Bài giảng Vật lý phân tử và nhiệt học

1 
TRƢỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG 
KHOA CƠ BẢN 
NGUYỄN THỊ KIỀU THU 
BÀI GIẢNG 
VẬT LÝ PHÂN TỬ VÀ NHIỆT HỌC 
Quảng Ngãi, 2016 
2 
LỜI NÓI ĐẦU 
Học phần Vật lý phân tử và nhiệt học gồm có hai phân môn: Vật lý phân tử 
(VLPT) và nhiệt động lực học (NĐLH).Trong VLPT ngƣời ta vận dụng quan điểm vi 
mô và phƣơng pháp thống kê, còn trong NĐLH ngƣời ta vận dụng quan điểm vĩ mô 
và phƣơng pháp nhiệt động lực học để nghiên cứu. 
Bài giảng gồm có 8 chƣơng, trong đó hai phân môn VLPT và NĐLH đƣợc trình 
bày xen kẽ; các chƣơng 2, 3, 4, 7 và 8 thuộc phân môn VLPT; còn chƣơng 5 và 
chƣơng 6 thuộc phân môn NĐLH. Ngoài ra chƣơng 1 là chƣơng mở đầu, cung cấp 
cho sinh viên những khái niệm cơ bản trƣớc khi nghiên cứu học phần. 
Tập bài giảng này đƣợc biên soạn dùng cho sinh viên sƣ phạm ngành Vật lý. 
Trên cơ sở tham khảo các tài liệu, giáo trình kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy của 
mình, ngƣời biên soạn đã sắp xếp lại các kiến thức một cách có hệ thống, khoa học, 
chi tiết với mong muốn giúp cho sinh viên dễ dàng trong việc tiếp thu kiến thức. Sau 
mỗi chƣơng có phần câu hỏi và bài tập cho sinh viên tự học. 
Mặc dù rất cố gắng nhƣng trong quá trình biên soạn không thể không có những 
thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô, đồng nghiệp 
và các bạn sinh viên để bài giảng hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa 
chỉ email: ntkthu@pdu.edu.vn. Xin chân thành cảm ơn! 
 Ngƣời biên soạn 
3 
CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU 
1.1. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu 
1.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu 
Vật lý phân tử và nhiệt học nghiên cứu các hiện tƣợng liên quan đến các quá 
trình xảy ra bên trong vật là quá trình chuyển động nhiệt. 
1.1.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 
Ngƣời ta sử dụng hai phƣơng pháp: 
Phƣơng pháp thống kê: phân tích các quá trình xảy ra đối với từng phân tử, 
nguyên tử riêng biệt trên quan điểm vi mô, rồi dựa vào qui luật chung cho cả tập hợp 
các phân tử, từ đó giải thích các tính chất của vật. 
Phƣơng pháp nhiệt động lực học: nghiên cứu sự biến đổi năng lƣợng vật từ 
dạng này sang dạng khác trên quan điểm vĩ mô. Phƣơng pháp dựa trên hai nguyên lý 
cơ bản của nhiệt động học đƣợc rút ra từ thực nghiệm. Từ đó, rút ra đƣợc những tính 
chất của vật trong các điều kiện khác nhau mà không cần chú ý đến cấu tạo phân tử. 
Trong học phần này chúng ta sẽ dùng cả hai phƣơng pháp trên để nghiên cứu 
các vấn đề của chuyển động nhiệt. 
1.2. Hệ nhiệt động 
1.2.1. Hệ nhiệt động 
Hệ nhiệt động là một tập hợp các vật thể đƣợc bao bọc bởi một bề mặt chu vi. 
Các vật thể có thể là các cá thể có kích thƣớc vĩ mô, cũng có thể là các phân tử, 
nguyên tử có kích thƣớc vi mô. 
Bề mặt chu vi có thể là thực, chẳng hạn nhƣ chu vi của một bình đựng khí, 
cũng có thể là ảo nhƣ bề mặt bao quanh một lƣợng chất lỏng chảy dọc theo một ống 
mà ta tƣởng tƣợng. 
Nhƣ vậy, khái niệm “hệ nhiệt động” là một khái niệm rộng và tổng quát. 
1.2.2. Hệ con 
Hệ con là một phần của hệ, với số cá thể ít hơn và có thể tích bé hơn. 
4 
Hệ có thể xem nhƣ đƣợc cấu tạo bởi nhiều hệ con. Hệ con chịu ảnh hƣởng của 
phần còn lại của hệ lên nó, nên trạng thái của hệ con luôn thay đổi. 
1.2.3. Khoảng ngoài 
Phần còn lại ở ngoài hệ đƣợc gọi là khoảng ngoài. 
1.2.4. Hệ cô lập 
Hệ cô lập là hệ hoàn toàn không tƣơng tác và trao đổi năng lƣợng với khoảng 
ngoài. 
