Câu Hỏi Lý Thuyết và Giải Thích | Nhiệt động học và vật lý phân tử | Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ VẬT LÝ PHÂN TỬ
(do a Hòa đẹp trai làm :3) CÂU HỎI LÝ THUYẾT
1. Phép đo nhiệt độ dựa trên nguyên lý nào của nhiệt động lực học. Phát biểu nguyên lý đó.
 Dựa trên NL 0 : Hai vật cùng cân bằng nhiệt với vật thứ 3 thì chúng cân bằng nhiệt với nhau
2. Phân biệt nội năng, nhiệt lượng và công trong một hệ nhiệt động.
 Nội năng là tổng tất cả các dạng năng lượng bên trong hệ nhiệt động phụ
thuộc vào trạng thái của hệ : Thế năng tương tác giữa các nguyên tử, phân
tử; chuyển động nhiệt ; năng lượng hạt nhân ,…
 Nhiệt lượng là năng lượng trao đổi giữa hệ nhiệt động và môi trường khi
có sự chênh lệch nhiệt độ
 Công : Khi có sự trao đổi nhiệt lượng giữa hệ nhiệt động và môi trường
làm hệ chuyển dời hoặc thay đổi trật tự ta nói nó thực hiện được 1 công
3. Phát biểu và viết biểu thức nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học. Giải thích tại
sao không thể chế tạo được động cơ nhiệt vĩnh cửu loại I. Áp dụng nguyên lý thứ nhất
của nhiệt động lực học để giải thích hiện tượng nhiệt độ của hệ khí giảm trong quá
trình giãn nở đoạn nhiệt
 NL1 : Nhiệt lượng cung cấp hệ dùng để sinh công và thay đổi nội năng của
hệ ( Biểu thức Q = A + ∆E )
 Đối với động cơ hoạt động theo 1 chu trình :∆E = 0 => Q = A
Nếu Q = 0 => A = 0 => Hệ không nhận nhiệt thì không thể sinh công vậy
không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu loại 1 (động cơ không nhận nhiệt mà vẫn sinh công)
 Trong quá trình đoạn nhiệt : Q = 0 => A = − ∆E
Công trong quá trình đoạn nhiệt A = nCv∆T (đối với quá trình giãn nở đoạn
nhiệt thì nội năng giảm do đó ∆E < 0 mà thực nghiệm đã chứng tỏ ∆E tỉ lệ
thuận với nhiệt độ ) vậy nhiệt độ của hệ giảm trong quá trình dãn nở đoạn nhiệt
4. Biểu diễn trên giản đồ P-V các quá trình: đẳng tích, đẳng áp, đoạn nhiệt, đẳng nhiệt.
5. Sự truyền nhiệt lượng: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ (định nghĩa, cho ví dụ minh họa
và giải thích cơ chế truyền nhiệt của từng ví dụ)
 Dẫn nhiệt : Là sự truyền nhiệt nhiệt lượng từ phần có nhiệt độ cao đến
phần có nhiệt độ thấp hơn trong hệ
Vd : Đốt nóng 1 đầu của thanh kim loại 1 lúc sau thấy đầu kia cũng nóng lên
Giải thích: Các nguyên tử của đầu thanh bên này nhận năng lượng từ ngọn lửa
và dao động mạnh lên thông qua va chạm truyền năng lượng cho các nguyên
tử khác đến khi đến nguyên tử cuối cùng.
 Đối lưu : Là sự truyền nhiệt năng bằng các dòng chất lỏng hoặc chất khí
Vd : khi đun nước ta thấy các luồng nước chuyển động lên xuống
Giải thích : Phần nước dưới đáy nhận nhiệt lượng nóng dần và giãn nở khiến
cho khối lượng riêng nhỏ hơn các phần tử nước phía trên đo đó chúng sẽ di
chuyển lên phía trên còn phần nguyên tử lạnh di chuyển xuống cứ liên tục như
vậy tạo thành dòng đối lưu
 Bức xạ : Là sự lan tỏa hoặc truyền dẫn năng lượng dưới dạng sóng hoặc
hạt phân tử qua không gian hoặc thông qua môi trường dẫn
Vd : Ánh sáng từ Mặt Trời chiếu đến Trái Đất làm Trái Đất ấm lên
Giải thích : Bản chất của bức xạ là sóng điện từ phát ra từ vật có nhiệt độ cao
hơn độ không tuyệt đối, vật hấp thụ thông qua 1 tần số nào đó và nóng lên .
