Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học

Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 1 A – MỞ ĐẦU 1. Lý do của việc chọn đề tài: Việc học tập môn vật lý muốn đạt kết quả tốt thì trong quá trình nhận thức cần phải biết đối chiếu những khái niệm, định luật, mô hình vật lý – những sản phẩm do trí tuệ con người sáng tạo – với thực tiễn khách quan để nắm vững được bản chất của chúng; biết chúng được sử dụng để phản ánh, miêu tả, biểu đạt đặc tính gì, quan hệ nào của hiện thực khách quan cũng như giới hạn phản ánh đến đâu. Đối với học sinh trung học phổ thông, bài tập vật lý là một phương tiện quan trọng giúp học sinh rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng lý thuyết đã học vào thực tiễn. Việc giải bài tập vật lý giúp các em ôn tập, cũng cố, đào sâu, mở rộng kiến thức, rèn luyện thói quen vận dụng kiến thức khái quát để giải quyết các vấn đề của thực tiễn. Ngoài ra, nó còn giúp các em làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển khả năng tư duy cũng như giúp các em tự kiểm tra mức độ nắm kiến thức của bản thân. Tuy nhiên, các em còn gặp nhiều khó khăn trong việc giải bài tập vật lý như: không tìm được hướng giải quyết vấn đề, không vận dụng được lý thuyết vào việc giải bài tập, không tổng hợp được kiến thức thuộc nhiều phần của chương trình đã học để giải quyết một vấn đề chung,...hay khi giải các bài tập thì thường áp dụng một cách máy móc các công thức mà không hiểu rỏ ý nghĩa vật lý của chúng. Ngoài ra, đề tài này có nội dung gần và thiết thực với nội dung kiến tập, thực tập cũng như công việc giảng dạy về sau của sinh viên. Do đó, em đã chọn đề tài này. Nếu nghiên cứu đề tài thàng công sẽ góp phần giúp việc học tâp môn vật lý của học sinh tốt hơn, đồng thời cũng giúp cho việc học tập và việc giảng dạy về sau của sinh viên. 3. Mục đích nghiên cứu: Việc nghiên cứu đề tài này nhằm tìm cách để giải bài tập một cách dể hiểu, cơ bản, từ thấp đến cao, giúp học sinh có kỹ năng giải quyết tốt các bài tập, hiểu được ý nghĩa vật lý của từng bài đã giải, rèn luyện thói quen làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển khả năng tư duy,...giúp các em học tập môn Vật lý tốt hơn. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 2 3. Đối tượng nghiên cứu: Các bài tập Vật lý phân tử và Nhiệt học lớp 10,11. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu: Phân loại được các bài tập Vật lý phân tử và nhiệt học trong chương trình Vật lý lớp 10,11. Đề ra phương pháp giải bài tập Vật lý nói chung, phương pháp giải các loại bài tập vật lý theo phân loại, phương pháp giải từng dạng bài tập cụ thể của Vật lý phân tử và nhiệt học lớp 10,11(các bài tập cơ bản, phổ biến mà học sinh lớp 10,11 thường gặp ). 5. Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng kết hợp nhiều phương pháp: so sánh, đối chiếu, phân tích, tổng hợp,... 6. Đóng góp của đề tài: Đề tài có thể hỗ trợ cho việc học tập và giảng dạy môn vật lý lớp 10, lớp11, làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành sư phạm vật lý. Qua quá trình nghiên cứu đề tài giúp cho bản thân tôi nâng cao nhận thức về phân loại và giải các bài tập vật lý phân tử và nhiệt học. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 3 B- NỘI DUNG PHẦN I TÓM TẮT LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ VẬT LÝ PHÂN TỬ VÀ NHIỆT HỌC Chương I CHẤT KHÍ I. Những cơ sở của thuyết động học phân tử: 1.1 Thuyết động học phân tử: Nội dung: a. Các chất có cấu tạo gián đoạn và gồm một số rất lớn các phân tử. Các phân tử lại được cấu tạo từ các nguyên tử. b. Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng. Cường độ chuyển động biểu hiện nhiệt độ của hệ. c. Kích thước phân tử rất nhỏ ( khoảng 10-10cm ) so với khoảng cách giữa chúng. Số phân tử trong một thể tích nhất định là rất lớn. Trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua kích thước của các phân tử và coi mỗi phân tử như một chất điểm. d. Các phân tử không tương tác với nhau trừ lúc va chạm. Sự va chạm giữa các phân tử và giữa phân tử với thành bình tuân theo những định luật về va chạm đàn hồi của cơ học Newton. Các giả thuyết a, b đúng với mọi chất khí còn các giả thuyết c, d chỉ đúng với chất khí lý tưởng. 1.2 Áp suất và nhiệt độ chất khí theo quan điểm của thuyết động học phân tử: 1.2.1 Áp suất: - Định nghĩa: Lực của các phân tử chất khí tác dụng vuông góc lên một đơn vị điện tích trên thành bình chính là áp suất của chất khí: S Fp ∆= Trong đó: F là lực tác dụng của các phân tử khí lên đơn vị diện tích. - Công thức: wnp 3 2= Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 4 Trong đó: p : Áp suất chất khí n : Mật độ phân tử khí : Động năng trung bình chuyển động vì nhiệt của các phân tử. w - Đơn vị: Trong hệ SI, đơn vị áp suất là Newton/met vuông, ký hiệu là N/m2 hay Pascal, ký hiệu là Pa: 1N/m2 = 1Pa Ngoài ra, áp suất còn được đo bằng: Atmôtphe kỹ thuật, ký hiệu là at: 1at = 9,81.104 N/m2 = 736 mmHg Atmôtphe vật lý, ký hiệu là atm: 1atm = 10,13.104 N/m2 = 760 mmHg = 1,033 at 1.2.2 Nhiệt độ: Nhiệt độ theo quan điểm động học phân tử là đại lượng đặc trưng cho tính chất vĩ mô của vật, thể hiện mức độ nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật đó: w 3 2=θ Thang nhiệt độ: - Mối liên hệ giữa nhiệt độ tính theo các nhiệt giai khác nhau: + Nhiệt độ T tính theo nhiệt giai Kelvin và nhiệt độ t tính theo nhiệt giai Celcius: T = 273,15o + t + Nhiệt độ TF tính theo nhiệt giai Fahrenheit và nhiệt độ t tính theo nhiệt giai Celcius: oF tT 325 9 += - Công thức về mối liên hệ giữa nhiệt độ đo bằng năng lượng với nhiệt độ đo bằng đơn vị độ: KTw == 3 2θ Suy ra: Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 5 KTw 2 3= Trong đó, K = 1,38.10-28 J/K. T = 0K được gọi là độ không tuyệt đối và nhiệt giai Kelvin được gọi là nhiệt giai tuyệt đối. Vì ý nghĩa vật lý của nhiệt độ gắn liền với động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử nên nhiệt độ có tính chất thống kê. Không thể nói nhiệt độ của một phân tử hay của một số ít phân tử cũng như không thể nói phân tử “nóng” hay phân tử “lạnh”. Ở những nơi có một số rất ít phân tử khí thì cũng không thể đặt vấn đề đo nhiệt độ của khí ở những nơi đó được. 1.3 Các định luật thực nghiệm và phương trình trạng thái của khí lý tưởng: 1.3.1 Mẫu khí lý tưởng có các đặc điểm sau: - Khí lý tưởng gồm một số rất lớn các phân tử có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách trung bình giữa chúng; các phân tử chuyển động nhiệt hỗn loạn không ngừng. - Lực tương tác của các phân tử là không đáng kể trừ lúc va chạm. - Sự va chạm giữa các phân tử và giữa phân tử với thành bình là va chạm hoàn toàn đàn hồi. 1.3.2 Thông số trạng thái và phương trình trạng thái: - Mỗi tính chất vật lý của hệ được đặc trưng bởi một đại lượng vật lý được gọi là thông số trạng thái của hệ như: áp suất p, nhiệt độ T, thể tích V, ... - Phương trình nêu lên mối liên hệ giữa các thông số p,V,T của một khối lượng khí xác định được gọi là phương trình trạng thái; dạng tổng quát: p = f(V,T). 