1.2.5. Hệ cô lập một phần 
Hệ có trao đổi công mà không trao đổi nhiệt với khoảng ngoài thì đƣợc gọi là 
hệ cô lập về nhiệt, ngƣợc lại hệ có trao đổi nhiệt nhƣng không tra đổi công thì đƣợc 
gọi là hệ cô lập về công. Những hệ nhƣ vậy, ta gọi là hệ cô lập một phần. 
1.3. Trạng thái một hệ nhiệt động 
1.3.1. Thông số trạng thái 
Trạng thái của một hệ nhiệt động đƣợc xác định bởi một bộ các đại lƣợng vật 
lý, các đại lƣợng này đƣợc gọi là thông số trạng thái của hệ. 
Ví dụ: Đối với một khối khí, trạng thái của nó đƣợc xác định khi biết áp suất p, 
nhiệt độ T, thể tích khối khí V. Vậy p, V, T là các thông số trạng thái của khối khí. 
 Hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động là trạng thái mà khi đó mọi nơi trong hệ 
đều có cùng một áp suất, cùng nhiệt độ. 
 Về phƣơng diện vĩ mô, ta có thể chia thông số trạng thái làm hai loại: 
a. Thông số quảng tính: là thông số mà độ lớn của nó tỉ lệ với khối lƣợng của 
hệ. Ví dụ: thể tích V 
b. Thông số cƣờng tính: là thông số mà độ lớn của nó không phụ thuộc vào 
khối lƣợng của hệ. Ví dụ: áp suất, nhiệt độ, mật độ 
1.3.2. Phƣơng trình trạng thái 
Các thông số trạng thái của hệ không hoàn toàn độc lập với nhau, mỗi thông số 
là một hàm của các thông số còn lại. 
Phƣơng trình trạng thái là hệ thức liên hệ các thông số trạng thái. 
5 
Đối với một khối khí: F(p, V, T) = 0. 
1.4. Áp suất 
Áp suất là đại lƣợng vật lý có giá trị bằng áp lực tác dụng lên một đơn vị diện 
tích bề mặt. 
 p = 
F
S
 (1.1) 
Đơn vị: 
Trong hệ SI: áp suất có đơn vị N/m2, Pa. 
Ngoài ra, áp suất còn có đơn vị: mmHg, atm, atvới 
1at = 9,81.10
4
N/m
2
1atm = 1,013.10
5
N/m
2
1atm = 1,033at = 760mmHg 
1at = 736mmHg 
 Đối với khối khí đựng trong bình chứa thì áp suất khí là áp lực tác dụng lên 
một đơn vị diện tích thành bình. Áp lực này là do sự va chạm giữa các phân tử khí và 
thành bình gây nên. 
1.5. Nhiệt độ 
1.5.1. Nhiệt độ 
Nhiệt độ là đại lƣợng đặc trƣng cho trạng thái của một vật. Khái niệm trung 
tâm của nhiệt động lực học là nhiệt độ. Khái niệm về nhiệt độ đƣợc xuất phát từ cảm 
giác nóng, lạnh. Khi ta sờ tay vào vật, ta có thể biết vật này nóng, vật kia lạnh, vật này 
nóng hơn vật kiaTuy nhiên, cảm giác chúng ta không phải luôn luôn đúng. Chẳng 
hạn trong ngày mùa đông giá lạnh, khi ta sờ tay vào một thanh sắt ta cảm thấy lạnh 
hơn so với thanh gỗ, mặc dù cả hai đều có cùng nhiệt độ. Sự cảm nhận khác nhau này 
là do sắt dẫn nhiệt nhanh hơn so với gỗ. Do vậy, để đo nhiệt độ, ta sử dụng nhiệt kế. 
Các tính chất của vật thông thƣờng phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ thay 
đổi thì bản chất của vật cũng thay đổi theo. Ví dụ: độ dài, thể tích, điện trở, chiết 
suất 
6 
Nhiệt độ là đại lƣợng có tính đặc biệt mà không đại lƣợng nào có đƣợc, đó là 
nhiệt độ không phải là đại lƣợng cộng tính. 
Nhiệt độ là một trong bảy đại lƣợng chuẩn cơ bản của hệ SI. Nó có thể tăng lên 
vô hạn nhƣng lại không thể hạ thấp vô hạn. Giới hạn của nhiệt độ thấp đƣợc chọn là 
không độ của thang đo Kenvin và nhiệt độ đó gọi là không độ tuyệt đối (0 K). 
1.5.2. Nguyên lý thứ không của nhiệt động lực học 
Thực nghiệm cho thấy: khi ta cho hai vật đồng chất A và B tiếp xúc ở một nơi 
hoàn toàn cách nhiệt (hệ cô lập) thì nhiệt sẽ đƣợc truyền từ vật nóng sang vật lạnh, 
làm cho vật nóng sẽ nguội dần và vật lạnh sẽ nóng dần. Sau một thời gian đủ lâu, 
nhiệt độ hai vật bằng nhau, hệ đạt trạng thái cân bằng nhiệt. Nếu hệ cô lập gồm nhều 
vật nóng lạnh khác nhau thì sau thời gian đủ lâu hệ cũng đạt cân bằng nhiệt. 