Mặt trời có nhiệt độ rất cao vì vậy nó có thể bức xạ đến Trái Đất mặc dù khoảng cách xa.
6. Khí lý tưởng: điều kiện để xem xét chất khí là lý tưởng, viết phương trình trạng thái
khí lý tưởng (nêu rõ các đại lượng).
 Khí lý tưởng : Là chất khí hoàn toàn tuân theo định luật Bôilơ - Mariốt và
Gay - Luyxăc. Các phân tử khí được coi như là các chất điểm và không tương tác với nhau  PTTT KLT : PV = nRT
(P áp suất (Pa); V thể tích (m3 ¿; n số mol; R=8,31 (J/mol*K); T nhiệt độ (K)
7. Dẫn phương trình áp suất và nhiệt độ của khí lý tưởng theo quan điểm của thuyết
động học phân tử. 2 1 N
 PT áp suất : P = mN V t = m n V 2 =n 0 t ( : mật độ) Cm như sau : 0 3V 3 V
Độ biến thiên động lượng của các phần tử khí P = mv - (- mv) = 2mv 2
Lực tác dụng lên thành bình : mv f i = P/∆ t= = m v2 ∆ t l 2 Mà l ∆ t =
(do trong quá trình đó phân tử đi được quãng đường 2l) v N N N 2 N
Với N phân tử khí: f = ∑ m v2 mv2 N ∗ v2 2 fi = ∑ =¿∑ =¿ ¿ ¿ mN V t ( ∑ =¿V ¿ l ln 3 t i=1 i=1 i=1 ∗ l i=1 N ∗ ; N*=N/3 ) f mN V 2 2
Áp suất trên 1 diện tích ∆ s:P = = t = mN V t ∆ s 3 l3 3V
 PT Nhiệt độ: đối với 1 mol KLT => N = N A Ta có: PV = RT 2 2 2 <=> mN V V
t V = RT <=> T = m N A t = μ V t (μ=m N ) A 3V 3 R 3 R
8. Thiết lập công thức động năng trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử khí
lý tưởng. Từ đó, nêu định nghĩa về nhiệt độ 2 3 3 R Ta có: RT E = m v2 = mV t = m * = K T ( K = ) đ => E B B 2 đ 2 2 μ 2 N A
Nhiệt độ là thước đo động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của các
phân tử hay là thước đo mức độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử khí
9. Nêu định nghĩa bậc tự do của các phân tử khí. Phát biểu và viết công thức định luật
phân bố đều năng lượng theo bậc tự do
 Bậc tự do là số tọa độ độc lập cần biết để xác định vật trong không gian
 Động năng trung bình của phân tử được phân bố điều theo bậc tự do f, K T
năng lượng ứng với mỗi bậc tự do là B 2
10.Nhiệt dung là gì? Dẫn phương trình mối quan hệ của nhiệt dung mol đẳng tích và
nhiệt dung mol đẳng áp của các chất khí
 Nhiệt dung là đại lượng được đo bằng nhiệt lượng cung cấp cho hệ trong 1
quá trình bất kỳ nào đó để hệ tăng thêm 1 độ  Đối với 1 mol
Trong quá trình đẳng tích : Q = nC ∆ T = = v
∆ E mà theo định nghĩa: Cv ¿ = ¿
Với quá trình ĐÁ : Q = A + ∆ E = ∆ E + p∆ V mà theo đn ta có : C = p ¿ và với V = RT P <=> ∂
C = ¿ + P¿ = ¿ + P∗ ∗ ¿ p P
<=> ¿ + R¿=> C p = Cv + R V 2
11. Cho phương trình A = nRTln
, với A là công hoàn thành của một quá trình V 1
nhiệt động biến đổi từ V1 đến V2. Hãy cho biết, đây là quá trình nhiệt động nào? Vì