1.3.3 Định luật Boyle – Mariotte (Quá trình đẳng nhiệt) : a. Định luật: Với một khối lượng khí xác định, ở nhiệt độ không đổi (T=const), tích số giữa thể tích và áp suất là một hằng số. b. Hệ thức: p1V1 = p2V2 Hay pV = const c. Đường đẳng nhiệt: Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 6 Trong hệ tọa độ OpV, các đường đẳng nhiệt là các đường hyperbol biểu diễn mối liên hệ giữa p và V. Tập hợp các đường đẳng nhiệt được gọi là họ các đường đẳng nhiệt. T2 T1 p V 1.3.4 Định luật Charles ( Quá trình đẳng tích ) : a. Định luật: Khi thể tích không đổi thì áp suất của một khối lượng khí cho trước biến thiên bậc nhất theo nhiệt độ. b. Hệ thức: const T p = Định luật Charles viết theo nhiệt giai Celcius: )1( tpp ot α+= Trong đó: pt : Áp suất ở toC po : Áp suất ở 0oC : Hệ số nhiệt biến đổi áp suất đẳng tích của khí. 273 1=α c. Đường đẳng tích: - 273 p V1 V2 toC Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 7 1.3.5 Định luật Gay – Lussac ( Quá trình đẳng áp): a. Định luật: Khi áp suất không đổi thì thể tích của một khối lượng khí cho trước biến thiên bậc nhất theo nhiệt độ. b. Hệ thức: const T V = Định luật Gay – Lussac viết theo nhiệt giai Celcius: Vt =Vo ( 1 + αt ) Trong đó: Vt : thể tích khí ở toC Vo : thể tích khí ở 0oC : hệ số nhiệt giãn đẳng áp của chất khí. c. Đường đẳng áp: 1.3.6 Định luật Dalton: a. Định luật: Áp suất của hỗn hợp khí bằng tổng các áp suất riêng phần của các khí thành phần tạo nên hỗn hợp. b. Hệ thức: p = p1 + p2 + ... + pn 1.3.7 Phương trình trạng thái khí lý tưởng: Từ hai định luật Boyle – Mariotte và Charles ta xác định được phương trình trạng thái khí lý tưởng: const T pV = 273 =α 1 p2 p1V T Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Phương trình Claypeyron – Mendeleev: Từ hai hệ thức đã biết: wnp 3 2= TKw 2 3= Suy ra: (n là mật độ phân tử khí). TKnp = Gọi N là số phân tử khí trong thể tích V, ta được: KT V Np = (1) Trong một kmol khí bất kì chứa một số phân tử là NA = 6,23.1026 kmol-1. Nếu gọi µ là khối lượng một kmol khí, m là khối lượng của khối khí ta sẽ có: AN Nm =µ Suy ra: AN mN µ= Thay vào (1), ta được: KTNmpV Aµ= (2) Đặt : R = NAK gọi là hằng số khí lý tưởng. R = 8,31.103 J/kmol.K Thay R vào (2), ta được: RTmpV µ= Phương trình khí lý tưởng viết như trên được gọi là phương trình Claypeyron – Mendeleev. 1.4 Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử: 1.4.1 Các vận tốc đặt trưng của phân tử khí (theo Maxwell): a. Vận tốc có xác suất cực đại: µ RT m KTvm 22 == Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 8 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 9 b. Vận tốc căn trung bình số học: µππ RT m KTv 88 == c. Vận tốc căn trung bình bình phương (vận tốc căn quân phương) : µ RT m KTv 33 == Chú ý: vvvm << 1.4.2 Sự phân bố mật độ phân tử khí trong trường lực đều (Phân bố Bolzmann): a. Công thức khí áp: RT zg o epp µ−= b. Công thức về sự phân bố mật độ phân tử theo độ cao: RT zg o enn µ−= 1.4.3 Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử chất khi: wnp 3 2= II. Sự va chạm của các phân tử và các hiện tượng truyền trong chất khí: 2.1 Quãng đường tự do trung bình: Khoảng cách trung bình mà một phân tử chuyển động hoàn toàn tự do giữa hai va chạm kế tiếp nhau được gọi là quãng đường tự do trung bình của các phân tử, ký hiệu là: λ Biểu thức: 22 