Chuyên đề sinh học, chất khí, chất lỏng, chất rắn

chất khí trong đó nguyên tử không còn chuyển động một cách hỗn độn nữa mà bị buộc phải hoạt động trong một không gian thống nhất hoàn toàn, cùng vận tốc, cùng phương, cùng hướng.Tính siêu dẻo, có khả năng leo ngược lên thành cốc và bò ra ngoài

C HƯƠNG I

CHẤT KHÍ – CHẤT RẮN – CHẤT LỎNG

28/10/2016

Chất Khí

Khinh khí cầu dùng trong nghiên cứu khí tượng - thuỷ văn, thám hiểm, du lịch, quảng cáo,

Chất Khí

• Cấu Tạo Chất

– Phân tử

– Chuyển động không ngừng

– Nhiệt độ càng cao, chuyển động càng nhanh

Rắn – Lỏng – Khí

Lực tương tác Rất mạnh Trung gian Rất yếu

Dao động Ít Trung gian Hỗn loạn

Thể tích Xác định Xác định Không có

Hình dạng Xác định Không có Không có

Rắn – Lỏng – Khí

• Hiện tượng này được gọi là

sự ion hóa của chất khí.

• Plasma.

• Tia tử ngoại, tia X, tia bêta cực mạnh chiếu vào chất khí.

• Bose – Einstein Condensate.

• Ngưng tụ Bose – Einstein.

• Chất khí trong đó nguyên tử không còn chuyển động một cách hỗn độn nữa mà bị buộc phải hoạt động trong một

không gian thống nhất hoàn toàn, cùng vận tốc, cùng

phương, cùng hướng.

• Tính siêu dẻo, có khả năng leo ngược lên thành cốc và

bò ra ngoài.

Khí lí tưởng

• Khí lí tưởng

– Chất điểm

– Chỉ tương tác khi va chạm

Đường Đẳng Nhiệt

Ví Dụ: Đẳng Nhiệt

• Một xilanh chứa 150 cm3 khí ở áp suất 2.105

Pa Pit-tông nén khí trong xilanh xuống còn

100 cm3 Tính áp suất của khí trong xilanh lúc này, coi nhiệt độ như không đổi

• Đáp số: 3.105 Pa

2 5 2

5 2

p V p V

p V p

V

2.10 150 p

Đẳng Tích

Ví Dụ: Đẳng Tích

• Một bình chứa một lượng khí ở nhiệt độ 300C

và áp suất 2 bar (1 bar = 105 Pa) Hỏi phải

tăng nhiệt độ lên tới bao nhiêu độ để áp suất tăng gấp đôi?

• Đáp số: 3330C

• Theo Định luật Charles:

1

2

0 2

p p

T T

p T T

Đẳng Áp

1 2

V V

T T

T V V

Phương trình trạng thái khí lí tưởng

Ví Dụ: Phương trình trạng thái của khí

2 1 2

3 2

p V p V

p T V V

p T

750 273 40 V

Phương trình

Clapeyron - Mendeleev

Ví Dụ: Phương trình Clapeyron Mendeleev

Khí thực

• Khí thực gần giống khí

lí tưởng ở nhiệt độ và

áp suất thông thường

• Van der Waals

C Chuyển động hỗn loạn và không ngừng.

D Chuyển động hỗn loạn xung quanh các vị trí cân

bằng cố định.

