳng thức: + +

Suy ra:

2.3.2.Vận tốc của khối tâm

Mặt khác, là tổng động lượng của hệ, do đó vận tốc khối tâm là :

Suy ra : =

Vậy tổng động lượng của hệ bằng động lượng của một chất điểm đặt tại khối tâm của hệ, có khối lượng bằng tổng khối lượng của hệ và có vận tốc bằng vận tốc khối tâm của hệ.

2.3.3.phương trình chuyển động của khối tâm

Hay là phương trình cơ bản của vật rắn :

Trong đó là vec tơ gia tốc của khối tâm Từ (2.17) ta có thể kết luận rằng :

Khối tâm của một hệ chuyển động như một chất điểm có khối lượng bằng tổngkhối lượng của hệ và chịu tác dụng của một lực bằng tổng ngoại lực tác dụng lên hệ.Chuyển động của khối tâm được xem như là chuyển động toàn thể của hệ

Tuy nói chuyển động của vật rắn là khá phức tạp, nhưng người ta chứng minhđược rằng mọi chuyển động của vật rắn bao giờ cũng có thể quy về tích của hai chuyển

động cơ bản đó là : chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay.

2.3.4 Chuyển động tịnh tiến

Khi một vật rắn chuyển động tịnh tiến mọi chất điểm của nó chuyển động theo

những quỹ đạo giống nhau, vậy chuyển động tịnh tiến của vật rắn là chuyển động mà trong đó AB xác định bởi hai điểm bất kỳ A và B của vật rắn luôn song song với chính nó.

Tại mỗi thời điểm các chất điểm của vật rắn tịnh tiến đều có cùng vectơ vận tốc vàgia tốc.Vậy trong chuyển động tịnh tiến của vật rắn, quỹ đạo của mọi điểm là nhữngđường cong như nhau, mọi nhau

Hình 1.6

Giả thiết là vectơ gia tốc chung của các chất điểm M1, M2,…, Mi; của vật rắn,các chất điểm này lần lượt có khối lượng là m1, m2,…, mi; và lần lượt chịu các ngoạilực tác dụng là F1, F2,…, Fi Theo định luật II Newton ta có:

= = = (2.18)Các phương trình này chứng tỏ các ngoại lực tác dụng lên vật rắn song song vàcùng chiều, đây là một điều kiện để vật rắn chuyển động tịnh tiến Cộng các phương trình(2.18) vế theo vế ta được :

Đây là phương trình chuyển động của vật rắn tịnh tiến; nó giống nhưphương trình chuyển động của một chất điểm có khối lượng bằng khối lượng tổngcộng của vật rắn và chịu tác dụng một lực bằng tổng ngoại lực tác dụng lên vật rắn.Đây cũng chính là phương trình chuyển động của khối tâm của vật rắn.

Như vậy, muốn khảo sát chuyển động tịnh tiến của một vật rắn ta chỉ cần xét chuyến động của khối tâm của nó.

2.3.5.Chuyển động quay của vật rắn

Đặc điểm chuyển động quay của vật rắn:

Khi một vật rắn chuyển động quay quanh một trục ( cố định thì :

• Mọi điểm của vật rắn vạch nên những đường tròn đồng tâm và nằm trong nhữngmặt phẳng vuông góc với trục

• Trong cùng một khoảng thời gian, mọi điểm của vật rắn đều quay được cùng một

góc Do đó có cùng vận tốc góc và gia tốc góc

Hình 1.7.Chuyển động quay của chất rắn quanh 1 trục cố định

• Tại mỗi thời điểm, vec tơ vận tốc dài và vec tơ gia tốc tiếp tuyến của một điểm bất

kỳ cách trục quay một khoảng r là:

phương trình cơ bản của chuyển động quay của vật rắn :

Trong đó : là tổng momen các ngoại lực tác dụng lên vật rắn còn

Đại lượng I tùy theo tính chất đặc trưng của vật rắn , các vật rắn khác nhau thì có momen quán tính khác nhau

Vậy phương trình cơ bản của chuyển động quay có dạng như sau : (2.21)

Hay : (2.22)

Và có thể phát biểu như sau: Gia tốc góc trong chuyển động quay của vật rắn

xung quanh một trục tỷ lệ với tổng hợp mômen các ngoại lực đối với trục và tỷ lệ nghịch với mômen quán tính của vật rắn đối với trục.

Phương trình (2.21) nêu lên mối liên hệ giữa tác dụng ngoại lực đối với vật rắnquay, đặc trưng bởi vec tơ momen và sự thay đổi trạng thái chuyển động của vật rắnquay, đặc trưng bởi vec tơ gia tốc góc Phương trình này tương tự như phương trình địnhluật II Newton đối với chuyển động tịnh tiến = m, trong đó I có nghĩa tương tự như m.

