Bài soạn Vật lý lớp 10 - Chủ đề I: Thuyết động học phân tử chất khí – Cấu tạo chất

CHƯƠNG VI : CHẤT KHÍ CHỦ ĐỀ I: THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ – CẤU TẠO CHẤT KIẾT THỨC TRỌNG TÂM Cấu trúc và tính chất của chất khí : Mỗi chất khí được tạo thành từ các phân tử giống hệt nhau. Mỗi phân tử có thể có một hoặc nhiều nguyên tử. Khi đựng trong bình kín, chất khí chiếm toàn bộ dung tích của bình chứa – ta nói chất khí có tính bành trướng. Chất khí dễ nén, khi tăng áp suất tác dụng lên một lượng khí thì thể tích chất khí giảm đi đáng kể. Chất khí có khối lượng riêng nhỏ hơn chất rắn và chất lỏng. Lượng chất và mol: Lượng chất chứa trong một vật được xác định theo số phân tử hay nguyên tử chứa trong chất ấy. Lượng chất đo bằng mol: 1 mol là lượng chất trong đó số phân tử hay nguyên tử bằng số nguyên tử chứa trong 12g cacbon 12. Số Avôgađrô : NA = 6,02.1023 mol-1. Khối lượng mol kí hiệu là : (đọc là muy). Ở đktc 1mol (t0 = 00C và p0 = 1atm) thể tích 1 mol khí bất kì đều bằng V0 = 22,4 l/mol. Khối lượng 1 phân tử khí : . Số mol chứa trong khối lượng m của một chất (kí hiệu là , đọc là nuy) : Số phân tử hay nguyên tử chứa trong khối lượng m của một chất : Mật độ phân tử khí (n) là số phân tử khí có trong một đơn vị thế tích : Thuyết động học phân tử chất khí : Chất khí bao gồm các phân tử, kích thước mỗi phân tử rất nhỏ coi như một chất điểm. Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn không ngừng, chuyển động này phụ thuộc vào nhiệt độ, không có hướng ưu tiên và gọi là chuyển động nhiệt của các phân tử khí. Khi chuyển động các phân tử va chạm với nhau và với thành bình Khi rất nhiều phân tử khí va chạm với thành bình gây ra áp suất chất khí lên thành bình chứa. Cấu tạo phân tử của vật chất : Vật chất được cấu tạo từ các phân tử hoặc nguyên tử . Phân tử chuyển động nhiệt không ngừng. Ở thể khí các phân tử ở xa nha, lực tương tác giữa các phân tử rất yếu và do đó chất khí lôn chiếm đầy bình chứa, không có hình dạng và thể tích xác định. Ở thể rắn và thể lỏng các phân tử được xắp xếp gần nhau và theo một trật tự nhất định, lực liên kết giữa các phân tử lớn hơn chất khí vì vậy ở thể rắn và thề lỏng vật chất có thể tích xác định, nhưng chất lỏng chưa có hình dạng ổn định như chất rắn. BÀI TẬP 1/ Biết khối lượng mol của Nitơ (N2) là 28 g/mol . Mỗi phân tử khí Nitơ có khối lượng bằng bao nhiêu? Đ/số: 4,65.10-23 g . 2/ Biết khối lượng mol của oxi (O2) là 32 g/mol. 48 g oxi chứa bao nhiêu mol oxi? Đ/số: 1,5 mol. 3/ Biết khối lượng mol của heli (He) là 4 g/mol. 10g Heli chứa bao nhiêu nguyên tử heli ? Đ/số: 15,05.1023 ng.tử 4/ Biết khối lượng mol của hidro (H2) là 2 g/mol. Một bình kín chứa 1,505.1024 phân tử khi hidro .Khối lượng khí trong bình là bao nhiêu? Đ/số: 5 g 5/ Ở đktc thì 9,03.1023 phân tử khí chiếm thể tích bằng bao nhiêu? Đ/số: 