Giáo án Vật lý 10 - Tiết 35: Thuyết động học phân tử chất khí - Cấu tạo chất

NHIỆT HỌC CHƯƠNG VI: CHẤT KHÍ A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT 35. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ - CẤU TẠO CHẤT 1. Tính chất của chất khí - Bành trướng: chiếm toàn bộ thể tích của bình chứa. Do tính chất này mà hình dạng và thể tích của một lượng khí là hình dạng và thể tích của bình chứa nó. - Dễ nén: Khi áp suất tác dụng lên một lượng khí tăng thì thể tích của khí giảm đáng kể - Có khối lượng riêng nhỏ so với chất lỏng và chất rắn. 2. Cấu trúc của chất khí Chất được tạo từ các phân tử, các phân tử tương tác liên kết với nhau tạo thành những phân tử. Mỗi chất khí được tạo thành từ các phân tử giống hệt nhau. Mỗi phân tử có thể bao gồm một hay nhiều nguyên tử. 3. Các khái niệm cơ bản a. Mol: 1 mol là lượng chất trong đó có chứa một số phân tử hay nguyên tử bằng số nguyên tử chứa trong 12 gam Cacbon 12. b. Số Avogadro: Số nguyên tử hay phân tử chứa trong 1 mol của mọi chất đều bằng nhau và gọi là số Avogadro NA NA = 6,02.1023 mol-1 c. Khối lượng mol: Khối lượng mol của một chất (ký hiệu µ) được đo bằng khối lượng của một mol chất ấy. d. Thể tích mol: Thể tích mol của một chất được đo bằng thể tích của một mol chất ấy. Ở điều kiện chuẩn (0oC, 1atm), thể tích mol của mọi chất khí đều bằng 22,4 lít/mol hay 0,0224 m3/mol. 4. Thuyết động học phân tử chất khí: - Chất khí gồm các phân tử có kích thước rất nhỏ (có thể coi như chất điểm). - Các phân tử chuyển động nhiệt hỗn loạn không ngừng. Nhiệt độ càng cao thì vận tốc chuyển động nhiệt càng lờn. - Giữa hai va chạm, phân tử gần như tự do và chuyển động thẳng đều. - Khi chuyển động, các phân tử va chạm với nhau làm chúng bị thay đổi phương và vận tốc chuyển động, hoặc va chạm với thành bình tạo nên áp suất của chất khí lên thành bình. 5. Cấu tạo phân tử của chất: - Chất được cấu tạo từ những phân tử (hoặc nguyên tử) chuyển động nhiệt không ngừng. - Ở thể khí, các phân tử ở xa nhau, lực tương tác giữa các phân tử yếu nên chúng chuyển động về mọi phía nên một lượng khí không có thể tích và hình dạng xác định. - Ở thể rắn và thể lỏng, các phân tử ở gần nhau, lực tương tác giữa chúng mạnh, nên các phân tử chỉ dao động quanh một vị trí cân bằng. Do đó khối chất lỏng và vật rắn có thể tích xác định. - Ở thể rắn, các vị trí cân bằng của phân tử là cố định nên vật rắn có hình dạng xác định. - Ở thể lỏng thì các vị trí cân bằng có thể di chuyển nên khối chất lỏng không có hình dạng xác định mà có thể chảy. 36. ĐỊNH LUẬT BOYLE – MARIOTTE 1. Nhần xét: Khi nhiệt độ khối khí không đổi thì ta có: =. 2.ĐịnhluậtBoyle–Mariotte: Ở nhiệt độ không đổi, tích của áp suất p và thể tích V của một lượng khí xác định là một hằng số. pV = hằng số 37. ĐỊNH LUÂT CHARLES – NHIỆT ĐỘ TUYỆT ĐỐI 1. Định luật Charles: Với một lượng khí có thể tích không đổi thì áp suất p phụ thuộc vào nhiệt độ t của khí như sau: Trong đó có giá trị như nhau đối với mọi chất khí, mọi nhiệt độ và bằng độ-1. 2. Khí lý tưởng Khí lý tưởng (theo quan điểm vĩ mô) là khí tuân theo đúng hai định luật Boyle-Mariotte và Charles. Ở áp suất thấp, có thể coi khí thực như là khí lý tưởng. 