Khóa luận Phân loại và giải bài tập nhiệt học đại cương

i i là số bậc tự do: Năng lượng chuyển động nhiệt của một phân tử: KT 2 iEd = Năng lượng chuyển động nhiệt của N phân tử: NKT 2 iEd = 1.3. Nội năng của khí lí tưởng SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 23 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: thì 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 các phân tử thay đổi nên sẽ làm nội năng của hệ thay đổi. Có hai cách làm biến đổi nội năng thực hiện công và truyền nhiệt. Gọi U là nội năng ptd EEEU ++= Trong đó: dE : năng lượng chuyển động nhiệt. tE : thế năng tương tác giữa các phân tử. pE : tổng năng lượng bên trong phân tử. Hệ là khí lí tưởng pd EEU += Khi trạng thái của hệ thay đổi, nội năng thay đổi pd dEdEdU += Với các biến thông thường (đổi p,T,V) thì pdE = 0 do đó ddEdU = Khí lí tưởng gồm N phân tử: NkdT 2 idU = Nếu khí lí tưởng có khối lượng m: kdTN 2 imdU Aµ= Hay : RdT 2 imdU µ= 2. Liên quan giữa năng lượng, nhiệt lượng và công 2.1. Sự liên quan giữa nhiệt lượng và công Nhiệt lượng là phần năng lượng trao đổi, liên quan đến chuyển động nhiệt của các phân tử. Công là phần năng lượng trao đổi giữa các vật, thông qua chuyển động định hướng của các phân tử SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 24 - Công và nhiệt đều là phần năng lượng trao đổi nên có cùng đơn vị đo, đơn vị của năng lượng. -Công và nhiệt có thể chuyển hóa cho nhau. Công có thể chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt nhưng nhiệt không thể chuyển hoàn toàn thành công. - Năng lượng được đo bằng Calo (cal) hoặc Jun (J) 1 cal = 4,18 J 2.2. Sự khác nhau giữa năng lượng, nhiệt lượng và công Năng lượng là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng sinh công (đặc trưng cho mức độ vận động, tương tác giữa vật chất). Nhiệt là do sự chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử. Công là do sự chuyển động có hướng của các phân tử. 3. Nguyên lý I nhiệt động lực học 3.1. Nguyên lý Xét sự biến đổi của hệ từ trạng thái (1) trạng thái (2) Gọi Q∆ là nhiệt lượng mà ngoại vật truyền cho hệ. A∆ là công mà hệ nhận từ ngoại vật. 21 U,U : nội năng của hệ ở trạng thái (1) và trạng thái (2) AQUUU 12 ∆+∆=−=∆ Trong quá trình biến đổi nào đó độ biến thiên nội năng bằng tổng công và nhiệt mà hệ nhận từ ngoại vật” Nếu hệ thực hiện một quá trình biến đổi vô cùng nhỏ AQdU ∂+∂= 0Q,0A >∆>∆ hệ nhận công, nhận nhiệt. 0Q,0A <∆<∆ hệ sinh công, sinh nhiệt. Nếu gọi 'A , 'Q là công và nhiệt mà hệ sinh ra QQ,AA '' ∆−=∆∆−=∆ Khi 21 UU0U0Q,0A =⇔=∆⇒=∆=∆ Nội năng của hệ không đổi. 3.2. Hệ quả 3.2.1. Hệ thực hiện chu trình (quá trình kín) Ta có: 0AQU =∆+∆=∆ Do hệ thực hiện chu trình (quá trình kín): 21 UU = SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 25 Suy ra: 'AAQ ∆=∆−=∆ “ Hệ muốn sinh công phải nhận nhiệt ngược lại hệ nhận công phải tỏa nhiệt” 3.2.2. Hệ cô lập Tức là hệ không trao đổi nhiệt và thực hiện công với môi trường ngoài 0Q =∆ , 0A =∆ , 0U =∆ . Nội năng của