Bài giảng học phần Vật lý phân tử và nhiệt học

bài giảng tóm tắt rất ngắn gọn và chi tiết các kiến thức quan trọng của học phần Vật lý phân tử và nhiệt học trong chương trình đào tạo của các trường đại học cao đẳng. Qua đó bạn dễ dàng nắm bắt các kiến thức trọng tâm, giúp các bạn ôn thi đạt hiệu quả trong học phần này. Chúc các bạn học tốt.

1

MỞ ĐẦU Câu 1: Vì sao nhà du hành vũ trụ đi ra khoảng không vũ trụ phải mặc một bộ

áo giáp ?

Vì môi trường khoảng không vũ trụ là chân không nên:

- bức xạ của mặt trời và các tia vũ trụ rất mạnh nên sẽ đốt nóng quá mức và ảnh hưởng sức khỏe của phi hành gia

- khi con người từ tàu vũ trụ bước ra khoảng không, áp suất bên ngoài tác dụng lên cơ thể rất nhỏ, có thể xấp xỉ bằng 0 Con người không thể chịu được sự phá vỡ cân bằng áp suất như vậy và sẽ chết

Áo giáp của nhà du hành vũ trụ có tác dụng giữ cho áp suất bên trong áo giáp có độ lớn xấp xỉ bằng áp suất khí quyển bình thường trên mặt đất

CÂU 5: Cắm một ống mao quản vào một cốc nước nóng, thấy nước trong ống dâng lên Hỏi mức nước trong ống mao quản sẽ thay đổi thế nào khi nước trong cốc nguội đi?

Mức nước trong ống mao quản dâng cao hơn vì khi nhiệt độ giảm, hệ số căng mặt ngoài của nước tăng nhanh hơn so với sự tăng khối lượng riêng

CÂU 6: Trong hai phòng kín có nhiệt độ lần lượt là +100C và -100C có đốt hai cây nến giống nhau Hỏi nến trong phòng nào cháy nhanh hơn? Vì sao?

Cây nến trong phòng có nhiệt độ -100C sẽ cháy nhanh hơn Vì ở buồng lạnh khối lượng riêng của không khí lớn hơn ở buồng nóng, nên trong một đơn vị thể tích buồng lạnh lượng oxy sẽ nhiều hơn, duy trì sự cháy tốt hơn

CÂU 7: Một bình kín chứa đầy nước ở nhiệt độ 27oC Giả dụ tương tác giữa các phân tử nước đột nhiên biến mất thì áp suất bên trong bình sẽ là bao nhiêu?

Do vật chất trong đó không có tương tác giữa các phân tử suy ra đó là khí lí tưởng Áp dụng PTTT của KLT:

RT

M pV

µ

=

Câu 8 : Khi thở ra dung tích của phổi là 2,4 lít và áp suất của không khí trong phổi là 101,7.103Pa Khi hít vào áp suất của phổi là 101,01.103Pa Coi nhiệt độ của phổi là không đổi, dung tích của phổi khi hít vào bằng:

A 2,416 lít B 2,384 lít C 2,4 lít D 1,327 lít

Câu 9: Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất định, mật độ phân tử khí( số phân tử khí trong 1 đơn vị thể tích) thay đổi như thế nào?

A Luôn không đổi

B tăng tỉ lệ thuận với áp suất

C giảm tỉ lệ nghịch với áp suất

D chưa đủ dữ kiện để kết luận

“BA LƯU Ý”

!!!!

BÀI GIẢNG HỌC PHẦN

NHIỆT HỌC

( VẬT LÝ PHÂN TỬ & NHIỆT HỌC)

GVGD: Th.S Nguyễn Thanh Loan

NHIỆT HỌC

Thông tin chung v ềmôn h cọ

Tài li u ệtham

kh oả

N i ộdung môn

h cọ

PPDH

HTDH-Tiêu chí đánh giá

Các chính sách

c a môn ủ

h cọ8

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• [1]:Lê Văn: Vật lý phân tử và nhiệt học, NXB Giáo dục 1973.

• [2]:Đàm Trung Đồn: Vật lý phân tử và nhiệt học, NXB ĐH và

• [5]: Lương Duyên Bình: Vật lý đại cương, NXB Giáo dục 2001

• [6]: I.V.Xaveliev: Vật lý đại cương, NXB Mir 1988

• [7]: David Haliday: Cơ sở vật lý tập 3 NXB Giáo dục 1998

• [8]: Ngô Văn Khoát: Hỏi đáp về các hiện tượng vật lý NXB Khoa học và Kỹ thuật 1973

Gồm 7 chương

 Chương I : Những cơ sở của thuyết động học phân tử

của khí lý tưởng

 Chương II: Sự va chạm của các phân tử Các hiện

tượng truyền trong chất khí

 Chương III: Những nguyên lý cơ bản của nhiệt động

 Nhiệt phân tử là gì ?

