Xemtailieu Tải về Xác định nhiệt dung của không khí với bộ thí nghiệm phywe – lep 3202_01
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ ---------- ĐỀ TÀI XÁC ĐỊNH NHIỆT DUNG CỦA KHÔNG KHÍ VỚI BỘ THÍ NGHIỆM PHYWE – LEP 3202_01 Luận Văn Tốt Nghiệp Ngành: Sư Phạm Vật Lý Chuyên ngành: Sư Phạm Vật Lý – Công Nghệ K36 Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: GVHD: TS. Trần Thanh Hải SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan MSSV: 1100338 SP. Lí – Công nghệ k36 Cần Thơ, 2014 Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 MỤC LỤC MỤC LỤC .............................................................................................................. 1 A. MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 3 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................... 3 2. Giả thuyết của đề tài ........................................................................................... 3 3. Tiến hành thực hiện ............................................................................................ 4 B. NỘI DUNG ........................................................................................................ 5 CHƯƠNG 1: PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG.......................... 5 1.1 Định nghĩa khí lý tưởng ................................................................................. 5 1.2 Phương trình trạng thái khí lý tưởng .............................................................. 5 1.3 Nội năng của khí lý tưởng ............................................................................. 7 1.4 Hằng số khí R ................................................................................................ 8 1.5 Các định luật thực nghiệm về chất khí ........................................................... 8 1.5.1 Định luật Boyle – Mariotte .................................................................... 9 1.5.2 Định luật Gay Lussac ............................................................................ 9 1.5.3 Định luật Charles ................................................................................ 10 CHƯƠNG 2. KHÍ THỰC ....................................................................................... 12 2.1 Khí thực ...................................................................................................... 12 2.2 Phương trình Van der Waals ........................................................................ 12 2.2.1 Cộng tích và nội áp ............................................................................. 12 2.2.2 Phương trình Van der Waals ............................................................... 12 2.2.3 Đường đẳng nhiệt Van der Waals ........................................................ 14 2.3 Nội năng của khí thực .................................................................................. 15 2.4 Hiệu ứng Joule – Thomson .......................................................................... 16 CHƯƠNG 3. NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC .............................. 18 3.1 Công thực hiện trong quá trình thay đổi thể tích của chất khí ....................... 18 3.2 Sự truyền nhiệt trong quá trình thay đổi thể tích........................................... 20 3.3 Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học ......................................................... 21 3.3.1 Phát biểu nguyên lí .............................................................................. 21 3.3.2 Hệ quả của nguyên lí ........................................................................... 