Bài giảng Vật lý phân tử và nhiệt học

Ở trạng thái lỏng: sự chênh lệch giữa động năng chuyển động nhiệt và thế năng tƣơng tác không lớn lắm, do đó các hạt của chất lỏng vẫn có thể dịch chuyển, quay, dao động nhƣng không t[r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG

KHOA CƠ BẢN

NGUYỄN THỊ KIỀU THU

BÀI GIẢNG

VẬT LÝ PHÂN TỬ VÀ NHIỆT HỌC

Quảng Ngãi, 2016

LỜI NÓI ĐẦU

Học phần Vật lý phân tử và nhiệt học gồm có hai phân môn: Vật lý phân tử (VLPT) và nhiệt động lực học (NĐLH).Trong VLPT người ta vận dụng quan điểm vi

mô và phương pháp thống kê, còn trong NĐLH người ta vận dụng quan điểm vĩ mô

và phương pháp nhiệt động lực học để nghiên cứu

Bài giảng gồm có 8 chương, trong đó hai phân môn VLPT và NĐLH được trình bày xen kẽ; các chương 2, 3, 4, 7 và 8 thuộc phân môn VLPT; còn chương 5 và chương 6 thuộc phân môn NĐLH Ngoài ra chương 1 là chương mở đầu, cung cấp cho sinh viên những khái niệm cơ bản trước khi nghiên cứu học phần

Tập bài giảng này được biên soạn dùng cho sinh viên sư phạm ngành Vật lý Trên cơ sở tham khảo các tài liệu, giáo trình kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy của mình, người biên soạn đã sắp xếp lại các kiến thức một cách có hệ thống, khoa học, chi tiết với mong muốn giúp cho sinh viên dễ dàng trong việc tiếp thu kiến thức Sau mỗi chương có phần câu hỏi và bài tập cho sinh viên tự học

Mặc dù rất cố gắng nhưng trong quá trình biên soạn không thể không có những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô, đồng nghiệp

và các bạn sinh viên để bài giảng hoàn thiện hơn Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ email: ntkthu@pdu.edu.vn Xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Vật lý phân tử và nhiệt học nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến các quá trình xảy ra bên trong vật là quá trình chuyển động nhiệt

1.1.2 Phương pháp nghiên cứu

Người ta sử dụng hai phương pháp:

Phương pháp thống kê: phân tích các quá trình xảy ra đối với từng phân tử, nguyên tử riêng biệt trên quan điểm vi mô, rồi dựa vào qui luật chung cho cả tập hợp các phân tử, từ đó giải thích các tính chất của vật

Phương pháp nhiệt động lực học: nghiên cứu sự biến đổi năng lượng vật từ dạng này sang dạng khác trên quan điểm vĩ mô Phương pháp dựa trên hai nguyên lý

cơ bản của nhiệt động học được rút ra từ thực nghiệm Từ đó, rút ra được những tính chất của vật trong các điều kiện khác nhau mà không cần chú ý đến cấu tạo phân tử

Trong học phần này chúng ta sẽ dùng cả hai phương pháp trên để nghiên cứu các vấn đề của chuyển động nhiệt

1.2.1 Hệ nhiệt động

Hệ nhiệt động là một tập hợp các vật thể được bao bọc bởi một bề mặt chu vi Các vật thể có thể là các cá thể có kích thước vĩ mô, cũng có thể là các phân tử, nguyên tử có kích thước vi mô

Bề mặt chu vi có thể là thực, chẳng hạn như chu vi của một bình đựng khí, cũng có thể là ảo như bề mặt bao quanh một lượng chất lỏng chảy dọc theo một ống

mà ta tưởng tượng

Như vậy, khái niệm “hệ nhiệt động” là một khái niệm rộng và tổng quát

1.2.2 Hệ con

Hệ con là một phần của hệ, với số cá thể ít hơn và có thể tích bé hơn

Hệ có thể xem như được cấu tạo bởi nhiều hệ con Hệ con chịu ảnh hưởng của phần còn lại của hệ lên nó, nên trạng thái của hệ con luôn thay đổi

1.2.3 Khoảng ngoài

Phần còn lại ở ngoài hệ được gọi là khoảng ngoài

1.2.4 Hệ cô lập

Hệ cô lập là hệ hoàn toàn không tương tác và trao đổi năng lượng với khoảng ngoài