Từ đó ta có kết luận: “Hai vật cân bằng nhiệt với vật thứ ba thì chúng cân bằng 
nhiệt với nhau”. Kết luận này đƣợc gọi là nguyên lý thứ không nhiệt động lực học. 
1.5.3. Thang đo nhiệt độ 
Để đo đƣợc nhiệt độ ta phải chế tạo nhiệt kế theo các thang đo khác nhau 
Để xây dựng một thang đo nhiệt giai, đầu tiên ta phải chọn một điểm cố định 
(ví dụ nhƣ điểm đóng băng hay điểm sôi của nƣớc) và gọi đó là điểm chuẩn. 
Năm 1967, Hội nghị Quốc tế đã thỏa thuận chọn điểm ba (điểm tam trùng) của 
nƣớc làm điểm chuẩn cố định và gán cho giá trị là 273 K. 
Kí hiệu: T3 = 273 K là nhiệt độ ở điểm tam trùng. Ở nhiệt độ này các trạng thái 
cân bằng nhiệt của nƣớc, nƣớc đá và hơi nƣớc cùng tồn tại. 
Nhiệt giai Kenvin (K) đƣợc chọn làm nhiệt giai quốc tế sử dụng trong khoa 
học cơ bản. Ở nhiệt giai này, ngƣời ta quy định điểm tam trùng của nƣớc là 273 K và 
0 K là nhiệt độ không tuyệt đối. 
Nhiệt giai Celsius (còn gọi là nhiệt giai bách phân) lấy nhiệt độ nƣớc đá đang 
tan là 0
0C và điểm sôi của nƣớc là 1000C . Chia khoảng cách trên nhiệt kế từ 00C đến 
100
0
C thành 100 phần bằng nhau, mỗi phần 10C. Nhƣ vậy, nếu TC là nhiệt độ trong 
thang nhiệt giai Celsius và T là nhiệt độ trong thang nhiệt giai Kenvin thì: 
7 
 TC = T – 273,16 hoặc T = TC + 273 (1.2) 
Nhiệt giai Fahrenheit đƣợc dùng ở Anh, Mỹ và một vài nƣớc khác. Trong 
thang đo Fahrenheit, ứng với nhiệt độ đá đang tan là 320F và nhiệt độ sôi của nƣớc là 
212
0
F. Vì vậy: 
 TF = 
9
5
 32 (1.3) 
1.5.4. Các loại nhiệt kế 
Không thể chế tạo một nhiệt kế có khả năng đo ở mọi nhiêt độ, mỗi nhiệt kế 
chỉ có thể đo chính xác ở một khoảng nhiệt độ nào đó. 
Nhiệt kế khí: nhiệt kế khí Heli đƣợc dùng để đo nhiệt độ rất thấp (cỡ 1K), ở 
nhiệt độ cao hơn (< 2000C) ngƣời ta dùng nhiệt kế khí O2, H2... 
Nhiệt kế điện trở: vật nhiệt kế là dây dẫn điện thƣờng làm bằng kim loại hay 
hợp kim, đại lƣợng nhiệt kế là điện trở R của dây, R tăng theo nhiệt độ và đƣợc biểu 
thị bởi hệ số nhiệt điện. 
Nhiệt kế lỏng: vật nhiệt kế là chất lỏng, đại lƣợng nhiệt kế là thể tích khối chất 
lỏng. 
Nhiệt kế cặp nhiệt điện: nhiệt kế này dựa vào nguyên lý hoạt động của cặp 
nhiệt điện. Dòng nhiệt điện đặc trƣng bởi nhiệt điện E đƣợc phát sinh khi có sự chênh 
lệch nhiệt độ hai mối hàn cặp nhiệt điện. Loại nhiệt kế này đƣợc dùng để đo những 
nhiệt độ cao từ 3000C đến 20000C tùy theo kim loại làm cặp nhiệt điện. 
Hỏa kế quang học: hoạt động dựa vào sự bức xạ của vật khi đƣợc nung nóng 
và dựa vào các định luật bức xạ. Hỏa kế quang học đo nhiệt độ từ 20000C đến 
5000
0
C. 
8 
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 1 
1. Nhiệt độ là khái niệm vi mô hay vĩ mô? 
2. Phƣơng pháp thống kê khác phƣơng pháp nhiệt động lực nhƣ thế nào? 
3. Trong thực nghiệm các nhà khoa học chỉ thu đƣợc nhiệt độ thấp nhất là 
0,000000002 K, còn nhiệt độ không tuyệt đối thì chƣa thể thu đƣợc. Vì sao các 
nhà khoa học luôn cố gắng để thu đƣợc nhiệt độ thấp hơn nữa? 
4. Một nhiệt giai Z có điểm đóng băng và điểm sôi của nƣớc là -140Z và 650Z. 
a. Hỏi độ biến thiên nhiệt độ T trong nhiệt giai Z ứng với độ biến thiên 530F là 
bao nhiêu? 
b. Nhiệt độ trong nhiệt giai Fahrenheit ứng với nhiệt độ T = -980Z là bao nhiêu? 