3. Nhiệt độ tuyệt đối - Nhịêt giai Kelvin là nhiệt giai trong đó không độ (0 K) tương ứng với nhiệt độ -273oC và khoảng cách nhiệt độ1kelvin (1K) bằng khoảng cách 1oC. - Nhiệt độ đo trong nhịêt giai Kelvin được gọi là nhiệt độ tuyệt đối, ký hiệu T. T = t +273 - Trong nhiệt giai Kelvin, định luật Charles được viết như sau: 38. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG. ĐỊNH LUẬT GAY LUSSAC 1.Phương trình trạng thái khí lý tưởng: Xét một khối khí biến đổi từ trạng thái 1 (p1, V1, T1) sang trạng thái 2 (p2, V2, T2). Chia quá trình thành hai đẳng quá trình: đẳng nhiệt (1-2’) và đẳng tích (2’-2). Trong quá trình (1-2’), định luật Boyle-Mariotte cho ta: (1) Trong quá trình (2’-2), định luật Charles cho ta: hay (2) Từ (1) và (2): Vì các trạng thái 1 và 2 được chọn bất kỳ nên ta có thể viết: Đây là phương trình trạng thái của khí lý tưởng. 2. Định luật Gay Lussac: Trong quá trình đẳng áp (p = const) thì phương trình trạng thái cho ta: Phát biểu định luật: Thể tích V của một lượng khí có áp suất không đổi thì tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của khí. 39. PHƯƠNG TRÌNH CLAPEYRON – MENDELEEV 1. Thiết lập phương trình PT này gọi là phương trình Clapeyron – Mendeleev. Với: R = 8,31 J/mol.K R có cùng giá trị với mọi chất khí và được gọi là hằng số chất khí. p : áp suất (Pa), V : thể tích (m3) * Các đơn vị thường sử dụng: 1atm = 1,013.105 Pa 1torr = 1mmHg = 1,33 Pa 1atm = 760mmHg B. BÀI TẬP Bài.1. Cột bên trái gh tên định luật, cột bên phải ghi công thức và điều kiện áp dụng của định luật. Hãy một nội dung ở cột bên trái với nội dung ở cột tương ứng bên phải. 1. Định luật Bôi-lơ-Ma-ri-ốt. 2. Định luật Sác-lơ. 3. Định luật Gay Luy-xác. 4. Phương trình trạng thái. Phương trình Cla-pê-rôn-Men-đê-lê-ép. a) = hằng số. Một lượng khí có áp suất không đổi. b) . Quá trình đẳng tích. c) . Một khối khí ở trạng thái xác định. d) pV = hằng số. Một lượng khí có nhiệt độ không đổi. e) = hằng số. Một lượng khí xác định. f) = hằng số. Quá trình đẳng áp. g) = hằng số. Một lượng khí có thể tích không đổi. h) . Quá trình đẳng nhiệt. Bài 2: lượng chất (số mol) chứa trong 1kg khí CO2 là bao nhiêu? Bài 3: Tính số phân tử chứa trong 0,2kg nước. Bài 4: Dưới áp suất 10000N/m2 một lượng khí có thể tích là 10l. Tính thể tích của lượng khí đó dưới áp suất 50000Pa. Bài 5: Một bình có dung tích 10l chứa một chất khí dưới áp suất 30atm. Coi nhiệt độ của khí không đổi. Tính thể tích của chất khí nếu mở nút bình. Bài 6: Tìm hệ thức liên hệ giữa khối lượng riêng và áp suất chất khí trong quá trình đẳng nhiệt Bài 7: Bơm không khí có áp suất p1=1atm vào một quả bóng có dung tích bóng không đổi là V=2,5l. Mỗi lần bơm ta đưa được 125cm3 không khí vào trong quả bóng đó. Biết rằng trước khi bơm bóng chứa không khí ở áp suất 1atm và nhiệt độ không đổi. Tính áp suất bên trong quả bóng sau 12 lần bơm. Bài 8: Khí được nén đẳng nhiệt từ thể tích 6lít đến thể tích 4lít, áp suất khí tăng thêm 0,75atm. Tính áp suất ban đầu của khí. Bài 9: Một bọt khí có thể tích tăng gấp rưỡi khi nổi từ đáy hồ lên mặt nước. Giả sử nhiệt độ ở đáy và mặt