Ví Dụ: Các Thông Số Trạng Thái

• Trong các đại lượng sau đây, đại lượng nào

không phải là thông số trạng thái của một

Sự Nở Vì Nhiệt Của Chất Rắn

• Công thức trên được suy ra từ thực nghiệm

• Sự tăng độ dài của vật rắn khi nhiệt độ tăng gọi là sự nở dài vì nhiệt

•  là hệ số nở dài của vật rắn, có đơn vị là K-1

• Giá trị của  phụ thuộc vào chất liệu của vật

Ví Dụ: Sự Nở Dài

• Ở 150C, mỗi thanh ray của đường sắt dài 12,5

m Hỏi khe hở giữa hai thanh ray phải có độ rộng tối thiểu bằng bao nhiêu để các thanh ray không bị cong khi nhiệt độ tăng tới 500C? Biết hệ số nở dài của sắt là 11.10-6 K-1

• Đáp số: 4,81 mm

l l

l l l

Ví Dụ: Sự Nở Khối

• Tính khối lượng riêng của sắt ở 8000C Biết rằng khối lượng riêng của sắt ở 00C là 7,8.103 kg/m3 và hệ số nở dài của sắt là 11.10-6 K-1

• Đáp số: 7,599.103 kg/m3

0 0

0

3 0

6

m V

Ứng Dụng

• Phải tính toán để

khắc phục tác dụng có hại của sự nở vì nhiệt

• Rơle nhiệt đóng ngắt điện tự động

Hiện Tượng Căng Bề Mặt Của Chất Lỏng

• F gọi là lực căng bề mặt

•  là hệ số căng mặt ngoài, có đơn vị là N/m.

• Hệ số  phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của chất lỏng:  giảm khi nhiệt độ tăng

• Đặc biệt: Đối với vật có tiết diện tròn thì

F   l

   

l

Ứng Dụng

• Áo mưa

• Xà phòng

Hiện Tượng Dính Ướt

• Giọt nước nhỏ lên bản thủy tinh sẽ bị lan rộng ra thành một hình dạng bất kì, vì nước dính ướt thủy tinh.

• Giọt nước nhỏ lên bản thủy tinh phủ một lớp nilon

sẽ vo tròn lại và bị dẹt xuống do tác dụng của trọng lực, vì nước không dính ướt với nilon.

• Bề mặt chất lỏng ở sát thành bình chứa nó có dạng mặt khum lõm khi thành bình bị dính ướt và có

dạng mặt khum lồi khi thành bình không bị dính

ướt.

Mao Dẫn

• Ống thủy tinh có

đường kính trong nhỏ

• Hiện tượng mức chất lỏng ở bên trong các ống có đường kính nhỏ luôn dâng cao hơn,

hoặc hạ thấp hơn so

với bề mặt chất lỏng ở bên ngoài ống gọi là

hiện tượng mao dẫn

4 h

gd







Ví Dụ: Mao Dẫn 1 Ống

• Tìm hệ số căng bề mặt của nước nếu ống

mao dẫn có đường kính trong là 1 mm và

mực nước trong ống dâng cao 32,6 mm Biết khối lượng riêng của nước là 1000 kg/m3 Lấy

g = 9,8 m/s2

• Đáp số: 79,87.10-3 N/m

h gd 4

32, 6.10 10 9,8 10

4 79,87.10 N / m

Ví Dụ: Mao Dẫn 2 Ống

• Nhúng thẳng đứng hai ống mao dẫn thủy

tinh có đường kính trong lần lượt là 1 mm và

2 mm vào thủy ngân Hỏi độ chênh lệch giữa hai mực thủy ngân ở bên trong hai ống mao dẫn đó bằng bao nhiêu? Cho biết hệ số căng

bề mặt của thủy ngân là 0,47 N/m và khối

lượng riêng của thủy ngân là 13.600 kg/m3

• Đáp số: 7 mm

Ví Dụ: Sự Nóng Chảy

• Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho miếng

nhôm khối lượng 100 g ở nhiệt độ 200C, để

nó hóa lỏng ở nhiệt độ 6580C Nhôm có nhiệt dung riêng là 896 J/(kg.K), nhiệt nóng chảy

riêng là 3,9.105 J/kg

• Đáp số: 96,165 kJ

Sự Bay Hơi – Sự Ngưng Tụ

• Quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí

Sự Sôi

• Sự chuyển từ thể lỏng sang thể khí xảy ra ở

cả bên trong và trên bề mặt chất lỏng.