hệ cô lập bảo toàn. Nếu hệ thay đổi trạng thái do các tác động khác của ngoại vật (như điện trường, ánh sáng) các tác động quy về công ∑ i iA ta có: ∑=∆ i iAU 4. Nhiệt dung riêng 4.1. Nhiệt dung riêng Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng truyền cho một đơn vị khối lượng vật chất để nó tăng thêm 10. Kí hiệu: c - Đối với một kg: dT Qc δ= - Đối với lượng khí bất kì khối lượng m: mdT Qc δ= - Đơn vị: kgK J 4.2. Nhiệt dung riêng phân tử Trong vật lí phân tử và nhiệt học, để tiện cho việc tính toán người ta dùng nhiệt dung riêng phân tử (nhiệt dung mol) Kí hiệu: C “ Nhiệt dung riêng phân tử là nhiệt lượng cần truyền cho một kmol khí để nó tăng thêm 1 độ ” - Cho một kmol: dT QC δ= - Với một lượng khí bất kì khối lượng m: c.C dT Q mdTm QC µ=⇒δµ= µ δ= - Đơn vị: kmolK J SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 26 4.2.1. Nhiệt dung riêng phân tử đẳng tích ( V= const) Nếu trong quá trình biến đổi đẳng tích thì nhiệt lượng truyền cho 1 kmol khí để nó tăng thêm 1 độ được gọi là nhiệt dung riêng phân tử đẳng tích. Kí hiệu: VC Vơi 1 kmol khí: V V dT QC ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ δ= Quá trình đẳng tích V= const 0A =δ⇒ Áp dụng nguyên lí I: RdT 2 iQAQdU0 =δ=δ+δ= Hay: dT dU C 0V = Suy ra: R 2 iCV = 4.2.2. Nhiệt dung riêng phân tử đẳng áp ( p = const) Nếu trong quá trình biến đổi đẳng áp thì nhiệt lượng truyền cho 1 kmol khí để nó tăng thêm 1 độ được gọi là nhiệt dung riêng phân tử đẳng áp. Kí hiệu: pC Với 1 kmol khí: p p dT QC ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂= Quá trình đẳng áp constp = Theo nguyên lí I: AdUQ 0 δ−=δ Với RdT 2 idU0 = Xác định A∂ Xét độ biến thiên thể tích 0dV của 1kmol khí trong bình hình trụ, tiết diện S. 0pdVdl.S.pFdlA −=−=−=δ Mặc khác: RTpV0 = Lấy vi phân hai vế RdTARdTpdV0 =δ⇒= dT A dT dU dT QC 0P ∂−=δ= (2) (1) l1 l2 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 27 RCCRR 2 iC Vpp +=⇒+= 4.3. Hệ số Poisson Tỷ số giữa pC và VC được gọi là hệ số Poisson Kí hiệu: γ i 2i C C V p +==γ Khí 1 nguyên tử: γ = 5/3 Khí 2 nguyên tử: γ = 1,4 Khí 3 nguyên tử: γ = 4/3 5. Ứng dụng nguyên lý I để khảo sát các quá trình cân bằng 5.1. Công và nhiệt mà hệ nhận trong quá trình cân bằng 5.1.1. Công mà hệ nhận pdVA −=δ Khi hệ biến đổi từ trạng thái (1) đến trạng thái (2) ( ) ( ) ∫∫ −=δ= 2 1 V V 2 1 pdVAA 5.1.2. Nhiệt mà hệ nhận CdTmQ mcdTQ µ==δ =δ Khi hệ biến đổi từ trạng thái (1) đến trạng thái (2) )TT(cmcmdTQ 1 T T 2 2 1 −== ∫ Trong quá trình đẳng nhiệt thì nhiệt mà hệ nhận phải tính theo cách khác 5.2. Công và nhiệt mà hệ nhận trong các quá trình cân bằng 5.2.1 Quá trình đẳng áp ( constp = ) Công mà hệ nhận pdVA −=δ SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 28 TRm)TT(RmVpdVpAA 21 V V 2 1 2 1 ∆µ−=−µ−=∆−=−=δ= ∫∫ Nhiệt mà hệ nhận AdUQ δ−=δ Trong đó: RT 2 imdU µ= RdTmpdVA µ−=−=δ RdT)1 2 i(mQ +µ=δ Mặc khác: dTCmQ pµ=δ Ta thấy: R)1 2 i(Cp += Là nhiệt dung riêng phân tử đẳng áp 5.2.2. Quá trình đẳng tích ( constV = ) Công mà