Một số quá trình chuyển pha của vật chất.

1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ

----------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Đề tài:

MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA CỦA VẬT CHẤT

Người hướng dẫn:

ThS. Lê Tấn Nghĩa

Người thực hiện:

Bùi Thị Phương Ngọc

Đà Nẵng, tháng 5/2013

2

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU........................................................................................................................4

1. Lí do chọn đề tài ........................................................................................................4

2. Lịch sử nghiên cứu vấn đề ........................................................................................5

3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu................................................................................5

4. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu.....................................................................5

5. Bố cục khóa luận .........................................................................................................6

CHƯƠNG 1: CHUYỂN PHA CỦA THỂ THUẦN NHẤT ......................................7

1.1 KHÁI NIỆM PHA ...................................................................................................7

1.1.1 Khái niệm ...............................................................................................................7

1.1.2 Các pha tiêu biểu ....................................................................................................7

1.2 CHUYỂN PHA VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA

.......................................................................................................................................12

1.2.1 Chuyển pha ...........................................................................................................12

1.2.2 Các đặc trưng của quá trình chuyển pha ..............................................................13

1.3 CÂN BẰNG PHA ..................................................................................................14

1.3.1 Cân bằng hai pha của hệ rắn-lỏng, rắn-khí, lỏng-khí ...........................................14

1.3.2 Điều kiện cân bằng hệ 2 pha rắn-lỏng, rắn-khí, lỏng-khí.....................................16

1.3.3 Cân bằng hệ ba pha rắn-lỏng-khí..........................................................................17

1.3.4 Điều kiện cân bằng hệ 3 pha rắn-lỏng-khí ...........................................................18

1.3.5 Điểm ba.................................................................................................................18

1.3.6 Qui tắc pha của Gibbs...........................................................................................19

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CHUYỂN PHA LOẠI MỘT VÀ CHUYỂN PHA

LOẠI HAI ..................................................................................................................21

2.1 CHUYỂN PHA LOẠI MỘT.................................................................................21

2.1.1 Ẩn nhiệt trong chuyển pha ...................................................................................21

3

2.1.2 Phương trình Clapetron-Clausius: phương trình đặc trưng của chuyển pha

loại một .........................................................................................................................23

2.1.3 Ý nghĩa của phương trình Clapetron-Clausius.....................................................25

2.2 CHUYỂN PHA LOẠI HAI...................................................................................26

2.2.1 Phương trình Erenfest: điều kiện của chuyển pha loại hai...................................26

2.2.2 Lý thuyết Landau về chuyển pha loại hai.............................................................28

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA TIÊU BIỂU.....................31

3.1 MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA LOẠI MỘT TIÊU BIỂU..................31

3.1.1 Chuyển hóa đa hình ..............................................................................................31

3.1.2 Hiện tượng nóng chảy và đông đặc ......................................................................32

3.1.3 Hiện tượng bay hơi và thăng hoa .........................................................................35

3.2 CHUYỂN PHA LOẠI HAI...................................................................................39

3.2.1 Hiện tượng siêu dẫn..............................................................................................39

3.2.2 Hiện tượng siêu chảy............................................................................................52

CHƯƠNG 4: MỘT SỐ CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHUYỂN PHA TRONG CHƯƠNG

TRÌNH VẬT LÝ PHỔ THÔNG ...................................................................................59

4.1 CÂU HỎI LÍ THUYẾT.........................................................................................59

4.1.1 Câu hỏi về nóng chảy, đông đặc...........................................................................59

4.1.2 Câu hỏi về ngưng tụ, bay hơi ...............................................................................61

4.2 CÂU HỎI BÀI TẬP...............................................................................................65

4.2.1 Bài tập nóng chảy, đông đặc.................................................................................65

4.2.2 Bài tập về ngưng tụ, bay hơi.................................................................................77

KẾT LUẬN .................................................................................................................93

TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................94

4

MỞ ĐẦU

1. Lí do chọn đề tài

Ngày nay, thế giới không ngừng phát triển về mọi mặt văn hóa, khoa học, kĩ

thuật, y học…. Các vật liệu mới tiếp tục được đổi mới và cải tiến như vật liệu polime,

vật liệu bán dẫn, vật liệu nano,v.v… thay thế và bổ sung cho các vật liệu cũ. Có rất

nhiều phát minh về cả lý thuyết lẫn thực nghiệm có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển

của các dụng cụ kĩ thuật. Ví dụ điển hình như phát minh của Shockley, Bardeen và

Brattain về transitor đã khởi đầu cuộc cách mạng điện tử, các nghiên cứu của Townes,

Basov và Prokhorov dẫn đến sự phát triển maser và laser. Và xuất hiện một vài hiện

tượng xảy ra đã trở thành bí ẩn của khoa học như hiện tượng siêu dẫn, hiện tượng siêu

chảy,… Những hiện tượng này xảy ra ở những điều kiện nhất định. Những vật liệu

mới được chế tạo dựa trên nguyên tắc ứng dụng những hiện tượng này có rất nhiều

tính năng ưu việt và có khả năng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, đã mang lại hiệu

quả kinh tế cao.