 Nhiệt phân tử là 1 phần của vật lý nghiên cứu các hiện tượng nhiệt dựa trên sự hiểu biết về cấu tạo phân tử của vật chất

 Hiện tượng nhiệt : liên quan cấu tạo bên trong của vật và các HT xảy ra bên trong vật ( chuyển động nhiệt)

 1 Đối tượng :

 Một hệ gồm 1 số rất lớn phân tử chuyển động có đặc điểm thể hiện 3 nội dung cơ bản của thuyết động học.

11

MỞ ĐẦU

2 Phương pháp nghiên cứu

2.1 Vật lý phân tử với quan điểm vi mô và PP vật lý thống kê

+ Quan điểm vi mô: là coi hệ 1 tập hợp của một số rất lớn các hạt

chuyển động lên hệ chúng luôn luôn chuyển động và tương tác với nhau

+ PPVLTK: không quan tâm đến chuyển động của từng phân tử

riêng biệt mà chỉ quan tâm đến giá trị TB đặc trưng cho chuyển động của vô số các hạt GTTB này liên quan đến các đại lượng vĩ

mô đặc trưng cho hệ dựa vào lý thuyết xác suất và quy luật thống

kê để tìm GTTB

2.2 Nhiệt học với quan điểm vĩ mô và PP nhiệt động lực học

+ Quan điểm vĩ mô: coi hệ là 1 môi trường vật chất liên tục

không chú ý đến cấu trúc hạt bên trong của hệ

+ PPNĐLH : định luật vật lý vĩ mô, ĐL bảo toàn biến đổi năng lượng để NC điều kiện biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác xảy ra trong các HT từ đó rút ra tính chất của các vật

https://www.youtube.com/watch?v=Pctr5X1wCUg

CHƯƠNG I Những cơ sở của thuyết động học

phân tử của khí lý tưởng.

BÀI 1: MẪU KHÍ LÝ TƯỞNG

Để nghiên cứu tính chất vĩ mô của chất khí người ta xây dựng mẫu khí lý tưởng:

3 Sự va chạm lẫn nhau giữa các phân tử khí hay va chạm

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

BÀI 2: ÁP SUẤT CHẤT KHÍ

1 Định nghĩa + Theo quan điểm vĩ mô : lực nén của khí tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích thành bình

p: áp suất chất khí ( N/m2) F: lực nén của khí vuông góc

với diện tích của thành bình (N)

+ Theo quan điểm vi mô : lực của các phân tử chất khí tác dụng vuông góc lên 1 đơn vị diện tích thành bình chính là

∆

=

3 2

=

(2.4) áp suất phụ thuộc nhiệt độ

p tỉ lệ thuận với n và c

W n

BÀI 2: ÁP SUẤT CHẤT KHÍ

3 Đơn vị của áp suất :

+ Trong hệ SI : 1N/m2=1Pa + Ngoại hệ ( Vật lý) : 1atm = 1,013.105N/m2

+ Ngoại hệ ( kỹ thuật) : 1at = 9,81.104N/m2 + Torr (mmHg) : 1torr = 1mmHg = 133,3N/m2 Vậy 1atm = 760mmHg = 1,013.105 N/m2=1,033at

Atmophe vật lý (atm) là áp suất gây nên bởi trọng lượng cột thủy ngân cao 760mm

BÀI 3: NHIỆT ĐỘ

1 Cảm giác nóng lạnh và độ nóng của vật

Phân biệt độ nóng của 1 vật dựa trên 3 mức : nóng , lạnh , ấm

Nhận xét: Dựa vào cảm giác không thể xác định chính

có sự can thiệp từ bên ngoài nó có khuynh hướng tiến tới cùng 1 giá trị cho mọi vật bất kể bản chất hoá học và trạng thái vật lý của chúng

+ Ý nghĩa VL: nếu phân tử chuyển động càng nhanh thì động năng

TB của chuyển động tịnh tiến của pt càng lớn do đó nhiệt độ càng cao

hoặc ngược lại

Vậy nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho tính chất vĩ mô của vật, thể hiện mức độ nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn của các

phân tử cấu tạo nên vật đó

2

n W

n

p = =

3 Đơn vị nhiệt độ : độ

4 Các loại nhiệt giai

BÀI 3: NHIỆT ĐỘ

Nhiệt giai Nhiệt độ của nước

đá đang tan Nhiệt độ của hơi nước sôi CT chuyển đổi sang OC

32 5

9

+

= t C F

t o o

273 )

( K = t C +

C t R

t o o

5 4

=

BÀI 3: NHIỆT ĐỘ

5 Các loại nhiệt kế (SV tự tìm hiểu- seminar)

nhiệt kế Phạm vi sử dụng

Nhiệt kế chất khí …

Nhiệt kế chất lỏngNhiệt kế điện trởCặp nhiệt điện

?????Tìm hiểu các dụng

cụ đo nhiệt và ứng dụng trong thực tế.

