động hỗn loạn của những vật tương tác với nhau, làm nội năng tăng lên hoặc giảm đi dạng này gọi là nhiệt.
Ví dụ: cho vật lạnh tiếp xúc với vật nóng, các phân tử chuyển động nhanh của vật nóng va chạm với các
phân tử chuyển động chậm của vật lạnh và truyền cho chúng một phần động năng của mình. Do đó nội năng của vật lạnh tăng lên, nội năng của vật nóng
giảm đi.
8.2.2. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học
Độ biến thiên năng lượng toàn phần ΔW của hệ trong quá trình vĩ mô có giá trị bằng tổng công A và nhiệt Q mà hệ nhận được trong quá trình đó (định luật bảo toàn năng lượng).
ΔW = Q – A ΔU = Q – A
- Nếu A < 0, Q > 0 thì ΔU > 0 có nghĩa là hệ nhận công và nhận nhiệt, nội năng của hệ tăng
- Nếu A > 0, Q < 0 thì ΔU < 0 có nghĩa là hệ sinh công và tỏa nhiệt, nội năng của hệ giảm
< >
9.2. Phương trình trạng thái khí lý tưởng
pV = nRT
p: áp suất khối khí đang xét (N/m2) V: thể tích khối khí (m3)
T : nhiệt độ khối khí (0K) n : số phân tử khí (mol) R = 8,31 J/mol.K
2 Các định luật thực nghiệm
2.1 Quá trình đẳng nhiệt (Định luật Boyle-Mariotte)
Trong quá trình đẳng nhiệt của một chất khí, thể tích tỷ lệ nghịch với áp suất, hay nói cách khác: tích thể tích và áp suất của khối khí là một hằng số
PV = hằng số
9.1.3.2. Định luật Gay-Lussac
Giới hạn ứng dụng của các định luật thực nghiệm
- Khí lý tưởng là khí hoàn toàn tuân theo ba định luật nói trên
- Phần lớn chất khí ở áp suất và nhiệt độ phòng có thể coi là khí lý tưởng
Sơ đồ tóm tắt ba quá trình
Ở nhiệt độ 00C và 1 atm Thể tích mol = 22,4 lít
R = 8,31 J/mol.K P không đổi
T không đổi PV = const
V không đổi
THUYẾT ĐỘNG HỌC CHẤT KHÍ
3.1 Thuyết động học chất khí và chất khí lý tưởng 3.1.1. Nội dung thuyết động học phân tử
- Các chất có cấu tạo gián đoạn và gồm một số rất lớn các phân tử
- Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng. Khi chuyển động chúng va chạm vào nhau và truyền năng lượng cho nhau
- Cường độ chuyển động của các phân tử liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ.
Chuyển động của các phân tử càng mạnh thì nhiệt độ càng cao. Nhiệt độ thuyệt đối tỷ lệ với động năng trung bình của phân tử.
Xét một chất khí gồm N phân tử đựng trong một bình hình lập phương cạnh a. Lấy một diện tích nhỏ ΔS của thành bình (phía phải của hình lập phương chẳng hạn) và tính số phân tử va đập vào bề mặt ΔS đó trong thời gian Δt.
Giả sử rằng các phân tử khí chuyển động chỉ dọc theo ba hướng vuông góc với nhau một cách đồng đều.
Như vậy, sẽ có N/3 phân tử chuyển động dọc theo mỗi phương, một nửa số phân tử đó (tức N/6 phân tử) chuyển động về hướng ΔS (chẳng hạn theo hướng pháp tuyến). Ngoài ra, ta giả sử rằng mọi phân tử đều chuyển động với cùng vận tốc v.
Khi đó, trong khoảng thời gian Δt, tất cả các phân tử khí đập vào bề mặt ΔS phải được chứa trong thể tích hình trụ với đáy ΔS và chiều cao v.Δt . Số phân tử khí này bằng:
3.3. Các hệ quả:
Từ p = nkBT, ta thấy khi hai chất khí đậm đặc như nhau, chất khí nào có nhiệt độ cao hơn thì áp suất cao hơn, ngược lại hai chất khí có cùng nhiệt độ thì chất khí nào đậm đặc hơn sẽ gây ra áp suất cao hơn
3.4. Luật phân bố đều năng lượng theo các bậc tự do
a. Bậc tự do
Bậc tự do của các phân tử khí là số tọa độ độc lập cần thiết để xác định vị trí của phân tử đó ở trong không gian. Ký hiệu bậc tự do là i.
Trường hợp phân tử chỉ có một nguyên tử (các hơi kim loại) thì bậc tự do của chúng là i = 3 vì vị trí của nguyên tử được xác định bởi 3 tọa độ.
Trường hợp phân tử gồm hai nguyên tử (các khí Oxy, Nitơ, Hydro …) thì phân tử được xem như là hai chất điểm nằm cách nhau một khoảng không đổi. Vị trí của nguyên tử thứ nhất được xác định bởi ba tọa độ, nguyên tử thứ hai do chỉ có thể chuyển động trên mặt cầu mà tâm là nguyên tử thứ nhất, do đó được xác định bởi hai tọa độ θ, ϕ (hệ tọa độ cầu). Vậy bậc tự do của phân tử gồm hai nguyên tử là i = 3+2 = 5.
Nếu phân tử gồm ba nguyên tử (CO2) thì ta có thể xem như phân tử là một vật rắn, vị trí của nguyên tử thứ nhất và thứ hai được xác định bởi năm tọa độ, còn nguyên tử thứ ba có thể quay quanh trục là hai nguyên tử kia, do đó bậc tự do của phân tử là i = 6.
Đối với chất khí mà phân tử của nó có số nguyên tử lớn hơn ba ta vẫn lấy i = 6.
Tóm lại, bậc tự do của các phân tử chỉ nhận các giá trị sau đây:
i = 3 ; 5 ; 6.
b. Luật phân bố đều năng lượng theo các bậc tự do
Căn cứ vào chuyển động hỗn loạn của các phân tử nghĩa là không có phương ưu tiên, Maxwell đã phát biểu luật sau: “Động năng trung bình của phân tử được phân bố đều cho các bậc tự do của phân tử”
8.2.1.2. Nội năng Nội năng của hệ bao gồm:
- Động năng chuyển động hỗn loạn của các phân tử (tịnh tiến, quay, dao động).
- Thế năng gây ra bởi các lực tương tác phân tử
U = W đ + W t
Đối với khí lý tưởng thì các phân tử không tương tác nhau nên thế năng tương tác giữa các phân tử coi như không có. Như vậy nội năng U của khí lý tưởng chỉ còn tổng động năng của các phân tử.
Xét một khối khí có có N phân tử, mỗi phân tử có i bậc tự do, vậy toàn bộ khối khí có Ni bậc tự do, mà mỗi bậc tự do ứng với một năng lượng là 1/2 kBT, nên năng lượng hay nội năng của khối khí là: