Giáo trình Vật lý phân tử và nhiệt học: Phần 1 - Trường ĐH Sư phạm Đà Nẵng

Giáo trình Vật lý phân tử và nhiệt học: Phần 1 gồm các nội dung chính như sau: Mở đầu và các khái niệm cơ bản; nguyên lý I nhiệt động lực học; thuyết động học chất khí; các hiện tượng động học trong chất khí; nguyên lý II nhiệt động lực học. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Vật lý phân tử và nhiệt học: Phần 1 - Trường ĐH Sư phạm Đà Nẵng LỜI NÓI ĐẦU Theo khung chương trình, sinh viên Đại Học Sư Phạm ngành Vật Lý trong những năm đầu được học môn Vật lý Phân tử và Nhiệt học (60 tiết) và môn Nhiệt động lực học (30 tiết). Tuy vậy, nhiều nội dung trong hai giáo trình nầy có sự trùng lặp. Trong điều kiện ngành học mới mở và thiếu cán bộ giảng dạy nên Khoa vật lý ĐHSP. ĐN chủ trương nhập chung nội dung hai giáo trình và giảng dạy trong 90 tiết. Để đáp ứng yêu cầu đó và để sinh viên dể dàng tiếp cận môn học, chúng tôi mạnh dạn biên soạn giáo trình nầy. Việc lồng ghép hai nội dung lớn vào trong một giáo trình là điều khó khăn cho người soạn, đồng thời để phù hợp với kiến thức của sinh viên đã được trang bị ở bậc học phổ thông về Công và Nhiệt, trong giáo trình nầy người soạn theo đúng quy ước đại số về dấu của Công và Nhiệt như đã có trong chương trình phổ thông trung học, sự thay đổi nầy cũng là một khó khăn lớn khi trình bày các nội dung... Với kiến thức và trình độ có hạn, tuy đã rất cố gắng nhưng chắc rằng giáo trình không thể tránh khỏi những thiếu sót. Người soạn mong nhận được những góp ý quý báu của các đồng nghiệp và bạn đọc. NGƯỜI SOẠN - Trang 2 - CHƯƠNG I MỞ ĐẦU VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 CÁC KHÁI NIỆM 1.1.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NHIỆT HỌC 1.1.1.1 Đối tượng Vật lý Phân tử và Nhiệt học nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến các quá trình xảy ra bên trong vật. Ví dụ: Quá trình nóng chảy hoặc quá trình bốc hơi của các vật khi được nung nóng, các quá trình này có liên quan đến dạng vận động xảy ra bên trong vật: chuyển động nhiệt. Vậy; chuyển động nhiệt là đốí tượng nghiên cứu của nhiệt học. 1.1.1.2 Phương pháp Nghiên cứu chuyển động nhiệt người ta dùng hai phương pháp: - Phương pháp thống kê (Vật lý phân tử ): Phân tích các quá trình xảy ra đối với từng phân tử, nguyên tử riêng biệt trên quan điểm vi mô và dựa vào qui luật thống kê để tìm qui luật chung cho cả tập hợp các phân tử, từ đó giải thích các tính chất của vật; phương pháp cho phép nhận thức một cách sâu sắc bản chất nhiệt học. - Phương pháp nhiệt động: Nghiên cứu sự biến đổi năng lượng của vật từ dạng này sang dạng khác trên quan điểm vĩ mô. Phương pháp dựa trên hai nguyên lý cơ bản của NĐH được rút ra từ thực nghiệm; từ đó nêu ra những tính chất của vật trong các điều kiện khác nhau mà không cần chú ý đến cấu tạo phân tử. Phương pháp có điểm hạn chế là không giải thích sâu bản chất của hiện tượng nhưng trong nhiều vấn đề nó