5. Để làm một nhiệt kế thủy ngân có khoảng đo từ 00C đến 2000C, ngƣời ta cần 
dùng một cần hình trụ dài, có thể tích trong là 24mm3. Tính: 
a. Thể tích của bầu nhiệt kế 
b. Khối lƣợng của thủy ngân 
Cho khối lƣợng riêng của thủy ngân là 13,6g/cm3, hệ số nở biểu kiến của thủy 
ngân trong thủy tinh là 
6. Một loại nhiệt giai Z mà điểm nƣớc đá đang tan là -50Z và điểm nƣớc đang sôi là 
105
0
Z ở điều kiện chuẩn. Hỏi: 
a. Khi nhiệt giai Celsius biến thiên 600C thì nhiệt giai Z biến thiên bao nhiêu? 
b. Nhiệt độ trong nhiệt giai Celsius là 600C thì nhiệt độ trong nhiệt giai Z là bao 
nhiêu? 
c. Tại nhiệt độ nào thì chỉ số trên hai nhiệt giai bằng nhau? 
9 
CHƢƠNG 2. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ CỦA VẬT CHẤT 
2.1. Thuyết nguyên tử, phân tử về cấu tạo chất 
2.1.1. Thuyết nguyên tử và phân tử 
a. Thuyết nguyên tử 
 Lơxip (Leucippe) và Đêmôcơrit (Desmocrite) là hai triết gia ngƣời Hy Lạp 
đƣợc coi là những ngƣời đầu tiên nêu lên thuyết nguyên tử. 
 Thuyết nguyên tử cho rằng: vật chất chỉ có thể bị chia nhỏ tới một giới hạn 
nhất định, giới hạn đó đƣợc gọi là nguyên tử (atomos: tiếng Hy Lạp có nghĩa là không 
phân chia đƣợc). 
 Thuyết nguyên tử thời đó còn sơ sài nhƣng lại là một phỏng đoán đúng đắn về 
cấu tạo gián đoạn của vật chất. Tuy nhiên, thuyết này bị Nhà thờ chống đối và ngăn 
cấm trong một thời gian dài. 
 Đến cuối thế kỉ XVII, thuyết nguyên tử mới đƣợc phục hồi khi Bôilơ (Robert 
Boyle, 1627-1691) – nhà vật lí và hóa học ngƣời Ailen đề ra thuyết hạt: “nguyên tố 
hóa học bao gồm những hạt vô cùng nhỏ, có hình dạng và kích thƣớc nhất định và 
luôn chuyển động, những hạt này của các nguyên tố có khả năng kết hợp với nhau 
thành những hạt lớn hơn của vật thể phức tạp (ngày nay gọi là hợp chất).” 
 Từ cơ sở của thuyết hạt, năm 1808 Đantơn (John Dalton,1766-1844) – nhà vật 
lí và hóa học ngƣời Anh đã đƣa ra thuyết nguyên tử có tính khoa học hơn: “Mọi vật 
chất đều đƣợc tạo thành từ nguyên tử, tất cả các nguyên tử của một nguyên tố đều 
giống nhau và đều có những tính chất đặc trƣng của nguyên tố đó.” 
b. Thuyết phân tử 
 Trên cơ sở thuyết nguyên tử của Đantơn, năm 1811 Avôgađrô (1776 – 1856) – 
nhà hóa học và vật lí ngƣời Ý đã đƣa ra thuyết phân tử: “Hạt nhỏ nhất của một chất có 
khả năng tồn tại độc lập, cấu tạo bởi ít nhất từ hai nguyên tử.” Cần chú ý rằng khi 
Avôgađrô đƣa ra thuyết phân tử thì ngƣời ta chƣa phát hiện ra khí trơ (mỗi phân tử 
khí trơ chỉ có một nguyên tử). 
10 
 Trong thuyết nguyên tử của mình, Avôgađrô đã nêu ra rằng: “trong các thể tích 
bằng nhau của các chất khí khác nhau, ở cùng một nhiệt độ và áp suất, đều có số phân 
tử nhƣ nhau”. 
 Năm 1860, tại Hội nghị Hóa học quốc tế lần thứ nhất, học thuyết nguyên tử 
của Đantơn đƣợc chấp nhận, và cũng đƣa ra định nghĩa phân tử: “Phân tử là phần tử 
nhỏ nhất của một chất có khả năng tồn tại độc lập.” 
 Tuy nhiên, thuyết nguyên tử và phân tử lúc đó vẫn chỉ là giả thuyết khoa học, 
chƣa có bằng chứng về sự tồn tại của nguyên tử cũng nhƣ phân tử.Đến giữa thế kỉ 
XX, khoa học lần đầu tiên nhìn thấy nguyên tử bằng kính hiển vi ion. Sau đó lần lƣợt 
là các loại kính hiển vi Tunen, kính hiển vi lực nguyên tử ra đời, với độ phân giải 
cao, giúp ta càng thấy rõ nguyên tử. 