Tóm Tắt Các Quá Trình

Tóm Tắt

• Khí lí tưởng

– Các định luật thực nghiệm: Đẳng nhiệt, Đẳng tích, Đẳng áp

– Phương trình trạng thái khí lý tưởng

– Phương trình Clapeyron - Mendeleev

• Khí thực

• Chất rắn

• Chất lỏng

C HƯƠNG II

N HI Ệ T ĐỘ NG LỰ C HỌ C

28/10/2016

Các Cách Thay Đổi Nội Năng

• Thực Hiện Công: có sự biến đổi qua lại giữa nội năng và dạng năng lượng khác.

• Truyền nhiệt: không có sự chuyển hoá năng lượng từ dạng này sang dạng khác

mà chỉ có sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác.

• Nhiệt lượng:

Q = mc  t

Ví Dụ: Cân Bằng Nhiệt

• Một bình nhôm khối lượng 0,5 kg chứa 0,118 kgnước ở nhiệt độ 200C Người ta thả vào bình mộtmiếng sắt khối lượng 0,2 kg đã được nung nóngtới 750C Xác định nhiệt độ của nước khi bắt đầu

có sự cân bằng nhiệt Bỏ qua sự truyền nhiệt ramôi trường bên ngoài Nhiệt dung riêng của nhôm

là 0,92.103 J/(kg.K); của nước là 4,18.103 J/(kg.K);của sắt là 0,46.103 J/(kg.K)

• Đáp số: 250C

• Nhiệt lượng thu (nước):

QH2O = mH2OcH2O.(tcb – t1)

Nguyên Lý I Nhiệt Động Lực Học

• Công thức:

 U = A + Q

• Qui ước dấu:

– U > 0: nội năng tăng; U < 0: nội năng giảm

–A > 0: hệ nhận công; A < 0: hệ thực hiện công.

–Q > 0: hệ nhận nhiệt; Q < 0: hệ truyền nhiệt.

Nguyên Lý I Nhiệt Động Lực Học

Ví Dụ: Nguyên Lý I

• Người ta cung cấp cho khí trong một xilanh nằmngang nhiệt lượng 1,5 J Khí nở ra đẩy pit-tông đimột đoạn 5 cm với một lực có độ lớn là 20 N Tính

độ biến thiên nội năng của khí

• Đáp số: 0,5 J

Ví Dụ: Nguyên Lý I

• Người ta thực hiện công 100 J để nén khí trongmột xilanh Tính độ biến thiên nội năng của khí,biết khí truyền ra môi trường xung quanh nhiệtlượng 20 J

• Đáp số: 80 J

Ví Dụ: Nguyên Lý I

• Người ta truyền cho khí trong xilanh nhiệt lượng

100 J Khí nở ra thực hiện công 70 J đẩy pit-tônglên Tính độ biến thiên nội năng của khí

• Đáp số: 30 J

Ví Dụ: Nguyên Lý I

• Khi truyền nhiệt lượng 6.106 J cho khí trong mộtxilanh hình trụ thì khí nở ra đẩy pit-tông lên làmthể tích của khí tăng thêm 0,5 m3 Tính độ biếnthiên nội năng của khí Biết áp suất của khí là 8.106N/m2 và coi áp suất này không đổi trong quá trìnhkhí thực hiện công

• Đáp số: 2.106 J

Thuận Nghịch – Bất Thuận Nghịch

• Quá trình thuận nghịch là quá trình vật tự trở

về trạng thái ban đầu mà không cần đến sự canthiệp của vật khác

• Quá trình không thuận nghịch là quá trình chỉ

có thể xảy ra theo một chiều xác định, không thể

tự xảy ra theo chiều ngược lại Muốn xảy ra theochiều ngược lại phải cần đến sự can thiệp của vậtkhác

Động Cơ Nhiệt

• Nguồn nóng để cungcấp nhiệt lượng (Q1)