sao? Vẽ đồ thị của quá trình trong giản đồ P-V nRT
 Đây là quá trình đẳng nhiệt vì PV = nRT <=> P = V V 2 V 2 V 2 Mà ta có : A = ∫ nRT PdV = ∫ dV = nRTln V V 1 V 1 V 1 6 5 4 3 2 1
00.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5
12.Viết phương trình đoạn nhiệt, nêu rõ từng đại lượng. Tính công trong quá trình
đoạn nhiệt của khí lý tưởng. (đối với 1 mol )
 PT đoạn nhiệt : P V γ = P V γ 1 1 2 2 − PdV
 QT đoạn nhiệt: Q = 0 => - A = ∆ E <=> - PdV = C d v T => dT = (1) Cv
Theo PTTT KLT ta có: PV= nRT (lấy vi phân)
=> PdV+VdP = RdT => dT = PdV +VdP (2) R − PdV PdV 1 1 Từ 1 và 2: PdV +VdP PdV −VdP = <=> + = <=> PdV ( + ) = C C C v R v R R v R −VdP R C C dV C
<=> PdV p = -VdP <=> p
= −dP (lấy tích phân)=> p lnV + lnP = const C C V C v v P v
<=> ln CpP = const => P V Cv V γ = const
13.Trình bày về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và hiệu suất của động cơ nhiệt. Từ đó,
phát biểu nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học theo cách của Thomson.
 Động cơ nhiệt gồm 3 phần: nguồn nóng, nguồn lạnh, động cơ nhiệt (có
nhiệm vụ biến nhiệt thành công khi thực hiện chu trình )
Nguyên tắc hđ : Lấy nhiệt lượng Q1 từ nguồn nóng có nhiệt độ T1 nhả Q2 đến
nguồn lạnh có nhiệt độ T2 và nó sinh công A. Theo NL1 Q = Q1 - Q2 = A (do là 1 chu trình )
Hiệu suất của động cơ nhiệt : ε = | A | (hiệu suất lý tưởng ε=1hay Q2=0 Q1
*không xảy ra => không chế tạo được động cơ nhiệt vĩnh cửu )
 NL2 Thomson : Không thể tồn tại trong tự nhiên 1 quá trình mà hậu quả
duy nhất là chuyển toàn bộ nhiệt thành công mà không để lại dấu vết gì cho môi trường xung quanh
14.Trình bày về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và hệ số làm lạnh của máy lạnh. Từ đó,
phát biểu nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học theo cách của Claudius.
 Máy lạnh gồm 3 phần : Nguồn nóng, nguồn lạnh , máy lạnh (có nhiệm vụ
chuyển nhiệt lượng từ nguồn lạnh qua nguồn nóng )
 Nguyên tắc hđ : Nhận nhiệt lượng Q2 từ nguồn lạnh có nhiệt độ T2 và
nhận công A tỏa Q1 ra nguồn nóng có nhiệt độ T1.Theo NL1 Q1 = A + Q2 (do là 1 chu trình)
 Hiệu suất của máy lạnh : Q 2 ϵ =
(hiệu suất lý tưởng ϵ ≈ ∞ hay A=0 *không A
tồn tại trong tự nhiên => không chế tạo được máy lạnh vĩnh cửu )
 NL2 Claudius : Không tồn tại trong tự nhiên 1 quá trình mà hậu quả duy
nhất là truyền nhiệt từ nguồn lạnh sang nguồn nóng mà không để lại dấu
vết gì cho môi trường hay không nhiệt không tự chuyển từ nguồn lạnh sang nguồn nóng
15.Chu trình Carnot: vẽ chu trình trên giản đồ P-V, trình bày vắn tắt về chu trình.