2.1.2. Cấu tạo bên trong nguyên tử 
 Nguyên tử đƣợc cấu tạo từ các hạt cơ bản: 
- Electron (kí hiệu là e): có khối lƣợng me = 9,1.10
-31kg, mang điện tích âm –e = 
1,6.10
-19
C. 
- Proton (kí hiệu là p): có khối lƣợng mp = 1,672.10
-27kg, mang điện tích dƣơng 
+e = 1,6.10
-19
C. 
- Nơtron (kí hiệu là n): có khối lƣợng mn = 1,675.10
-27
kg, không mang điện tích. 
Năm 1911, nhà vật lí ngƣời Anh là Rơzơpho (Ernest Rutherford, 1871-1937) 
đã làm thí nghiệm và phát hiện ra hạt nhân nguyên tử (có kích thƣớc khoảng 10-13m) 
và đề xuất ra mô hình nguyên tử có hạt nhân. Mô hình này đƣợc hoàn thiện dần dần 
cho đến ngày nay. 
Tóm lại, nguyên tử gồm: 
- Hạt nhân tích điện dƣơng. Hạt nhân đƣợc cấu tạo bởi hai loại hạt: hạt proton 
tích điện dƣơng và hạt nơtron không tích điện, hai loại hạt này có tên chung là 
nucleon, chúng liên kết với nhau bằng một loại lực đặc biệt gọi là lực hạt nhân. Điện 
tích dƣơng của hạt nhân bằng tổng điện tích dƣơng của các proton. 
- Electron: mang điện tích âm, chuyển động xung quanh hạt nhân tạo thành đám 
mây điện tử. 
11 
Khi nguyên tử trung hòa về điện, tổng điện tích âm bằng tổng điện tích dƣơng. 
Đƣờng kính nguyên tử vào khoảng 1A0. Kích thƣớc nguyên tử của các nguyên 
tố khác nhau là khác nhau tùy theo số proton, nơtron trong hạt nhân và số electron 
bao quanh. 
2.1.3. Lƣợng chất. Đơn vị mol 
 Năm 1971, tại Hội nghị Cân đo quốc tế các nhà khoa học đã đƣa vào Hệ thống 
đơn vị quốc tế SI một đơn vị mới, đơn vị thứ bảy, đó là đơn vị lƣợng chất, gọi là mol. 
 Tại đây, mol đã đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Mol là lượng chất của một hệ chứa 
một số thực thể cơ bản bằng tổng số nguyên tử trong 0,012kg cacbon 12. Khi dùng 
mol phải chỉ rõ thực thể cơ bản, chúng có thể là nguyên tử, phân tử, ion, điện tử và 
các hạt hoặc nhóm đặc trưng của hạt. 
 Số nguyên tử hay phân tử chứa trong 1 mol của mọi chất đều cùng một giá trị, 
đƣợc gọi là số Avôgađrô, ... i thể tích riêng: thông thƣờng khi nóng chảy thể tích riêng vật rắn 
tăng, ngƣợc lại khi đông đặc thể tích riêng giảm. Tuy vậy vẫn có một số trƣờng hợp thể 
tích riêng giảm khi nóng chảy và tăng khi đông đặc, ngƣời ta cho rằng số chất loại này 
có pha rắn “rỗng” hơn pha lỏng. 
 - Ảnh hƣởng của áp suất ngoài: khi áp suất ngoài tăng, nhiệt độ nóng chảy tăng, 
điều này đƣợc giải thích là trong điều kiện áp suất lớn, sự nở thể tích của vật nóng chảy 
bị cản trở nhiều hơn làm mạng tinh thể khó bị phá vỡ hơn. 
8.6.3. Giải thích hiện tƣơng đông đặc và nóng chảy 
 Quá trình nóng chảy 
Vật rắn kết tinh khi nhận nhiệt thì động năng chuyển động nhiệt tăng lên làm cho 
các hạt cấu tạo nên vật cách xa nhau làm vật dãn nở. Lúc đó một phần động năng tăng 
thêm dùng để thắng lực tƣơng tác giữa các hạt (lực hút) và làm cho thể năng tƣơng tác 
118 
giữa các hạt tăng. 
 Tiếp tục nung nóng, đến khi nhiệt độ của vật đạt t = tnc thì động năng chuyển 
động nhiệt của các hạt đủ lớn, biên độ dao động nhiệt lớn làm liên kết phân tử bị phá vỡ, 
cấu trúc mạng tinh thể bị phá vỡ dần, quá trình nóng chảy bắt đầu, tnc gọi là nhiệt độ 
nóng chảy. 
 Tiếp tục nung nóng thì hiện tƣợng nóng chảy cứ tiếp diễn cho đến khi toàn bộ 
mạng tinh thể bị phá vỡ hết và chất chuyển hoàn toàn sang trạng thái lỏng. Lúc đó quá 
trình nóng chảy kết thúc. 
 Trong quá trình nóng chảy, nhiệt độ của hệ đƣợc giữ không đổi, vì vậy phần nội 
năng tăng thêm nhờ năng lƣợng cung cấp từ ngoài dƣới dạng truyền nhiệt chỉ là tăng thế 
năng giữa các hạt. 