hệ nhận 0A0pdVA =⇒=−=δ Nhiệt mà hệ nhận dUAdUQ =δ−=δ Theo nguyên lí I: RdT 2 imQ µ=δ Mặc khác: dTCmQ Vµ=δ Ta thấy: R 2 iCV = Là nhiệt dung riêng phân tử đẳng tích 5.2.3. Quá trình đẳng nhiệt ( constT = ) Công mà hệ nhận pdVA −=δ SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 29 Trong đó: ∫−= 2 1 V V pdVA RTmpV µ= Suy ra: ∫µ−= 2 1 V V V dVRTmA )VlnV(lnRTmA 21 −µ= ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ µ= 2 1 V V lnRTmA Lưu ý: dãn nở V tăng, quy ước công âm, lon be V V Nhiệt mà hệ nhận AdUQ δ−=δ Với 0RT 2 imdU =µ= Suy ra: AQ δ−=δ Hay: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ µ=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ µ=−= 2 1 1 2 p p lnRTm V V lnRTmAQ 5.2.4. Quá trình đoạn nhiệt ( constQ =δ ) Trong trường hợp này thì cả ( T,V,p ) đều thay đổi Phương trình của quá trình đoạn nhiệt Theo nguyên lí I: AAQdU δ=δ+δ= (1) Trong đó: SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 30 dTCmRdT 2 imdU Vµ=µ= (2) V dVRTmpdVA µ−=−=δ (3) Từ (1), (2), (3) suy ra: V dVR T dTCV −= V dV C R T dT V −= Đặt 1 C R V −γ= ( ) 0 V dV1 T dT =−γ+ Tích phân hai vế phương tình trên ta được: ( ) constcVln1cTln 21 =+−γ++ ( ) ( ),constVln1Tln =−γ+ ( ) ( )const)V.Tln( 1 =−γ Ta được: constV.T )1( =−γ Thay T từ phương trình const T pV = ta được: constpV =γ Thay V từ phương trình const T pV = ta được ( ) constp.T 1 =γ γ− Công mà hệ nhận trong quá trình đoạn nhiệt: * dUpdVA =−=δ RdT 2 imA µ=δ )TT(R 2 imA 12 −µ= SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 31 * γ−γ =⇒= V.cpcpV dVVcA γδ .−= ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ γ− −−=γ−−= γ−γ−γ− 1 VVc 1 VcA 1 1 1 2V V 1 2 1 * Thay V RTmp µ= Và 1 1 1 1 V VTT −γ −γ = γ −γ µ−=δ V dVVRTmA 111 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ γ− − µ−=µ−= γ−γ− −γ γ −γ ∫ 1 VVVRTmVdVVRTmA 1 1 1 21 11 V V 1 11 2 1 5.2.5. Quá trình đa biến: là quá trình trong đó nhiệt dung không đổi. * Phương trình của quá trình: Theo nguyên lí I: AQdU δ+δ= Mặc khác : dTCmRdT 2 imdU Vµ=µ= CdTmQ µ=δ pdVA −=δ Từ trên ta được: pdVCdTmdTCm V −µ=µ dT)CC(mpdV V−µ= RTmpV µ= (p,V đều thay đổi) Vi phân hai vế phương trình trên ta được: SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 32 R VdppdVdTmRdTmpdVVdp +=µ⇒µ=+ , thay vào trên, ta có: ( )VdppdV R CC pdV V +−= ( ) ( )( ) ( ) 0VdpCCpdVCC 0CdpCC(pdVRCC vp VV =−+−⇔ =−+−−⇔ Chia 2 vế cho pdV ta được: ( ) ( ) 0 p dpCC V dVCC Vp =−+− Chia 2 vế cho C – CV, ta được: 0p dp V dV CC CC V p =+− − Đặt V p CC CC n − −= , ta được: 0 p dp V dVn =+ , n được gọi là chỉ số đa biến. Suy ra: constpVn = Các trường hợp riêng: constp1V,0n 0 =⇒== . Đây là quá trình đẳng áp. .constpVVV,1n 1 =⇒== Đây là quá trình đẳng nhiệt. .constpVn =⇒γ= γ Đây là quá trình đoạn nhiệt. Trong quá trình đẳng tích C = CV, ta có: −∞=− −= V p CC CC n 6. Công thực hiện trong một chu trình Chu trình là một quá trình khép kín: Xét một chu trình gồm 2 quá trình trên đồ thị (P,V) O G H V P B D C E SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 33 Công mà hệ sinh ra trong quá trình BCD (dãn nở): BCDHG V V ' 1 SpdVA D B == ∫ Công mà hệ nhận trong quá trình DEB (nén): BEDHG V V ' 2 SpdVA B D =−= ∫ Công sinh ra trong cả chu trình: 2 ' 1 ' 2 ' 1 ' AAAAA −=+= BEDHGBCDHG ' SSA −= BCDEB ' SA = Tổng quát: đc ' SA = 7. Nguyên lý thứ II của nhiệt động lực học 7.1. Hạn chế của nguyên lý I Không có cho biết chiều diễn biến của quá trình xảy ra. Công và nhiệt tương đương nhau có thể chuyển hóa cho nhau. Không đề cập đến chất lượng của nhiệt. 7.2. Máy nhiệt Hệ hoạt động tuần hoàn biến nhiệt thành công và ngược lại. Máy nhiệt làm việc với hai nguồn nhiệt. 21 TT > 1T : nhiệt độ nguồn nóng. 2T : nhiệt độ nguồn lạnh. Khi máy nhiệt hoạt động tuần hoàn thì tác nhân thực hiện chu trình. 7.2.1. Động cơ nhiệt Là máy nhiệt biến nhiệt thành công. Trong một chu trình nhận nhiệt lượng từ 1Q từ nguồn nóng (nhiệt độ t1) và nhả cho nguồn lạnh nhiệt lượng '2Q (nhiệt độ t2). Nhiệt suất của động cơ nhiệt: η 1 ' Q A=η ∫= pdVA ' SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 34 Trong đó: 'A : Công hệ sinh ra trong một chu trình. Mà trong một chu trình: 0U =∆ 0QQAU 21 ' =−+−=∆ 1 Q Q1 Q QQ 1 ' 2 1 ' 21 <−=−=η 7.2.2. Máy làm lạnh Là máy nhiệt trong một chu trình tác nhân nhận công A và nhiệt lượng 2Q từ nguồn lạnh. Hệ số làm lạnh: 1 A Qa 2 >= 7.3. Phát biểu nguyên lý Theo Thomson: “Một động cơ nhiệt không thể sinh công nếu nó chỉ trao đổi với một nguồn nhiệt duy nhất”. Theo Claussius: “Nhiệt không thể truyền từ vật lạnh sang vật nóng hơn”. 8. Chu trình Carnot với tác nhân là khí lý tưởng 8.1. Chu trình Carnot Quá trình dãn đẳng nhiệt: (1) (2) Tác nhân nhận nhiệt lượng 1Q từ nguồn nóng nhiệt độ T1. Hệ sinh công: 12 ' 12 AA −= Quá trình dãn đoạn nhiệt: (2) (3) Nhiệt độ tác nhân hạ từ: T1 đến T2 Tác nhân sinh công: 23 ' 23 AA −= Quá trình nén đẳng nhiệt: (3) (4) O V2 V P V3 V4 V1 Q1 Q2’ (1) (2) (3) (4) SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 35 Tác nhân nhả cho nguồn lạnh nhiệt lượng Hệ sinh công: 34 ' 34 AA −= Quá trình nén đoạn nhiệt: (4) (1) Nhiệt độ tác nhân tăng từ T2 đến T1 Tác nhân nhận công: 41 ' 41 AA −= Công sinh ra trong cả chu trình: '41 ' 34 ' 23 ' 12 ' AAAAA +++= 8.2. Hiệu suất của chu trình Carnot thuận nghịch 1 2 T T1−=η ctnη chỉ phụ thuộc vào T1, T2 9. Hàm Entropi và nguyên lý tăng Entropi 9.1. Hàm Entropi: Giả sử hệ biến đổi theo quá trình thuận nghịch từ trạng thái 1 sang trạng thái 2. Sau đó hệ biến đổi thuận nghịch từ trạng thái 2 về trạng thái 1, ta có: ∫ δ=−=∆ 2 1 12 T QSSS Đại lượng S gọi là Entropi của hệ và có đặc điểm sau: Entropi là hàm trạng thái, Entropi được xác định sai kém một hằng số và có tính cộng được. 9.2. Nguyên lý tăng Entropi Tổng quát: ∫ δ≥∆ 2 1 T QS Dấu “=” đối với các quá trình thuận nghịch. Dấu “>”đối với các quá trình không thuận nghịch. Chương III: Phân loại các bài tập cụ thể Việc phân loại các bài tập vật lí chỉ mang tính tương đối. Trong phần nghiên cứu này, bài tập vật lí có thể chia làm