33,6 l 6/ Khối lượng mol của không khí là 29g/mol . Khối lượng riên ủa không khí ở đktc là bao nhiêu? Đ/số: 1,29 g/mol 7/ Biết khối lượng mol của oxi (O2) là 32 g/mol. 33,6 lít khí oxi ở đktc chứa bao nhiêu phân tử? Đ/số: 9,03.1023(p.tử) 8/ Chọn phát biểu sai . Mỗi phân tử chất khí được coi như một chất điểm. Nhiệt độ càng cao thì vận tốc chuyển động của các phân tử càng lớn. Giữa hai lần va chạm, phân tử không khí chuyển động nhanh dần đều. Áp suất của chất khí lên thành bình là do sự va chạm của các phân tử khí lên thành bình. 9/ Chọn phát biểu sai . Mọi chất khí đều dễ nén. Mọi chất khí luôn chiếm đầy dung tích bình chứa nó. Môi chất khí đều có khối lượng riêng nhỏ. Mọi chất khí đều được cấu tạo từ các phân tử giống hệt nhau. CHỦ ĐỀ II: CÁC ĐẲNG QUÁ TRÌNH A. KIẾT THỨC TRỌNG TÂM I. QUÁ TRÌNH ĐẲNG NHIỆT – ĐỊNH LUẬT BÔI-LƠ – MA-RI-ỐT. Định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt: Nội dung định luật: Ở nhiệt độ không đổi, tích thể tích và áp suất của một lượng khí xác định là một hằng số. p p1 T= hằng số p2 O V1 V2 V Biểu thức định luật: hằng số Xét ở hai trạng thái (1) và (2) , ta có biểu thức: . Đường đẳng nhiệt: Đường đẳng nhiệt là đổ thị biểu diễn quan hệ giữa áp suất p và thể Tích V của một lượng khí xác định ở nhiệt độ không đổi. Trong hệ tọa độ V-p đường đẳng nhiệt là đường hipebol (như hình bên) II. QUÁ TRÌNH ĐẲNG TÍCH – ĐỊNH LUẬT SÁC-LƠ. Nhiệt độ tuyệt đối (K): Định luật Sác lơ: Nội dung định luật: (xem sgk) Biểu thức: Biểu thức viết theo 0C : (*) với đối mọi chất khí . Biểu thức viết theo nhiệt độ tuyệt đối (K): Do T = t + 273 nên từ (*) suy ra : hằng số . Xét lượng khí ở hai trạng thái (1) và (2) ta có biểu thức : . p p p2 (H1) (H2) p0 p1 - 273 O t(0C) O T1 T2 T(K) Đường đẳng tích : Đường đẳng tích là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ của một lượng khí xác định ở thể tích không đổi. H1: Đường đẳng tích trong hệ tọa độ p - t H2: Đường đẳng tích trong hệ tọa độ p - T V V2 V1 O T T1 T2 II. QUÁ TRÌNH ĐẲNG ÁP – ĐỊNH LUẬT GAYLUY-XẮC. Định luật Gayluy-xắc: Nội dung định luật: (xem sgk) Biểu thức định luật : hằng số ; Xét ở hai trạng thái (1) và (2) : . Đường đẳng áp: Đường đẳng áp là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa thể tích và nhiệt độ của một lượng khí xác định ở áp suất không đổi. B. VÍ DỤ Ví dụ 1: Nén khí đẳng nhiệt từ thể tích 9lít đến thể tích 6 lít thì áp suất khí tăng một lượng là 80kPa. Áp suất ban đầu của khí là bao nhiêu ? Hướng dẫn: TT(1)của lượng khí : l1 = 18cm l2 x TT(2)của lượng khí : Áp dụng quá trình đẳng nhiệt cho lượng khí sẽ tìm được đáp số. p1 ; V1= S.l1 Ví dụ 2: Một xi lanh nằm ngang đang chứa một khối lượng khí xác định, khi đó pít tông cách đáy xi lanh một khoảng 18cm, Nén đẳng nhiệt để áp suất lựong khí đó tăng lên 2 lần . Pít tông đã di chuyển một đoạn x bằng bao nhiêu? Hướng dẫn: - Quan sát hình vẽ mô tả 2 trạng thái của lượng khí trước khi nén và sau khi nén . p2 ;V2= S.l2 Áp dụng định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt, ta có : - (Các bạn tự tính kết quả nhé ! OK) p2 ; V2 Ví dụ 3: (NC) Một bọt khí ở đáy hồ sau 20m nổi lên đến mặt nước . Coi như nhiệt độ nước trong hồ không đổi, khối lượng riêng của nước là 103kg/m3 và lấy g = 10m/s2 . Áp suất khí quyển là 1,013.105Pa. Thể tích của bọt khí đã tăng lên bao nhiêu lần ? Hướng dẫn : TT(1): (khi bọt khí ở đáy hồ) TT(2) : (Khi bọt khí nổi lên sát mặt thoát) h = 20m p1 ; V1 Ta cần tìm tỉ số = ? Áp dụng địng luật bôi-lơ – Ma-ri-ốt : h l2=? l1 h ( Các bạn tự tìm kết quả nhé ! OK) p2 ; V2 Ví dụ 4*: Một ống hình trụ nhỏ dài, tiết diện đều, một đầu kín, một đầu hở (ống tô-ri-xen-li). Lúc đầu đặt ống thẳng đứng , miệng ở trên (H1) , trong ống về phía trên đáy có một cột khí dài l1 = 30 cm và được ngăn cách với bên ngoài bằng cột thủy ngân dài h = 15 cm. Áp suất khí quyển là 760 mmHg và nhiệt độ không đổi. Nếu đặt ống thẳng đứng miện ở dưới (H2) thì chiều dài cột không khí trong ống p1 ; V1 là bao nhiêu? (H1) (H2) Hướng dẫn : Khối khí trong ống không đổi, nhiệt độ không đổi nên áp dụng định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt : (*) Trong đó : và Thế vào biểu thức (*) là các em dễ dàng tìm được (cm) . BÀI TẬP : (Những bài toán đơn giản tự tìm đáp số nhé) 1/ Công thức nào sau đây biểu diễn định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt: A. . B. . C. . D. . 2/ Đại lượng nào sau đây không phải là thông số trạng thái của một lượng khí? A. thể tích V. B. Nhiệt độ T. C. Khối lượng m. D. Áp suất p. 3/ Biểu thức nào sau đây không các đẳng quá trình của một lượng khí xác định: A. . B. . C. . D. . 4/ Nén khí đẳng nhiệt thì mật độ phân tử khí : A. Giảm tỉ lệ với áp suất B. Không đổi C. Tăng tỉ lệ với áp suất D. Tăng tỉ lệ với bình phương áp suất. 5/ Làm nóng đẳng tích một lượng khí thì : A. Áp suất lượng khí giảm B. Áp suất lượng khí không đổi C. Mật độ phân tử khí không đổi D. Mật độ phân tử khí tăng tỉ lệ thuận với nhiệt độ 6/ Nén đẳng nhiệt một khối lượng khí từ thể tích 20l đến thể tích 4lít thì áp suất lượng khí tăng lên bao nhiêu lần? Đ/số: Tăng lên 5 lần. 7/ Một bình có dung tích 5 lít chứa 0,5 mol khí ở nhiệt độ 0oC. Áp suất khí trong bình là bao nhiêu ? Đ/số: 2,24 atm 10/ Một khối lượng khí lí tưởng xác định có áp suất 1atm được nén đẳng nhiệt đến áp suất 4atm thì thể tích biến đổi một lượng là 4lít. thể tích ban đầu của khối lượng khí đó là bao nhiêu? Đ/số: 12/ Một bình chứa một lượng khí xác định ở nhiệt độ 27oC và áp suất 300kPa, sau đó được chuyển tới nơi có nhiệt độ 47oC. Độ tăng áp suất khí trong bình là bao nhiêu? Đ/số: .. 