BÀI 4: PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

1 Thông số trạng thái: trạng thái của khí (p, V, T)

const T

p

=

const T

pV

=

5 Phương trình Cla-pê-rôn-Men-đê-lê-ép

R là hằng số khí chung của chất khí.M: khối lượng của khối khí

: khối lượng kmol KLT

(4.4)

µ

RT

M pV

µ

=

đô kmol

J R

10.31,

=

đô mol

J R

31,8

=

=

2 Định luật Gay- Lussac (1802)

a Điều kiện: p = const

V

=

3 2

= p p p p

BÀI TẬP VẬN DỤNG

BÀI 1: Vẽ đồ thị biểu thị định luật Boyle-Mariotte với pV = 24 Nm

Đường đẳng nhiệt có thể cắt trục tọa độ biểu thị thể tích hay áp suất được không? Giải thích vì sao?

BÀI 2: Áp suất của khí trong xy lanh thay đổi như thế nào nếu pittông

đi xuống được ¾ chiều cao của xy lanh mà không làm thay đổi nhiệt

độ của khí? Giải thích

BÀI 3: Vẽ các đường đẳng nhiệt, đẳng tích và đẳng áp của khí lý

tưởng theo các hệ trục tọa độ p,V ; p,T và V, T

BÀI 4: Các trạng thái của cùng một khối lượng khí được biểu thị bởi

những điểm 1 và 2 trên đồ thị p, V ( hình vẽ 1 )a) Có thể dùng những quá trình biến đổi đẳng tích và đẳng áp như thế

nào để làm biến đổi trạng thái của khí từ 1 đến 2

b) Nhận xét nhiệt độ ở trạng thái nào lớn hơn

Bài 5: Trạng thái của cùng một khối lượng khí được biểu

thị bởi những điểm 1,2 và 3 trên đồ thị p, T ( hình vẽ 2) Khi đun nóng khí thay đổi trạng thái từ 1, đến 2 hoặc từ 1 đến 3 Nhận xét sự thay đổi thể tích của khí trong 2 trường hợp này.

BÀI 6: SỰ PHÂN BỐ VẬN TỐC PHÂN TỬ THEO

MAXWELL

1 Hàm phân bố

+ Xét 1 khối khí có T xác định, khối khí gồm n phân tử cùng loại.

+ Các phân tử trong khối khí chuyển động với vận tốc khác nhau

+ Khối khí không đặt trong trường lực tác dụng

+ Gọi dn là số phân tử có vận tốc nằm trong khoảng vận tốc từ c đến c + dc

n: mật độ phân tử khím: Khối lượng phân tử khíc: giá trị vận tốc cần tìm

dc : khoảng vận tốc cho trước cần tìm

(6.1)

dc c

e kT

m n

c

m

.

2

.

4

2

Hàm f(c) cho biết quy luật phân bố của phân tử

+ Số phân tử chuyển động với vận tốc nằm trong khoảng c đến c+dc là:

2

2

2

3

.

2

.

4 )

(

2

c

e kT

m c

c m

f n

dn = ( ).

dc c

f n

dn

).

(

=

+Có hình dạng không được cân đối thể hiện : điểm cực đại lệch phía trái

+ Hàm phân bố biến đổi nhanh ở phía vận tốc nhỏ.+ Hàm phân bố biến đổi chậm ở phía vận tốc lớn + Hàm phân bố phụ thuộc nhiệt độ khi nhiệt độ tăng thì đường cong phân bố dịch về bên phải

+ Đường cong phân bố Maxwell có 1 điểm cực đại, vận tốc ứng với điểm cực đại này gọi là vận tốc có xác suất cực đại