Vậy, I là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật rắn trong chuyển động quay.

Một số momen quán tính

2.4.Dao Động

2.4.1 Khái niệm về dao động

Dao động là chuyển động được lặp đi lặp lại nhiều lần quanh một vị trí cân bằngnhất định

Dao động được đặc trưng bởi chu kỳ T Đó là khoảng thời gian nhỏ nhất mà sau đóhiện tượng lặp lại như cũ

Số chu kỳ trong một đơn vị thời gian (1 giây) hay số dao động trong một giây đượcgọi là tần số dao động f Với f =

Trong tự nhiên thường bị tắt dần, tức là nó sẽ ngừng dao động sau một thời gian,nguyên nhân là do các lực ma sát của môi trường làm năng lượng của dao động chuyển

hóa thành nhiệt năng Những dao động như vậy gọi là “dao động tắt dần” Để duy trì dao

động khi có ma sát thì ta phải cung cấp thêm phần năng lượng bù vào phần năng lượng đã

mất Những dao động đó gọi là dao động cưỡng bức.

2.4.2.Dao động điều hòa

Dao động điều hòa đơn giản là một dao dộng tuần hoàn do đó đại lượng x phải khảosát biến thiên theo thời gian, biểu thị bởi phương trình:

(2.23)

Nó là nghiệm của phương trình vi phân :

Hình 1.8.Đồ thị li độ, vận tốc và gia tốc của dao động

Dao động điều hòa là dao động trong đó độ dời là một hàm sin của thời gian

Dao động này gọi là dao động điều hòa riêng, nó được thực hiện dưới tác dụng của nội lực của hệ

• Đại lượng A gọi là biên độ dao động : A =

• Đại lượng gọi là tần số góc của dao động :

• Góc gọi là pha của dao động, nó xác định trạng thái dao động tại thời điểm t

 Vận tốc của chất điểm dao động điều hòa :

 Gia tốc của chất điểm dao động điều hòa :

so sánh (2.26) với (2.23) ta được : gia tốc ngược chiều với độ dời

2.4.3 Lực và năng lượng trong dao động điều hòa

Theo định luật II Niutơn ta có :

Như vậy, lực tỉ lệ thuận với độ dịch chuyển x nhưng có dấu ngược lại so với độ dời

trong suốt quá trình dao động, ta gọi đó là lực hồi phục Lực hồi phục cùng chiều với gia

tốc a

Dao động là một dạng chuyển động cơ nên năng lượng dao động là cơ năng ;

 Thế năng của con lắc ở thời điểm t : =

 Động năng của con lắc ở thời điểm t : =

 Cơ năng của con lắc : =

Năng lượng của dao động điều hòa được bảo toàn

2.5 Nguyên nhân làm thay đổi trạng thái chuyển động

Trong thế giới vĩ mô, ta nghiên cứu chuyển động của các vật, vật chuyển động vớinhững quỹ đạo, vận tốc, gia tốc khác nhau Vậy sự thay đổi trạng thái chuyển động củacác vật là do đâu Qua nghiên cứu ta biết được nguyên nhân gây ra và ảnh hưởng tớichuyển động của các vật là có sự xuất hiện của “lực” tác dụng lên vật Lực ở đây lại chia

ra làm 2 dạng, dạng thứ nhất là các loại lực xuất hiện khi có sự tiếp cận giữa các vậttương tác như lực đàn hồi, lực ma sát, ; loại thứ hai gồm các lực xuất hiện khi không

tiếp xúc nhau, tức tương tác xa thông qua một trường vật lý nào đó như trường hấp dẫn,

trường điện từ, trường hạt nhân, trong cơ học ta chỉ nghiên cứu trường hấp dẫn thôi Sauđây ta đi nghiên cứu các loại lực và trường nói trên

2.5.1.Các định luật của Newton về chuyển động của vật

 Định luật I phát biểu như sau : “trong hệ quy chiếu quán tính chất điểm không chịutác dụng của ngoại lực sẽ giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều.”Vậy rõ ràng khi không có lực nào tác dụng hay có lực tác dụng nhưng cân bằng thìvật không thu gia tốc tức a = 0 Mà theo ta biết gia tốc a là độ biến thiên của vận tốc , vậysuy ra vận tốc không thay đổi, dẫn đến vật có thể chuyển động thẳng đều hoặc đứng yên

Vì tính bảo toàn trạng thái chuyển động như trên mà Định luật I còn được gọi là Định luật quán tính (quán tính là tính bảo toàn trạng thái chuyển động của một vật).