1.2.5 Hệ cô lập một phần

Hệ có trao đổi công mà không trao đổi nhiệt với khoảng ngoài thì được gọi là

hệ cô lập về nhiệt, ngược lại hệ có trao đổi nhiệt nhưng không tra đổi công thì được gọi là hệ cô lập về công Những hệ như vậy, ta gọi là hệ cô lập một phần

1.3.1 Thông số 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

Ví dụ: Đối với một khối khí, trạng thái của nó được xác định khi biết áp suất p, nhiệt độ T, thể tích khối khí V Vậy p, V, T là các thông số trạng thái của khối khí

Hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động là trạng thái mà khi đó mọi nơi trong hệ đều có cùng một áp suất, cùng nhiệt độ

Về phương diện vĩ mô, ta có thể chia thông số trạng thái làm hai loại:

a Thông số quảng tính: là thông số mà độ lớn của nó tỉ lệ với khối lượng của

hệ Ví dụ: thể tích V

b Thông số cường tính: là thông số mà độ lớn của nó không phụ thuộc vào khối lượng của hệ Ví dụ: áp suất, nhiệt độ, mật độ…

1.3.2 Phương trình trạng thái

Các thông số trạng thái của hệ không hoàn toàn độc lập với nhau, mỗi thông số

là một hàm của các thông số còn lại

Phương trình trạng thái là hệ thức liên hệ các thông số trạng thái

Đối với một khối khí: F(p, V, T) = 0

Áp suất là đại lượng vật lý có giá trị bằng áp lực tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt

p = F

S (1.1)

Đơn vị:

Trong hệ SI: áp suất có đơn vị N/m2, Pa

Ngoài ra, áp suất còn có đơn vị: mmHg, atm, at…với 1at = 9,81.104N/m2

1atm = 1,013.105N/m2 1atm = 1,033at = 760mmHg 1at = 736mmHg

Đối với khối khí đựng trong bình chứa thì áp suất khí là áp lực tác dụng lên một đơn vị diện tích thành bình Áp lực này là do sự va chạm giữa các phân tử khí và thành bình gây nên

1.5 Nhiệt độ

1.5.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một vật Khái niệm trung tâm của nhiệt động lực học là nhiệt độ Khái niệm về nhiệt độ được xuất phát từ cảm giác nóng, lạnh Khi ta sờ tay vào vật, ta có thể biết vật này nóng, vật kia lạnh, vật này nóng hơn vật kia…Tuy nhiên, cảm giác chúng ta không phải luôn luôn đúng Chẳng hạn trong ngày mùa đông giá lạnh, khi ta sờ tay vào một thanh sắt ta cảm thấy lạnh hơn so với thanh gỗ, mặc dù cả hai đều có cùng nhiệt độ Sự cảm nhận khác nhau này

là do sắt dẫn nhiệt nhanh hơn so với gỗ Do vậy, để đo nhiệt độ, ta sử dụng nhiệt kế

Các tính chất của vật thông thường phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ thay đổi thì bản chất của vật cũng thay đổi theo Ví dụ: độ dài, thể tích, điện trở, chiết suất…

Nhiệt độ là đại lượng có tính đặc biệt mà không đại lượng nào có được, đó là nhiệt độ không phải là đại lượng cộng tính

Nhiệt độ là một trong bảy đại lượng chuẩn cơ bản của hệ SI Nó có thể tăng lên

vô hạn nhưng lại không thể hạ thấp vô hạn Giới hạn của nhiệt độ thấp được chọn là không độ của thang đo Kenvin và nhiệt độ đó gọi là không độ tuyệt đối (0 K)

1.5.2 Nguyên lý thứ không của nhiệt động lực học

Thực nghiệm cho thấy: khi ta cho hai vật đồng chất A và B tiếp xúc ở một nơi hoàn toàn cách nhiệt (hệ cô lập) thì nhiệt sẽ được truyền từ vật nóng sang vật lạnh, làm cho vật nóng sẽ nguội dần và vật lạnh sẽ nóng dần Sau một thời gian đủ lâu, nhiệt độ hai vật bằng nhau, hệ đạt trạng thái cân bằng nhiệt Nếu hệ cô lập gồm nhều vật nóng lạnh khác nhau thì sau thời gian đủ lâu hệ cũng đạt cân bằng nhiệt