 Quá trình đông đặc 
 Là quá trình ngƣợc lại với quá trình nóng chảy, vì vậy quá trình giải thích cũng 
tƣơng tự nhƣng theo chiều ngƣợc lại. Ở cùng một điều kiện, nhiệt độ đông đặc tđđ của hệ 
đúng bằng nhiệt độ nóng chảy tnc. Tuy vậy thực tế cho thấy trong quá trình đông đặc 
thƣờng xảy ra một sự chậm trễ nào đó, tức là khi nhiệt độ của hệ đã giảm đến giá trị t = 
tđđ mà chất lỏng vẫn chƣa đông đặc, hiện tƣợng này đƣợc gọi là “sự chậm đông”. Để 
loại bỏ hiện tƣợng này cần thêm vào chất lỏng một vài mẫu tinh thể nhỏ. 
8.7. Sự hóa hơi và sự ngƣng tụ 
8.7.1. Khái niệm 
 - Sự hóa hơi là quá trình vật chất chuyển từ pha lỏng sang pha hơi (khí). Sự hóa 
hơi thƣờng diễn ra ở hai dạng: bay hơi và sôi. 
 Bay hơi là sự hóa hơi xảy ra trên mặt thoáng chất lỏng và ở nhiệt độ bất kỳ 
 + Sôi là quá trình hóa hơi mạnh bằng sự tạo thành các bọt hơi (khí) trong lòng 
chất lỏng, các bọt hơi này chuyển động về phía mặt thoáng và thoát ra khỏi khối chất 
lỏng qua mặt thoáng. 
119 
- Sự ngƣng tụ là quá trình ngƣợc lại với quá trình bay hơi, vật chất chuyển từ pha 
hơi sang pha lỏng, hơi ở mặt ngoài của khối chất lỏng có thể ngƣng tụ trở lại thành lỏng. 
Hơi ngƣng tụ tỏa ra một nhiệt lƣợng đúng bằng nhiệt lƣợng đã nhận vào trong quá trình 
bay hơi. 
8.7.2. Đặc điểm 
 - Khi nhiệt độ tăng, tốc độ bay hơi tăng 
 - Tốc độ bay hơi phụ thuộc vào điều kiện ngoài: gió, diện tích bề mặt 
 - Nhiệt hóa hơi riêng phụ thuộc vào nhiệt độ khối chất lỏng và áp suất ngoài tác 
dụng lên bề mặt chất lỏng. 
8.7.3. Giải thích 
 Sự bay hơi 
 Ở một nhiệt độ nhất định T, các phân tử chất lỏng có động năng khác nhau. Ở lớp 
mặt ngoài của khối chất lỏng có những phân tử có động năng đủ lớn (lớn hơn động năng 
trung bình) nên có thể thắng đƣợc lực hút của các phân tử chất lỏng ở gần chúng và 
thoát ra ngoài khối lỏng, tạo thành hơi. 
 Sự ngƣng tụ 
 Khi hơi tiếp xúc với vật có nhiệt độ thấp hơn, động năng chuyển động nhiệt giảm, 
khi đó lực tƣơng tác giữa phân tử có thể liên kết chúng lại thành thể lỏng. 
8.7.4. Hơi bão hòa 
 Khi chất lỏng bay hơi trong một bình kín có nhiệt độ T, áp suất của pha hơi tăng 
đến khi đạt pbh thì không tăng nữa, pbh gọi là áp suất hơi bão hòa. 
8.7.5. Sự sôi 
 Để chất lỏng sôi thì trong lòng chất lỏng phải tồn tại những bọt hơi. Điều kiện tồn 
tại bọt hơi là áp suất hơi và khí trong bọt phải cân bằng với áp suất lỏng bên ngoài. 
 Xét một bọt hơi ở độ sâu h đối với mặt thoáng 
 Áp suất bên trong bọt: 
 pt = pbh p’, 
120 
 với pbh là áp suất hơi bão hòa của chất lỏng, p’ là áp suất các khí khác hòa tan trong 
chất lỏng (nếu có). 
 Áp suất bên ngoài gồm có: áp suất khí quyển, áp suất thủy tĩnh gây ra bởi cột 
chất lỏng chiều cao h và áp suất phụ gây ra do mặt cầu của bọt. 
 pn = p0 + gh 
 Điều kiện tồn tại bọt hơi: 
 p0 + gh 
2 
R
 = pbh p’ 
 Khi sôi thì bọt khá lớn nên 
2 
R
 bé, mặt khác do h cũng không lớn lắm nên áp suất 
thủy tĩnh gh cũng nhỏ so với áp suất khí quyển p0, còn p’ cũng không lớn lắm. Vì vậy, 
với độ sai lệch không lớn ta có thể viết gọn biểu thức trên nhƣ sau: 
 pbh = p0 (8.13) 
 Khi thỏa điều kiện (8.13) thì bọt hơi không bị bóp vỡ trong long chất lỏng, nó đi 
lên mặt thoáng nhờ lực đẩy Acsimet và vỡ tung ra ở đó, rồi tống hơi ra bên ngoài, hình 
thành sự sôi. 