BÀI 6: SỰ PHÂN BỐ VẬN TỐC PHÂN TỬ THEO

MAXWELL

3 Ý nghĩa xác suất của hàm phân bố

Trạng thái chất khí được cho không phải bằng vị trí và tốc độ mỗi hạt mà bằng 1 hàm phân bố tức là bằng xác suất để tìm thấy phân

tử có vận tốc nằm trong khoảng 1 đơn vị vận tốc cạnh vận tốc c

RT m

kT

c = 8 = 8

µ

RT m

kT

c = 3 = 3

µ

RT m

kT

cm = 2 = 2

BÀI 7: ĐỊNH LUẬT PHÂN BỐ BOLTZMANN

1 Công thức phong vũ biểu ( SV tự CM)

2 Công thức Boltzmann

(7.1)

Nhận xét (7.1): áp suất giảm theo độ cao theo định luật hàm số mũ

Ứng dụng quan trọng của (7.1) : dùng làm cơ sở để tạo

ra dụng cụ đo độ cao ( trên núi, trên máy báy)

g o

h T k

mg

o e n

n = − . .

trung bình.

3 CT tính số va chạm trung bình

2 CT tính quãng đường tự do TB

c n r

z = 4 2 π 2 .

p r

T

k

2 4

Sự va chạm giữa các phân tử làm cho các phân tử chuyển động một cách hỗn loạn Nếu trong chất khí không đồng nhất về khối lượng riêng ( khuếch tán ) , về nhiệt độ ( dẫn nhiệt ) hay về vận tốc dòng khí ( nội ma sát ) …phát sinh các hiện tượng truyền trong chất khí

BÀI 2: HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN

1 Quan sát hiện tượng:

2 Xét HTKT theo quan điểm vĩ mô:

+ Khuếch tán chất khí+ Khuếch tán chất rắn+ Khuếch tán chất lỏng

HTKT là sự truyền khối lượng khí từ chỗ có khối lượng riêng lớn đến chỗ có khối lượng riêng nhỏ, hiện tượng khuếch tán tiếp diễn cho đến khi khối lượng riêng của khí đồng nhất tại mọi điểm trong chất khí

Định luật Fich: Trong HTKT khối lượng khí khuếch tán qua tiết diện dS trong thời gian dt thì tỷ lệ tiết diện dS, thời gian dt và độ biến thiên khối lượng riêng của chất khí ở 2 bên mặt dS

k: hệ số khuếch tán (m2/s)

k: Phụ thuộc bản chất hạt khuếch tán, bản chất hạt môi trường

(1)

Cho SV xem đoạn TN

dt

dS dx

d k

dM = − ρ

3 Xét HTKT theo quan điểm vi mô:

BÀI 2: HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN

HTKT là sự truyền khối lượng khí gây ra bởi sự chuyển động

nhiệt của các phân tử từ chỗ có mật độ phân tử lớn hơn đến chỗ có mật độ phân tử nhỏ hơn

d c

d k

dM = − ρ

λ

.

3

T

k

1

2 3

∝

∝

Câu 1: Dẫn nhiệt là gì ?

Câu 2: Môi trường nào không dẫn nhiệt ?

Câu 3: So sánh tính dẫn nhiệt của các chất: rắn, lỏng, khí ?

Trong chất rắn, kim loại dẫn nhiệt tốt nhất.

Câu 3: So sánh tính dẫn nhiệt của các chất: rắn, lỏng, khí ?

Câu 4: Sử dụng vật liệu nào sau đây làm cán chảo không bị nóng ?

2 ĐỐI LƯU

Câu 1: Tại sao biết được nước trong cốc đã nóng lên ?

Câu 2: Sự đối lưu là gì?

Câu 3: Trong thí nghiệm ở hình bên dưới khi đốt nến và

hương ta thấy dòng khói hương đi từ trên xuống vòng qua khe hở giữa miếng bìa và đáy cốc rồi đi lên phía ngọn nến Hãy giải thích hiện tượng này.

NHẮC LẠI

Câu 2: Sự đối lưu là gì?

Câu 3: Trong thí nghiệm ở hình bên dưới khi đốt nến và

hương ta thấy dòng khói hương đi từ trên xuống vòng qua khe hở giữa miếng bìa và đáy cốc rồi đi lên phía ngọn nến Hãy giải thích hiện tượng này.

NHẮC LẠI

Ngoài lớp khí quyển bao quanh Trái Đất, khoảng không gian còn lại giữa Trái Đất và Mặt Trời là khoảng chân không Trong khoảng chân không này không có sự dẫn nhiệt và đối lưu Vậy năng lượng của Mặt Trời đã truyền xuống Trái Đất bằng cách nào?

3 BỨC XẠ NHIỆT

Câu 1: Bức xạ nhiệt là gì?