1 dnπλ = Trong đó: d : Đường kính của phân tử v : Vận tốc chuyển động của phân tử n : Mật độ phân tử. 2.2 Các hiện tượng truyền trong chất khí: Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 10 Các phân tử khí chuyển động nhiệt hỗn loạn, đồng thời chuyển từ vùng nọ sang vùng kia tạo nên các hiện tượng truyền trong chất khí. 2.2.1 Hiện tượng khuếch tán: Tại miền không gian chứa một chất khí mà khối lượng riêng của chất khí đó chưa đồng nhất thì sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán tức là có sự truyền khối lượng khí từ chổ có khối lượng riêng lớn đến chổ có khối lượng riêng nhỏ. Khi khối lượng riêng của chất khí đồng nhất tại mọi điểm trong không gian thì hiện tượng khuếch tán dừng lại. Bản chất của hiện tượng khuếch tán là sự vận chuyển các phân tử. Biểu thức tính hệ số khuếch tán D: Pd TKTRvD 22 8 3 1 3 1 πµπλ == Đơn vị của D trong hệ SI là m2/s. D tỉ lệ nghịch với P và tỉ lệ thuận với T, nghĩa là áp suất càng thấp thì hệ số khuếch tán càng cao và nhiệt độ càng cao thì hệ số khuếch tán càng lớn. Ngoài ra, hệ số khuếch tán còn phụ thuộc vào bản chất của chất khí. 2.2.2 Hiện tượng truyền nhiệt: Trong một môi trường (rắn, lỏng, khí) có sự phân bố nhiệt không đều thì sẽ tồn tại một dòng nhiệt hướng từ những miền có nhiệt độ cao của môi trường sang miền có nhiệt độ thấp hơn. Trong chất khí, hiện tượng truyền nhiệt là do các phân tử khí chuyển động nhiệt hỗn loạn va chạm với nhau nên động năng truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp hơn. Bản chất của hiện tượng truyền nhiệt là sự truyền năng lượng. Cần lưu ý nhiệt lượng là sự trao đổi năng lượng chứ không phải là năng lượng. Biểu thức xác định hệ số dẫn nhiệt: Knvi λχ 6 = Trong đó: i là bậc tự do: Phân tử có 1 nguyên tử: i = 3 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 11 Phân tử có 2 nguyên tử: i = 5 Phân tử có từ 3 nguyên tử trở lên: i = 6 Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất chất khí. 2.2.3 Hiện tượng nội ma sát: Hiện tượng nội ma sát trong chất khí là hiện tượng sinh ra lực ma sát giữa các lớp khí chuyển động thành những dòng (hoặc lớp) khí với những vận tốc khác nhau. Biểu thức của hệ số nội ma sát (còn gọi là hệ số nhớt) : ρλη v 3 1= Trong đó: ρ là khối lượng riêng của chất khí . Hệ số ma sát phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của chất khí. III.Nội năng của khí lý tưởng: 3.1 Nội năng: Nội năng là một dạng năng lượng bên trong của một hệ, nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ. Nội năng bao gồm tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên hệ và thế năng tương tác giữa các phân tử đó. Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích: Khi nhiệt độ thay đổi thì động năng của các phân tử thay đổi dẫn đến nội năng của hệ thay đổi; khi thể tích thay đổi thì khoảng cách giữa các phân tử thay đổi làm cho thế năng tương tác giữa chúng thay đổi nên sẽ làm nội năng của hệ thay đổi. Có hai cách làm biến đổi nội năng là thực hiện công và truyền nhiệt. 3.2 Công và nhiệt lượng: 3.2.1 Công: Xét về bản chất vật lý có thể hiểu công cơ học là phần năng lượng đã được biến đổi từ dạng này sang dạng khác hoặc là phần năng lượng (trừ trường hợp năng lượng chuyển động nhiệt) đã được truyền từ nơi này đến nơi khác. Đơn vị của công là J. a. Công thực hiện trong quá trình: Giả sử ta có một quá trình chuẩn cân bằng (quá trình thuận nghịch) của một hệ, với biến thiên thể tích dV khá nhỏ bao giờ ta cũng có thể coi như áp suất của hệ không thay đổi. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Công nguyên tố : dA = pdV Công thực hiện trong cả quá trình chuẩn cân bằng đi từ trạng thái C1 đến trạng thái C2 bằng tổng các công dA: ∫∫ == 2 1 V V pdVdAA Trong đó, V1, V2 là thể tích của hệ ở trạng thái C1 và C2 tương ứng. - Công trong quá trình đẳng tích: dA = pdV = 0 (dV = 0) 0== ∫ dAA - Công trong quá trình đẳng áp: p = const )( 12 2 1 2 1 VVpdVppdVA V V V V −=== ∫∫ - Công trong quá trình đẳng nhiệt: T = const dV V RTmpdVdA µ== 2 1ln p pRTmA µ= b. Công trong quá trình đoạn nhiệt: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= 1 2 1 1 T TTCmA Vµ c. Công thực hiện trong chu trình: ∫∫ == pdVdAA Trong đó, ∫ là tích phân lấy theo đường cong kín biểu diễn chu trình. 3.2.2 Nhiệt lượng: Phần năng lượng mà vật nhận được hay mất đi trong quá trình truyền nhiệt được gọi là nhiệt lượng và được tính bằng công thức: Q = mc(t2 – t1) = mc∆t Trong đó: c: Nhiệt dung riêng của chất cấu tạo nên vật (J/kg.K) m: Khối lượng của vật (kg) Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 12 ∆t: Độ biến thiên nhiệt độ Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Q: Nhiệt lượng vật thu vào hay tỏa ra. Phương trình cân bằng nhiệt: Q1 + Q2 = 0 3.3 Nhiệt dung riêng và nhiệt dung riêng phân tử: Nhiệt dung riêng của một chất bất kỳ là một đại lượng vật lý có giá trị bằng nhiệt lượng cần truyền cho một đơn vị khối lượng chất đó để làm tăng nhiệt độ thêm 1o. Kí hiệu là c. Nhiệt dung riêng phân tử của một chất bất kỳ là một đại lượng vật lý có giá trị bằng nhiệt lượng cần truyền cho một kmol chất ấy để làm tăng nhiệt độ thêm 1o. Kí hiệu C. Ta có: C = µc Đơn vị của c và C là J/kg.K Nhiệt dung riêng phân tử đẳng tích: V V dT dQC ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= Nhiệt dung riêng phân tử đẳng áp: p p dT dQC ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= 3.4 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học: Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học là sự vận dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vào các hiện tượng nhiệt. 3.4.1 Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng: Trong một hệ kín có sự chuyển hoá năng lượng từ dạng này sang dạng khác nhưng năng lượng tổng cộng được bảo toàn. 3.4.2 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lưc học: Nhiệt lượng truyền cho hệ làm biến thiên nội năng của hệ và biến thành công mà hệ thực hiện lên các hệ khác. Biểu thức: Q = ∆U + A Trong đó: Q: Nhiệt lượng truyền cho vật A: Công do vật thực hiện ∆U: Độ biến thiên nội năng của vật. 3.4.3 Áp dụng nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học cho khí lý tưởng: a. Nội năng và công của khí lý tưởng: Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 13 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Do bỏ qua tương tác giữa các phân tử khí lý tưởng (Trừ lúc va chạm) nên nội năng của khí lý tưởng chỉ bao gồm tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của khí. Biểu thức tính công của khí lý tưởng khi giãn nở: A = p (V2 – V1) = p ∆V (Với p = Const) Nếu: ∆V > 0, khí sinh công; ∆V < 0, khí nhận công. b. Áp dụng nguyên lý thứ nhất cho các quá trình của khí lý tưởng: - Quá trình đẳng tích: Trong quá trình này, nhiệt lượng mà khí nhận được chỉ dùng làm tăng nội năng của khí: Q = ∆U - Quá trình đẳng áp: Một phần nhiệt lượng mà khí nhận vào được dùng làm tăng