Từ đó ta có kết luận: “Hai vật cân bằng nhiệt với vật thứ ba thì chúng cân bằng nhiệt với nhau” Kết luận này được gọi là nguyên lý thứ không nhiệt động lực học

1.5.3 Thang đo nhiệt độ

Để đo được nhiệt độ ta phải chế tạo nhiệt kế theo các thang đo khác nhau

Để xây dựng một thang đo nhiệt giai, đầu tiên ta phải chọn một điểm cố định (ví dụ như điểm đóng băng hay điểm sôi của nước) và gọi đó là điểm chuẩn

Năm 1967, Hội nghị Quốc tế đã thỏa thuận chọn điểm ba (điểm tam trùng) của nước làm điểm chuẩn cố định và gán cho giá trị là 273 K

Kí hiệu: T3 = 273 K là nhiệt độ ở điểm tam trùng Ở nhiệt độ này các trạng thái cân bằng nhiệt của nước, nước đá và hơi nước cùng tồn tại

Nhiệt giai Kenvin (K) được chọn làm nhiệt giai quốc tế sử dụng trong khoa học cơ bản Ở nhiệt giai này, người ta quy định điểm tam trùng của nước là 273 K và

0 K là nhiệt độ không tuyệt đối

Nhiệt giai Celsius (còn gọi là nhiệt giai bách phân) lấy nhiệt độ nước đá đang tan là 00C và điểm sôi của nước là 1000C Chia khoảng cách trên nhiệt kế từ 00C đến

1000C thành 100 phần bằng nhau, mỗi phần 10C Như vậy, nếu TC là nhiệt độ trong thang nhiệt giai Celsius và T là nhiệt độ trong thang nhiệt giai Kenvin thì:

TC = T – 273,16 hoặc T = TC + 273 (1.2) Nhiệt giai Fahrenheit được dùng ở Anh, Mỹ và một vài nước khác Trong thang đo Fahrenheit, ứng với nhiệt độ đá đang tan là 320F và nhiệt độ sôi của nước là

2120F Vì vậy:

TF = 95 32 (1.3)

1.5.4 Các loại nhiệt kế

Không thể chế tạo một nhiệt kế có khả năng đo ở mọi nhiêt độ, mỗi nhiệt kế chỉ có thể đo chính xác ở một khoảng nhiệt độ nào đó

Nhiệt kế khí: nhiệt kế khí Heli được dùng để đo nhiệt độ rất thấp (cỡ 1K), ở nhiệt độ cao hơn (< 2000C) người ta dùng nhiệt kế khí O2, H2

Nhiệt kế điện trở: vật nhiệt kế là dây dẫn điện thường làm bằng kim loại hay hợp kim, đại lượng nhiệt kế là điện trở R của dây, R tăng theo nhiệt độ và được biểu thị bởi hệ số nhiệt điện

Nhiệt kế lỏng: vật nhiệt kế là chất lỏng, đại lượng nhiệt kế là thể tích khối chất lỏng

Nhiệt kế cặp nhiệt điện: nhiệt kế này dựa vào nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện Dòng nhiệt điện đặc trưng bởi nhiệt điện E được phát sinh khi có sự chênh lệch nhiệt độ hai mối hàn cặp nhiệt điện Loại nhiệt kế này được dùng để đo những nhiệt độ cao từ 3000C đến 20000

C tùy theo kim loại làm cặp nhiệt điện

Hỏa kế quang học: hoạt động dựa vào sự bức xạ của vật khi được nung nóng

và dựa vào các định luật bức xạ Hỏa kế quang học đo nhiệt độ từ 20000C đến

50000C

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1

1 Nhiệt độ là khái niệm vi mô hay vĩ mô?

2 Phương pháp thống kê khác phương pháp nhiệt động lực như thế nào?

3 Trong thực nghiệm các nhà khoa học chỉ thu được nhiệt độ thấp nhất là

0,000000002 K, còn nhiệt độ không tuyệt đối thì chưa thể thu được Vì sao các

nhà khoa học luôn cố gắng để thu được nhiệt độ thấp hơn nữa?

