Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 1: Khí lý tưởng

VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNGCƠ HỌC - NHIỆT HỌCBÀI GIẢNG CHO SINH VIÊN CHÍNH QUYGiảng viênThS.NGUYỄN THANH NGATRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI-CƠ SỞ 2CHƯƠNG 1. KHÍ LÝ TƯỞNG1. Phương pháp thống kê và phương pháp nhiệt độnga/ Phương pháp thống kê:-dựa trên cấu tạo phân tử của các chất, phân tích các quá trình xảy ra đối với từng phân tử, nguyên tử riêng biệt =>dựa vào các quy luật thống kê để tìm ra các quy luật chung của cả tập hợp phân tử và giải thích các tính chất của vật. b/ Phương pháp nhiệt động:-dựa trên 2 nguyên lý cơ bản rút ra từ thực nghiệm: I, II=>chỉ cần xem xét điều kiện biến hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác & nghiên cứu những biến đổi đó về mặt định lượng $1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN$1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢNTrạng thái 1 vật được xác định bởi tập hợp các thông số trạng thái.-PT mô tả mối liên hệ giữa các thông số trạng thái gọi là phương trình trạng thái.Để mô tả trạng thái của một khối khí, người ta thường dùng 3 thông số trạng thái là V,P,T. Phương trình trạng thái tổng quát:	 f(V,P,T)=02-Thông số trạng thái và phương trình trạng thái$1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢNa/ Áp suất: là đại lượng vật lý có giá trị bằng lực nén vuông góc lên một đơn vị diện tích. Gọi Fn là lực nén vuông góc lên diện tích S==> P=Fn/S- Đơn vị: N/m2, at, Pa1at (kỹ thuật) = 9,81.104 N/m2 =736 mmHg 1at (vật lý) =1,013.105 N/m2 = 760 mmHg1 Pa = 1 N/m2, 1 Tor = 1mmHg b/ Nhiệt độ: là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên hệ.- Đơn vị: t(0C), T(0K)	T(0K) = t(0C)+273 3-Khái niệm áp suất và nhiệt độ$2. CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM CHẤT KHÍ- Phát biểu:- Phương trình: P.V=const, hay P1V1=P2V2- Đồ thị: đường cong hyperbol trong mp OPV1-Định luật Bôi-Mariốt (T=const)$2. CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM CHẤT KHÍ- Phát biểu:- Phương trình: P/T=const, hay P1/T1=P2 /T2- Đồ thị: đường thẳng song song với trục OP trong mp OPV2-Định luật Gay luýt xắc (V=const)$2. CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM CHẤT KHÍ- Phát biểu:- Phương trình: V/T=const, hay V1/T1=V2 /T2- Đồ thị: đường thẳng song song với trục OV trong mp OPV3-Định luật Sác lơ (P=const)$2. CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM CHẤT KHÍ- Các định luật này được thiết lập khi nghiên cứu các chất khí ở nhiệt độ và áp suất bình thường của phòng thí nghiệmnên khi áp suất cao (P>500at) và nhiệt độ thấp thì các định luật này không còn đúng nữa. =>Đk áp dụng : trong điều kiện nhiệt độ phòng thí nghiệm (100 C đến 390 C) và áp suất khí quyển. 4-Giới hạn áp dụng các định luật thực nghiệm$3. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNGa/Định nghĩa : KLT là loại khí tuân theo hoàn toàn chính xác các định luật thực nghiệm.b/Đặc điểm : - Kích thước của các phân tử không đáng kể so với khoảng cách giữa chúng, nên mỗi phân tử có thể coi là 1 chất điểm.- Các phân tử khí lý tưởng không tương tác với nhau trừ khi va chạm.1-Khí lý tưởng $3. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG-R=8,31.103 (J/kmol) gọi là hằng số khí lý tưởng-m(kg) là khối lượng của khối khí - (kg/kmol) là khối lượng mol phân tử-P (N/m2) là áp suất khối khí-V (m3) là thể tích khối khí-T (0K) là nhiệt độ khối khí2-Phương trình trạng thái khí lý tưởng$4. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍTĐH PTCK là thuyết dựa trên: - cấu tạo phân tử của các chấtchuyển động hỗn loạn không ngừng của các phân tử==>giải thích tính chất của các chất.2-Những cơ sở thực nghiệma/ Cấu tạo phân tử của các chất- Vật chất được cấu tạo bởi các phân tử, mỗi phân tử được cấu tạo bởi 1 hoặc nhiều nguyên tử.-Số lượng phân tử trong 1 vật rất lớn. Ví dụ : 1 kmol khí bất kì luôn chứa cùng số phân tử, NA=6,02.1026 phân tử1-Định nghĩa $4. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍa/ Cấu tạo phân tử của các chất (tt)- Kích thước phân tử rất nhỏ, nếu coi mỗi nguyên tử là một khối cầu thì đường kính cỡ 10-10m.- Các phân tử không nằm sát nhau, nên tổng thể tích riêng của các phân tử r0 thì lực tương tác là lực hút, nhưng r>15.10-10m thì lực hút có thể bỏ qua Ở điều kiện t0 và P thông thường, ta có thể bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử.2-Những cơ sở thực nghiệm$4. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍb/ Chuyển động phân tửThực nghiệm chứng tỏ : các phân tử chuyển động hỗn loạn, không ngừng (chuyển động Brao).- Trong chất lỏng, do tương tác giữa các phân tử chất lỏng còn đáng kể, nên các phân tử chuyển động hỗn loạn theo kiểu du mục.- Trong chất khí, do tương tác giữa các phân tử rất yếu, nên các phân tử khí chuyển động hoàn toàn hỗn loạn 2-Những cơ sở thực nghiệm (tt)$4. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ1) Các chất có cấu tạo gián đoạn và gồm một số rất lớn các phân tử.2) Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng, khi chuyển động chúng va chạm với nhau và va chạm với thành bình.3) Cường độ chuyển động phân tử biểu hiện ở nhiệt độ khối khí, chuyển động phân tử càng mạnh thì nhiệt độ càng cao. 4) Kích thước của các phân tử rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng, có thể bỏ qua và coi phân tử như một chất điểm.5) Các phân tử không tương tác với nhau trừ lúc va chạm3-Nội dung của thuyết động học phân tử chất khí$4. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍp: là áp suất khối khí (N/m2)n0: là mật độ phân tử khí (phân tử/m3) là động năng tịnh tiến trung bình của 1 phân tử khí- m là khối lượng 1 phân tử khí (kg)- là trung bình của bình phương vận tốc * Các hệ quả:4-PT cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí$4. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍa/ Động năng tịnh tiến trung bình của phân tử khí:- Xét 1 kmol khí: - Mặt khác: với n0.V0=NAk=1,38.10-23J/K là hằng số Bôn zơ man4-PT cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí$4. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍb/ Vận tốc căn quân phương4-PT cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí$4. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍc/ Mật độ phân tử :d/ Định luật Dalton Xét 1 bình khí chứa hỗn hợp khí ở cùng nhiệt độ T và mật độ từng chất khí lần lượt là : n01, n02,..,n0n==> Mật độ phân tử của hỗn hợp khí là : n0=n01+n02+..+n0n 4-PT cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí$5. NỘI NĂNG KHÍ LÝ TƯỞNG- Nội năng của 1 vật là phần năng lượng ứng với các vận động bên trong vật.Nội năng của 1 vật gồm có :+ Năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử+ Thế năng tương tác giữa các phân tử+ Năng lượng dao động của các phân tử quanh vị trí cân bằng- Đối với khí lý tưởng : các phân tử không tương tác với nhau trừ lúc va chạm, các phân tử khí không có vị trí cân bằng. Do vậy, nội năng của khí lý tưởng bằng tổng năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử khí.1-Nội năng$5. NỘI NĂNG KHÍ LÝ TƯỞNGa/ Định nghĩa : số bậc tự do (i) là số tọa độ độc lập cần thiết để xác định vị trí của phân tử trong không gian.b/ Số bậc tự do của các phân tử chất khí- Với khí đơn nguyên tử (phân tử chỉ có 1 nguyên tử) : ta coi phân tử như chất điểm, lúc đó phân tử chỉ chuyển động tịnh tiến, do đó, để xác định vị trí phân tử ta chỉ cần 3 tọa độ, nghĩa là i=3.- Với khí lưỡng nguyên tử : ngoài 3 bậc tự do của chuyển động tịnh tiến, còn phải xác định 2 tọa độ góc quay quanh trục Oy và Oz, nên i=5- Với khí đa nguyên tử : ngoài 3 bậc tự do của chuyển động tịnh tiến, còn phải xác định 2-Số bậc tự do và định luật phân bố đều năng lượng$5. NỘI NĂNG KHÍ LÝ TƯỞNGc/Định luật phân bố đều năng lượng-Động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến: mà phân tích trên 3 trục : Viết lại biểu thức : -Do chuyển động nhiệt hỗn loạn nên không có phương nào được ưu tiên : ==>Nghĩa là năng lượng ứng với 1 bậc tự do là * Định luật phân bố đều năng lượng : « Động năng trung bình của phân tử được phân bố đều cho các bậc tự do và năng lượng ứng với 1 bậc tự do là   »2-Số bậc tự do và định luật phân bố đều năng lượng$5. NỘI NĂNG KHÍ LÝ TƯỞNG- Theo định luật phân bố đều năng lượng, nếu phân tử có i bậc tự do : - Xét khối khí có n phân tử, khối lượng m. Khi đó, tổng năng lượng chuyển động nhiệt của n phân tử là : 	3-Biểu thức nội năng của khí lý tưởng$5. NỘI NĂNG KHÍ LÝ TƯỞNGDo đó, , nếu nhiệt độ khối khí biến thiên 1 lượng: thì nội năng của khối khí biến thiên 1 lượng: 3-Biểu thức nội năng của khí lý tưởng$4. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ1-Định nghĩa