cho ta cách giải quyết đơn giản, hiệu quả. Trong giáo trình nầy chúng ta dùng cả hai phương pháp trên để hổ trợ, bổ sung cho nhau nhằm hiểu thấu đáo các vấn đề của chuyển động nhiệt; tuy vậy không ít khó khăn trong trình bày do sự đan xen của các phương pháp và quan điểm. 1.1.2 HỆ NHIỆT ĐỘNG 1.1.2.1 Hệ nhiệt động Hệ nhiệt động là một tập hợp các vật thể được bao bởi một bề mặt chu vi. - Trang 3 - - Các vật thể có thể là các cá thể kích thước vĩ mô, cũng có thể là các phân tử, nguyên tử khí kích thước rất bé. - Bề mặt chu vi có thể là thực như chu vi của một bình đựng khí, cũng có thể là ảo như bề mặt bao quanh một lượng chất lỏng chảy dọc theo một ống mà ta theo dõi bằng trí tưởng tượng. Như vậy khái niệm “hệ nhiệt động” (gọi tắc là hệ) là một khái niệm rộng và tổng quát. 1.1.2.2 Hệ con Là một phần của hệ nhưng số cá thể ít hơn và có thể tích bé hơn. Như vậy “hệ” có thể xem như được cấu tạo bởi nhiều hệ con. Hệ con chịu ảnh hưởng tác động của phần còn lại của hệ lên nó nên trạng thái của hệ con luôn thay đổi. 1.1.2.3 Khoãng ngoài Phần còn lại ở ngoài hệ được gọi là khoảng ngoài hay ngoại vật. 1.1.2.4 Hệ cô lập Hệ hoàn toàn không tương tác và trao đổi năng lượng với khoảng ngoài được gọi là hệ cô lập; ngược lại nếu hệ có tương tác hoặc trao đổi năng lượng với khoảng ngoài thì gọi là “hệ không cô lập“. 1.1.2.5 Hệ cô lập một phần Hệ có trao đổi công với khoảng ngoài mà không trao đổi nhiệt thì hệ được gọi là hệ cô lập về nhiệt, ngược lại có trao đổi nhiệt nhưng không trao đổi công thì được gọi là hệ cô lập về công, đây là các hệ cô lập một phần. 1.1.3 TRẠNG THÁI MỘT HỆ NHIỆT ĐỘNG 1.1.3.1 Thông số trạng thái Trạng thái của một hệ nhiệt động được xác định bởi một bộ các đại lượng vật lý, các đại lượng nầy được gọi là thông số trạng thái của hệ. Ví dụ: Đối với một khối khí, trạng thái của khối khí được xác định khi biết áp suất p, nhiệt độ T và thể tích V khối khí. Từ đó các đại lượng p, V và T là các thông số trạng thái, thông thường một bộ ba thông số (p,V, T) xác định một trạng thái vĩ mô của khối khí. Đối với các hệ thống phức tạp, cần xác định thêm các đại lượng: Nồng độ, tỉ trọng hoặc điện tích... Thực nghiệm cho thấy: Một hệ cô lập ở không cân bằng nhiệt động, nếu để một thời gian đủ lâu thì hệ tiến tới cân bằng nhiệt động, khi đó mọi nơi trong hệ đều cùng - Trang 4 - một áp suất, cùng một nhiệt độ. Ta chỉ khảo sát những hệ ở cân bằng nhiệt động. Về phương diện vĩ mô, có thể chia thông số trạng thái làm hai loại : - Thông số quảng tính: Là thông số mà độ lớn của nó tỉ lệ với khối lượng hệ, chẳng hạn : thể tích v. - Thông số cường tính: Là thông số không phụ thuộc vào khối lượng hệ. Ví du û: Áp suất, nhiệt độ, mật độ ... nếu ta chia nhỏ hệ ra thành nhiều hệ con thì giá trị của thông số cường tính không đổi. 1.1.3.2 Phương trình trạng thái Các thông số trạng thái p, V, T...của hệ không hoàn toàn đập lập nhau, mỗi thông số là một hàm của các thông số c ...