Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 4: Khí thực

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 4: Khí thực

1. KHÍ THỰC 1. Phương trình trạng thái khí thực 2. Hiệu ứng Joule - Thompson 1
2. 1. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI Khí lý tưởng Khí thực  Các phân tử khí có kích thước không  Các phân tử khí có kích thước xác đáng kể (chất điểm-point mass). định (~ 3.10-8 cm, chiếm thể tích -23 3  Không có tương tác (lực hút hay ~1,4.10 cm ). đẩy) giữa các phân tử khí ngoài sự va  Tổng thể tích riêng =1/1000 thể chạm (đàn hồi) tích khối khí.  Thể tích khối khí = thể tích dành cho  Khi bị nén (áp suất tăng) các CĐ nhiệt tự do của các phân tử khí. phân tử nằm gần nhau chiếm thể  Áp suất trong khối khí = áp suất gây tích đáng kể giảm thể tích CĐ ra bởi tổng hợp lực va chạm của các nhiệt. phân tử khí lên thành bình  Các phân tử khí luôn tương tác với  PT trạng thái về mối quan hệ giữa nhau P, V và T chỉ đúng ở điều kiện thông  Phân tử khí hút nhau giảm thường (1 at & 300 K) lực tác dụng lên thành bình m pV RT nRT giảm áp suất  2
3. 1. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI Thiết lập phương trình  Xét 1 mol khí thực (thể tích V), có b là tổng thể tích riêng của các phân tử khí  Phần thể tích thực dành cho CĐ nhiệt tự do của các phân tử khí trong khối khí = V - b 1 3 3 b 4.N A d (b = cộng tích, m /mol) 6  Phương trình trạng thái khí lý tưởng: pV RT Johannes Diderik van der Waals p V b RT Có: (1837 - 1923) RT (Giải Nobel Vật lý 1910) Hay: p V b 3
4. 1. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI Thiết lập phương trình  Do tương tác hút nhau sinh ra áp suất phụ pi nén vào trong khối khí áp suất thực giảm 1 3 lượng pi (nội áp, m /mol), khi đó: RT p p V b i 2  pi ~ mật độ phân tử n0 2 N N a  vì: n A p ~ A Hay: p 0 V i V 2 i V 2  Phương trình trạng thái của 1 mol khí thực: a p V b RT V 2 Johannes Diderik van der Waals  Phương trình trạng thái của khối khí thực có (1837 - 1923) khối lượng m (kg): (Giải Nobel Vật lý 1910) m2 a m m p v b RT 2 2  v   4
5. 1. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI Trạng thái tới hạn p a  Từ Phtr: p V b RT V 2 RT a T > TK p 2 K V b V pK T  Đồ thị OpV tương ứng những nhiệt K độ T = const khác nhau đường đẳng T TK: Đường cong có dạng gần giống đường đẳng nhiệt lý tưởng. 5
6. 1. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI Trạng thái tới hạn p  Tọa độ tương ứng giá trị pK, VK ở nhiệt độ TK gọi là điểm – trạng thái tới hạn T > TK  Xác định từ: K pK  Phương trình tiếp tuyến, TK dp RT 2a T < TK 0 dV V b 2 V 3  Phương trình điểm uốn, d 2 p 2RT 6a O V 0 K V dV 2 V b 3 V 4 a 8.a  V = 3.b , p , T K K 27.b2 K 27.b.R 6
7. 1. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI Trạng thái tới hạn p  Thực tế: Đặc điểm nổi bật của khí thực là trạng thái khí không còn được duy trì khi thể tích giảm và áp D suất tăng ở nhiệt độ thấp:  Khi chất khí bị nén từ A B, áp T > TK suất tăng theo định luật Boyle. K  Tiếp tục nén trong đoạn BC áp Khí (K) suất không tăng và trở nên không TK đổi. Trạng thái khí biến mất dần và được thay thế bởi trạng thái lỏng. C B Cả 2 trạng thái này sẽ cùng tồn tại T < TK L + K A trong một vùng thể tích nhất định.  Ở C khi thể tích còn rất nhỏ, chỉ O VC VK VB V có trạng thái lỏng.  Từ C D: Đường đẳng nhiệt gần như dựng thẳng lên trên thể hiện tính không bị nén của chất lỏng. 7