hai loại: bài tập định tính và bài tập định lượng. I. Bài tập định tính 1. Phương pháp Để giải bài tập vật lý định tính trước hết cần hiểu rõ bản chất của các khái niệm; các định luật vật lý; nhận biết được biểu hiện của chúng trong những trường hợp cụ thể. Dựa SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 36 trên cơ sở các định luật vật lý để xây dựng những suy luận logic từng bước một và đi đến kết luận cuối cùng. 2. Bài tập 2.1. Các định luật về chất khí 2.1.1. Các bài tập giải mẫu Bài 1: Khi nung nóng một bình chứa khí thì các phân tử khí chuyển động như thế nào? Tại sao? Gợi ý trả lời: Khi nung nóng một bình chứa khí thì các phân tử khí chuyển động hỗn độn nhanh hơn. Vì lực tương tác giữa các phân tử trong chất khí rất yếu . Khi nung nóng, các phân tử chất khí nhận được nhiệt năng chuyển thành động năng của chúng nên sẽ chuyển động nhanh hơn. Bài 2: Khi nung nóng một thỏi sắt thì các nguyên tử có chuyển động hỗn độn hay không? Tại sao? Gợi ý trả lời: Khi nung nóng một thỏi sắt thì các nguyên tử không chuyển động hỗn độn mà chúng dao động nhanh hơn xung quanh các vị trí xác định. Vì trong chất rắn, lực tương tác giữa các nguyên tử rất mạnh nên chúng không chuyển động tự do được mà chỉ có thể dao động quanh các vị trí cân bằng xác định. Bài 3:Vì sao nói nói chất lỏng có hình dạng của phần bình chứa nó? Gợi ý trả lời: Chất lỏng có hình dạng của phần bình chứa nó vì lực tương tác giữa các phân tử trong chất lỏng chưa đủ lớn để giữ các phân tử ở những vị trí xác định như trong chất rắn, nhưng lực tương tác này vẫn giữ được các phân tử ở các vị trí cân bằng dịch chuyển và không cho chúng chuyển động ra xa nhau vì vậy chất lỏng có tính chảy lỏng và không có hình dạng riêng. Bài 4: Tại sao các vật lại có thể giữ được hình dạng và thể tích của chúng khi các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên vật chuyển động không ngừng ? Gợi ý trả lời: Các vật có thể giữ được hình dạng và thể tích của chúng khi các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên vật chuyển động không ngừng vì do giữa các nguyên tử và phân tử cấu tạo nên vật đồng thời tồn tại lực hút và lực đẩy. Do đó các nguyên tử, phân tử trong vật rắn chỉ chuyển động (dao động) quanh một vị trí cân bằng gọi là nút mạng, khoảng cách giữa các nút mạng là xác định. Bài 5: Dùng thuyết động học phân tử giải thích định luật Bôi-lơ-Ma-ri-ốt. Gợi ý trả lời: SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 37 Đề bài yêu cầu giải thích định luật Bôi-lơ-Ma-ri-ốt một cách định tính dựa trên cơ sở của thuyết động học phân tử. Vì định luật Bôi-lơ-Ma-ri-ốt được thành lập trên cơ sở tính toán định lượng theo thuyết động học phân tử của chất khí lí tưởng nên yêu cầu trước tiên là phải phát biểu lại định luật Bôi-lơ-Ma-ri-ốt và nắm được nội dung của thuyết động học phân tử về khí lí tưởng. Gợi ý trả lời: Nguyên nhân gây ra áp suất chất khí là do sự va chạm của các phân tử khí lên thành bình và độ lớn áp suất phụ thuộc vào số