13/ Một lượng hơi nước ờ nhiệt độ 100oC, áp suất 1atm ở trong một bình kín. Làm nóng bình và khí lên đến nhiệt độ 200oC. Bỏ qua sự giản nở của bình, Áp suất lượng hơi nước trong bình là bao nhiêu? Đ/số: 14/ Một khối khí ở nhiệt độ là 17oC đựng trong một bình kín có áp suất 1atm, đun nóng bình đến nhiệt độ bao nhiêu độ C để có áp suất là 1,5atm ? Coi sự giản nở của bình không đáng kể. Đ/số: ............... 15/ Một bóng đèn dây tóc chứa khí trơ ở 27oC và áp suất 0,5atm . Khi cho đèn sáng áp suất khí trong bóng đèn là 0,9atm và không làm vỡ bóng đèn. Coi dung tích của bóng đèn không đổi . Nhiệt độ của khí trong đèn khi cháy sáng là bao nhiêu? Đ/số: . 16/ Khi đun nóng đẳng tích một khối lượng khí thêm 2oC thì áp suất khối khí tăng thêm 1/100 áp suất ban đầu. Nhiệt độ ban đầu của khối khí là bao nhiêu? Đ/số: ............... 17/ Nung nóng một lượng không khí trong điều kiện đẳng áp , người ta thấy nhiệt độ của nó tăng thêm 3K, còn thể tích tăng thêm 1% thể tích ban đầu . Nhiệt độ ban đầu của lượng không khí bằng bao nhiêu độ C . Đ/số : 270C. 18*/ Một bình chứa đầy khí ở điều kiện chuẩn ( 0oC , 1,013.105Pa) , đậy kín lượng khí này bằng một vật có khối lượng m = 2kg, tiết diện của miệng bình là s = 10cm2. Có thể tăng nhiệt độ lượng khí trong bình lên tối đa bằng bao nhiêu để không khí trong bình không đẩy nắp bình lên và thoát ra ngoài ? Cho áp suất khí quyển là po = 105 Pa và g =10m/s2. Hướng dẫn: Trạng thái (1) của lượng khí trong bình có :V1 ; p1 = 1.013.105 Pa ; t1 = 00C ® T1 = 273 K . pa Trạng thái (1) của lượng khí trong bình có :V2 = V1 ; p2 ; t2 ® T2 = t2 + 273 . p2 T2 mg p1 T1 Áp dụng quá trình đẳng tích : (*) Để lượng khí trong bình không đẩy được nắp bình lên, cần phải có điều kiện : (**). Từ (*) và (**) ® ® Từ đẳng thức này hãy tìm kết quả nhé ! OK 19*/ Một lượng khí có thể tích 240 cm3 bi giam trong một xilanh có pít-tông đóng kín , diện tích của pít- tông là 24cm2. Áp suất của không khí trong xilanh bắng áp suất ngoài là 100kPa . Cần một lực bằng bao nhiêu để dịch chuyển pít tông sang trái 2cm ? sang phải 2cm ? Bỏ qua ma sát giữa thành xilanh với pít-tông . Coi nhiệt độ luôn không đổi . l 20*/ Một bình hình trụ hai đầu kín , đặt nằm ngang có chiều dài l , bên trong có một pít tông có thể dịch chuyển không ma sát trong bình . Lúc đầu pít tông được giữ cố định ở chính giữa bình . Hai bên pít-tông có khí cùng lọai nhưng áp suất khí bên trái lớn gấp n lần áp suất khí bên phải . Nếu thả cho pít tông chuyển động tự do thì pít tông dịch chuyển thế nào ? Coi nhiệt độ của khí trong bình không đổi và bề dày của pít-tông không đáng kể . Đ/số : Độ dịch chuyển của pít-tông : . III. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG PHƯƠNG TRÌNH CLA-PÊ-RÔN – MEN-ĐÊ-LÊ-ÉP. A. KIẾN THỨC TRỌNG TÂM Phương trình trạng thái của khí lí tưởng: Phương trình trạng thái của khí lí tưởng là phương trình biểu thị mối quan hệ giữa 3 thông số trạng thái (p ; V ; T) của một khối lượng khí xác định. Phương trình: hằng số ; Xét ở 2 trạng thái (1) và (2) : Phương trình Cla-pê-rôn – Men-đê-lê-ép: Phương trình Cla-pê-rôn – Men-đê-lê-ép là phương trình biểu thị mối quan hệ của các thông số trạng thái (p ; V ; T) với khối lượng (hoặc số mol) của một lượng khí. Phương trình : Trong đó : R là hằng số của khí lí tưởng, trong hệ SI giá trị của R = 8,31 J/mol.K ; p là áp suất, đơn vị Pa ; V là thề tích lượng khí, đơn vị là m3 ; là số mol khí ; m và là khối lượng và khối lượng riêng. B. VÍ DỤ Ví dụ 1: Nén 10 lít khí ở nhiệt độ 27oC để thể tích của nó chỉ còn lại 4 lít , Vì nén nhanh nên nhiệt độ lượng khí tăng lên đến 57oC . Áp suất khí đã tăng lên bao nhiêu lần ? Hướng dẫn: · TT(1)(Trước khi nén khí): · TT(2)(sau khi nén khí): Để biết được áp suất khí tăng bao nhiêu lần ta cần tìm tỉ số . Áp dụng phương trình trạng thái của khí lí tưởng cho hai trạng thái : ® (Thay số liệu của đề bài để tìm kết quả nhé ! OK) l l x (l + x) (l – x) Ví dụ 2*: Một xi lanh đặt nằm ngang trong đó có pít tông di chuyển dễ dàng. Lúc đầu pít tông nằm cách đều hai đầu xi lanh khoảng l = 50cm và không khí chứa trong xi lanh có nhiệt độ 270C, áp p, V, T p, V, T suất 1 atm. Sau đó không khí ở đầu bên trái được nung nóng lên đến 670C thì pít tông dịch đi một khoảng x bằng bao nhiêu? Coi pít có bề dày nhỏ và cách nhiệt. Hướng dẫn: p2,V2,T2 = T Hãy quan sát kĩ hình mô tả trạng thái của 2 lượng khí ở hai nữa xi lanh ứng với 2 trạngp1 = p2, V1, T1 thái trước và sau khi đốt nóng lượng khí bên trái. - Vận dụng định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt cho lượng khí bên phải (vì có nhiệt độ không đổi): ® (*) - Vận dụng phương trình trạng thái cho lượng khí bên trái : (**) Từ hai biểu thức (*) và (**) ® . (Đến đây các bạn tự giải quyết để tìm ra x nhé ! OK) Ví dụ 3(NC): Một bình chứa khí ở nhiệt độ 270C và áp suất 4 atm. Nếu một nữa lượng khí thoát ra khỏi bình và nhiệt độ hạ xuống tới 120C thì khí trong bình còn lại sẽ có áp suất là bao nhiêu? Hướng dẫn: Áp dụng phương trình Cla-pê-rôn – Men-đê-lê-ép cho trường hợp khi khí chưa thoát ra và khi khí đã thoát ra nột nữa: Lúc khí chưa thoát ra: (*) Lúc khí đã thoát ra: (**) Lập tỉ số hai biểu thức trên , ta được : ® (Tự tìm ra kết quả 1,9 atm các bạn nhé! OK) BÀI TẬP: 1/ Phát biểu nào sau đây là đúng . Phương trình trạng thái của khí lí tưởng là : A. Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa P,V,T của một khối lượng khí xác định . B. Phương trình biểu diễn quan hệ giữa P và V của một khối lượng khí xác định . C. Phương trình biểu diễn quan hệ giữa P và T của một khối lượng khí xác định . D. Phương trình biểu diễn quan hệ giữa V vả T của một khối lượng khí xác định . 2/ Đối với một khối lượng khí xác định, quá trình nào sau đây là đẳng áp : A. Nhiệt độ không đổi thể tích tăng B. Thể tích không đổi, áp suất tăng tỉ lệ thuận với nhiệt độ C. Nhiệt độ không đổi thể tích giảm D. Nhiệt độ tăng, thể tích tăng tỉ lệ thuận với nhiệt độ . 