BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG: KHÍ THỰC - CHUYỂN PHA

 Có hai điểm khác biệt quan trọng giữa khí thực và khí lý tưởng:  Khí lý tưởng xem phân tử khí là chất điểm, thực tế phân tử khí có kích thước  Phân tử có thể tích riêng đáng kể  Mô

Chương 4:

KHÍ THỰC - CHUYỂN PHA

NỘI DUNG

Chương 4 KHÍ THỰC - CHUYỂN PHA

4.1 TƯƠNG TÁC PHÂN TỬ

4.2 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ THỰC

4.3 NỘI NĂNG CỦA KHÍ THỰC, HIỆU ỨNG JOULE – THOMSON 4.4 CHUYỂN PHA

 Lực tương tác phân tử bao gồm lực hút và lực đẩy:

 Số hạng thứ nhất đặc trưng cho lực hút, chỉ có tác dụng khi các phân tử ở xa nhau

 Số hạng thứ hai đặc trưng cho lực đẩy, chỉ có tác dụng khi các phân tử rất gần nhau

Tương tác phân tử

 Lực tác dụng ngắn: Các phân tử chỉ tương tác với các phân tử xung quanh trong phạm vi cỡ kích thước phân tử

 Tồn tại một khoảng cách giữa hai phân tử sao cho lực hút cân bằng với lực đẩy (d ≈ 3.10-10 m)

Lực tương tác phân tử:

 Thế năng tương tác được xác định từ biểu thức:

 Gốc thế năng được chọn là vô cùng

 Tại r = d (F = 0) thì thế năng đạt giá trị cực tiểu, khoảng cách r = d ứng cân bằng bền của phân tử

U(r)  F.dr

 Đối với trạng thái khí, Wđ > Umin, các phân tử khí chuyển động hoàn toàn hỗn loạn

Thế năng tương tác:

 Có hai điểm khác biệt quan trọng giữa khí thực và khí lý tưởng:

 Khí lý tưởng xem phân tử khí là chất điểm, thực tế phân

tử khí có kích thước  Phân tử có thể tích riêng đáng kể

 Mô hình khí lý tưởng bỏ qua tương tác giữa các phân tử

 Khi áp suất cao hoặc nhiệt độ thấp, mô hình khí lý tưởng không áp dụng được đối với khí thực

Phương trình trạng thái của khí thực

 Đối với khí lý tưởng, phân tử được coi là các chất điểm nên thể tích của khối khí cũng chính là thể tích mà các phân tử có thể chuyển động tự do trong đó

 Đối với khí thực, mỗi phân tử khí có thể tích riêng của nó, khi đó nếu gọi Vt là thể tích của 1 mol khí thực thì thể tích dành cho chuyển động tự do của phân tử nhỏ hơn và bằng:

 Áp suất của chất khí là do va chạm phân tử với thành bình

 Giữa các phân tử khí thực có tương tác, do đó khi các phân

tử tới va chạm vào thành bình thì chúng bị các phân tử trong khối khí (gần nó) kéo lại  áp suất khí sẽ nhỏ hơn trường hợp lý tưởng

V



Phương trình trạng thái của khí thực

 Thay các giá trị của V, p vào phương trình trạng thái khí lý tưởng đối với 1 mol khí:

 Phương trình (Van der Walls) trạng thái của khí thực

 Phương trình trạng thái đối với một khối khí thực bất kỳ:

Phương trình Van der Walls:

 Từ phương trình Van der

Walls đối với 1 mol khí, ta

Phương trình trạng thái của khí thực

 Tồn tại nhiệt độ tới hạn TK:

Đường đẳng nhiệt có điểm uốn

K, tiếp tuyến với đường này tại

K song song với trục hoành

 Khi T > TK: Giống đường đẳng

nhiệt của khí lý tưởng

 Khi T < TK: Khác đường đẳng

nhiệt của khí lý tưởng, có một

đoạn lượn sóng ABCDE

Họ các đường đẳng nhiệt Van der Walls:

Họ các đường đẳng nhiệt

Andrews thực hiện các phép đo ở

nhiệt độ thấp để so sánh lý thuyết và

thực nghiệm:

Đoạn LA ứng với trạng thái lỏng

Đoạn EH ứng với trạng thái hơi

Đoạn AE đẳng áp, ứng với trạng

thái vừa lỏng vừa hơi

Họ các đường đẳng nhiệt

Phương trình trạng thái của khí thực

 Khi tăng nhiệt độ, hai điểm A và E

gần nhau lại và đến nhiệt độ tới

hạn TK chúng trùng nhau tại K

 Điểm K ứng với trạng thái tới hạn,

nó là trạng thái vừa có thể coi là

lỏng, vừa có thể coi là hơi bảo hoà

(không có sự khác nhau giữa chất

lỏng và hơi bão hòa)

Trạng thái tới hạn và các thông số tới hạn:

Họ các đường đẳng nhiệt

 Các thông số tới hạn thỏa mãn hệ phương trình:

a

p V b RT

V dp

0 dV

d p

0 dV

Phương trình trạng thái của khí thực

Trạng thái tới hạn và các thông số tới hạn:

Nội năng khí thực bao gồm tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử Wđ và tổng thế năng tương tác của các phân tử Wt:

Nội năng của khí thực, hiệu ứng Joule - Thomson

 Hiệu ứng Joule - Thomson là hiện tượng đặc thù của khí thực, nó chứng tỏ thế năng tương tác phân tử phụ thuộc thể tích khối khí

 Hiện tượng nhiệt độ khối khí thay đổi khi thể tích của nó thay đổi trong điều kiện nó không trao đổi nhiệt với bên ngoài gọi là hiệu ứng Joule - Thomson

Hiệu ứng Joule - Thomson:

 Hệ không trao đổi công và nhiệt với bên ngoài:

Nội năng của khí thực, hiệu ứng Joule - Thomson

Hiệu ứng Joule - Thomson:

 Hệ biến đổi có công của ngoại lực:

Xét 1mol khí thực thẩm thấu qua vách xốp dưới tác dụng của ngoại lực sao cho áp suất không đổi

 Hệ biến đổi có công của ngoại lực:

Nội năng của khí thực, hiệu ứng Joule - Thomson

Hiệu ứng Joule - Thomson:

 Nếu T > 0: Hiệu ứng Joule - Thomson âm

 Nếu T < 0: Hiệu ứng Joule - Thomson dương

 Xét hai trường hợp giới hạn:

Lực tương tác phân tử yếu (a nhỏ), kích thước phân tử lớn (b lớn):

Vì p 1 > p 2 nên T > 0 , hiệu ứng Joule - Thomson âm

 Xét hai trường hợp giới hạn:

Kích thước của các phân tử không đáng kể (b nhỏ), lực tương tác phân tử lớn (a lớn):

Vì V 1 < V 2 nên T < 0 , hiệu ứng Joule - Thomson dương

Nội năng của khí thực, hiệu ứng Joule - Thomson

Đường cong đảo:

 Chọn giá trị p, T ban đầu sao

cho T = 0, gọi điểm đảo

 Tập hợp các điểm đảo tạo

thành đường cong đảo

 Các điểm ở dưới đường cong

đảo cho hiệu ứng (+), còn ở

phía trên cho hiệu ứng (-)

Hiệu ứng Joule - Thomson:

1, 2, 4, 5, 8