hồ là như nhau. Tính độ sâu của hồ. Bài 10: biết áp suất của một lượng khí hiđrô ở 0oC là 700mmHg. Tính áp suất của một lượng khí đó ở 30oC, biết thể tích của khí được giữ không đổi. Bài 11: Chất khí ở 0oC có áp suất Po. Cần đun nóng chất khí lên bao nhiêu độ để áp suất của nó tăng lên 3lần. Bài 12: Khi đun nóng đẳng tích một khối khí để nhiệt độ tăng 1oC thì áp suất tăng thêm 1/360 áp suất ban đầu. Tính nhiệt độ ban đầu của khí. Bài 13: Có 12g khí chiếm thể tích 4lít ở 7oC. Sau khi đun nóng đẳng áp lượng khí trên đến nhiệt độ t thì khối luợng riêng của khí là 1,2g/l. Tính nhiệt độ t của khí. Bài 14: Coi áp suất của khí trong và ngoài phòng là như nhau. Khối lượng riêng của khí trong phòng ở nhiệt độ 27oC lớn hơn khối lượng của khí ngoài sân nắng ở nhiệt độ 42oC bao nhiêu lần? Bài 15: Trong phòng thí nghiệm người ta điều chế 40cm3 khí hiđrô ở áp suất 750mmHg và nhiệt độ 27oC. Hỏi thể tích của lượng khí trên ở áp suất 720mmHg và nhiệt độ 17oC là bao nhiêu?. Bài 16 : Vẽ dạng tổng quát các đường biểu diễn sau : Đường đẳng nhiệt trong hệ tọa độ OTV và OTP Đường đẳng áp trong hệ tọa độ OTP và OVP Đường đẳng tích trong hệ tọa độ OTV và OVP Bài 17 : vẽ lại đồ thị sau trong các hệ tọa độ còn lại V T 1 2 3 4 P V 1 2 3 P T 1 2 3 P(atm) T 1 2 3 1(atm) 600 Bài 18 : Sự biến đổi trạng thái của 1 khối khí lí tưởng được mô tả như hình vẽ. V1=3lít ; V3=6lít. Xác định P, V , T của từng trạng thái Vẽ lại đồ thị trên trong các hệ tọa độ (P, V) và (V, T) Bài 19 : Một cột không khí chứa trong một ống nhỏ, dài, tiết diện đều. Cột không khí được ngăn cách với khí quyển bởi một cột Hg có chiều dài d=150mm. Chiều dài cột không khí trong ống nằm ngang là lo=144mm. Giả sử nhiệt độ không đổi. Tính chiều dài của cột không khí khi ống đặt thẳng đứng, miệng ống ở trên Tính lại câu a khi miệng ống ở dưới Bài 20 : Trong xilanh của một động cơ đốt trong có 2dm3 hỗn hợp khí đốt dưới áp suất 1atm và nhiệt độ 47oC. Pittông nén xuống làm cho hỗn hợp khí chỉ còn 0,2dm3 và áp suất tăng lên 15lần. Tính nhiệt độ của hỗn hợp khí nén. Bài 21 : Pittông của một máy nén sau mỗi lần nén đưa được 4lít khí ở nhiệt độ 27oC và áp suất 1atm vào bình chứa khí có thể tích 3m3. Khi pittông đã thực hiện 1000lần nén và nhiệt độ khí trong bình là 42oC. Tính áp suất của khí trong bình sau khi nén. Bài 22 : Bình A có dung tích 3lít, chứa một chất khí ở áp suất 2atm. Bình B dung tích 4lít chứa một chất khí ở áp suất 1atm. Nhiệt độ trong hai bình là như nhau. Nối hai bình thông nhau bằng một ống nhỏ. Biết không có phản ứng hóa học nào xảy ra giữa khí trong hai bình. Tính áp suất của hỗn hợp khí sau khi nối hai bình. Bài 23 : Một lượng khí có áp suất 750mmHg, nhiệt độ 27oC và thể tích 76cm3. Tính thể tích của khí ở điều kiện chuẩn. Bài 24 : Một quả bóng có thể tích không đổi 2lít chứa không khí ở áp suất 1atm. Dùng một cái bơm để bơm không khí ở áp suất 1atm vào bóng. Mỗi lần bơm được 50cm3 không khí . Sau 60 lần bơm áp suất không khí trong bóng là bao nhiêu ? Cho nhiệt độ không đổi. Bài 25 : Một xilanh kín được chia thành hai phần bằng nhau bởi một pittông cách nhiệt. Mỗi phần có chiều dài 30cm, chứa một