8.8. Sự thăng hoa và sự ngƣng hoa 
 Các quá trình hóa hơi và ngƣng tụ diễn ra giữa thể rắn và thể hơi gọi là sự thăng 
hoa và ngƣng hoa. 
 Sự thăng hoa gây ra bởi các phân tử ở mặt ngoài của khối chất rắn có động năng 
đủ lớn thắng đƣợc các lực kéo lại (vƣợt đƣợc hố thế năng) và bứt ra khỏi vật rắn tạo 
thành hơi. Ví dụ: ở áp suất thƣờng, băng phiến, I ốt tinh thể dễ dàng chuyển thành hơi. 
 Nhiệt thăng hoa là nhiệt lƣợng mà vật rắn cần hấp thụ để thăng hoa. Để đảm bảo 
định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lƣợng thì nhiệt thăng hoa bằng tổng nhiệt nóng 
chảy và nhiệt hóa hơi. 
 Sự ngƣng hoa là quá trình các phân tử hơi quay trở lại thể rắn. quá trình này diến 
ra nếu xung quanh vật rắn là kín. 
121 
BÀI TẬP CHƢƠNG 8 
1. Tính công cần thiết để thổi một bong bóng xà phòng đạt đến bán kính 7cm. Biết hệ 
số suất căng mặt ngoài của nƣớc xà phòng là 4.10-2N/m, áp suất khí quyển là 
10
5
N/m
2
. 
2. Một cái khung làm bằng những đoạn dây dẫn kim loại 
cứng. Đoạn dây AB linh động, dài 15cm. Khung đƣợc 
phủ một màng xà phòng có suất căng mặt ngoài 0,045 
N/m. Tính công cần thực hiện để kéo AB ra một đoạn 
4cm. 
3. Để xác định suất căng mặt ngoài của rƣợu, ngƣời ta làm nhƣ sau: cho rƣợu trong 
một cái bình chảy nhỏ giọt ra ngoài theo một ống nhỏ thẳng đứng có đƣờng kính 
2mm. Thời gian giọt này rơi sau giọt kia là 2s. Ngƣời ta thấy rằng sau thời gian 780s 
thì có 10g rƣợu đƣợc chảy ra. Tính suất căng mặt ngoài của rƣợu. Coi chỗ thắt của 
giọt rƣợu khi nó bắt đầu rơi có đƣờng kính bằng đƣờng kính ống nhỏ giọt. 
4. Hai ống mao dẫn lần lƣợt có đƣờng kính 0,5mm và 1mm nhúng vào một bình đựng 
chất lỏng. Tính hiệu các mực chất lỏng trong hai ống mao dẫn nếu: 
a. Chất lỏng là nƣớc 
b. Chất lỏng là thủy ngân 
Cho biết suất căng mặt ngoài của nƣớc là thủy ngân lần lƣợt là 0,073N/m và 
0,5N/m; khối lƣợng riêng của nƣớc và thủy ngân lần lƣợt là 1000kg/m3 và 
13600kg/m
3
. 
5. Có hai tấm thủy tinh phẳng đặt song song cách nhau một khoảng 0,2mm nhúng 
thẳng đứng vào một chất lỏng. Xác định khối lƣợng riêng của chất lỏng nếu biết 
chiều cao của khối chất lỏng giữa hai tấm thủy tinh dâng lên một đoạn 3,24cm, suất 
căng mặt ngoài của chất lỏng là 0,027N/m. Xem chất lỏng làm ƣớt hoàn toàn thành 
ống. 
6. Cần phải dùng một lực bằng bao nhiêu để nâng một vòng nhôm đặt nằm ngang 
trong nƣớc có đƣờng kính trong là 50mm, đƣờng kính ngoài là 52mm, chiều cao 
A 
B 
122 
100mm ra khỏi mặt nƣớc? Biết khối lƣợng riêng của nhôm là 2,8g/cm3, suất căng 
mặt ngoài của nƣớc là 0,073N/m. Có bao nhiêu phần trăm lực cần tìm ở trên đã 
dùng để thắng sức căng mặt ngoài của nƣớc? 
7. Hiệu mực nƣớc trong hai nhành của ống mao dẫn chữ U có đƣờng kính lần lƣợt là 
1mm và 2mm bằng 1,4cm. Xác định suất căng mặt ngoài của nƣớc biết nƣớc làm 
dính ƣớt hoàn toàn thành ống. 
8. Hai giọt thủy ngân có bán kính mỗi giọt 1mm nhập lại thành một giọt lớn. Hỏi nhiệt 
độ của thủy ngân tăng lên bao nhiêu? Cho biết thủy ngân có suất căng mặt ngoài là 
0,5N/m, khối lƣợng riêng là 13,6.103kg/m3, nhiệt dung riêng là 0,138 J kgđộ. 