 Nếu như vật không chịu lực hay chịu hệ lực cân bằng thì bảo toàn trạng tháichuyển động (tức a = 0) như định luật I đã phát biểu, vậy nếu vật chịu hệ lực không cânbằng thì sao? Nội dung Định luật II sẽ trả lời câu hỏi đó Định luật II phát biểu như sau :

“ chuyển động của một chất điểm chịu tác dụng của các lực có tổng hợp lực là một

chuyển động có gia tốc, và gia tốc thu được tỉ lệ với hợp lực tác dụng , tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật ấy” Công thức Định luật II Niu tơn là :

Ngoài việc lực gây ra gia tốc cho vật thì lực còn một tác dụng nữa là gây ra biếndạng vật Khi các vật tương tác với nhau hay chúng va chạm vào nhau thì có hai dạng là

“va chạm đàn hồi” và “va chạm mềm”, khi các vật va chạm mềm nghĩa là các vật đó đã

bị biến dạng

Định luật III Niu tơn : trong tự nhiên đa số các lực thường xuất hiện từng cặp một,trực đối nhau, và chỉ xuất hiện khi tương tác Khó có một lực nào xuất hiện riêng lẽ màkhông có một lực đối xứng với nó lại trong tương tác cả Vì vậy định luật III Niu tơn cũng

khái quát và phổ biến trong tự nhiên.Nội dung định luật phát biểu như sau : “trong quá trình tương tác, vật này tác dụng vào vật kia một lực thì đồng thời vật kia củng tác dụng trở lại vật đó một lực có cùng độ lớn nhưng ngược chiều.” Công thức

Vậy, ta có thể nói một cách tổng quát như sau : lực là nguyên nhân gây ra và ảnhhưởng tới chuyển động của vật hoặc làm cho vật bị biến dạng Sự vận động trong cơ họcchính là sự chuyển động cơ cho nên cũng có thể nói lực cũng là nguyên nhân gây ra sựvận động trong cơ học Tuy nhiên sẽ thiếu nếu ta không xét tới dạng lực tương tác màkhông qua tiếp xúc đó là lực hấp dẫn (hay trường hấp dẫn )

2.5.2 Lực hấp dẫn.

Nhiều hiện tượng trong tự nhiên chứng tỏ rằng các vật có khối lượng luôn luôntác dụng lên nhau những lực hút Trọng lực là lực hút của quả đất đối với các vật xungquanh nó Quả đất quay xung quanh mặt trời là do lực hút của mặt trời; Mặt trăng quayxung quanh quả đất là do lực hút của quả đất Giữa các vì sao trong vũ trụ cũng có lực

hút lẫn nhau v.v Các lực hút đó gọi là lực hấp dẫn vũ trụ Giữa những vật xung

quanh ta cũng có lực hấp dẫn vũ trụ nhưng giá trị của những lực này quá nhỏ nên takhông thể quan sát được Nhà bác học Newton là người đầu tiên nêu lên định luật cơbản về lực hấp dẫn vũ trụ

Phát b i ể u : Hai chất điểm khối lượng m và

m' mặt cách nhau một khoảng r sẽ hút nhau

bằng những lực có phương là đường thẳng nối

hai chất điểm đó, có cùng độ tỷ lệ thuận với

hai khối lượng m và m' và tỷ lệ

nghịch với bình phương khoảng cách r:

Với G = (Nm2/kg2 )

Với công thức như trên thì ta có lực hấp dẫn của hai tàu thủy nặng khoảng 50000tấn cách nhau 1km có giá trị nhỏ hơn trọng lượng của quả cân có khối lượng 20g ( tức ).Qua đó cho ta thấy lực hấp dẫn giữa các vật quanh ta trong cuộc sống là khá nhỏ, cho nên

ta khó mà phát hiện ra được nhưng nó sẽ trở nên khá lớn khi xét tới các hành tinh trong hệmặt trời của chúng ta Ví như : lực hấp dẫn giữa Traí Đất với Mặt Trời, Giữa mặt trăngvới Trái Đất, nhờ lực hấp dẫn đó mà các hành tinh chuyên động ổn dịnh trên quỹ đạocủa nó, cũng như các hiện tượng thủy triều của nước biển cũng liên quan tới lực hấp dẫncủa Mặt Trăng

