BÀI 8. ÁP SUẤT - ĐỘNG NĂNG CỦA PHÂN TỬ KHÍ

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Ở các bài trước ta đã biết, nguyên nhân gây ra áp suất khí là sự va chạm của các phân tử khí với thành bình. Các phân tử chuyển động nhiệt càng nhanh thì sự va chạm càng mạnh và hệ quả là áp suất của khí lên thành bình càng lớn. Mặt khác, việc các phân tử chuyển động nhiệt càng nhanh cũng có nghĩa là nhiệt độ khí càng lớn. Như vậy giữa nhiệt độ khí, áp suất khí và động năng các phân tử khí có mối liên hệ chặt chẽ. Làm thế nào để thiết lập được một cách định lượng mối liên hệ này?

Giải rút gọn:

Vận dụng các kiến thức đã học, kết hợp với kết quả thực nghiệm để thiết lập biểu thức thể hiện mối liên hệ giữa các đại lượng.

Mối liên hệ: áp suất khí P tỉ lệ thuận với động năng trung bình của các phân tử khí.

1. ÁP SUẤT CỦA CHẤT KHÍ

Thảo luận 1: Áp suất do các phân tử khí tác dụng lên thành bình phụ thuộc như thế nào vào tốc độ chuyển động nhiệt, khối lượng và mật độ của các phân tử khí?

Giải rút gọn:

Áp suất do các phân tử khí tác dụng lên thành bình phụ thuộc vào tốc độ chuyển động nhiệt, khối lượng và mật độ của các phân tử khí như sau:

- Khi tốc độ chuyển động nhiệt của các phân tử khí tăng thì áp suất tăng.

- Khi khối lượng của các phân tử khí tăng thì áp suất tăng.

- Khi mật độ của khí tăng thì áp suất tăng.

Thảo luận 2: Áp dụng các kiến thức về động lực học (định luật III Newton, xung lượng của lực) cho bài toán va chạm của phân tử khí với thành bình. Thảo luận để rút ra biểu thức p = .

Giải rút gọn:

Lực mà phân tử khí tác dụng lên thành bình là: f = =

Áp dụng định luật III Newton, có v’ = v → f = |

Số phân tử khí trong hình lập phương là:  N = Sv

Số lượng các phân tử khí đập vào mỗi mặt của hình lập phương là như nhau = .

Tổng hợp lực do phân tử khí tác dụng lên diện tích S của thành bình là:

F = .f = = mv²

Áp suất tác dụng lên thành bình là: p =  

Thảo luận 3: Thực nghiệm đo được tốc độ trung bình của hầu hết các phân tử khí trong khoảng từ vài trăm m/s đến vài ngàn m/s. Tuy nhiên, phải sau một khoảng thời gian người ta mới cảm nhận được mùi thơm của lọ nước hoa bị đổ trong phòng. Hãy giải thích.

Giải rút gọn:

- Mùi thơm của nước hoa cần thời gian để khuếch tán từ lọ nước hoa đến mũi người.

- Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào độ chênh lệch nồng độ, khối lượng mol, kích thước của phân tử, chuyển động hỗn độn, nhiệt độ và gió.

Như vậy sau một khoảng thời gian người ta mới cảm nhận được mùi thơm của lọ nước hoa bị đổ trong phòng.

2. ĐỘNG NĂNG PHÂN TỬ

Luyện tập: Tính trung bình của bình phương tốc độ trong chuyển động nhiệt của phân tử khí helium có khối lượng mol là 4g/mol ở nhiệt độ 320K. Coi các phân tử khí là giống nhau.

Giải rút gọn:

Trung bình của bình phương tốc độ chuyển động nhiệt của phân tử khí helium là:

Vậy trung bình của bình phương tốc độ chuyển động nhiệt của phân tử khí helium là 1994400

Vận dụng: Không khí nóng sẽ bốc lên cao, tuy nhiên khi đứng trên đỉnh núi cao ta lại thấy lạnh hơn so với khí ở chân núi. Hãy giải thích điều này.

Giải rút gọn:

Giải thích:

Bởi vì càng lên cao không khí càng loãng nên áp suất khí quyển càng giảm, mật độ không khí càng loãng dẫn đến nhiệt độ giảm và khả năng giữ nhiệt kém hơn.

Hơn nữa càng lên cao thì gió càng mạnh, gió làm tăng tốc độ truyền nhiệt từ cơ thể nên khiến ta cảm thấy lạnh hơn.

BÀI TẬP

1. Hai bình kín có thể tích bằng nhau đều chứa khí lí tưởng ở cùng một nhiệt độ. Khối lượng khí trong hai bình bằng nhau nhưng khối lượng một phân tử khí của bình 1 lớn gấp hai lần khối lượng một phân tử khí ở bình 2. Áp suất khí ở bình 1

A. bằng áp suất khí ở bình 2

B. gấp bốn lần áp suất khí ở bình 2

C. gấp hai lần áp suất khí ở bình 2

D. bằng một nửa áp suất khí ở bình 2

Giải rút gọn:

Đáp án A.

Đáp án B, C, D sai vì áp suất khí không phụ thuộc vào khối lượng riêng lẻ của các phân tử khí.

2. Tính nhiệt độ của một khối khí để động năng tính tiến trung bình của các phân tử khí đó bằng 1,0 eV. Lấy 1 eV = 1,6.10^-19 J.

Giải rút gọn:

Động năng tịnh tiến trung bình của phân tử khí là: W_đ =

→ T = 7729,5 K

3. Xét khối khí chứa trong một bình kín, biết mật độ động năng phân tử (tổng động năng tịnh tiến trung bình của các phân tử khí trong 1m³ thể tích khí) có giá trị 10^-4 J/m³. Tính áp suất của khí trong bình.

Giải rút gọn:

Áp suất của khí trong bình là: p = 6,67.10^-5 (Pa)

Vậy áp suất của khí trong bình là 6,67.10^-5 (Pa).