22 3.3.3 Ý nghĩa của nguyên lí.......................................................................... 23 CHƯƠNG 4. CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG ................................................... 24 4.1 Nhiệt dung riêng của các chất khí ............................................................... 24 4.2 Quá trình đẳng tích ...................................................................................... 24 4.3 Quá trình đẳng áp ........................................................................................ 26 4.4 Quá trình đẳng nhiệt .................................................................................... 28 4.5 Quá trình đoạn nhiệt .................................................................................... 30 CHƯƠNG 5. ENTROPY ........................................................................................ 34 5.1 Hàm entropy................................................................................................ 34 5.2 Nguyên lí tăng entropy ................................................................................ 37 5.3 Entropy của khí lý tưởng ............................................................................. 37 5.4 Ý nghĩa thống kê của entropy ...................................................................... 38 CHƯƠNG 6. THỰC NGHIỆM............................................................................... 40 6.1 Mục đích thí nghiệm .................................................................................... 40 6.2 Cơ sở lý thuyết ............................................................................................ 40 6.2.1 Nguyên lý ........................................................................................... 40 6.2.2 Lý thuyết và đánh giá .......................................................................... 40 6.2.3 Dụng cụ thí nghiệm ............................................................................. 41 6.3 Phương án thí nghiệm .................................................................................. 42 6.4 Hướng dẫn tiến hành thí nghiệm .................................................................. 42 GVHD: Trần Thanh Hải 1 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 6.4.1 Xác định nhiệt dung riêng đẳng áp Cp ................................................. 42 6.4.2 Xác định nhiệt dung riêng đẳng tích Cv ............................................... 47 6.5 Kết luận ....................................................................................................... 50 C. KẾT LUẬN ...................................................................................................... 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 52 GVHD: Trần Thanh Hải 2 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 A. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong mỗi lĩnh vực vật lí lại có một mô hình tiêu chuẩn riêng và là một đối tượng đơn giản nhất cho phép triển khai sử dụng các phương pháp tiếp cận cơ bản trong lĩnh vực nghiên cứu riêng của mình. Trong cơ học thì đó là chất điểm, trong lý thuyết sóng thì đó là sóng phẳng, còn trong nhiệt động lực học thì đó là khí lý tưởng của các hạt chứa trong thể tích giới hạn bởi một bình kín. Việc sử dụng các kiến thức nhiệt động lực học và thuyết động học phân tử chất khí dựa trên cấu tạo phân tử của chất khí và sự chuyển động hỗn loạn không ngừng của các phân tử để giải thích tính chất của chất khí, tạo nên một hệ thống kiến thức sâu sắc về mọi mặt nhằm giải thích và dự đoán mọi hiện tượng có liên quan đến môi trường khí với nhiều ứng dụng kĩ thuật hiện đại. Với một nền tảng kiến thức sâu rộng của loài người, cùng sự phát triển tiên