2.6 kết Luận

Qua nghiên cứu sự vận động trong cơ học, ta thấy mọi vật quanh ta đều chuyểnđộng không ngừng và phức tạp, nhưng dù chúng có phức tạp tới đâu thì ta cũng quy

chúng về các dạng chuyển động cơ bản như : tịnh tiến, quay và dao động Và ở mỗi

chuyển động cơ bản ta đều thấy vật thể chuyển động theo những quy luật nhất định, đốivới từng dạng ta điều có hệ thống các đại lượng để khảo sát nó Chẳng hạn như : viếtphương trình chuyển động tịnh tiến, phương trình chuyển động quay, hay phương trìnhdao động và các đại lượng có liên quan tới nó, Tóm lại, các dạng chuyển động cơ của vậtthể dù có phức tạp nhưng cũng đều tuân theo các quy luật, định luật nhất định

Ta thấy rằng các dạng chuyển động trên đều là các hàm phụ thuộc vào thời gian,cho nên các vật thể vận động theo sự trôi chảy của thời gian, vì vậy nói vật thể khôngngừng vận động là đúng , vì thời gian thì cứ đều đều trôi mãi Cứ mỗi khắc là đã có nhữngbiến động khác biệt so với trạng thái trước đó rồi Vậy sự vận động của vật thể là gắn liềnvới thời gian, là thuộc tính cố hữu không thể tách lìa ra được Nếu muốn vật thể ngưng

vận động, cách duy nhất là ta cho thời gian dừng lại hoặc hủy bỏ 1 chiều thời gian, tuy

nhiên điều đó thì không thể thực hiện được, nên vật chất phải luôn vận động.

Lại nữa, mọi vật trong vũ trụ từ những vật thể vô cùng lớn như Thiên hà, hành tinhcho đến những vật vô cùng nhỏ (miễn khối lượng của nó > 0 ) thì đều chịu lực hấp dẫncủa các vật khác lẫn nhau, cho nên ít nhiều cũng chịu sự tác động cũa vật khác hay bảnthân nó cũng tác động lên các vật còn lại Đó cũng là sự vận động ở nghĩa « chủ động »

là sự thay đổi vị trí của các vật vĩ mô trong không gian Khi nghiên cứu chuyển động đó

ta chưa chú ý đến những quá trình xãy ra bên trong vật, chưa xét đến những quá trình liênquan đến cấu tạo của vật

Thực tế có nhiều hiện tượng liên quan đến các quá trình xãy ra bên trong vật ; thí

dụ vật có thể nóng chảy hoặc bốc hơi khi bị đốt nóng, vật nóng lên khi ma sát, hiện tượngchuyển đổi pha rắn, lỏng, khí, những hiện tượng này liên quan đến một dạng chuyển

động mới của vật chất, đó là chuyển động nhiệt Hay nói khác hơn : sự vận động trong

nhiệt học là sự chuyển động nhiệt

Để nghiên cứu chuyển động nhiệt người ta dùng hai phương pháp :

• Phương pháp thống kê : phương pháp này ứng dụng trong phần vật lý phân

tử Ta biết rằng các chất đều cấu tạo từ những nguyên tử, phân tử, phươngpháp thống kê phân tích các quá trình xãy ra đối với từng phân tử, nguyên tửriêng biệt rồi dựa vào các quy luật thống kê để tìm các quy luật chung của cảtập hợp phân tử và giải thích các tính chất của vật Phương pháp thống kê dựatrên cấu tạo phân tử của các chất, nó cho biết một cách sâu sắc bản chất củahiện tượng Tuy nhiên, trong một số trường hợp việc ứng dụng phương phápnày tương đối phức tạp

• Phương pháp nhiệt động : phương pháp này được ứng dụng trong phần nhiệt động học, nghiên cứu điều kiện biến hóa năng lượng từ dạng này sang

dạng khác và nghiên cứu những biến đổi về mặt định lượng Phương phápnhiệt động dựa trên hai nguyên lý cơ bản rút ra từ thực nghiệm mà nhờ nó,không cần biết cấu tạo phân tử của vật vẫn có thể rút ra nhiều kết luận về tínhchất của vật trong các điều kiện khác nhau Mặc dù hạn chế là không giảithích được sâu sắc bản chất của hiện tượng nhưng trong nhiều vấn đề thực tếnhiệt động học cho cách giải quyết đơn giản

3.1.Chuyển động nhiệt trong chất khí

3.1.1.Những khái niệm cơ bản trong nhiệt học.

3.1.1.1.Thông số trạng thái và phương trình trạng thái

Trạng thái của một hệ nhiệt động được xác định bởi một bộ các đại lượng

vật lý, các đại lượng này được gọi là thông số trạng thái của hệ như : nhiệt độ (T), khối

lượng (m), thể tích (V), áp suất (P), nồng độ, Có rất nhiều thông số trạng thái tuy

nhiên chỉ có một số độc lập, số còn lại phụ thuộc Trong nghiên cứu Nhiệt động họcngười ta thường chọn bộ 3 thông số sau để nghiên cứu đó là : áp suất, nhiệt độ và thểtích (hay còn gọi bộ 3 P,V,T).