• Bộ phận phát độnggồm vật trung gian nhậnnhiệt sinh công (A) gọi làtác nhân và các thiết bịphát động

• Nguồn lạnh để thunhiệt lượng do tác nhântỏa ra (Q2)

Vận Dụng

• Hiệu suất của động cơ nhiệt:

• Hiệu suất cực đại của động cơ nhiệt:

1 Q

Q Q

Q

| A

| H

1

2 1

T T

Q

| A

| H

1

2 1

1 max

Vận Dụng

• Hiệu năng của máy lạnh:

• Hiệu năng cực đại của máy lạnh:

1 Q

Q

Q A

Q

2 1

T

T

2 1

Ví Dụ: Nguyên Lý II

• Một động cơ nhiệt làm việc sau một thời gian thìtác nhân đã nhận từ nguồn nóng nhiệt lượng Q1 =1,5.106 J, truyền cho nguồn lạnh nhiệt lượng Q2 =1,2.106 J Hãy tính hiệu suất thực của động cơnhiệt này và so sánh nó với hiệu suất cực đại nếunhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh lần lượt là

2500C và 300C

• Đáp số: 20%; 42%

1 max

T – T H

Ví Dụ: Nguyên Lý II

• Ở một động cơ nhiệt, nhiệt độ của nguồn nóng

là 5200C, của nguồn lạnh là 200C Hỏi công cực đại

mà động cơ thực hiện được nếu nó nhận từ nguồnnóng nhiệt lượng 107 J? Công cực đại là công màđộng cơ nhiệt sinh ra nếu hiệu suất của nó là cựcđại

• Đáp số: 6,3.106 J

1 max

T – T H

• Đáp số: 2.107 J

7 2

Q A

Ví Dụ: Nguyên Lý II

• Hiệu suất thực của một máy hơi nước bằngnửa hiệu suất cực đại Nhiệt độ của hơi khi rakhỏi lò hơi (nguồn nóng) là 2270C và nhiệt độ củabuồng ngưng (nguồn lạnh) là 770C Tính côngsuất của máy hơi nước này nếu mỗi giờ nó tiêuthụ 700 kg than có năng suất tỏa nhiệt là 31.106

J/kg

• Đáp số: 904 kW

A H

Q

A H.Q

H.Q A

t t

0,15 (31.10 ) P

Các Dạng Công Trong Cơ Thể

• Công hóa học: là công sinh ra khi tổng hợp cáchợp chất cao phân tử (protid, acid nucleotid,…)

từ các chất có trọng lượng phân tử thấp và khithực hiện các phản ứng hóa học xác định

• Công cơ học: là công sinh ra khi dịch chuyểncác bộ phận, cơ quan trong cơ thể hay toàn bộ

cơ thể nhờ lực cơ học (co cơ)

Các Dạng Công Trong Cơ Thể

• Công thẩm thấu: là công sinh ra khi vận chuyểncác chất khác nhau qua màng hay qua các hệ đamàng từ vùng có nồng độ thấp sang vùng cónồng độ cao hơn

• Công điện: là công sinh ra khi vận chuyển cáchạt mang điện (các ion) trong điện trường, sinh

ra điện thế sinh vật và dẫn truyền kích thíchtrong tế bào

Năng Lượng Trong Cơ Thể

• Năng lượng trong cơ thể là năng lượng hóa học của thức ăn (protid, lipid, glucid) tỏa ra khi bị oxi hóa Đối với thực vật, là năng lượng Mặt Trời dự trữ trong quá trình quang hợp Năng lượng này cũng được động vật sử dụng khi ăn thực vật.

• Đầu tiên năng lượng được chuyển thành liên kết cao năng của những chất nào đó mà chủ yếu là adenosin triphosphat (ATP) Sau đó ATP phân hủy trong những tổ chức tương ứng của tế bào và giải phóng tại đó nguồn năng lượng cần thiết để sinh công.