Bức xạ nhiệt là sự truyền nhiệt bằng các tia nhiệt đi thẳng

Câu 2: Hãy chọn từ thích hợp cho các ô trống ở bảng bên dưới:

Hình thức truyền nhiệt

chủ yếu

Dẫn nhiệt Đối lưu Đối lưu Bức xạ

nhiệt

NHẮC LẠI

Đối lưu và bức xạ nhiệt trong thiên nhiên,

trong kỹ thuật và đời sống

Vòi rồng do hiện tượng đối lưu tạo ra

BÀI 3: HIỆN TƯỢNG DẪN NHIỆT

1 Ba hình thức truyền nhiệt: + Dẫn nhiệt

+ Đối lưu + Bức xạ nhiệt

2 Xét HTDN theo quan điểm vĩ mô: BÀI 3: HIỆN TƯỢNG DẪN NHIỆT

Sự dẫn nhiệt trong chất khí là sự truyền nhiệt lượng từ lớp khí nóng hơn sang lớp khí lạnh hơn khi 2 lớp khí này tiếp xúc với nhau

Định luật Fourier

Trong hiện tượng dẫn nhiệt nhiệt lượng dQ truyền giữa 2 lớp khí có nhiệt độ khác nhau qua tiết diện dS, thời gian dt thì tỉ lệ thuận tiết diện dS , thời gian dt và sự khác nhau về nhiệt độ của 2 bên mặt dS theo phương x

D: hệ số dẫn nhiệt ( J/msK hoặc W/mK)D: phụ thuộc bản chất vật lý của các hạt tạo MT

Dấu “-” HT dẫn nhiệt theo chiều giảm nhiệt độ

(1)

dt

dS dx

dT D

dQ = −

3 Xét HTDN theo quan điểm vi mô: BÀI 3: HIỆN TƯỢNG DẪN NHIỆT

Sự dẫn nhiệt là sự truyền 1 phần động năng của các phân tử ở lớp khí nóng hơn cho các phân tử ở lớp khí lạnh hơn khi các phân tử ở lớp khí nóng hơn do chuyển động nhiệt va chạm vào các phân tử ở lớp khí lạnh hơn

dT c

k n

dT D

dQ = −

λ

.

2

1

c k n

p D

BÀI 4: HIỆN TƯỢNG NỘI MA SÁT

1 Theo quan điểm vĩ mô:

Là hiện tượng sinh ra những lực ma sát giữa các lớp khí chuyển động thành những dòng khí với vận tốc khác nhau, lực nội ma sát nằm trên mặt tiếp xúc giữa 2 lớp khí và là một trong hai lực sau:+ Lực kéo của lớp chất khí chảy nhanh tác dụng lên lớp chất khí chảy chậm hơn

+ Lực hãm của lớp chất khí chảy chậm tác dụng lên lớp chất khí chảy nhanh hơn

Hai lực f, f’ cùng độ lớn , cùng phương, ngược chiều và đặt lên

2 lớp khí khác nhau

f

'

f

BÀI 4: HIỆN TƯỢNG NỘI MA SÁT

Định luật thực nghiệm Newton

Lực nội ma sát tác dụng giữa 2 lớp khí chuyển động vận tốc dòng khác nhau thì tỷ lệ thuận dS, và sự khác nhau về vận tốc chuyển động định hướng của 2 chất khí

d

dS dx

d c

BÀI 5: KHÍ KÉM

2 Tính chất của khí kém:

+ Khí kém là những khí có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển , mức

độ hiếm của khí còn gọi là độ chân không tuỳ thuộc vào tỷ số:

Với d là kích thước hình học của bình đựng khí

: độ chân không rất cao: độ chân không cao: độ chân không trung bình: độ chân không thấp

1 Khái niệm khí kém:

a) HT phóng lưu b) HT dẫn nhiệt và nội ma sát

+ Áp suất thấp:

3 Thực hiện áp suất thấp Sự đo áp suất thấp

SV tự tìm hiểu và làm đề tài tiểu luận về các cách đo áp suất thấp

Ứng dụng: được sử dụng để tách các hỗn hợp khí có các thành phần là các đồng vị khác nhau

TTCB là trạng thái của hệ thoả mãn 2 điều kiện sau:

+ Các thông số TT (p, V, T) của hệ phải không đổi theo thời gian + Trong hệ không xảy ra các hiện tượng truyền, phản ứng hoá học, biến đổi trạng thái

TTCB được biểu diễn trên giản đồ trạng thái bởi 1 điểm

TTCB là TT có xác suất lớn nhất

2 Quá trình cân bằng:

Là quá trình biến đổi gồm 1 chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng

QTCB biểu diễn trên giản đồ trạng thái bởi 1 đường liền nét và là quá trình lý tưởng