va chạm và cường độ va chạm. Theo thuyết động học phân tử thì: - Số va chạm phụ thuộc vào : + Mật độ phân tư khí n: mật độ phân tử khí càng lớn thì số va chạm càng lớn và ngược lại. + Nhiệt độ càng cao (hay thấp) thì các phân tử chuyển động càng nhanh (hay chậm) dẫn đến số va chạm càng tăng hay giảm. - Cường độ va chạm phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí: nhiệt độ càng cao thì các phân tử chuyển động càng nhanh dẫn đến cường độ va chạm càng mạnh và ngược lại. Khi nhiệt độ chất khí không đổi (trong trường hợp định luật Bôi-lơ-Ma-ri-ốt) thì cường độ va chạm của các phân tử trên mỗi đơn vị diện tích trên thành bình không đổi. Khi áp suất tăng tức là số va chạm của các phân tử trên mỗi đơn vị diện tích trên thành bình tăng. Muốn vậy thì mật độ phân tử khí phải tăng. Ta có: V Nn = ; đối với một lượng khí xác định; khối lượng m không đổi nên tổng số phân tử N không đổi. Do đó, để mật độ phân tử khí n tăng thì thể tích V phải giảm. Chứng tỏ, khi T = const thì p.V = const; nghĩa là khi nhiệt độ chất khí không đổi, nếu áp suất tăng thì thể tích giảm và ngược lại. Bài 6: Vì sao khi pha nước chanh người ta thường làm cho đường tan trước rồi mới cho nước đá lạnh vào ? Gợi ý trả lời: Đây là dạng bài tập giải thích hiện tượng, đề bài đề cập đến đá lạnh và sự hòa tan tức là có liên quan đến nhiệt độ và chuyển động nhiệt của các phân tử. Do đó cần dựa vào thuyết động học phân tử để giải thích. Theo thuyết động học phân tử thì cường độ chuyển động biểu hiện nhiệt độ của hệ. Khi nhiệt độ càng cao thì các phân tử chuyển động càng nhanh và ngược lại. Nhiệt độ trong ly nước khi chưa cho đá lạnh vào cao hơn nhiệt độ lúc có đá nên các phân tử chuyển động nhiệt nhanh hơn làm đường hòa tan nhanh hơn. Khi cho đá vào, nhiệt độ của ly nước thấp hơn nên các phân tử chuyển động chậm hơn làm cho quá trình hòa tan đường diễn ra chậm hơn. SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 38 Bài 7: Lý thuyết cho biết sản phẩm của sự cháy là khí cacbonic ( 2CO ) và hơi nước ( OH 2 ). Đó là những chất không cháy và không duy trì sự cháy. Lúc đầu ngọn lửa bao quanh bởi không khí ( Oxy ) nên xảy ra sự cháy nhưng về sau ngọn lửa bị bao quanh bởi sản phẩm của sự cháy như đã nói ở trên. Vậy đáng lẽ ngọn lửa sẽ bị tắt đi, sự cháy sẽ ngừng lại nhưng thực tế ngọn lửa không bị tắt sự cháy vẫn tiếp tục cho đến khi nhiên liệu bị đốt cháy hết. Vì sao như vậy ? Gợi ý trả lời: Khí cacbonic ( 2CO ) và hơi nước ( OH 2 ) được tạo thành khi có sự cháy bị đốt nóng lên nên giãn ra và trở nên nhẹ hơn trước vì vậy chúng không nằm yên tại chỗ mà dần dần bay lên cao nhường chỗ cho không khí mới. Do dó sự cháy được duy trì. Dựa vào điều kiện này ta có thể giải thích vì sao các đèn dầu hỏa cần có bong thông gió. Nếu lắp bóng đèn vào mà không khí trong bóng không lưu thông được thì chỉ sau một thời gian ngắn đèn sẽ tắt. Nếu không có bóng đèn thì gặp luồng gió mạnh đèn cũng sẽ tắt vì gió thổi ngọn lửa (gồm các khí đang cháy sang) ra