Slide bài giảng Vật lí 12 Cánh diều bài 3: Áp suất và động năng phân tử chất khí

Tóm lược nội dung

BÀI 3. ÁP SUẤT VÀ ĐỘNG NĂNG PHÂN TỬ CHẤT KHÍ

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Ngày 01/7/2021, trên mặt biển phía tây bán đảo Yucatan (lu-ca-tan, vịnh Mexico) xuất hiện một đám lửa lớn do cháy khí hoá lỏng rò rỉ từ một đường ống dẫn dưới đáy biển. Một lượng lớn người và phương tiện đã phải huy động để khắc phục sự cố này (Hình 3.1).

Áp suất khí trong bình chứa quá cao có thể gây ra rò rỉ khí. Chính chuyến động của các phân tử khí trong bình chứa đã gây ra áp suất lên thành bình. Vậy mối liên hệ giữa chuyển động của các phân tử khí với áp suất khí tác động lên bình chứa như thế nào?

Trả lời rút gọn: 

Các phân tử khí chuyển động càng nhanh, va chạm vào thành bình làm tăng áp suất lên bình chứa.

I. ÁP SUẤT CHẤT KHÍ

Câu 1: So sánh vận tốc của phân tử trước và sau khi va chạm đàn hồi với thành bình.

Trả lời rút gọn: 

Độ lớn vận tốc sau khi va chạm với thành bình giữ nguyên nhưng ngược hướng so với vận tốc trước khi va chạm.

Câu 2: Lập luận để chứng tỏ rằng số phân tử đến va chạm với một đơn vị diện tích thành bình trong 1s là μv với v là tốc độ trung bình của các phân tử khí, µ là số phân tử trong một đơn vị thể tích.

Trả lời rút gọn: 

Trong không gian bình chứa, mỗi đơn vị thể tích chứa μ = N/V = N/L³ phân tử. 

Các phân tử khí di chuyển với tốc độ trung bình v trong thời gian Δt sẽ dịch chuyển quãng đường L = vΔt. 

Số phân tử trong một đơn vị diện tích thành bình là: 

N/L² = N/L³.L/Δt. Δt = μ.v.Δt

Số phân tử đến va chạm với một đơn vị diện tích của thành bình trong 1 giây là: μ.v.Δt/Δt = μv.

Số phân tử va chạm với một đơn vị diện tích của thành bình trong 1 giây là μv.

Câu 3: Vì sao độ lớn lực F được xác định bằng công thức (3.2) có độ lớn bằng lực do phân tử khí tác dụng lên thành bình?

Trả lời rút gọn: 

Độ biến thiên động lượng của phân tử khí: Δp = 2mv.

Thời gian giữa hai lần phân tử va chạm vào 1 vị trí thành bình: Δt =

Ta có:

=> F = = = .

Câu 4: Nhận xét về số phân tử chuyển động trên một trục xác định so với tất cả các phân tử khí trong bình.

Trả lời rút gọn: 

Trong không gian, các phân tử khí di chuyển một cách hỗn loạn và không có hướng ưu tiên (3 chiều không gian là như nhau). Do đó, số phân tử khí di chuyển trên một trục xác định chỉ chiếm 1/3 so với tổng số phân tử khí trong bình.

Câu 5: Gọi µ là số phân tử khí trong một đơn vị thể tích. Chứng tỏ rằng áp suất do các phân tử khí tác dụng lên thành bình được tính bằng công thức:

 p = µm

Trả lời rút gọn: 

Ta có: p =

Mà = = µm 

=> p = µm

Luyện tập 1: Ở nhiệt độ phòng và áp suất 10⁵ Pa, không khí có khối lượng riêng khoảng 1,29 kg/m³. Xác định giá trị trung bình của bình phương tốc độ các phân tử không khí.

Trả lời rút gọn: 

Ta có: p = => = = = 232558,14 (m²/s²)

II. ĐỘNG NĂNG PHÂN TỬ KHÍ LÍ TƯỞNG

Câu 6: Thực hiện biến đổi công thức (3.3) và phương trình trạng thái khí lí tưởng để rút ra công thức (3.6).

Trả lời rút gọn: 

Công thức (3.3): p = => pV = (1)

Phương tình trạng thái: pV = nRT (2)

(1), (2) => = nRT 

=> = 3nRT/N

Mà N/n = N_A => =  (3.6).

Luyện tập 2: Vì sao khi tăng nhiệt độ của một lượng khí lí tưởng từ 300 K đến 600 K, ta không làm tăng gấp đôi tốc độ của các phân tử khí?

Trả lời rút gọn: 

Động năng của phân tử chất khí: =

=> T ~

T tăng gấp đôi => tăng lên gấp đôi hay tăng lần.

Vận dụng: Không khí là hỗn hợp của một vài loại khí chính như nitrogen, oxygen, carbon dioxide. So sánh giá trị của phân tử các chất khí này trong không khí?

Trả lời rút gọn: 

=

Các phân tử khí khác nhau như oxygen, carbon dioxide đều có chung nhiệt độ và có động năng bằng nhau.

Mà khối lượng phân tử: M_CO2 > M_O2 > M_N2

=> vận tốc trung bình của phân tử CO₂ < O₂ < N₂.