nội năng của khí, phần còn lại biến thành công mà khí thực hiện: Q = ∆U + A - Quá trình đẳng nhiệt: Toàn bộ nhiệt lượng mà khí nhận được chuyển hết thành công mà khí sinh ra: Q = A - Chu trình: Chu trình là một quá trình mà trạng thái cuối của nó trùng với trạng thái đầu. Nhiệt lượng mà hệ nhận được trừ đi nhiệt lượng tỏa ra trong cả chu trình chuyển hết thành công của chu trình đó. Biểu thức: Q = A Trong đó: A = A1 – A2 > 0: Công trong toàn bộ chu trình. Q = Q1 – Q2 : Tổng đại số nhận được trong chu trình ( Q1 là nhiệt lượng nhân vào, Q2 là nhiệt lượng tỏa ra). - Quá trình đoạn nhiệt: Trong quá trình đoạn nhiệt hệ được cách nhiệt tốt nên không có sự trao đổi nhiệt giữa hệ và môi trường xung quanh, nghĩa là: Nếu công thực hiện bởi hệ (A > 0) thì phải có sự giảm nội năng của hệ; ngược lại, nếu công thực hiện trên hệ (A < 0) thì phải có sự tăng nội năng của hệ. Biểu thức: A = - ∆U 3.4.4 Hiệu suất của động cơ nhiệt: 2 21 1 Q QQ Q AH −== Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 14 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 15 Chương II CHẤT RẮN I. Sơ lược về chất rắn: Khoảng cách giữa các phân tử chất rắn nhỏ, mật độ phân tử lớn, các phân tử không chuyển động nhiệt hỗn loạn mà dao động quanh vị trí cân bằng, lực liên kết phân tử lớn. Do đó, chất rắn có hình dạng và thể tích xác định. Có thể phân biệt chất rắn thành hai loại: chất rắn kết tinh và chất rắn vô định hình. Do cấu trúc của phân tử chất rắn vô định hình gần giống như của chất lỏng nên thông thường chất rắn vô định hình được coi như chất lỏng có độ nhớt rất lớn. II. Sự giãn nở vì nhiệt của chất rắn: Các vật rắn nói chung nở ra khi nhiệt độ tăng lên. Nguyên nhân gây ra sự giãn nở nhiệt của vật rắn không phải do sự tăng biên độ dao động của các hạt mà chính là do sự tăng khoảng cách trung bình giữa các hạt khi nhiệt độ tăng. Sự giãn nở nhiệt của vật rắn được phân thành hai trường hợp, đó là: sự giãn nở dài và sự giãn nở khối (giãn nở thể tích). Các công thức: a. Công thức sự giãn nở dài: l = lo(1 + αt) Trong đó: lo: Chiều dài của vật ở 0oC (m) l: Chiều dài của vật ở toC (m) α: Hệ số nở dài (K-1) b. Công thức sự giãn nở khối (giãn nở thể tích): V = Vo(1 +βt) Trong đó: V: Thể tích ở toC (m3) Vo: Thể tích ở 0oC (m3) β: Hệ số nở thể tích (K-1) Đối với vật đồng chất và đẳng hướng: β = 3α. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm III. Nội năng và nhiệt dung riêng phân tử của chất rắn kết tinh: Chất rắn kết tinh có thể coi như là tập hợp của các hạt dao động chung quanh vị trí cân bằng. Với nhiệt độ cao, mỗi hạt gần như dao động độc lập với các hạt bên cạnh. Khi truyền nhiệt cho vật rắn thì sẽ làm tăng động năng và thế năng của hạt. Với dao động nhỏ thì dao động được coi thì dao động được coi như là dao động điều hòa và hai thành phần của năng lượng dao động có giá trị bằng nhau. Mỗi dao động theo một phương nào đó có thể phân tích thành ba thành phần theo các trục tọa độ vuông góc với nhau và năng lượng của mỗi thành phần cũng được biểu diễn bằng tổng động năng và thế năng trên mỗi trục. Theo định luật phân bố đều năng lượng, động năng trung bình ứng với một bậc tự do của hạt trên mỗi trục bằng ½ KT. Mà thế năng trung bình của hạt bằng động năng trung bình của nó nên năng lượng dao động ứng với một trục là: KTKT = 2 1.2 Năng lượng dao động toàn phần của hạt: KT3=ε Nội năng của một kmol chất rắn kết tinh đơn chất: pAo ENU += ε Trong đó: Uo là nội năng đối