xa bấc đèn làm cho nhiệt độ của không khí không đủ nóng để làm cho ôxi và hơi dầu hỏa bay ra từ bấc đèn phản ứng với nhau và bốc cháy. Bài 8: Cái bong bóng xà phòng khi mới được thổi phồng thì bay lên cao, sau đó một thời gian lại bay xuống thấp và nếu giữa chừng không bị vỡ thì sẽ hạ xuống mặt đất. Giải thích này như thế nào ? Gợi ý trả lời: Không khí do người thổi vào bong bóng xà phòng thì nóng nghĩa là khối lượng riêng của nó nhỏ hơn không khí xung quanh. Vì vậy lúc đầu bong bóng bay lên cao. Về sau không khí trong bong bóng lạnh đi và dưới tác dụng lực hút của Trái Đất bong bóng đi xuống. 2.1.2. Các bài tập đề nghị Bài 1: Hãy dùng thuyết động học phân tử để giải thích các định luật Gay-Lussac và Charles. Bài 2: Vì sao khi than cháy lại phát ra tiếng nổ lách tách và có những tia lửa bắn ra. Bài 3: Hai bình giống nhau chứa không khí ở áp suất bình thường và được đậy kín bằng những cái nút. Khi nung nóng khí ở hai bình đến cùng một nhiệt độ nào đó thì áp suất ở hai bình có còn bằng nhau không. Bài 4: Trong một ống thủy tinh kín hai đầu có một giọt thủy ngân nằm chính giữa hai bên là không khí, ống đang ở trạng thái nằm ngang. Khi dựng ống thẳng đứng, giọt thủy ngân bị tụt xuống một chút. Vì sao giọt thủy ngân không tụt tới đáy ống. Bài 5: Khối lượng riêng của một khối lượng khí sẽ thay đổi như thế nào nếu nó được tăng áp suất trong quá trình đẳng nhiệt. Bài 6: Chúng ta giả thiết rằng va chạm giữa các phân tử khí với thành bình chứa chúng là đàn hồi. Tại sao điều đó không có gì khác chừng nào mà nhiệt độ có cùng nhiệt độ với chất khí. SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 39 2.2. Sự va chạm của các phân tử và các hiện tượng truyền trong chất khí 2.2.1. Các bài tập giải mẫu Bài 1: Giải thích hiện tượng khói ta vào không khí. Gợi ý trả lời: Các phân tử của khói tham gia chuyển động nhiệt. Thể tích chiếm bởi khí tăng lên, khối lượng riêng của khí giảm. Bài 2: Mùa đông người đi bộ phải đi nhanh để đỡ bị cóng rét nhưng chim chóc bay nhanh thường lại bị rét cóng và rớt xuống. Giải thích vì sao như vậy ? Gợi ý trả lời: Mùa đông, chim chóc đứng yên thì nhờ có bộ lông xù ra làm thành 1 “áo” chứa không khí, khó dẫn nhiệt ra ngoài. Khi chim bay không khí ở bộ lông luôn thay đổi làm cho mình chim phải tỏa nhiệt ra ngoài. Nhiệt lượng bị truyền này lớn đến mức chim có thể bị rét cóng và rơi xuống. Bài 3: Mùa đông, một người đem hai thùng nước giống nhau vào trong phòng kín để tắm. Một nửa thùng thứ nhất chứa nước lạnh, một nửa thùng thứ hai chứa nước nóng ở nhiệt độ gần bằng C180 . Có hai cách hòa nước để tắm. a. Hòa nước nóng với nước lạnh trong một chậu thau. Dùng hết nước trong chậu lại hòa tan tiếp tục để tắm. b. Ngay từ đầu để chung 2 nửa thùng nước nóng và lạnh lại thành một thùng để tắm. Hỏi cách nào nói trên đây làm cho nước nóng ít truyền nhiệt cho không khí ít hơn. Coi thời gian tắm như nhau. Gợi ý trả lời: Làm theo cách thứ hai nước nóng ít truyền nhiệt cho không khí ít hơn vì yếu tố dẫn nhiệt quan trọng ở đây là độ chênh lệch nhiệt độ giữa nước nóng và kích thước của phòng. 