Thực nghiệm chứng tỏ rằng trong 3 thông số trên có 2 thông số là độc lập cònmột là phụ thuộc Và phương trình biểu diễn mối liên hệ giữa 3 thông số trạng thái ấygọi là “phương trình trạng thái”

p = f ( V, T ) hoặc F ( p, V, T ) = 0 (3.1)

3.1.1.2 Áp suất

Áp suất là một đại lượng vật lý có giá trị bằng lực nén vuông góc lên một đơn vị diện tích

Trong hệ SI: P có đơn vị N/m2 = Pa

Ngoài ra còn dùng các đơn vị sau:

3.1.1.3.Nhiệt độ

Theo nghĩa thông thường thì nhiệt độ đặc trưng cho sự nóng lạnh của một hệ khí

Nhưng theo thuyết động học phân tử thì nhiệt độ đặc trưng cho mức độ chuyển động

hỗn loạn của các phân tử chất khí

Để đo được nhiệt độ người ta dùng nhiệt biểu để đọc Có rất nhiều thang đo như thang : bách phân (Celsius), nhiệt giai tuyệt đối (Kelvin), hay nhiệt giai Fahrenheit

(0F),

 Nhiệt giai Celcius ( 0 C) : được tính từ nhiệt độ nước đá đang tan (00C) cho tới nhiệt

độ nước đang sôi (1000C), chia đều ra 100 độ chia cho nên còn gọi là nhiệt giai báchphân Đây là nhiệt giai thường dùng trong đời sống và dự báo thời tiết

 Nhiệt giai tuyệt đối ( 0 K) : được dùng nghiên cứu trong Nhiệt học, với 00K (tươngứng -2730C ) và là nhiệt độ được cho là thấp nhất không thể thực hiện được Mỗi một độ

K tương ứng bằng một 0C, nhưng chênh lệch nhau 273 được tính bằng công thức :

1 Các chất có cấu tạo gián đoạn và gồm một số rất lớn các “phân tử”

2 Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng, khi chuyển động chúng va chạmvào nhau và va chạm vào thành bình

3 Kích thước của các phân tử rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng Trong nhiều trường hợp tính toán có thể bỏ qua kích thước của các phân tử và coi phân tử như một chất điểm

4 Cường độ chuyển động phân tử biểu hiện ở nhiệt độ của khối khí, chuyển động phân tử càng mạnh thì nhiệt độ càng cao Nhiệt độ tuyệt đối tỷ lệ với động năng tịnh tiến trung bình ( của phân tử

5 Các phân tử không tương tác với nhau trừ va chạm Sự va chạm giữa các phân tử

và giữa phân tử với thành bình tuân theo những quy luật va chạm đàn hồi

Thuyết động học phân tử giải thích được nhiều vấn đề về sự biến đổi của khí lýtưởng nhưng khi áp dụng sang khí thực thì không đúng hoàn toàn.Vì trong khí thực phảixét tới kích thước các phân tử (thể tích riêng phần của phân tử) và cũng xét đến thế năngtương tác giữa các phân tử với nhau mà ở khí lý tưởng đã bỏ qua sự tương tác này

3.1.3 Nội năng khí lý tưởng

Nội năng của chất khí là tổng năng lượng bên trong của chất khí bao gồm động năng chuyển động và thế năng tương tác của các phân tử khí Vậy nội năng nói lên tính

vận động của các phân tử bên trong vật cho nên luận văn này không thể bỏ qua nội dungquan trọng đó Ta thử đi tìm bản chất của nội năng phân tử chất khí theo thuyết động họcphân tử là như thế nào

Để đơn giản ta xét một bình khí hình lập phương Giả sử mật độ khí trong bình làn0, các phân tử cùng chuyển động với vận tốc là lực vuông góc tác dụng lên một diệntích ta có :

Để tính F, ta tính đến số phân tử đến đập lên trong thời gian

Xét một hình trụ đáy là , đường sinh là Số phân tử chứa trong hình trụ là :

Do tính chất hỗn loạn của chuyển động phân tử và số phân tử rất lớn nên số phân

tử đập vào mỗi thành bình đều bằng nhau trong khoảng thời gian Do tính đẳng hướngnên chỉ có phân tử thực tới đập lên

Tức là :

Trong thời gian có phân tử đập lên nên xung lượng tổng cộng của lực tác dụnglên trong thời gian là :

Ở trên ta giả thiết các phân tử chuyển động cùng vận tốc v, nhưng thực tế các phân

tử chuyển động với vận tốc khác nhau nên ta thay v bằng là vận tốc trung bình của cácphân tử

Ta được : (3.3)

Đại lượng : : là động năng tịnh tiến trung bình của một phân tử.