8. 1. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI Trạng thái tới hạn (khí CO2)  Ở TK: có sự cùng tồn tại của P 2 trạng thái (lỏng và khí).  Trên 31°C (nhiệt độ tới hạn), C CO2 giống khí lý tưởng ở áp Điểm tới hạn suất bình thường (1). C  Dưới 31°C trạng thái hơi bão hòa xuất hiện khi bị nén. C  Ở 21°C, khi áp suất ~ 62 atm, C thể tích có thể giảm từ 200 cm3 Trạng thái 55 cm3 áp suất vẫn giữ hơi bão hòa nguyên, bắt đầu xuất hiện pha V lỏng và hoàn toàn biến mất ở (2).  Áp suất tiếp tục tăng nhanh do chỉ có chất lỏng không nén. Nếu đường đẳng nhiệt (3) đi qua điểm tới hạn đường đẳng nhiệt tới hạn.  Ở vùng (4) phía trên đường này, CO2 chỉ tồn tại ở pha lỏng siêu tới hạn (supercritical ). 8
9. 1. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI Đặc trưng lý thuyết Đặc trưng thực nghiệm p p D T > TK T > TK K K pK Khí (K) TK TK T < TK C B T < T K A L + K O O V V VB VK V C K V  Ở T < TK: khác nhau giữa đường cong lý thuyết và thực nghiệm hạn chế của phương trình Van der Waals 9
10. 2. HIỆU ỨNG JOULE-THOMPSON Nội năng của khí thực  Các phân tử khí thực tương tác với nhau nội năng khí thực bao gồm tổng động năng CĐ nhiệt (Wđ) và thế năng tương tác (Wt) của các phân tử n n U Wđ Wt Wiđ Wit i 1 i 1 n m iRT  Tổng động năng = nội năng khí lý tưởng: U Wiđ i 1  2  Thế năng tương tác giữa các phân tử khí khoảng cách giữa các phân tử tổng thế năng thể tích của khối khí thể tích tăng thế năng giảm độ giảm thế năng tương tác = công của nội lực tương tác (gây ra nội áp pi) giữa các phân tử khi thể tích khối khí tăng từ V đến : a a W W A dV t i 2 V V V V m iRT a  Nội năng khí thực: U  2 V 10
11. 2. HIỆU ỨNG JOULE-THOMPSON Thí nghiệm  Định luật Joule: Nội năng của một khối khí cho trước không phụ thuộc thể tích và áp suất mà chỉ phụ thuộc nhiệt độ.  Định luật Boyle: Với một khối khí cho James Prescott Joule trước có nhiệt độ không đổi, áp suất tỉ lệ (1818 - 1889) nghịch với thể tích  Khi một khối khí dãn nở chậm qua một vách xốp từ phía áp suất cao sang bên áp suất thấp nhiệt độ của nó giảm (lạnh đi) do khí thực hiện một công nội để thắng lực hút lẫn nhau của các phân tử khí. 11
12. 2. HIỆU ỨNG JOULE-THOMPSON Thí nghiệm  Ban đầu , p1 > p2 Khối khí thực Vách ngăn xốp  Cho piston 1 và 2 dịch chuyển chậm từ trái sang phải (quá trình dãn p p1 V 2 nở đoạn nhiệt) sao cho luôn có p1 và Piston 1 1 Piston 2 p = const 2 T1  Bên trái vách ngăn, V1 được nén xuống 0 ở áp suất p1 = const khối khí nhận công A : 1 Vách ngăn xốp Khối khí thực A1 = - p1(0 – V1) = p1V1  Sau khi đi qua vách ngăn xốp ở V2 bên phải vách ngăn, khí dãn nở từ thể Piston 1 Piston 2 T2 tích 0 lên V2 ở áp suất p2 = const với V2 > V1 khối khí thực hiện công A2: A2 = - p2(V2 – 0) = -p2V2 12
13. 2. HIỆU ỨNG JOULE-THOMPSON Thí nghiệm  Khối khí dãn nở đoạn nhiệt (Q = 0), Khối khí thực Vách ngăn xốp từ nguyên lý 1: U = A + Q có: U = A + Q = A1 + A2 = p1V1 – p2V2 p p1 V 2  Nếu khí ko trao đổi công với bên ngoài Piston 1 1 Piston 2 thì A = 0 và U = 0 U = const. T1 m iRT a  Xét: U  2 V Vách ngăn xốp Khối khí thực  Biến thiên nội năng U) T và V.  Khi U = 0 mà V 0 T 0 V T2 T1 . 2 Piston 1 Piston 2  Hiệu ứng xảy ra với nhiều chất khí T2 Ứng dụng để sản xuất các khí hóa lỏng (Nitrogen -N2, Helium –He, ) 13
14. 2. HIỆU ỨNG JOULE-THOMPSON Thí nghiệm 14
15. Những nội dung cần lưu ý 1. Phân biệt khí lý tưởng và khí thực. 2. Cách thiết lập phương trình Van der Waals đối với khí thực trên cơ sở khái niệm nội tích, nội áp. 3. Trạng thái tới hạn và nội năng khí thực. 15