tiến của khoa học và kỹ thuật. Tôi mạnh dạn chọn đề tài: “Xác định nhiệt dung của không khí với bộ thí nghiệm Phywe – LEP 3202_01” để xác đinh nhiệt dung không khí tại phòng thí nghiệm. Trong luận văn này tôi đã tìm hiểu và trình bày các nội dung cơ bản như: mô hình khí lý tưởng, khí thực, nhiệt dung, nhiệt dung riêng , định luật Gay Lussas, định luật Charles, nội năng của khí lý tưởng, nguyên lí thứ nhất nhiệt động học, … 2. Giả thuyết của đề tài Trong đề tài này tôi đã lựa chọn những vấn đề cơ bản nhất và xắp xếp chúng theo một trình tự tương đối phù hợp, nhằm nêu ra được tính cơ bản và tính hệ thống của vấn đề. Trước hết ta cần nắm lại các khái niệm nhiệt dung riêng, nhiệt dung phân tử đẳng tích (gọi tắt là nhiệt dung đẳng tích) và nhiệt dung phân tử đẳng áp của chất khí lý tưởng. Vấn đề này sẽ được lý giải ở nhiều nhiệt độ khác nhau và chúng ta sẽ lần lượt được giải thích theo phương trình trạng thái khí lý tưởng và nguyên lý thứ I nhiệt động học. GVHD: Trần Thanh Hải 3 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH 3. SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 Tiến hành thực hiện Bước 1: Nhận đề tài. Bước 2: Nghiên cứu lý thuyết. Bước 3: Tiến hành đo đạt bằng thực nghiệm. Bước 4: Viết đề cương. Bước 5. Viết bài luận văn, chỉnh sửa, hoàn thiện bài viết. Bước 6: Viết báo cáo. Bước 7: Báo cáo luận văn. GVHD: Trần Thanh Hải 4 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 B. NỘI DUNG CHƯƠNG 1: PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG 1.1 Định nghĩa khí lý tưởng Khí lý tưởng là một chất khí mà các phân tử của nó có các đặc tính sau đây: - Các phân tử của chất khí lý tưởng không có thể tích riêng, là các chất điểm chuyển động hỗn loạn và không tương tác với nhau hoặc khi va chạm với thành bình. - Va chạm giữa chúng và với thành bình được xem như va chạm hoàn toàn đàn hồi. - Kích thước riêng của các phân tử không đáng kể so với khoảng cách giữa chúng. Nói một cách khác, khí lý tưởng tuân theo hoàn toàn chính xác hai định luật Boyle – Mariotte và Gay Lussac. Nhiều chất khí thực như ôxy, hydro, nitơ ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển có thể coi là chất khí lý tưởng. 1.2 Phương trình trạng thái khí lý tưởng Trạng thái của một khối khí lý tưởng được xác định bởi ba thông số trạng thái: thể tích V, áp suất p, nhiệt độ T. Phương trình diễn tả mối liên hệ giữa các thông số đó được gọi là phương trình trạng thái khí lý tưởng. Ta có thể tìm được mối quan hệ này từ phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử. p= 2 nwđ 3 (1.1) Thật vậy: Nếu gọi n là nồng độ (mật độ) phân tử khí. N là số phân tử khí chứa trong thể tích V. V là thể tích của khối khí đang xét tính theo đơn vị m3. T là nhiệt độ của khối khí theo thang nhiệt độ tuyệt đối 0K. R = kNA = 8,31.103 (J/kmolK) gọi là hằng số khí lý tưởng. NA = 6,02.1023 mol-1 là số phân tử chứa trong một mol khí gọi là số Avogadro. GVHD: Trần Thanh Hải 5 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 k = 1,38.10-23 (J/K) là hằng số Boltzman. M là khối lượng chất khí ta đang xét tính theo đơn vị kg. là khối lượng của một kilomol khí tính theo kg. Ta có: n= M NA N = V V Thay vào biểu thức của áp suất biểu thị qua nhiệt giai Kelvin p = nKT = hay pV = M M N A KT V (1.2) RT = nRT được gọi là phương trình Mendeleev – Clapeyron. Đó chính là phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng bất kỳ. p p1 M1 p2 M2 p’ 1 M’ 1 T2 > T1 T1 0 V1 V2 V Hình 1-1 Giả sử, xét một kilomol khí lúc đầu có trạng thái xác định bởi các thông số p1, V1, T1. Sau khi biến đổi sang trạng thái p2, V2, T2. Trên đồ thị hình 1-1 trạng thái đầu và cuối được biểu diễn bằng hai điểm M1, M2 trên hai đường đẳng nhiệt T1 và T2. Để tìm mối liên