123 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Bùi Trọng Tuân, Nhiệt học, Nhà xuất bản Đại học Sƣ phạm (2005) 
2. David Halliday – Robert Resnick – Jearl Walker, Cơ sở vật lí tập ba, Nhà xuất 
bản giáo dục (2002). 
3. Nguyễn Xuân Chi – Đặng Quang Khang, Vật lí đại cương tập 1, Nhà xuất bản 
Đại học Bách Khoa Hà Nội (2000). 
4. Nguyễn Huy Sinh, Giáo trình nhiệt học, Nhà xuất bản giáo dục (2006). 
5. Vũ Thanh Khiết, Giáo trình nhiệt động lực học và vật lý thống kê, Nhà xuất bản 
Đại học Quốc gia Hà Nội (2008). 
124 
MỤC LỤC 
Trang bìa ....................................................................................................................... 1 
LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................. 2 
CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU ................................................................................................ 3 
1.1. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................ 3 
1.2. Hệ nhiệt động ....................................................................................................... 3 
1.3. Trạng thái một hệ nhiệt động ............................................................................... 4 
1.4. Áp suất.................................................................................................................. 5 
1.5. Nhiệt độ ................................................................................................................ 5 
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 1 ......................................................................... 8 
CHƢƠNG 2. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ CỦA VẬT CHẤT .................... 9 
2.1. Thuyết nguyên tử, phân tử về cấu tạo chất ............................................................ 9 
2.2. Chuyển động nhiệt. Chuyển động Brown .............................................................. 11 
2.3. Lực tƣơng tác nguyên tử và phân tử ...................................................................... 13 
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 2 ......................................................................... 17 
CHƢƠNG 3. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ .................................... 18 
3.1. Khí lí tƣởng ............................................................................................................ 18 
3.2. Phƣơng trình cơ bản của thuyết động học chất khí................................................ 23 
3.3. Động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử .............................. 26 
3.4. Định luật phân bố phân tử theo tốc độ của Maxwell ............................................. 27 
3.5. Nguyên lý phân bố đều năng lƣợng theo bậc tự do ............................................... 30 
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 3 ......................................................................... 32 
CHƢƠNG 4. CÁC HIỆN TƢỢNG ĐỘNG HỌC TRONG CHẤT KHÍ ..................... 35 
4.1. Quãng đƣờng tự do trung bình ............................................................................... 35 
4.2. Các hiện tƣợng truyền ............................................................................................ 37 
125 
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 4 ......................................................................... 41 
CHƢƠNG 5. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC ....................... 42 
5.1. Quá trình chuẩn cân bằng ...................................................................................... 42 
5.2. Nội năng hệ nhiệt động. Công và nhiệt ................................................................. 43 
5.3. Biểu thức tính công trong nhiệt động lực học ...................................................... 46 
5.4. Biểu diễn công trên giản đồ (p, V) ......................................................................... 47 
5.5. Nhiệt lƣợng ............................................................................................................ 48 
5.6. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học .................................................................. 51 
5.7. Áp dụng nguyên lý thứ nhất cho một số quá trình cụ thể ...................................... 52 
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 5 ......................................................................... 57 
CHƢƠNG 6. NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC ........................... 60 
6.1. Những hạn chế của nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học................................... 60 
6.2. Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch ..................................................... 61 
6.3. Động cơ nhiệt và máy làm lạnh ............................................................................. 65 
6.4. Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học .................................................................... 68 
6.5. Chu trình Canô thuận nghịch. Định lý Cacnô ........................................................ 72 
6.6. Entrôpi .................................................................................................................... 78 
6.7. Ý nghĩa thống kê của entrôpi ............................................................................... 83 
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 6 ......................................................................... 87 
CHƢƠNG 7. KHÍ THỰC ............................................................................................. 90 
7.1. Đƣờng đẳng nhiệt thực nghiệm của khí thực ......................................................... 90 
7.2. Mẫu cơ học của khí thực ........................................................................................ 93 
7.3. Phƣơng trình Vandecvan ....................................................................................... 94 
7.4. Đƣờng đẳng nhiệt Vandecvan................................................................................ 97 
126 
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 7 ......................................................................... 101 
CHƢƠNG 8. CHẤT LỎNG VÀ SỰ CHUYỂN PHA ................................................. 102 
8.1. Những tính chất và cấu trúc chung của chất lỏng .................................................. 102 
8.2. Hiện tƣợng căng mặt ngoài của chất lỏng ............................................................. 103 
8.3. Hiện tƣợng dính ƣớt và không dính ƣớt ................................................................ 109 
8.4. Hiện tƣợng mao dẫn ............................................................................................... 113 
8.5. Tổng quan về biến đổi trạng thái ........................................................................... 115 
8.6. Sự nóng chảy và sự đông đặc ................................................................................ 117 
8.7. Sự hóa hơi và sự ngƣng tụ ..................................................................................... 118 
8.8. Sự thăng hoa và sự ngƣng hoa ............................................................................... 120 
BÀI TẬP CHƢƠNG 8 .................................................................................................. 121 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 123 
127