Bài giảng vật lý đại cương 2 chương 4 nguyễn xuân thấu

- Thế năng tương tác giữa các phân tửKhí thực và phương trình trạng thái của khí thực - Khí thực và khí lý tưởng - Phương trình van der Walls Nghiên cứu khí thực bằng thực nghiệm - Đườ

KHÍ THỰC

HÀ NỘI 2016

- Thế năng tương tác giữa các phân tử

Khí thực và phương trình trạng thái của khí thực

- Khí thực và khí lý tưởng

- Phương trình van der Walls

Nghiên cứu khí thực bằng thực nghiệm

- Đường đẳng nhiệt Andrews

- So sánh đường đẳng nhiệt Andrews và van der Walls

- Trạng thái tới hạn và các thông số tới hạn

Nội năng khí thực Hiệu ứng Joule - Thomson

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

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

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

A B F

1.1 LỰC TƯƠNG TÁC PHÂN TỬ

1 LỰC TƯƠNG TÁC PHÂN TỬ VÀ THẾ NĂNG TƯƠNG TÁC 1.1 LỰC TƯƠNG TÁC PHÂN TỬ

 Lực tác dụng ngắn: Các phân tử chỉ tươngtác với các phân tử xung quanh trong phạm

vi cỡ kích thước phân tử

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

t min

W

Tại thế năng có giá trị cực tiểu, khoảng cách

ứng với cân bằng bền của phần tử

3

Phần gần đồ thị thế năng có dạng hố thếnăng Muốn các phân tử tác xa nhau ra vôcùng chúng cần có động năng lớn hơn giá trịtuyệt đối của

0

r r

t min

Đối với chất rắn: nên phân tử

ở vị trí cân bằng bền, chuyển động nhiệt chỉ làmchúng dao động quanh các vị trí đó

t min

W kT W®  

Đối với chất khí: nên phân tử

có thể dịch chuyển trong cả khối khí.W kT W®   t min

2.1 KHÍ THỰC VÀ KHÍ LÝ TƯỞNG

 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 kíchthước  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

pV RT 

 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 docủa phân tử nhỏ hơn và bằng:

V = Vt - bVới là số hiệu chỉnh về thể tích, gọi là cộng tích Đơn vị của b là

2.2 PHƯƠNG TRÌNH VAN DER WAALS Nội áp

 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 vachạm 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

p = pt + piVới pi là số hiệu chỉnh về áp suất, gọi là nội áp pi phụ thuộc vào thểtích theo hệ thức: i 2 Đơn vị của a là

t

ap

V

2 KHÍ THỰC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ THỰC 2.2 PHƯƠNG TRÌNH VAN DER WAALS

Phương trình van der Waals

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

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

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

 Đường đẳng nhiệt Van der Waals (lý thuyết)

 Tồn tại nhiệt độ tới hạn TK: Đườngđẳng nhiệt có điểm uốn K, tiếp tuyếnvới đường này tại K song song với trụchoành

 Khi T > TK: Giống đường đẳng nhiệtcủa khí lý tưởng

 Khi T < TK: Khác đường đẳng nhiệt củakhí lý tưởng, có một đoạn lượn sóngABCDE

2 KHÍ THỰC PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ THỰC 2.2 PHƯƠNG TRÌNH VAN DER WAALS

Đường đẳng nhiệt van der Waals

Họ các đường đẳng nhiệt

3.1 ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT ANDREWS (THỰC NGHIỆM)

Andrews thực hiện các phép đo ởnhiệt độ thấp để so sánh lý thuyết vàthực 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

 Điểm K ứng với trạng thái tới hạn, nó làtrạng thái vừa có thể coi là lỏng, vừa có thểcoi là hơi bảo hoà (không có sự khác nhaugiữa chất lỏng và hơi bão hòa).

2

13

4

Họ các đường đẳng nhiệt

3.2 TRẠNG THÁI TỚI HẠN CỦA CÁC THÔNG SỐ TỚI HẠN

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

3 NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC BẰNG THỰC NGHIỆM 3.2 TRẠNG THÁI TỚI HẠN CỦA CÁC THÔNG SỐ TỚI HẠN

b :mol

Sách Bài tập của Lương Duyên Bình

3 5

2

Jm1,36.10

3 2

Jmkmol

4.2 HIỆU ỨNG JOULE – THOMSON

 Hiệu ứng Joule - Thomson là hiện tượng đặc thù của khí thực, nóchứng 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 đổitrong điều kiện nó không trao đổi nhiệt với bên ngoài gọi là hiệu ứngJoule - Thomson

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

Xét sự giãn nở tự do: U = A + Q = 0

Khi giãn nở tự do khối khí lạnh đi: T < 0

 Hệ biến đổi có công của ngoại lực:

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

4.2 HIỆU ỨNG JOULE – THOMSON

4.2 HIỆU ỨNG JOULE – THOMSON

 Hệ biến đổi có công của ngoại lực:

 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):

Bỏ qua số hạng có chứa a:

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

4 NỘI NĂNG CỦA KHÍ THỰC HIỆU ỨNG JOULE - THOMSON 4.2 HIỆU ỨNG JOULE – THOMSON

4.2 HIỆU ỨNG JOULE – THOMSON

 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):

Đường cong đảo:

 Chọn giá trị p, T ban đầu saocho T = 0, gọi điểm đảo

 Tập hợp các điểm đảo tạothành đường cong đảo

 Các điểm ở dưới đường congđảo cho hiệu ứng (+), còn ởphía trên cho hiệu ứng (-)

4 NỘI NĂNG CỦA KHÍ THỰC HIỆU ỨNG JOULE - THOMSON 4.2 HIỆU ỨNG JOULE – THOMSON

Các bài tập cần làm: (Sách BT Lương Duyên Bình):

10.1, 10.2, 10.4, 10.5, 10.8

HẾT