ATP + H2O → ADP + H3PO4 + (7 ~ 8,5 Kcal)

Nhiệt Sơ Cấp (Nhiệt Cơ Bản)

• Nhiệt sơ cấp là lượng nhiệt tán xạ trong quátrình trao đổi chất, được qui định bởi tính bấtthuận nghịch của các phản ứng hóa sinh và lísinh

• Nhiệt sơ cấp tỉ lệ với cường độ của quá trìnhtrao đổi chất và tỉ lệ nghịch với hiệu suất củachúng

Nhiệt Thứ Cấp (Nhiệt Hoạt Động)

• Nhiệt thứ cấp là lượng nhiệt sinh ra trong cácquá trình sinh công khác nhau

• Nhiệt thứ cấp tỉ lệ với hoạt tính của mô, hoạtđộng co cơ

Ví dụ: Cân bằng năng lượng của người trong một ngày đêm.

Một trong những nguyên nhân còn sai lệch là dù cơ thể đứng yên thì công sinh ra cũng không thể bằng không được.

Đưa vào (Kcal) Thải ra (Kcal)

Hệ Quả: Định Luật Hess

• ”Hiệu ứng nhiệt (Qv và Qp) của một quá trình hóa học phức tạp không phụ thuộc vào các giai đoạn trung gian mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình“.

• Định luật cho ta tìm được hiệu ứng nhiệt của các phản ứng.

• Không thể xảy ra trong điều kiện thí nghiệm.

• Không đo trực tiếp hiệu ứng nhiệt của chúng được.

• Trong nhiệt động lực học, entropy nhiệt độnglực học (hay gọi đơn giản là entropy) dS là tỉ sốgiữa năng lượng dQ phát tán hay hấp thụ khimột hệ vật lí chuyển trạng thái tại một nhiệt độtuyệt đối xác định T:

TdQ

dS 

Độ Biến Thiên Entropy

• Độ biến thiên entropy của một hệ trongquá trình thuận nghịch bất kì biến đổi từtrạng thái (1) sang trạng thái (2):

1

2 S S

S  



Ý Nghĩa Thống Kê Của Entropy

• Đặc trưng cho mức độ hỗn loạn, vô trật tự vềphân bố phân tử của một hệ

• Các quá trình diễn biến tự nhiên trong một hệ

cô lập sẽ có chiều sao cho entropy S tăng Hệ đạttrạng thái cân bằng khi S cực đại (phân bố đồngđều)

Nguyên Lý Tăng Entropy

• Trong một hệ cô lập thì mọi quá trình xảy rađều có chiều sao cho entropy tăng hoặc khôngđổi S  0

• Nhận xét:

– Quá trình thuận nghịch: S = 0, S = const

– Quá trình bất thuận nghịch: S > 0, S tăng

– Khi hệ đạt đến trạng thái cân bằng S = Smaxthì quá trình bất thuận nghịch kết thúc

Ví Dụ: Nội Năng

• Nội năng của một vật là:

A.Tổng động năng và thế năng của vật

B.Tổng động năng và thế năng của các phân tửcấu tạo nên vật

C.Tổng nhiệt lượng và cơ năng mà vật nhận đượctrong quá trình truyền nhiệt và thực hiện công.D.Nhiệt lượng vật nhận được trong quá trìnhtruyền nhiệt

Ví Dụ: Nội Năng

• Câu nào sau đây nói về nội năng là không

đúng:

A.Nội năng là một dạng năng lượng

B.Nội năng có thể chuyển hóa thành các dạngnăng lượng khác

C.Nội năng là nhiệt lượng

D.Nội năng của một vật có thể tăng lên, giảm đi

C HƯƠNG III

CƠ HỌC CHẤT LƯU

28/10/2016

Khối Lượng Riêng

• Khối lượng riêng của chất lỏng (hay chất rắn) làmột đại lượng vật lí được đo bằng khối lượngcủa một đơn vị thể tích chất đó

