Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 4 - GV. Nguyễn Như Xuân

Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 4 - Khí thực trình bày về Phương trình Van der-Walls, Đường đẳng nhiệt thực nghiệm, Hiệu ứng Joule-Thomson, Bài tập khí thực. Tham khảo nội dung bài giảng để nắm bắt nội dung chi tiết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 4 - GV. Nguyễn Như Xuân HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SƯ BỘ MÔN VẬT LÝ NGUYỄN NHƯ XUÂNVẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2Chương 4: KHÍ THỰC Phương trình Van der-Walls. Đường đẳng nhiệt thực nghiệm. Hiệu ứng Joule-Thomson. Bài tập khí thực I. Phương trình trạng thái của khí thực (PT Van der-Walls) 1. Khái niệm về khí thực: Ta xét hai thí dụ. Thí dụ 1. Ở đktc (00C – 1,033 at) mật độ phân tử không khí là 2,69.1019 phân tử/cm3. Từ đó xác định được khoảng cách trung bình giữa hai phân tử là 3,4 nm, khá lớn hơn so với đường kính phân tử 0,3 ÷ 0,4 nm. Khi áp suất tăng lên đến 10 at thì khoảng cách giữa hai phân tử còn 1,1 nm. Kích thước phân tử không thể bỏ qua so với khoảng cách này. Thí dụ 2. 1 mol chất khí N2 ở 00C, có các số liệu đo được như sau: p (at) 1 100 300 500 1000 V(lít) 22,4 0,24 0,085 0,0625 0,046 pV(at.lit) 22,4 24,0 25,5 32,2 46,0áp suất tăng lên thì giá trị tích pV sai khác nhiều so với khí lý tưởng.Cần phải xét chất khí bằng phương pháp gần với thực tế hơn. Cụ thểlà phải tính đến kích thước của phân tử khí và tương tác giữa chúng.Một chất khí được xét tới kích thước phân tử và tương tác giữa cácphân tử, với giả thiết rằng kích thước phân tử nhỏ hơn đáng kể sovới khoảng cách giữa các phân tử và tương tác giữa các phân tửnhỏ hơn đáng kể so với động năng phân tử được gọi là khí thực.2. Lực tương tác phân tử - Thế năng tương tác. • Do tương tác giữa các điện tích nên giữa các phân tử có lực tương tác: hút và đẩy, đ• lớn của chúng phụ thu•c vào khoảng cách r giữa các phân tử. F + Khi r < r0 lực đẩy chiếm ưu thế; + khi r > r0 lực hút chiếm ưu thế. Lực tác dụng tổng c•ng giữa hai F1(lực đẩy) phân tử: F = F1 + F2 (1) F(lực tổng hợp) Ở k/c r0 ≈ 3.10-10 m (cỡ khoảng r0 r cách phân tử trong chất lỏng và chất F2(lực hút) rắn) lực tương tác tổng c•ng bằng 0. Như vậy r0 là khoảng cách giữa hai phân tử mà nếu không có chuyển động nhiệt thì phân tử ở trạng thái cân bằng bền. Thế năng tương tác giữa các phân tử F được tìm theo biểu thức : F(lực tổng hợp) dWt = - Fdr (2) + Tại r = r0 thì Wt = min, khoảng cách F1(lực đẩy)cân bằng bền của phân tử. Để các phân tửtách nhau ra xa ∞ thì động năng Wđ củaphân tử phải ≥ Wtmin . r0 r + Đối với trạng thái rắn, Wđ Wtmin:các phân tử khí c/đ hoàn toàn hỗn loạn. Wtmin 3. Phương trình Vanderwalls Nếu nén khí hoặc hạ nhiệt đ• khí, thể tích khối khí giảm, các phântử gần nhau lại và không thể bỏ qua lực tương tác giữa chúng; đồng thờithể tích riêng của các phân tử trở nên đáng kể so với thể tích của khốikhí. Khi đó ta không thể áp dụng phương trình trạng thái khí lýtưởng cho khí thực vì sẽ mắc sai số đáng kể. a. Cộng tích - Với khí lý tưởng, ptử khí là các chất điểm nên chúng có thể ở bất kỳ vị trí nào trong thể tích của khối khí, vì vậy thể tích khí lý tưởng là thể tích mà các phân tử khí có thể chuyển động tự do trong đó. - Với khí thực, mỗi ptử khí có thể tích riêng của nó, khi đó thể tích tự do dành cho chuyển động của phân tử nhỏ hơn thể tích Vt (tính cho 1 Kmol) của khí thực : V = Vt - b b là số hiệu chỉnh về thể tích được gọi là cộng tích. Đv là m3/Kmol. - Lý thuyết tính được b  4 N A   d 3  1 6  b. Nội áp -Các phân tử có tương tác (hút) nhau, do đó khi các phân tử tới va chạm vào thành bình thì chúng bị các phân tử trong khối khí kéo lại. Vì vậy so với khối khí lý tưởng, lực do phân tử tác dụng vào thành bình sẽ nhỏ hơn và do đó áp suất khí sẽ nhỏ hơn. Gọi pt là áp suất khí thực thì: p = pt + pi , pi là số hiệu chỉnh về áp suất gọi là nội áp. - Lực hút của các phân tử trong khối khí tác dụng lên phân tử khí ở thành bình tỉ lệ với mật đ• phân tử n0 ở gần thành bình; đồng thời vì lực tương tác (hút) giữa các phân tử giảm nhanh theo khoảng cách giữa các phân tử, nên các phân tử kéo về chỉ nằm trong m•t lớp mỏng nào đó, số phân tử này tỷ lệ với mật đ• phân tử n0. 2 Như thế lực tương tác lên phân tử ở sát thành bình tỷ lệ với n0 a pi  có thể viết : Vt 2a là hệ số tỷ lệ phụ thu•c loại khí. Trong hệ SI : [a] = N.m4 /Kmol2c. Phương trình VanderwallsTừ phương trình trạng thái khí lý tưởng cho 1 kmol khí, sau khi đãđiều chỉnh c•ng tích và n•i áp, ta được : ...