Để hiểu rõ hơn những tính năng ưu việt cũng như điều kiện để xảy ra các hiện

tượng đặc biệt đó, ngành Vật lý đã chuyên tâm nghiên cứu và phát triển các hiện tượng

đặc biệt này thành một nhánh nhỏ nhưng có vai trò vô cùng quan trọng trong việc tìm

ra vật liệu mới thay thế có những vậ liệu cũ, đó chính là Vật lý chuyển pha.

Vật lý chuyển pha cho ta cái nhìn đầy đủ về một số hiện tượng trong tự nhiên, và

một số hiện tượng đặc biệt của một số chất ở những điều kiện nhất định. Để góp phần

nâng cao hiểu biết về một số hiện tượng đặc biệt đó, và đối với sinh viên sư phạm

chuyên ngành Vật lý để giúp cho việc nghiên cứu thêm và giảng dạy bộ môn Vật lý

sau khi ra trường, tôi đã chọn đề tài “Một số quá trình chuyển pha của vật chất”.

Phạm vi đề tài rất rộng nên tôi chỉ tập trung nghiên cứu hai loại chuyển pha cơ

bản và có nhiều ứng dụng trong thực tế để phục vụ trong đời sống là chuyển pha loại

một và chuyển pha loại hai. Cụ thể là nêu khái quát về sự chuyển pha, từ đó đi thiết lập

được phương trình tổng quát của chuyển pha loại 1 và chuyển pha loại 2 và vận dụng

5

các phương trình đó và kiến thức cần thiết để giải thích một số hiện tượng biến đổi

trạng thái của vật chất và ứng dụng của nó trong đời sống và kĩ thuật.

2. Lịch sử nghiên cứu vấn đề

Hiện tượng chuyển pha được biết đến cách đây trên 100 năm vào khoảng những

năm 70 của thế kỉ 19. Mở đầu là nhờ công trình của VarderWalls. Sau đó là các công

trình của Landau (1971).

Sau một thời gian dài thì chuyển pha ít được chú ý. Vì những hiện tượng mới

phát hiện lúc đó chỉ được tìm ra bằng thực nghiệm chứ chưa có được sự giải thích rõ

ràng bằng lý thuyết. Ví dụ như chuyển pha siêu dẫn kim loại thường được phát hiện

vào năm 1914 mãi đến năm 1957 mới giải thích được bản chất thực sự và nguồn gốc

của trạng thái siêu dẫn.

Tuy nhiên trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ

thuật thì chuyển pha lại được chú ý nhiều. Điều đó được chứng minh qua số các kiểu

trạng thái đã được phát hiện thêm rất nhiều. Trước hết, đó là chuyển pha từ trạng thái

rắn này sang trạng thái rắn khác. Sau đó là các chuyển pha trong các vật liệu từ.

Những sự kiện đó đã góp phần quan trọng cho ngành Vật lý vật liệu trong khoa học kĩ

thuật và mở ra nhiều triển vọng chẳng hạn như những công trình phát minh về hiện

tượng siêu dẫn đã được công bố vào đầu thế kỷ 20. Tiếp theo là các phát minh về hiện

tượng siêu chảy trong các chất lỏng Hêli 3 và Hêli 4….

Vì lẽ đó mà lý thuyết chuyển pha đã dần dần tách khỏi Vật lí thống kê và trở

thành một ngành độc lập và được nhiều người nghiên cứu.

3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu: các phương diện về lý thuyết và ứng dụng thực tế của 2

loại chuyển pha vật chất là chuyển pha loại một và chuyển pha loại hai.

* Phạm vi nghiên cứu:

- Lý thuyết về chuyển pha.

- Các dạng câu hỏi và bài tập về chuyển pha trong chương trình Vật lý phổ thông.

4. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu

* Mục tiêu nghiên cứu:

- Tìm hiểu quá trình chuyển pha của thể thuần nhất.