Tính hiệu suất của chu trình Carnot. Phát biểu và viết biểu thức của định lý Carnot Quá trình Diễn biến A - > B
- Giảm từ : P -> P A B Dãn ĐN (T
- Tăng từ : V -> V A B 1) - Nhận Q1 B - > C
- Giảm từ : P -> P B C Dãn Đoạn
- Tăng từ : V -> V Nhiệt B C
- Giảm từ: T 1ở B về T 2ở C C - > D
- Tăng chậm từ : P -> P C D Nén ĐN
- Giảm nhanh từ : V -> V C D (T ) 2 - Tỏa Q2 D - > A
- Giảm từ : P -> P B C Nén Đoạn
- Tăng từ : V -> V Nhiệt B C
- Tăng từ: T ở D về T ở A 2 1
|Q1|−|Q2| |Q 2|
Hiệu suất của chu trình carnot: τ = =1− (+) |Q1| |Q 1|
Đối với quá trình đẳng nhiệt : A->B (giãn) và C->D (nén) thì ta có: Vb Vb Vd Vc Q ¿∫ nRT nRT dV= nRT ln ;Q ¿∫ dV= - nRT ln (*) 1 V 1 Va 2 V 2 Vd Va Vc
Đối với quá trình đoạn nhiệt : B->C (giãn) và D->A (nén) thì ta có:
T V γ−1=T V γ− 1 (3) 1 b γ γ 2 c
(PTKLT: PV = nRT => P = RT ; PTĐN : P V = P V V 1 1 2 2 R T V γ R T V γ
T V γ−1=T V γ −1 (4) 1 a 2 d => 1 1 = 2 2 => γ −1 γ −1 T V =T V ) 2 2 V V 1 1 1 2 V γ −1 V γ −1 Vc Vb Lấy 4 chia 3 ta được a d : = => = (**) V γ −1 V γ −1 Vd Va b c Vb Vc nR T ln −nR T ln 1 2 T −T T −T
Thay * và ** vào + ta được : Va
Vd = 1 2 => 1 2 τ = Vb T T nR T ln 1 1 1 Va
 ĐL carnot: Hiệu suất của các động cơ thuận nghịch với 2 nguồn nhiệt cho
trước thì bằng nhau nó không phụ thuộc vào hệ sinh ra công và cách chế
tạo máy. Hiệu suất của động cơ bất thuận nghịch thì nhỏ hơn động cơ thuận nghịch
16. Nêu khái niệm entropy. Nêu tính chất và ý nghĩa của Entropy. Phát biểu và viết biểu thức
nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học dựa trên khái niệm Entropy
 Entropy là biến số mới đại diện cho 1 tính chất nội tại nào đó của hệ hoặc
là đại lượng đặc trưng cho nguyên lý 2 NĐLH (là đại lượng đặc trưng cho
mức độ hỗn loạn của hệ )
 Cộng tính và có thể xác định bằng hàm xác suất
* đặc trưng cho mức độ hỗn loạn của các nguyên tử, phân tử
 Đối với hệ nhiệt động bất kỳ khi chuyển từ trạng thái cân bằng này đến
trạng thái cân bằng khác thì Entropy của hệ và môi trường :
+) Giữ nguyên đối với qt Thuận - Nghịch
+) Luôn luôn tăng đối với qt Bất Thuận - Nghịch Biểu thức : vở ghi
17.Viết phương trình trạng thái của khí thực. Vẽ và mô tả vắn tắt về họ đường
cong đẳng nhiệt lý thuyết và thực nghiệm trên giản đồ P-V.
18.Viết biểu thức nội năng khí thực. Từ đó, thiết lập và phát biểu hiệu ứng Joule Thomson.
19.Chất lỏng: tính chất của chất lỏng theo quan điểm thuyết động học phân tử,
Lực tương tác giữa các phân tử chất lỏng. Lục căng mặt ngoài. Hiện tượng
mao dẫn. Áp suất thẩm thấu và định luật Vanhoff.
20.Chuyển pha là gì? Nêu rõ chuyển pha loại 1 và chuyển pha loại 2, cho ví dụ