3/ Điền từ thích hợp vào chổ trống trong câu phát biểu sau . Thể tích V của một khối lượng khí có . . . . . . không đổi thì tỉ lệ thuận với . . . . . . . tuyệt đối của khí A. áp suất ; nhiệt độ B. nhiệt độ ; áp suất C. áp suất ; thể tích D. thể tích ; áp suất 4/ Công thức áp dụng cho : A. Mọi loại khí B. Khí thực C. Khí lí tưởng D. Khí lí tưởng và khí thực 5/ Một bình bằng thép dung tích 50 lít chứa khí hiđrô ở áp suất 5Mpa (1MPa = 106Pa) và nhiệt độ 37oC. Biết dung tích mỗi quả bóng là 10 lít, áp suất mổi quả là là 1,05.105 Pa, nhiệt độ khí nén trong quả bóng bay là 12oC. Dùng bình này bơm được bao nhiêu quả bóng ? Đ/số: 214 quả 6/ Một mol khí ở áp suất 2atm và nhiệt độ 37oC thì chiếm một thể tích là bao nhiêu ? Đ/số: . 7/ Ở nhiệt độ 273oC, thể tích một khối lượng khí là 20 lít . Thể tích khối lượng khí đó ở nhiệt độ 546oC, khi áp suất không đổi là bao nhiêu? Đ/số:. 8/ Một lượng không khí bị giam trong một quả cầu đàn hồi có thể tích 2,5lít, ở nhiệt độ 20oC và áp suất 99,75kPa . Khi nhúng quả cầu vào nước có nhiệt độ 5oC thì áp suất của không khí trong bình là 2.105 Pa . Hỏi thể tích quả cầu giảm đi bao nhiêu lít? Đ/số:. 9/ Có một lượng khí trong bình . Hỏi áp suất lượng khí thay đổi thế nào nếu thể tích bình tăng lên 3 lần, còn nhiệt độ giam đi một nữa . Đ/số:. 10*/ Một xi-lanh hai đầu kín, được chia thành hai phần bằng nhau bởi một pit-tông cách nhiệt . Mỗi phần dài chứa một lượng khí giống nhau ở 270C. Nung nóng một phần lên 100C, làm lạnh phần còn lại đi 100C. Hỏi pít tông dịch chuyển một đoạn bằng bao nhiêu ? Đ/số : 1cm 11*/ Ở thời kì nén của một động cơ đốt trong 4 thì , nhiệt độ hỗn hợp khí tăng từ 470C đến 3670C còn thể tích của khí giảm từ 1,8lít đến 0,3 lít . Áp suất khí lúc bắt đầu nén là 100kPa . Coi hỗn hợp khí như một chất khí thuần nhất. Xác định áp suất khí ở cuối kì nén . Đ/số : 12.105Pa. p (2) p2 p1 (1) O V2 V2 V 12(NC) Trong một phòng thể tích 30 m3 , nhiệt độ tăng từ 170C đến 270C , khi đó khối lượng khí trng phòng thay đổi. Biết áp suất khí quyển là 1 atm và coi không khí như khí lí tưởng và có khối lượng mol là 29 g/mol. Hỏi khối lượng khí trong phòng thay đổi đi bao nhiêu? Đ/số : 1,22 kg. 13/(Toán cho học sinh giỏi) Có 20g khí heli chứa trong xilanh đậy kín bởi pít tong biến đổi chậm từ (1) ® (2) theo đồ thị mô tả ở hình bên. Cho : V1 = 30 lít , p1 = 5atm . V2 = 10 lít , p2 = 15atm. Hãy tìm nhiệt độ cao nhất mà khí đạt được trong quá trình biến đổi . Đ/số: 487,8K 14/ (Toán cho học sinh giỏi) Một lượng khí biến đổi theo chu trình biểu dễn bởi đồ thị sau : Cho biết : V1 = 1m2 ; V2 = 4m2 ; T1 = 100K ; T4 = 300K Hãy tìm V3 ? V (2) V2 (3) (4) O T Đáp số : V3 = 2,2m3 CHÚC CÁC EM CÓ THÀNH TÍCH HỌC TẬP TỐT NHẤT !