6

- Tìm hiểu lý thuyết về chuyển pha.

- Nêu được một vài biến đổi pha tiêu biểu.

- Tìm hiểu một vài dạng câu hỏi và bài tập trong chương trình Vật lý phổ thông.

* Phương pháp nghiên cứu: để hoàn thành khóa luận này chúng tôi đã sử dụng

những phương pháp nghiên cứu chính sau đây:

- Sử dụng website.

- Sử dụng tài liệu in trong nước.

- Tham khảo ý kiến của giáo viên hướng dẫn.

5. Bố cục khóa luận

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Tài liệu tham khảo,Nội dung khóa luận gồm 4

chương:

Chương 1: Chuyển pha của thể thuần nhất

Chương 2: Lý thuyết về chuyển pha loại một và chuyển pha loại hai

Chương 3: Một số quá trình chuyển pha tiêu biểu

Chương 4: Một số câu hỏi và bài tập về chuyển pha trong chương trình Vật lý

phổ thông

7

CHƯƠNG 1: CHUYỂN PHA CỦA THỂ THUẦN NHẤT

1.1 KHÁI NIỆM PHA

1.1.1 Khái niệm

Tập hợp những phần đồng tính trong một hệ được coi là có cùng một pha.

Phần đồng tính trong hệ là phần mà các đặc trưng vật lý của nó (độ dẫn điện, độ

dẫn nhiệt …) là như nhau trong hệ hoặc biến đổi liên tục.. Ví dụ như không khí có

sương mù là hệ hai pha: pha lỏng (các hạt nước nhỏ) và pha khí (không khí); hỗn hợp

nước và dầu hỏa là hệ hai pha: pha nước và pha dầu được ngăn cách với nhau bởi

một mặt phân cách rõ rệt.

Trạng thái của vật chất có thể ở 3 dạng rắn, lỏng, khí nhưng pha thì có thể nhiều

hơn.

Để phân biệt các pha với nhau người ta thường dựa vào tính chất vật lí của nó.

Thường khi người ta phân biệt bằng cơ học, giữa các pha có tồn tại biên phân biệt.

Khi đi nghiên cứu sâu vào cấu trúc vi mô của hệ vật chất, ta thấy có mối liên hệ

giữa pha của vật chất và cấu trúc vi mô của hệ vật chất đó. Bởi vì cấu trúc của các hạt

cấu thành của hệ hoàn toàn tương ứng với những tính chất vật lý xác định. Vì vậy,

theo quan điểm vi mô, pha còn được hiểu là cấu trúc trật tự tương ứng với những tính

chất vật lý xác định.

Vật chất thông thường có pha ở các dạng sau: pha rắn, pha lỏng, pha khí, siêu

dẫn, siêu chảy ….

1.1.2 Các pha tiêu biểu

Dưới đây sẽ giới thiệu một vài pha tiêu biểu.

1.1.2.1 Pha rắn

Ở pha rắn vật chất có đặc tính giữ nguyên

hình dạng cố định. Ở mức độ vi mô thì vật chất ở

pha rắn có đặc tính:

- Các phân tử hay nguyên tử nằm sát nhau.

- Các phân tử hay nguyên tử có vị trí trung bình

8

tương đối cố định trong không gian so với nhau, nên chúng có tính chất giữ nguyên

hình dạng của vật chất.

- Các phân tử hay nguyên tử của vật rắn dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng. Khi

nhiệt độ tăng cao, dao động nhiệt càng mạnh và làm phá vỡ liên kết. Từ đó làm chất

rắn có thể chuyển sang pha lỏng hoặc pha khí.

Vật chất ở pha rắn (hay chất rắn) thường ở hai dạng cơ bản là chất rắn kết tinh và

chất rắn vô định hình.

Đa phần chất rắn kết tinh có cấu tạo tinh thể, các hạt cấu thành luôn có khuynh

hướng chiếm vị trí bền vững (khoảng cách 2 phân tử chất

0

r r 

) từ đó các hạt này sắp

xếp trong không gian theo một cấu trúc hình học nhất định bền vững, hình thành nên

tinh thể. Ví dụ tinh thể muối có dạng lập phương và trong tinh thể muối NaCl thì hai

ion

Na

và ion

Cl 

liên kết chặt chẽ với nhau.