• Khối lượng riêng kí hiệu là D

m D

V



Áp Suất Thủy Tĩnh

• Chất lỏng có đặc tính là nén lên các vật nằmtrong nó Lực mà chất lỏng nén lên vật cóphương vuông góc với bề mặt của vật

SF

p 

Sự Thay Đổi Áp Suất Theo Độ Sâu

Nguyên Lý Pascal

• Độ tăng áp suất lên một chất lỏng chứa trongbình kín được truyền nguyên vẹn cho mọi điểmcủa chất lỏng và thành bình

ng

p  p  gh

Máy Ép Dùng Chất Lỏng

• Nguyên lí Pascal được áp dụng nhiều trong kĩthuật và đời sống, như máy ép dùng chất lỏng,máy nâng vật có trọng lượng lớn, phanh thủy lựctrong các xe máy, ôtô…

1 2

1 2

Ví Dụ: Áp Suất

• Hãy tính áp suất tuyệt đối p ở độ sâu 1000 m

dưới mực nước biển Cho khối lượng riêng củanước biển là 103 kg/m3 và pa = 1,01.105 N/m2

• Đáp số: 9,9.106 Pa

Ví Dụ: Máy Nâng Thủy Lực

• Một máy nâng thủy lực của trạm sửa chữa ô tôdùng không khí nén lên một pittong có bán kính

5 cm Áp suất được truyền sang một pittongkhác có bán kính 15 cm Hỏi khí nén phải tạo ramột lực ít nhất bằng bao nhiêu để nâng một ô tô

có trọng lượng 13000 N? Áp suất khí nén khi đóbằng bao nhiêu?

• Đáp số: 1444,44 N; 1,84.105 Pa

• Đáp số: 2,89.104 N

Chuyển Động Của Chất Lỏng Lý Tưởng

• Chuyển động của chất lỏng chia thành hai loại:

– Chảy ổn định (hay chảy thành dòng).

– Chảy không ổn định (hay chảy cuộn xoáy).

• Chuyển động của chất lỏng lí tưởng thỏa mãn các điều kiện:

– Chất lỏng không nhớt, tức là bỏ qua ma sát trong lòng chất lỏng.

– Sự chảy là ổn định hay thành lớp, thành dòng.

– Chất lỏng không chịu nén, tức là khối lượng riêng của chất lỏng không đổi.

Hệ Thức Giữa Vận Tốc Và Tiết Diện

• Hệ thức giữa vận tốc và tiết diện:

• Lưu lượng A có giá trị như nhau ở mọi điểm

v



A S

v S

v S

S v

v

2 2 1

1 1

2 2

Chứng Minh

Ví Dụ:

• Lưu lượng nước trong một ống nằm ngang là 2

m3/phút Hãy xác định tốc độ của chất lỏng tạimột điểm của ống có bán kính 10 cm

• Đáp số: 1,06 m/s

Ví Dụ:

• Tiết diện động mạch chủ của người là 3 cm2,tốc độ máu từ tim ra là 30 cm/s Tiết diện củamỗi mao mạch là 3.10-7 cm2; tốc độ máu trongmao mạch là 0,05 cm/s Hỏi người phải có baonhiêu mao mạch?

• Đáp số: 6 tỉ

• Ta có:

0 0

0 0

9 7

S v n.S.v

S v n

S.v 3.30

Ví Dụ:

Đo Áp Suất Tĩnh

• Đặt một ống hình trụ hở hai đầu, sao chomiệng ống song song với dòng chảy Biết tiếtdiện của ống và độ cao của cột chất lỏng, ta tínhđược áp suất tĩnh của ống

Đo Áp Suất Toàn Phần

• Dùng một ống hình trụ hở hai đầu, một đầuđược uốn vuông góc Đặt ống sao cho miệng ốngvuông góc với dòng chảy Biết tiết diện của ống

và độ cao của cột chất lỏng, ta tính được áp suấttoàn phần tại điểm đặt ống