Do đó : : là phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử.

Theo phương trình trạng thái của khí lí tưởng

Với gọi là hằng số Bônxman

Biểu thức (3.5 ) là biểu thức động năng trung bình của phân tử được thiết lập chocác phân tử khí có cấu tạo đơn nguyên tử Còn trong trường hợp tổng quát có dạng:

Trong đó i là số bậc tự do của phân tử Cụ thể đơn nguyên tử i = 3, phân tử 2nguyên tử thì i = 5, và với phân tử cấu tạo từ 3 nguyen tử trở lên thì i = 6

Từ kết quả trên ta có thể tính được nội năng của khí lý tưởng Vì các phân tử khí lítưởng không tương tác nhau cho nên ta bỏ qua thế năng tương tác, lúc này nội năng khí lýtưởng bằng tổng động năng của các phân tử khí

Xét một mol khí lý tưởng có N phân tử : mỗi phân tử có động năng trung bình :

Vậy nội năng của một mol là : =

Hay (3.7)

Đối với một khối khí lí tưởng có khối lượng m thì nội năng là :

Qua hai biểu thức (3.7) và (3.8) ta có kết luận như sau : Nội năng của một khối khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của khối khí ấy Hay nói khác hơn Nội năng U

3.1.4.1Định luật Bôi- Mariot:

Hay còn gọi là quá trình đẳng nhiệt T = const Nghĩa là chất khí chuyển từ trạngthái (1) sang trạng thái (2) giữ nguyên nhiệt độ Trong quá trình đó thì áp suất tỷ lệnghịch với thể tích hay tích P.V không đổi

pV = const hay p1V1 = p2V2

Đồ thị là đường hypebol

Các đường đẳng nhiệt nằm trên nhiệt độ cao hơn đường đẳng nhiệt ở dưới

Hình 3.1 đồ thị đẳng nhiệt 3.1.4.2 Định luật Charles

Hay quá trình đẳng tích V= const Trong quá trình chuyển đổi thể tích khôngđổi.áp suất tỷ lệ thuận với nhiệt độ

Hay quá trình đẳng áp P = const.

Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số trạng thái (nhiệt độ, thểtích, áp suất) của một khối khí lý tưởng được gọi là phương trình trạng thái của khí lýtưởng

Nếu P đo bằng atmotphe thì R =

Nếu tính cho 1 mol khí, áp suất đo bằng at, thể tích đo bằng l thì R

Các định luật trên chỉ đúng cho các chất khí ở nhiệt độ và áp suất thông thườngcủa phòng thí nghiệm Nhưng nếu áp suất khí lớn hoặc nhiệt độ khí thấp thì chất khíkhông còn tuân theo các định luật đó nữa Vì vậy để dễ nghiên cứu, người ta định nghĩa :

“khí lý tưởng là khí tuân theo hoàn toàn chính xác hai định luật Boimariot và Gay –Luytsac Nhưng trong thực tế thì các khí xung quanh ta đa phần là các khí thực nên tacủng phải nghiên cứu phương trình trạng thái của khí thực

3.1.4.5.Phương trình trạng thái khí thực

Ở điều kiện bình thường, khoảng cách giữa các phân tử khoảng 3.10-10 m , ởkhoảng cách này lực tương tác giữa các phân tử không đáng kể có thể bỏ qua, và thể tíchriêng của các phân tử khoảng 10-3 thể tích khối khí nên ta áp dụng phương trình trạng tháikhí lý tưởng cho khí thực với sai số không đáng kể Tuy nhiên nếu nén khí hoặc hạ nhiệt

độ khí, thể tích khối khí giảm, khoảng cách các phân tử gần nhau hơn và không thể bỏqua lực tương tác giữa chúng ; đồng thời thể tích riêng của các phân tử trở nên đáng kể sovới thể tích của khối khí Khi đó ta không thể áp dụng phương trình trạng thái khí lýtưởng cho khí thực được vì sai số lớn nên người ta đã đưa ra phương trình trạng thái chokhí thực có tên gọi là phương trình Vanđecvan

Gọi Vt : là thể tích của một kmol khí thực, khi đó thể tích dành cho chuyển động tự

do của các phân tử sẽ nhỏ hơn Vt và bằng :

b là số hiệu chỉnh về thể tích được gọi là cộng tích Lý thuyết tính được:

N : là số Avogado và d là đường kính phân tử

Đối với khí thực, các phân tử tương tác hút nhau do đó khi các phân tử đến va chạmvào thành bình thì chúng bị các phân tử bên trong khối khí kéo lại Gọi Pt là áp suất của khí thực thì :

Pi :là số hiệu chỉnh về áp suất nội áp Người ta tính được : (3.11)

Thay các phương trình (3.9), (3.10), (3.11) vào (3.4) được

Bỏ các chỉ số t nhưng hiểu rằng p, V là áp suất và thể tích của khí thực ta được phương trình trạng thái sau gọi là phương trình Vanđecvan:

Phương trình (3.12) đúng cho một kilomol khí Đối với một khối khí bất kỳ có khối lượng m thể tích V = thì phương trình có dạng:

 Đường đẳng nhiệt Van đecvan :

• Lúc T > TK, đường đẳng nhiệt có dạng gần giống như đường đẳng nhiệt của khí lý tưởng

• Lúc T < TK, đường đẳng nhiệt rất khác đường đẳng nhiệt của khí lý tưởng ; nó có một đoạn lồi lõm

Hình 3.4.Họ đường đẳng nhiệt thực nghiệm Anđriu.

3.1.5.Các nguyên lý nhiệt động lực học

Nhiệt động lực học là ngành nhiệt học nghiên cứu sự biến đổi năng lượng của

hệ vĩ mô Cơ sở của nhiệt động lực học là hai nguyên lý nhiệt động lực được rút ra

từ thực nghiệm; từ đó NĐH giải thích các hiện tượng nhiệt trong các điều kiện khácnhau mà không chú ý đến cấu tạo phân tử vật chất

+ ∆ U > 0 nội năng tăng, ∆ U < 0 nội năng giảm.

Khi hệ thực hiện một quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, biểu thức của nguyên lý I códạng :

 Hệ quả :

Nếu hệ cô lập tức hệ không trao đổi công nhiệt với bên ngoài thì :

Vậy : nội năng của hệ cô lập được bảo toàn

Nếu hệ cô lập gồm 2 vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau ký hiệu Q1 và Q2 là nhiệt mà vật

là hiệu suất của động cơ nhiệt,

Các phát biểu :

 Phát biểu của claussus: Nhiệt không thể truyền từ vật lạnh sang vật nóng hơn

 Phát biểu của Thomson: không thể chế tạo được một máy hoạt động tuần hoàn biến đổiliên tục nhiệt thành công mà không để dấu vết gì ở môi trường xung quanh

Máy thỏa mản điều kiện của Thomson gọi là động cơ vĩnh cửu loại 2

3.1.5.3 Nguyên lý III Nhiệt động lực học (đinh lý Nernst).

Định lý Nernst còn được gọi là nguyên lý thứ III nhiệt động lực học

Phát biểu: “ Khi nhiệt độ tuyệt đối tiến đến không, Entropi của bất kỳ vật nàocũng tiến đến không”

Hay có thể phát biểu : không thể nào đạt được nhiệt độ không tuyệt đối trong cá quá trình tự nhiên Nguyên lý này rất quan trọng vì nó đã giúp khẳng định một lần nữa

về tính “ không ngừng vận động của vật chất” Vì Ta đã biết hàm nội năng U phụ thuộcvào nhiệt độ và hàm nội năng U nói lên tính vận động bên trong của các phân tử nên ở

00K thì hầu như phân tử sẽ không chuyển động nhiệt nữa, tức các phân tử ngưng “vậnđộng”

3.1.6.Các hiện tượng vận chuyển trong chất khí

3.1.6.1.Hiện tượng khuếch tán

Hiện tượng khuếch tán là hiện tượng phân tử khí ở những chổ có mật độ khác nhauxâm nhập vào nhau Kết quả là có một khối lượng khí chuyển từ chổ có mật độ cao sangchổ có mật độ thấp

3.1.6.2.Hiện tượng truyền nhiệt

Khi nhiệt độ trong khối khí không đồng nhất sẽ có một dòng nhiệt lượng truyền từnơi nhiệt độ cao sang nơi nhiệt độ thấp

Ngoài ra còn có các hiện tượng khác như : dẫn nhiệt, hiện tượng nội ma sát, ởđây luận văn này không đi sâu nhưng tóm lại các hiện tượng trên đều phụ thuộc vào độngnăng và động lượng của các phân tử chuyển động nhiệt

Tóm lại các hiện tượng vận chuyển trong chất khí là một dạng của sự vận độngnhưng sự vận động ở đây mang tính chuyển hóa