4 Một nhiệt giai Z có điểm đóng băng và điểm sôi của nước là -140Z và 650Z

a Hỏi độ biến thiên nhiệt độ T trong nhiệt giai Z ứng với độ biến thiên 530F là

bao nhiêu?

b Nhiệt độ trong nhiệt giai Fahrenheit ứng với nhiệt độ T = -980Z là bao nhiêu?

5 Để làm một nhiệt kế thủy ngân có khoảng đo từ 00C đến 2000C, người ta cần dùng một cần hình trụ dài, có thể tích trong là 24mm3 Tính:

a Thể tích của bầu nhiệt kế

b Khối lượng của thủy ngân

Cho khối lượng riêng của thủy ngân là 13,6g/cm3, hệ số nở biểu kiến của thủy ngân trong thủy tinh là

6 Một loại nhiệt giai Z mà điểm nước đá đang tan là -50Z và điểm nước đang sôi là

1050Z ở điều kiện chuẩn Hỏi:

a Khi nhiệt giai Celsius biến thiên 600C thì nhiệt giai Z biến thiên bao nhiêu?

b Nhiệt độ trong nhiệt giai Celsius là 600C thì nhiệt độ trong nhiệt giai Z là bao nhiêu?

c Tại nhiệt độ nào thì chỉ số trên hai nhiệt giai bằng nhau?

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ CỦA VẬT CHẤT 2.1 Thuyết nguyên tử, phân tử về cấu tạo chất

2.1.1 Thuyết nguyên tử và phân tử

a Thuyết nguyên tử

Lơxip (Leucippe) và Đêmôcơrit (Desmocrite) là hai triết gia người Hy Lạp được coi là những người đầu tiên nêu lên thuyết nguyên tử

Thuyết nguyên tử cho rằng: vật chất chỉ có thể bị chia nhỏ tới một giới hạn nhất định, giới hạn đó được gọi là nguyên tử (atomos: tiếng Hy Lạp có nghĩa là không phân chia được)

Thuyết nguyên tử thời đó còn sơ sài nhưng lại là một phỏng đoán đúng đắn về cấu tạo gián đoạn của vật chất Tuy nhiên, thuyết này bị Nhà thờ chống đối và ngăn cấm trong một thời gian dài

Đến cuối thế kỉ XVII, thuyết nguyên tử mới được phục hồi khi Bôilơ (Robert Boyle, 1627-1691) – nhà vật lí và hóa học người Ailen đề ra thuyết hạt: “nguyên tố hóa học bao gồm những hạt vô cùng nhỏ, có hình dạng và kích thước nhất định và luôn chuyển động, những hạt này của các nguyên tố có khả năng kết hợp với nhau thành những hạt lớn hơn của vật thể phức tạp (ngày nay gọi là hợp chất).”

Từ cơ sở của thuyết hạt, năm 1808 Đantơn (John Dalton,1766-1844) – nhà vật

lí và hóa học người Anh đã đưa ra thuyết nguyên tử có tính khoa học hơn: “Mọi vật chất đều được tạo thành từ nguyên tử, tất cả các nguyên tử của một nguyên tố đều giống nhau và đều có những tính chất đặc trưng của nguyên tố đó.”

b Thuyết phân tử

Trên cơ sở thuyết nguyên tử của Đantơn, năm 1811 Avôgađrô (1776 – 1856) – nhà hóa học và vật lí người Ý đã đưa ra thuyết phân tử: “Hạt nhỏ nhất của một chất có khả năng tồn tại độc lập, cấu tạo bởi ít nhất từ hai nguyên tử.” Cần chú ý rằng khi Avôgađrô đưa ra thuyết phân tử thì người ta chưa phát hiện ra khí trơ (mỗi phân tử khí trơ chỉ có một nguyên tử)

Trong thuyết nguyên tử của mình, Avôgađrô đã nêu ra rằng: “trong các thể tích bằng nhau của các chất khí khác nhau, ở cùng một nhiệt độ và áp suất, đều có số phân

tử như nhau”

Năm 1860, tại Hội nghị Hóa học quốc tế lần thứ nhất, học thuyết nguyên tử của Đantơn được chấp nhận, và cũng đưa ra định nghĩa phân tử: “Phân tử là phần tử nhỏ nhất của một chất có khả năng tồn tại độc lập.”