Chất rắn kết tinh có các đặc tính đặc trưng:

- Các chất rắn kết tinh được cấu tạo từ cùng một loại hạt, nhưng cấu trúc tinh thể

không giống nhau thì tính chất vật lí của chúng cũng khác nhau. Ví dụ như than chì và

kim cương cùng được cấu tạo bởi một chất là Cacbon, tuy nhiên hai chất này có cấu

trúc tnh thể khác nhau dẫn đến chúng cũng có những tính chất vật lí khác nhau như

nhiệt độ nóng chảy, độ cứng ….

- Trong chất rắn kết tinh tính chất vật lý theo những phương khác nhau là khác nhau,

người ta gọi đó là tính dị hướng. Ví dụ: tinh thể than chì (graphit) có cấu tạo theo lớp,

nếu tách than chì theo lớp thì rất dễ những tách theo mặt vuông góc với lớp thì rất khó.

- Đối với chất rắn kết tinh thì người ta chia làm hai loại: chất rắn đơn tinh thể là loại

chất rắn cấu thành bởi một loại tinh thể (ví dụ như muối ăn được tạo thành bởi tinh thể

muối nhỏ có dạng lập phương) và chất rắn đa tinh thể là loại được cấu thành bởi nhiều

loại tinh thể khác nhau liên kết hỗn hợp lại mà thành. Do tính liên kết hỗn độn mà chất

rắn đa tinh thể không có tính dị hướng, tính dị hướng của các tinh thể con bù trừ lẫn

nhau làm vật rắn đa tinh thể có tính đẳng hướng, vì vậy mà nó có nhiệt độ nóng chảy

nhất định, tính dẫn điện, dẫn nhiệt , dãn nở,… giống nhau theo mọi phương.

Chất rắn vô định hình là chất rắn không có cấu trúc tinh thể, các hạt tạo thành

phân bố hỗn độn bên trong khối chất, do đó các chất này không có dạng hình học nhất

9

định. Thực tế, ở trật tự gần (trong một phạm vi nhỏ) các hạt được phân bố theo một

trật tự nào đó, nhưng trật tự này không lan rộng khi xét phạm vi lớn toàn bộ khối chất.

Chất rắn vô định hình có những tính chất vật lý như tính dẫn điện, dẫn nhiệt, độ

bền… là giống nhau theo mọi phương, từ đó chất rắn vô định hình có tính đẳng hướng.

Chất rắn vô định hình không có nhiệt độ nóng chảy xác định, trong quá trình nóng

chảy nhiệt độ biến đổi liên tục. Ngoài ra vì dạng vô định hình của chất rắn kém bền, vì

thế năng lượng tương tác phân tử lớn hơn thế năng tương tác phân tử ở dạng tinh thể,

nên có một số chất rắn nếu để lâu thì chất đó ở dạng vô định hình có thể chuyển sang

dạng tinh thể.

1.1.2.2 Pha lỏng

Ở pha lỏng các phân tử cấu tạo nên vật chất

có liên kết không chặt chẽ so với liên kết của chất

rắn và có liên kết chặt chẽ hơn so với chất khí.

Lực liên kết các phân tử với nhau trong chất lỏng

chỉ là tạm thời cho phép một chất lỏng chảy trong

khi một chất rắn là cố định. Từ đó có thể nói, vật

chất ở pha lỏng (hay còn gọi là chất lỏng) nằm ở trạng thái trung gian giữa trạng thái

khí và trạng thái rắn.

Chất lỏng có hình dạng phụ thuộc vào vật chứa nó. Do đó các hạt chất lỏng

(thường là phân tử) có thể chuyển động tự do trong khối lỏng. Tuy nhiên các phân tử

chất lỏng này vẫn có liên kết với nhau. Ở các nhiệt độ xác định, giá trị của lực liên kết

của các phân tử chất lỏng bị thay đổi, các liên kết đó bị phá vỡ để trở thành chất khí

hoặc liên kết chặt chẽ hơn để trở thành chất rắn.

Một đại lượng đặc trưng cho sự chuyển động của các phân tử chất lỏng đó chính

là tính nhớt. Nói rõ hơn thì tính nhớt là tính chất của chất lỏng chống lại sự trượt hay

dịch chuyển giữa các lớp chất lỏng. Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do xuất

hiện nội ma sát giữa các lớp chất lỏng chuyển động tương đối với nhau.

Kết quả nghiên cứu chuyển động ổn định của dòng chất lỏng dọc theo bề mặt phẳng:

vận tốc dòng chất lỏng tại điểm xét giảm tỉ lệ với khoảng cách tại đó tới bề mặt phẳng.