3.2.Chuyển động nhiệt trong chất lỏng

3.2.1 Tính chất chung và cấu trúc phân tử

Từ trạng thái khí nếu làm lạnh nó sẽ chuyển sang trạng thái lỏng, nếu tiếp tục làmlạnh nó sẽ tiếp tục chuyển sang trạng thái rắn Vì vậy có thể nói trạng thái lỏng là trạngthái trung gian giữa trạng thái khí và trạng thái rắn

Thực nghiệm cho thấy: tùy theo nhiệt độ (T) của khối chất mà chất lỏng

có tính chất gần chất khí hoặc gần chất rắn

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn lực tương tác phân tử (a) và thế năng tương tác (b)

Qui ước : :lực đẩy

• Với chất lỏng, năng lượng chuyển động nhiệt vào cở , có thể lớn hơn vượt qua hố thế năng và vì vậy các phân tử vừa dao động quanh vị trí cân bằng lại vừa có thể dịch chuyển trong cả khối chất lỏng

• Đối với chất khí, năng lượng chuyển động nhiệt lớn hơn , vượt qua hố thế năng vì vậy các phân tử khí có thể dịch chuyển tự do trong cả khối khí

• Theo trên ta thấy các phân tử chất lỏng, dao động quanh VTCB đồng thời có thể dịch chuyển trong cả khối chất lỏng.

Phân tử chất lỏng thực hiện một cuộc sống “du mục” Sau 1 thời gian định cư

ở 1 VTCB nó lại chuyển đi nơi khác

Hình 3.5.chuyển động của phân tử chất lỏng

3.2.2.Hiện tượng căng mặt ngoài của chất lỏng

3.2.2.1.Áp suất phân tử

Vì lực hút phân tử giảm nhanh theo khoảng cách cách nhau một khoảng nhỏ hơn 2rvào cở 10-9 m mới tác dụng lên nhau Lấy phân tử làm tâm vẽ lên một hình cầu bán kính rthì phân tử tại tâm chỉ tương tác với các phân tử nằm trong hình cầu Hình cầu này gọi làhình cầu tác dụng

Hình 3.6 mặt cầu tác dụng của phân tử

Đối với phân tử A nằm sâu trong chất lỏng, lực tác dụng lên phân tử này mọi phía

bù trừ nhau Đối với các phân tử nằm ở lớp mặt ngoài ( bề dày < 10-9 m), hình cầu tácdụng không nằm hoàn toàn trong chất lỏng và phân tử chịu tác dụng một lực tổng hợphướng vào trong lòng chất lỏng (phân tử B) Đối với phân tử (C) nằm trên ranh giới giữa

3 môi trường Rắn – lỏng – khí, các phân tử tác dụng lên C nằm trong ¼ hình cầu tácdụng, lực tổng hợp tác dụng lên C củng hướng vào lòng chất lỏng

Tóm lại, lực tác dụng lên các phân tử ở lớp mặt ngoài chất lỏng ép lên các phân tửchất lỏng ở phía trong và gây nên một áp suất gọi là áp suất phân tử, nó chính là nội ápsuất Pi trong phương trình Vanđecvan.

3.2.2.2.Năng lượng mặt ngoài, sức căng mặt ngoài của chất lỏng

Các phân tử lớp mặt ngoài có thế năng lớn hơn so với thế năng của các phân tử ởphía trong Số phân tử ở lớp mặt ngoài càng nhiều thì năng lượng mặt ngoài càng lớn, vìvậy năng lượng mặt ngoài tỷ lệ với diện tích mặt ngoài Ta có:

Trong đó : là hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng còn gọi là sức căngmặt ngoài (J/m2 )

 sức căng mặt ngoài :

Các thí nghiệm cho thấy diện tích mặt ngoài của chất lỏng có khuynh hướng tự colại, vì vậy về phương diện nào đấy, mặt ngoài chất lỏng giống như một màng cao su bịcăng Để giữ nguyên hình dạng mặt ngoài của chất lỏng, ta phải tác dụng lên chu vi mặtngoài các lực vuông góc với đường chu vi và tiếp tuyến với mặt ngoài Lực đó gọi là sứccăng mạt ngoài (hình 3.7)

Hình 3.7.Sức căng mặt ngoài

là chu vi đường tác dụng mặt ngoài

3.2.3.Hiện tượng dính ướt và không dính ướt

Đựng chất lỏng trong một bình rắn, chỗ tiếp giáp giữa chất lỏng và thành bình

bị cong lên hoặc cong xuống có dạng khum mà không thẳng góc với thành bình