hệ giữa các thông số, ta giả sử rằng sự biến đổi khí từ trạng thái đầu sang trạng thái cuối theo hai giai đoạn: GVHD: Trần Thanh Hải 6 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 Giai đoạn đầu nhiệt độ khí T1 được giữ nguyên và kilomol khí biến đổi sang trạng thái trung gian M’1, có các thông số p’1, V2, T1. Theo định luật Boilo – Mariot: p1V1 = p’1V2 (1.3) Giai đoạn sau khối khí giữ nguyên thể tích và biến đổi sang trạng thái M2. Theo định luật Gay – Luytxac: Và p’1 = p0αT1 (*) p2 = p0αT2 (**) p’1 = Từ (*), (**) rút ra: T1 p 2 T2 (1.4) p1V1 pV = 2 2 T1 T2 Thay (1.4) vào (1.3) ta được: (1.5) Từ (1.5) ta suy ra đối với một kilomol khí đã cho, lượng pV = R hay pV = RT T pV là một số không đổi: T (1.6) Phương trình (1.3) được gọi là phương trình trạng thái của một khối khí lý tưởng xác định. 1.3 Nội năng của khí lý tưởng Người ta chứng minh rằng biểu thức động năng trung bình của phân tử trong trường hợp tổng quát có dạng: Wđ i k BT 2 (1.7) Trong đó hệ số T được gọi là số bậc tự do của phân tử, là một đại lượng có liên quan đến cấu tạo của phân tử. Cụ thể đối với phân tử một nguyên tử i = 3 với nguyên tử hai phân tử i = 5 và với phân tử cấu tạo từ 3 nguyên tử trở lên i = 6. Kết quả ta có thể tính được nội năng của khí lý tưởng. Vì các phân tử khí lý tưởng không tương tác nhau nên nội năng khí lý tưởng bằng tổng động năng của các phân tử khí. Xét một mol khí lý tưởng có N phân tử, mỗi phân tử có động năng trung bình: GVHD: Trần Thanh Hải 7 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 Wđ i k BT 2 Vậy nội năng của một mol khí lý tưởng là: U NWđ U Hay: i Nk BT 2 (1.8) i RT 2 (1.9) Đối với một khối khí lý tưởng có khối lượng M, nội năng của khối khí ấy cho bởi: U i M RT 2 (1.10) Từ đó, ta có thể tính được sự biến thiên U của nội năng khi nhiệt độ thay đổi một lượng là T : U i M R.T 2 (1.11) 1.4 Hằng số khí R Hằng số khí hay hằng số khí lí tưởng, kí hiệu R, là tích số giữa hằng số Avogadro NA và hằng số Boltzmann k: -1 R = NAkB -1 và có giá trị R = 8,314 Jmol K Nếu p đo bằng atmotphe thì: R = 0,0848 m3 .at kmol.K Nếu xét 1 mol khí với thể tích đo bằng m3 và áp suất đo bằng N/m2 thì: R = 8,31 J mol.K Nếu xét 1 mol khí với thể tích đo bằng lít và áp suất đo bằng atmotphe thì: R = 0,0848 lit .at mol.K 1.5 Các định luật thực nghiệm về chất khí GVHD: Trần Thanh Hải 8 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 1.5.1 Định luật Boyle – Mariotte Khi T = const, từ phương trình pV = const T => pV = const hay: p1V1 = p2V2 Vậy: Ở nhiệt độ nhất định, áp suất và thể tích của một khối khí xác định tỉ lệ nghịch với nhau. p T2 (T2 > T1) T1 0 V Hình 1-2: Đường đẳng nhiệt Đường biểu diễn áp suất p biến thiên theo thể tích V khi nhiệt độ không đổi được gọi là đường đẳng nhiệt. Đường đẳng nhiệt là một đường cong Hyperbol. Với các nhiệt độ khác nhau thì đường đẳng nhiệt cũng khác nhau. Đường nằm trên có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ đường bên dưới (T2 > T1). 1.5.2 Định luật Gay Lussac Khi p = const, từ phương trình GVHD: Trần Thanh Hải pV = const T 9 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 => V = const T V1 V = 2 T1 T2 hay Vậy: Ở áp suất nhất định, thể tích và nhiệt độ tuyệt đối của một khối khí xác định tỉ lệ thuận với nhau. V p1 (p1 < p2) p2 0 T Hình 1-3: Đường đẳng áp Đường biểu diễn thể tích V biến thiên theo nhiệt độ T khi áp suất không đổi, được gọi là đường đẳng áp. Đường đẳng áp là một đường thẳng có phương đi qua gốc tọa độ. Áp suất càng thấp thì đường biểu diễn càng dốc. 1.5.3 Định luật Charles: Khi V = const, từ phương trình => hay GVHD: Trần Thanh Hải pV = const T p = const T p1 p = 2 T1 T2 10 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 Vậy: Ở thể tích nhất