2.2.2. Các bài tập đề nghị Bài 1: Mùi thơm của nước hoa thoảng bay không không khí dần tan biến mất. Khói từ các ống khói lúc đầu mới thoát ra trong ống thì đậm đặc sau đó cũng dần tan biến trong không khí. Hãy giải thích tại sao có hiện tượng trên. Bài 2: Các họa sĩ trước khi vẽ thường trộn một số màu với nhau để tạo ra những màu sắc phù hợp như ý muốn. Việc trộn màu này dựa vào những nguyên tắc nào. Bài 3: Tại sao khói bốc lên mà không chìm xuống từ một ngọn nến. Giải thích bằng ngôn ngữ sự va chạm phân tử. Bài 4: Giải thích định tính mối liên hệ giữa quãng đường tự do trung bình của các phân tử amoniac và thời gian cần thiết để ngửi thấy mùi amoniac khi bình được mở trong phòng. 2.3. Nguyên lý I nhiệt động lực học SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 40 2.3.1. Các bài tập đề nghị Bài 1: Thả một quả bóng cao su xuống đất, bóng bị nảy lên, nhưng nếu bóng thủng một lỗ thì nó không nảy lên được. Hãy giải thích vì sao ? Bài 2: Một quả bóng rơi từ độ cao h1 xuống đất và nảy lên ở độ cao h2. a. Vì sao thực tế h2<h1 ? b. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học áp dụng cho trường hợp này như thế nao ? c. Độ biến thiên nội năng trong trường hợp này có tác dụng gì ? Bài 3: Một khối khí lý tưởng ở trạng thái ban đầu nào đó có thể tích V1 giãn nở đến thể tích V2. Quá trình giãn nở có thể xảy ra theo: Đẳng áp; Đẳng nhiệt; Đoạn nhiệt. Hãy cho biết: a. Trong quá trình nào công sản ra nhỏ nhất ? b. Dấu của độ biến thiên nội năng của chất khí trong mỗi quá trình như thế nào? Bài 4: Một quả tạ chì rơi từ độ cao h xuống đất và không bị nảy lên. a. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học được viết cho hệ nào ? Biểu thức như thế nào ? b. Độ tăng nội năng của hệ là bao nhiêu ? Thực hiện làm việc gì trong quá trình va chạm với đất ? 2.4. Nguyên lý II nhiệt động lực học 2.4.1. Các bài tập đề nghị Bài 1: Hiệu suất của một động cơ nhiệt lý tưởng là bao nhiêu nếu nó đồng thời thực hiện công A và truyền cho nguồn lạnh một nhiệt lượng Q ? Bài 2: Chứng minh rằng nhiệt không thể biến hoàn toàn thành công ? Bài 3: Hạ nhiệt độ của nguồn lạnh hoặc tăng nhiệt độ của nguồn nóng, cách nào có ảnh hưởng nhiều hơn đến hiệu suất của chu trình cacnô. Bài 4: Đối với động cơ nhiệt, khi ma sát giữa các chi tiết giảm đến không thì hiệu suất có thể đạt đến 100% không ? Bài 5: Hãy giải thích tại sao hiệu suất của chu trình cacno thuận nghịch là lớn nhất trong tất cả các chu trình với cùng nguồn nóng và nguồn lạnh ? II. Bài tập định lượng 1. Phương pháp chung giải bài tập định lượng SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Khóa luận tốt nghiệp Trang 41 Và trong phần này, thì em chỉ trình bày việc giải bài toán vật lý thông qua bốn bước sau đây 1.1. Phân tích bài toán - Ta chỉ phân tích hiện tượng diễn ra trong bài toán từ đó ta tìm xem đề bài yêu cầu tìm các đại lượng nào. - Dựa vào các h