với 1 kmol chất rắn Ep là năng lượng bên trong các phân tử của 1 kmol chất rắn. Vì hệ số nở nhiệt của chất rắn rất nhỏ nên thực tế khi đun nóng thì thể tích của vật coi như không đổi (quá trình đẳng tích) nên nhiệt truyền cho vật chỉ làm tăng nội năng của nó (theo nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học dQ = dUo + dA = dUo vì dA = pdV = 0). Nhưng với cách truyền nhiệt bình thường thì không thể làm thay đổi năng lượng Ep, do đó, độ biến thiên nội năng trong trường hợp này đúng bằng độ biến thiên năng lượng dao động của các hạt: )3( KTdNdNdUdQ AAo === ε dTRKdTNdQ A 33 == Nhiệt dung riêng phân tử: Kkmol kcalR dT dU dT dQCC V o V V . 63 ==⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛== Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 16 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Vậy : ở nhiệt độ đủ cao nhiệt dung riêng phân tử của chất rắn kết tinh đơn chất không phụ thuộc vào nhiệt độ và bằng Kkmol kcal . 6 . Đối với chất rắn kết tinh là hợp chất (mỗi phân tử có α nguyên tử) thì: dTRNddU Ao αεα 3)( == Nhiệt dung riêng phân tử của chất rắn hợp chất: R dT dU dT dQCC V o V V 3α=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛== Vậy: ở nhiệt độ đủ cao nhiệt dung riêng phân tử của chất rắn kết tinh là hợp chất không phụ thuộc vào nhiệt độ và bằng tổngng nhiệt dung riêng phân tử của các nguyên tố thành phần tạo nên hợp chất. IV. Biến dạng của vật rắn: Khi có ngoại lực tác dụng lên vật rắn thì vật rắn biến dạng, nghĩa là hình dạng và thể tích của nó thay đổi. Có hai loại biến dạng: biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo (biến dạng dư). Chỉ xét biến dạng đàn hồi. 4.1 Định luật Hooke: Trong giới hạn đàn hồi, lực đàn hồi tỷ lệ với độ giãn hoặc độ nén (Độ biến dạng) của vật biến dạng. Biểu thức: F = k∆l Trong đó: k: Hệ số đàn hồi (N/m) F: Lực đàn hồi (N) ∆l: Độ biến dạng (m) 4.2 Suất đàn hồi: Biểu thức: S lk E o= Trong đó: S: Diện tích tiết diện của vật đàn hồi (m2) lo: Chiều dài tự nhiên của vật đàn hồi (m) E: Hệ số đặt trưng cho tính đàn hồi của vật gọi là suất đàn hồi (Pa). Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 17 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm 4.3 Giới hạn bền của vật liệu: Biểu thức: S Fb b =σ Trong đó: Fb: Lực tác dụng lớn nhất mà vẫn chưa làm hỏng vật (N) σb: Giới hạn bền (N/m2) S: Diện tích tiết diện ngang (m2) Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 18 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt họcTrang 19 Chương III CHẤT LỎNG I. Sơ lược về chất lỏng: Một khối chất lỏng có thể tích xác định và có hình dạng của bình chứa. Mật độ phân tử chất lỏng lớn gấp nhiều lần mật độ phân tử chất khí và gần bằng mật độ phân tử chất rắn. Khoảng cách giữa các phân tử chất lỏng vào khoảng kích thước phân tử. Ở trạng thái bình thường, xét về cấu trúc thì chất lỏng gần giống chất rắn hơn là chất khí. Mỗi phân tử chất lỏng cũng dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng nhưng sau một thời gian cư trú nhất định thì chuyển sang vị trí mới lân cận. Nhiệt độ chất lỏng càng thấp thì thời gian cư trú càng lớn. II. Hiện tượng căng mặt ngoài của chất lỏng: 2.1 Lực căng mặt ngoài: Lực căng mặt ngoài đặt lên đường giới hạn của mặt ngoài và vuông góc với nó, có phương tiếp tuyến với mặt ngoài của chất lỏng và có chiều sao cho lực có tác dụng thu nhỏ diện tích măt ngoài của khối chất lỏng. Độ lớn của lực căng mặt ngoài F tỷ lệ với độ