Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 4: Khí thực - Nguyễn Xuân Thấu

Chương 4 KHÍ THỰC HÀ NỘI 2016 1 Nguyễn Xuân Thấu -BMVL 2CHƯƠNG 4. KHÍ THỰC NỘI DUNG CHÍNH Lực tương tác phân tử và thế năng tương tác - Lực tương tác phân tử - 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 31. LỰC TƯƠNG TÁC PHÂN TỬ VÀ THẾ NĂNG TƯƠNG TÁC  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. 7 13 A B F r r    1.1. LỰC TƯƠNG TÁC PHÂN TỬ 41. 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 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 (r ≈ 3.10-10 m) t minW 51. LỰC TƯƠNG TÁC PHÂN TỬ VÀ THẾ NĂNG TƯƠNG TÁC 1.2. THẾ NĂNG TƯƠNG TÁC Công của lực tương tác trong dịch chuyển r A F. r   Công của lực tương tác bằng độ giảm thế năng: tW F. r   tr : F 0   Tại thế năng có giá trị cực tiểu, khoảng cách ứng với cân bằng bền của phần tử. tW 0 nên chọn 0r r 0r r 1 2 3 Phần gần đồ thị thế năng có dạng hố thế năng. Muốn các phân tử tác xa nhau ra vô cùng chúng cần có động năng lớn hơn giá trị tuyệt đối của 0r r t minW t minW Đối với chất rắn: nên phân tử ở vị trí cân bằng bền, chuyển động nhiệt chỉ làm chúng dao động quanh các vị trí đó. 6 1. LỰC TƯƠNG TÁC PHÂN TỬ VÀ THẾ NĂNG TƯƠNG TÁC 1.2. THẾ NĂNG TƯƠNG TÁC Năng lượng chuyển động nhiệt của phân tử vào cỡ kT t minW kT W ® Đối với chất lỏng: nên phân tử vừa dao động quanh vị trí cân bằng lại vừa có thể dịch chuyển trong cả khối chất lỏng. t minW kT W ® Đối với chất khí: nên phân tử có thể dịch chuyển trong cả khối khí. t minW kT W ® 72. KHÍ THỰC. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ THỰC 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 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 pV RT 82. KHÍ THỰC. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ THỰC 2.2. PHƯƠNG TRÌNH VAN DER WAALS Cộng tích  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: V = Vt - b Với là số hiệu chỉnh về thể tích, gọi là cộng tích. Đơn vị của b là m3/mol. 31b 4N( d ) 6   92. KHÍ THỰC. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ THỰC 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 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. p = pt + pi Với pi là số hiệu chỉnh về áp suất, gọi là nội áp. pi phụ thuộc vào thể tích theo hệ thức: . Đơn vị của a lài 2 t a p V  4 2N.m / mol 10 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 đối với 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:  t t2 t a p V b RT V          2 a p V b RT V          2 2 2 m a m m p V b RT V              11 2. KHÍ THỰC. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ THỰC 2.2. PHƯƠNG TRÌNH VAN DER WAALS Đường đẳng nhiệt van der Waals  Từ phương trình Van der Waals đối với 1 mol khí, ta có:  Đường đẳng nhiệt Van der Waals (lý thuyết)   2 RT a p V b V    Họ các đường đẳng nhiệt 12  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. 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 13 3. NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC BẰNG THỰC NGHIỆM 3.1. ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT ANDREWS (THỰC NGHIỆM) 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 14 3. NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC BẰNG THỰC NGHIỆM 3.1. ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT ANDREWS (THỰC NGHIỆM)  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). 