định, áp suất và nhiệt độ tuyệt đối của một khối khí xác định tỉ lệ thuận với nhau. p V1 (V1 < V2) V2 0 T Hình 1-4: Đường đẳng tích Đường biểu diễn áp suất p biến thiên theo nhiệt độ T khi thể tích không đổi, được gọi là đường đẳng tích. Đường đẳng tích là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ và có độ dốc càng lớn khi thể tích càng nhỏ. GVHD: Trần Thanh Hải 11 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 CHƯƠNG 2. KHÍ THỰC 2.1 Khí thực Trong chương 1 ta đã định nghĩa khí lý tưởng, đó là khí mà các phân tử không tương tác (trừ lúc va chạm) và kích thước phân tử không đáng kể. Khí lý tưởng tuân theo phương trình trạng thái: pV = RT. (2.1) Đối với khí thực ở điều kiện bình thường, khoảng cách phân tử vào cỡ 3.10-9 mét gần bằng 10r0, ở khoảng cách này lực tương tác hầu như bằng không, còn thể tích riêng của các phân tử vào khoảng 1 thể tích khối khí. Vì vậy trong những 1000 điều kiện này, áp dụng phương trình (2.1) cho khí thực ta không phạm sai lầm đáng kể. Tuy nhiên khi nén, hoặc hạ nhiệt độ, thể tích khối khí giảm; lúc đó các phân tử lại gần nhau và không thể bỏ qua lực tương tác giữa chúng; đồng thời thể tích riêng của các phân tử cũng chiếm một phần đáng kể so với thể tích toàn bộ và cũng không thể bỏ qua nó. Vì vậy phương trình (2.1) không thể áp dụng cho khí thực trong mọi giới hạn của áp suất và nhiệt độ. 2.2 Phương trình Van der Waals 2.2.1 Cộng tích và nội áp Ta đã nêu lên những nguyên nhân làm cho khí thực không tuân theo phương trình (2.1), những nguyên nhân đó liên quan đến thể tích và áp suất của khối khí. Đối với khối khí lý tưởng các phân tử khí coi như những chất điểm, chúng có thể ở bất kỳ chỗ nào trong thể tích của khối khí, vì vậy thể tích của khí lý tưởng (thể tích V trong phương trình (2.1) chính là thể tích mà các phân tử chuyển động tự do trong đó. Còn đối với khí thực, các phân tử có kích thước: mỗi phân tử chiếm một khoảng không gian nào đấy; vì vậy, nếu gọi Vt là thể tích của một kilomol khí thực, thì thể tích dành cho chuyển động tự do của các phân tử sẽ nhỏ hơn Vt và bằng: V= Vt – b, GVHD: Trần Thanh Hải 12 (2.2) SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 b là số hiệu chỉnh về thể tích được gọi là cộng tích. Đơn vị của nó là m3/kmol. Lí thuyết tính được: 1 b 4 N A d 3 6 (2.3) Ở đây NA là số Avogado và d là đường kính phân tử. Như vậy b bằng 4 lần thể tích riêng của các phân tử. Đối với khí lý tưởng ta coi các phân tử tương tác nên trong phương trình (2.1), p là áp suất của khí lúc các phân tử không hút nhau. Với khí thực, do hút nhau nên lúc các phân tử tới va chạm vào thành bình thì chúng sẽ bị các phân tử bên trong kéo lại: so với trường hợp khí lý tưởng, lực do các phân tử khí thực tác dụng vào thành bình sẽ nhỏ hơn, do đó áp suất khí thực nhỏ hơn áp suất khí lý tưởng. Nếu gọi pt là áp suất khí thực thì: p = pt + pi, (2.4) trong đó pi là số hạng hiệu chính về áp suất gọi là nội áp. Để tính p, ta chú ý rằng pi phụ thuộc vào lực hút tác dụng lên các phân tử ở gần thành bình. Lực hút này càng lớn nếu các phân tử trong một đơn vị thể tích gần thành bình càng lớn. Vậy lực hút đó tỉ lệ với mật độ phân tử n0. Lực hút đó cũng càng lớn nếu số phân tử làm nhiệm vụ kéo về càng lớn; vì lực tương tác giảm khá nhanh theo khoảng cách nên các phân tử làm nhiệm vụ kéo về chỉ nằm trong một lớp ab nào đấy; lực hút này tỉ lệ với mật độ phân tử nằm trong lớp ab, nghĩa là lại tỉ lệ với n0. Kết quả lực tác dụng lên các phân tử nằm sát thành bình tỉ lệ với n02 và hướng vào trong chất khí. Lực hút đó ứng với một đơn vị diện tích, chính là nội áp pi vậy pi tỉ lệ với n02 . Vì mật độ phân tử tỉ lệ nghịch với thể tích khối khí, nên pi a , Vt 2 (2.5) a là hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào loại khí. Đơn vị của nó trong hệ SI là N.m4/kmol2. 