Tuy nhiên, thuyết nguyên tử và phân tử lúc đó vẫn chỉ là giả thuyết khoa học, chưa có bằng chứng về sự tồn tại của nguyên tử cũng như phân tử.Đến giữa thế kỉ

XX, khoa học lần đầu tiên nhìn thấy nguyên tử bằng kính hiển vi ion Sau đó lần lượt

là các loại kính hiển vi Tunen, kính hiển vi lực nguyên tử… ra đời, với độ phân giải cao, giúp ta càng thấy rõ nguyên tử

2.1.2 Cấu tạo bên trong nguyên tử

Nguyên tử được cấu tạo từ các hạt cơ bản:

- Electron (kí hiệu là e): có khối lượng me = 9,1.10-31kg, mang điện tích âm –e = 1,6.10-19C

- Proton (kí hiệu là p): có khối lượng mp = 1,672.10-27kg, mang điện tích dương +e = 1,6.10-19C

- Nơtron (kí hiệu là n): có khối lượng mn = 1,675.10-27kg, không mang điện tích Năm 1911, nhà vật lí người Anh là Rơzơpho (Ernest Rutherford, 1871-1937)

đã làm thí nghiệm và phát hiện ra hạt nhân nguyên tử (có kích thước khoảng 10-13

m)

và đề xuất ra mô hình nguyên tử có hạt nhân Mô hình này được hoàn thiện dần dần cho đến ngày nay

Tóm lại, nguyên tử gồm:

- Hạt nhân tích điện dương Hạt nhân được cấu tạo bởi hai loại hạt: hạt proton tích điện dương và hạt nơtron không tích điện, hai loại hạt này có tên chung là nucleon, chúng liên kết với nhau bằng một loại lực đặc biệt gọi là lực hạt nhân Điện tích dương của hạt nhân bằng tổng điện tích dương của các proton

- Electron: mang điện tích âm, chuyển động xung quanh hạt nhân tạo thành đám mây điện tử

Khi nguyên tử trung hòa về điện, tổng điện tích âm bằng tổng điện tích dương Đường kính nguyên tử vào khoảng 1A0

. Kích thước nguyên tử của các nguyên

tố khác nhau là khác nhau tùy theo số proton, nơtron trong hạt nhân và số electron bao quanh

2.1.3 Lượng chất Đơn vị mol

Năm 1971, tại Hội nghị Cân đo quốc tế các nhà khoa học đã đưa vào Hệ thống đơn vị quốc tế SI một đơn vị mới, đơn vị thứ bảy, đó là đơn vị lượng chất, gọi là mol

Tại đây, mol đã được định nghĩa như sau: Mol là lượng chất của một hệ chứa

một số thực thể cơ bản bằng tổng số nguyên tử trong 0,012kg cacbon 12 Khi dùng mol phải chỉ rõ thực thể cơ bản, chúng có thể là nguyên tử, phân tử, ion, điện tử và các hạt hoặc nhóm đặc trưng của hạt

Số nguyên tử hay phân tử chứa trong 1 mol của mọi chất đều cùng một giá trị, được gọi là số Avôgađrô, kí hiệu NA, NA = 6,02.1023 mol-1

Khối lượng của một mol chất nào đó được gọi là khối lượng mol của chất đó,

kí hiệu là (muy)

Khối lượng của một phân tử (hay nguyên tử) của một chất;

m0=

Thể tích của một mol chất nào đó gọi là thể tích mol của chất ấy Đơn vị của thể tích mol là m3/mol hay lít/mol Kí hiệu:

Từ định luật Avôgađrô đưa ra vào năm 1811: Những thể tích như nhau của

mọi khí ở cùng nhiệt độ và áp suất đều chứa cùng một số phân tử, ta có thể suy ra kết

luận sau đây: Ở cùng nhiệt độ và áp suất, thể tích mol của mọi chất khí đều bằng nhau Ở điều kiện chuẩn (00C, 1atm), thể tích mol của mọi chất khí đều bằng 22,4 lít/mol hay 0,0224 m3/mol

2.2 Chuyển động nhiệt Chuyển động Brown

2.2.1 Chuyển động nhiệt

Thế nào là chuyển động nhiệt?