2 13 4 Họ các đường đẳng nhiệt 15 3. NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC BẰNG THỰC NGHIỆM 3.2. TRẠNG THÁI TỚI HẠN CỦA CÁC THÔNG SỐ TỚI HẠN  Các thông số tới hạn thỏa mãn hệ phương trình:  Giải hệ, ta được:  k k2 k k 2 2 k a p V b RT V dp 0 dV d p 0 dV                 k k k2 a 8a V 3b; p ; T 27b 27bR    16 3. NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC BẰNG THỰC NGHIỆM 3.2. TRẠNG THÁI TỚI HẠN CỦA CÁC THÔNG SỐ TỚI HẠN 17 3. NGHIÊN CỨU KHÍ THỰC BẰNG THỰC NGHIỆM 3.2. TRẠNG THÁI TỚI HẠN CỦA CÁC THÔNG SỐ TỚI HẠN Chú ý: đơn vị của các hằng số Van der Waals 6 4 2 2 m Pa Nm a : mol mol        3m b : mol       Sách Bài tập của Lương Duyên Bình 3 5 2 Jm 1,36.10 kmol        3m 0,04 kmol        Đơn vị chuẩn trong tính toán!!! 3 2 Jm kmol        3m kmol        6 2 2 m Pa VD : N : 0,136 mol       3 5 2 m VD : N : 4.10 mol        18 4. NỘI NĂNG CỦA KHÍ THỰC. HIỆU ỨNG JOULE - THOMSON 4.1. NỘI NĂNG CỦA KHÍ THỰC 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: U = Wđ + Wt Tổng động năng của chuyển động nhiệt chính bằng nội năng của khí lý tưởng. Đối với 1 mol khí, ta có: Wđ = CV.T Thế năng tương tác Wt phụ thuộc khoảng cách giữa các phân tử, do đó phụ thuộc thể tích của khối khí: t a W V   19 4. NỘI NĂNG CỦA KHÍ THỰC. HIỆU ỨNG JOULE - THOMSON 4.2. 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. 20  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 V 2 V 1 2 1 a a U C T C T 0 V V                  V V 2 1 2 1 a a a a C T 0 C T V V V V              4. NỘI NĂNG CỦA KHÍ THỰC. HIỆU ỨNG JOULE - THOMSON 4.2. HIỆU ỨNG JOULE – THOMSON 21  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 4. NỘI NĂNG CỦA KHÍ THỰC. HIỆU ỨNG JOULE - THOMSON 4.2. HIỆU ỨNG JOULE – THOMSON 22 4. NỘI NĂNG CỦA KHÍ THỰC. HIỆU ỨNG JOULE - THOMSON 4.2. HIỆU ỨNG JOULE – THOMSON  Hệ biến đổi có công của ngoại lực: U = A1 + A2 = -p1(0 - V1) - p2(V2 - 0) = p1V1 - p2V2  Đối với khí lý tưởng: 1 1 1 2 2 2p V RT ,p V RT  i U R T 2    1 1 2 2 1 2U p V p V RT RT R T        i So sánh R T R T 2     i U RT 2  T 0  23 4. NỘI NĂNG CỦA KHÍ THỰC. HIỆU ỨNG JOULE - THOMSON 4.2. HIỆU ỨNG JOULE – THOMSON  Hệ biến đổi có công của ngoại lực: U = A1 + A2 = -p1(0 - V1) - p2(V2 - 0) = p1V1 - p2V2  Đối với khí thực: 2 1 V 2 V 1 2 1 a a U U U C T C T V V                   V 1 2 2 2 1 2 1 2 1 1 1 1 (C R) T (p p )b 2a ab V V V V                      1 1 12 1 a p V b RT V         2 2 2 2 2 2 2 a ab p V RT p b V V      1 1 1 12 1 1 a ab p V p b RT V V      1 1 1 1 2 1 1 a ab p V RT p b V V       2 2 22 2 a p V b RT V         2 2 2 22 2 2 a ab p V p b RT V V      1 1 2 22 2 1 1 2 2 a ab a ab RT p b RT p b V V V V                    24  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 p1 > p2 nên T > 0, hiệu ứng Joule - Thomson âm 4. NỘI NĂNG CỦA KHÍ THỰC. HIỆU ỨNG JOULE - THOMSON 4.2. HIỆU ỨNG JOULE – THOMSON V 1 2 2 2 1 2 1 2 1 1 1 1 (C R) T (p p )b 2a ab V V V V                    V 1 2(C R) T (p p )b    25 4. NỘI NĂNG CỦA KHÍ THỰC. 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): Bỏ qua số hạng có chứa b: Vì V1 < V2 nên T < 0, hiệu ứng Joule - Thomson dương V 1 2 1 1 (C R) T 2a V V           V 1 2 2 2 1 2 1 2 1 1 1 1 (C R) T (p p )b 2a ab V V V V                    26 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 (-). 4. NỘI NĂNG CỦA KHÍ THỰC. HIỆU ỨNG JOULE - THOMSON 4.2. HIỆU ỨNG JOULE – THOMSON 27 Chương 4 KHÍ THỰC Các bài tập cần làm: (Sách BT Lương Duyên Bình): 10.1, 10.2, 10.4, 10.5, 10.8 HẾT