2.2.2 Phương trình Vandecvan Phương trình (2.1) hoàn toàn đúng khi V là thể tích tự do và p là áp suất không kể lực hút phân tử. GVHD: Trần Thanh Hải 13 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 Thay V và p tìm được từ biểu thức (2.2) và (2.4) vào (2.1) ta được: a pt 2 Vt b RT Vt (2.6) Bỏ qua chỉ số t nhưng hiểu rằng p, V là áp suất và thể tích của khí thực, ta được phương trình trạng thái sau đây: a p 2 V b RT V (2.7) Phương trình này do Vandecvan thiết lập năm 1873 và gọi là phương trình Vandecvan. Phương trình (2.7) đúng với một kilomil khí. Đối với một khối khí bất kì (khối lượng m thể tích V) ta có V M . Thay giá trị của V vào (2.7), ta được: M 2 a M p 2 2 v v 2.2.3 M b RT (2.8) Đường đẳng nhiệt Van der Waals Từ phương trình (2.7), ta rút ra: p RT a 2 V b V (2.9) Nếu giữ T không đổi và biểu diễn sự phụ thuộc của p theo V trong hệ trục OpV ta sẽ được một đường cong gọi là đường đẳng nhiệt Vandecvan. Ứng với các nhiệt độ khác nhau. Kết quả ta được một họ đường đẳng nhiệt. Kết quả ta được một họ đường đẳng nhiệt. Nhìn đồ thị ta thấy ứng với nhiệt độ Tk đường đẳng nhiệt có một điểm uốn K, tiếp tuyến với đường đẳng nhiệt tại K song song với trục hoành. Lúc T > Tk , đường đẳng nhiệt có dạng gần giống như đường đẳng nhiệt của khí lý tưởng. Lúc T < Tk, đường đẳng nhiệt rất khác đường đẳng nhiệt của khí lý tưởng, nó có một đoạn lồi lõm. GVHD: Trần Thanh Hải 14 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 p pA K TK 0 VK V Hình 2-1. Họ đường đẳng nhiệt Van der Waals 2.3 Nội năng của khí thực. Đối với khí thực, các phân tử tương tác với nhau nên nội năng khí thực gồm tổng động năng chuyển động nhiệt Wđ Wđ Wiđ của các phân tử và tổng thế năng tương tác Wt Wt Wit giữa các phân tử: W Wđ Wt (2.10) Tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử chính bằng nội năng của khí lý tưởng. Đối với một kilomol khí, ta có: Wđ W Vậy: i RT 2 i RT Wt 2 (2.11) (2.12) Thế năng tương tác phụ thuộc khoảng cách phân tử. Khi thay đổi thể tích khối khí, khoảng cách phân tử thay đổi, do đó thế năng tương tác phụ thuộc thể tích khối khí. GVHD: Trần Thanh Hải 15 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH 2.4 SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 Hiệu ứng Joule – Thomson Hiện tượng: Có một khối khí đựng trong xilanh có vỏ cách nhiệt với hai pittong và một màng xốp M ngăn sao cho khí chỉ thấm qua chậm và giữ cho áp suất hai bên màng luôn luôn khác nhau. Ta cho các pittong dịch chuyển từ trái sang phải chậm tới mức có thể coi quá trình là cân bằng và giữ sao cho áp suất bên trái màng p1 là không đổi và áp suất bên phải màng p2 là không đổi (p1 = const, p2 = const). Khi toàn bộ khối khí đã chuyển sang bên phải màng xốp (V2 > V1: dãn khí), ta thấy nhiệt độ khối khí bên phải màng T2 khác nhiệt độ bên trái màng T1. Hiện tượng nhiệt độ của một khối khí thay đổi khi khối khí giãn đoạn nhiệt vô cùng chậm gọi là hiệu ứng Joule – Thomson. A p1,V1,T1 Màng xốp M B p2,V2,T2 Hình 2-2 Hai pittong và màng xốp M Nếu T2 < T1 ta có hiệu ứng Joule – Thomson dương, nếu T2 > T1 ta có hiệu ứng Joule – Thomson âm. Tùy theo nhiệt độ và thể tích ban đầu (T1V1) và tùy theo chất khí là chất khí nào, chất khí có thể có hiệu ứng dương hoặc âm. Ở điều kiện nhiệt độ phòng và áp suất không quá lớn đa số các chất khí có hiệu ứng dương. Với cùng một chất khí khi thay đổi nhiệt độ và áp suất, đại lượng T T2 T1 thay đổi: T có thể từ âm chuyển thành dương và ngược lại nghĩa là hiệu ứng có thể từ hiệu ứng dương chuyển thành hiệu ứng âm, và ngược lại. Trạng thái ứng với T 0 (khi không có hiệu ứng) gọi là điểm đảo, tập hợp các điểm đảo gọi là đường cong đảo. GVHD: Trần Thanh Hải 16 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 Giải thích hiện tượng: Quá trình hiệu ứng Joule – Thomson là quá trình đoạn nhiệt (Q = 0) vì xilanh có vỏ cách nhiệt, nên theo nguyên lí thứ nhất biến thiên nội năng U của khối khí bằng công A mà khối khí nhận vào. Công A này bằng công do pittong bên trái A1 cộng với công do pittong A2 gây ra: A1 p1 V1 0 p1V1 A p1V1 p2V2 A2 p2 0 V2 p2V2 i M R.T 2 M M Đối với khí lý tưởng p1V1 R.T1 A R.T M p2V2 R.T2 U Từ U A chúng ta nhận được T 0 ; nghĩa là đối với khí lý tưởng không có hiệu ứng Joule – Thomson. p + 0 T Hình 2-3 Tập hợp các điểm đảo tạo thành đường cong Đối với khí thực, do có sự tương tác giữa các phân tử (thể hiện ở đại lượng a trong phương trình Vadecvan) và kích thước của các phân tử không thể bỏ qua (số hạng chứa b trong phương trình Vandecvan), nội năng của khí thực, do đó, phụ thuộc vào thể tích, nên U không thể chỉ phụ thuộc vào T mà còn phụ thuộc vào V , vì thế T phụ thuộc biến thiên thể tích V ; khi V 0 thì T có thể khác không (âm hoặc dương). Với các giá trị p1, V1 xác định, hiệu ứng phụ thuộc bản thân chất khí thực, GVHD: Trần Thanh Hải tức phụ thuộc 17 vào các đại lượng a và b. SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 CHƯƠNG 3. NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC 3.1 Công thực hiện trong quá trình thay đổi thể tích của chất khí Xét một hệ nhiệt động gồm một xylanh hình trụ có một đầu kín còn đầu kia là một pittong có thể chuyển động được. Trong xilanh có chứa một chất khí nào đó. Trước tiên ta xét quá trình giãn nở đẳng áp của chất khí trong xylanh. Khi chất khí giãn nở đẩy pittong ra bên ngoài và thực hiện một công dương. x + x x pS Hình 3-1 Gọi S là tiết diện đáy của pittong và p là áp suất của chất khí trong xylanh. Khi đó lực tác dụng lên pittong là F = pS. Giả sử pittong dịch chuyển được một đoạn x thì công mà lực F thực hiện trên đoạn đường đó là: A = F x = pS x = p V Trong đó: V =S x là sự thay đổi thể tích của chất khí do sự dịch chuyển x của pittong gây ra. Nếu áp suất của chất khí giữ nguyên giá trị p trong quá trình giãn nở (quá trình đẳng áp) từ thể tích V1 đến thể tích V2 thì công mà hệ thực hiện được là: A = p V = p(V2 - V1) Nếu áp suất của chất khí trong quá trình giãn nở không phải là hằng số thì ta phải chia sự thay đổi thể tích của chất khí thành các khoảng thay đổi rất nhỏ V1, V2, …, Vn sao cho trong các khoảng đó ta có thể coi như áp suất của chất khí là không thay đổi. Gọi các áp suất tương ứng với các khoảng đó là p1, p2, …, pn thì ta có thể biểu diễn công toàn phần mà hệ thống sản sinh ra: GVHD: Trần Thanh Hải 18 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Luận văn tốt nghiệp ĐH SP. Vật Lý – Công Nghệ K36 A = p1 V1 + p2 V2 + … + pn = n p V i 1 i Nếu chọn khoảng Vi càng nhỏ thì Vi → dV và (3.1) i → i V2 sẽ biểu diễn chính V1 xác công tổng cộng A mà chất khí thực hiện được bằng diện tích nằm phía dưới đường cong pV và giới hạn bởi hai giá trị V1 và V2. V2 A= pdV (3.2) V1 Theo các quy ước ở đầu mục này thì khi chất khí giãn nở công mà nó sinh ra là công dương. Ngược lại, khi một chất khí bị nén thì công thực hiện là công âm. Khi một hệ thống chịu một quá trình thay đổi trạng thái từ trạng thái đầu sang trạng thái cuối thì hệ thống trải qua một chuỗi các trạng thái trung gian gọi là một đường đi. p đầu (1) (3) p1 p2 (4) 0 V1 (2) cuối Hình 3-2 V2 V Rõ ràng công mà hệ thống thực hiện được khi đi theo các đường đi khác nhau là khác nhau. Ta có thể kết luận rằng công do hệ thống thực hiện không những phụ thuộc vào các trạng thái đầu và cuối mà còn phụ thuộc vào trạng thái trung gian, tức là phụ thuộc vào đường đi. GVHD: Trần Thanh Hải 19 SVTH: Bùi Thị Mỹ Loan Tải về bản full