lượng khí giống nhau ở 27oC. Nung nóng một phần thêm 10oC và làm lạnh phần kia đi 10oC. Tính độ dịch chuyển của pittông khi đó. Bài 26 : Một khối O2 có thể tích 30dm3 ở 5oC và 760mmHg. Tính thể tích của khối O2 ấy tại 30oC và 800mmHg. Bài 27 : Tìm thể tích của 4g O2 ở điều kiện chuẩn. Bài 28 : 1,29lít một chất khí có khối lượng 2,71g khí đó ở 18oC và 765mmHg. Hãy tìm khối lượng mol của khí đó. Bài 29 : Tìm hệ thức liên hệ giữa khối lượng riêng , áp suất và nhiệt độ. Bài 30 : Đỉnh Phăng-xi-păng trong dãy Hoàng Liên Sơn cao 324m, biết mỗi khi lên cao thêm 10m áp suất khí quyển giảm 10mmHg và nhiệt độ trên đỉnh núi là 2oC. Khối lượng riêng của khí ở điều kiện chuẩn là 1,29kg/m3. Tính khối lượng riêng của không khí trên đỉnh núi. P(atm) T(K) 1 2 3 4 T1 T2=T4 T3 Bài 31: Xác định số phân tử nước trong một cái cốc đựng 0,4lít nước. Bài 32: Xác định số nguyên tử có trong 1m3 Cu. Biết khối lượng riêng của đồng là 9000kg/m3 Bài 33: Một mol khí lí tưởng thực hiện chu trình 1-2-3-4 cho trên đồ thị. Biết p1=1atm, T1=300K, T2=600K, T3=1200K. Xác định các thông số còn lại ở mỗi trạng thái, vẽ lại đồ thị trong các hệ tọa độ còn lại. Bài 34: Một bình bằng thép dung tích 50lít chứa khí H2 ở áp suất 5MPa và nhiệt độ 37oC. Dùng bình này bơm được bao nhiêu quả bóng bay, dung tích mỗi quả là 10lít, áp suất mỗi quả là 1,05.105Pa? Nhiệt độ khí trong bóng bay là 12oC Bµi 35 :KhÝ ®­îc nÐn ®¼ng nhiÖt tõ thÓ tÝch 10 l ®Õn thÓ tÝch 6l, ¸p suÊt khÝ t¨ng thªm 0,5at. T×m ¸p suÊt ban ®Çu cña khÝ. Bµi 36: Mét qu¶ bãng cã dung tÝch kh«ng ®æi, V = 2l chøa kh«ng khÝ ë ¸p suÊt 1at. Dïng mét c¸i b¬m ®Ó b¬m kh«ng khÝ ë ¸p suÊt 1at vµ bãng. Mçi lÇn b¬m ®îc 50cm3 kh«ng khÝ. Sau 60 lÇn b¬m, ¸p suÊt kh«ng khÝ trong qu¶ bãng lµ bao nhiªu? Cho nhiÖt ®é kh«ng ®æi. Bµi 37: NÕu ¸p suÊt mét l­îng khÝ biÕn ®æi 2.105N/m2 th× thÓ tÝch biÕn ®æi 3l. NÕu ¸p suÊt biÕn ®æi 5.105N/m2 th× thÓ tÝch biÕn ®æi 5l. T×m ¸p suÊt vµ thÓ tÝch ban ®Çu cña khÝ, cho nhiÖt ®é kh«ng ®æi. Bµi 38: Mét bät khÝ næi lªn tõ ®¸y nhá, khÝ ®Õn mÆt n­íc lín gÊp 1,3 lÇn. TÝnh ®é s©u cña ®¸y hå biÕt träng l­îng riªng cña n­íc lµ d = 104N/m3, ¸p suÊt khÝ quyÓn p0 = 105N/m2. Xem nhiÖt ®é n­íc lµ nh­ nhau ë mäi ®iÓm. Bµi 39: Mét èng nhá tiÕt diÖn ®Òu, mét ®Çu kÝn. Mét cét thuû ng©n ®øng c©n b»ng vµ c¸ch ®¸y 180mm khi èng ®øng th¼ng, miÖng ë trªn vµ c¸ch ®¸y 220mm khi èng ®øng th¼ng, miÖng ë d­íi. T×m ¸p suÊt khÝ quyÓn vµ ®é dµi cét kh«ng khÝ bÞ giam trong èng khi èng n»m ngang. Bµi 40: Mét èng nhá dµi, tiÕt diÖn ®Òu, mét ®Çu kÝn. Lóc ®Çu trong èng cã mét cét kh«ng khÝ dµi l1 = 20cm ®­îc ng©n víi bªn ngoµi b»ng cét thuû ng©n d = 15cm khi èng ®øng th¼ng, miÖng ë trªn. Cho ¸p xuÊt khÝ quyÓn lµ p0 = 75cmHg T×m chiÒu cao cét kh«ng khÝ khi: a. èng th¼ng ®øng, miÖng ë d­íi. c. èng ®Æt n»m ngang Bµi 41: Mét èng ch÷ U tiÕt diÖn ®Òu, mét ®Çu kÝn chøa kh«ng khÝ bÞ nÐn bëi thñy ng©n trong èng. Cét kh«ng khÝ trong èng dµi l0 = 10cm, ®é chªnh lÖch cña mùc thñy ng©n trong hai èng lµ h0 = 6cm. T×m chiÒu dµi cña cét thñy ng©n ®æ thªm vµo ®Ó chiÒu cao cét khÝ lµ l = 9cm. Cho ¸p suÊt khÝ quyÓn p0 = 76cmHg, nhiÖt ®é xem lµ kh«ng ®æi. Bµi 42: èng nghiÖm kÝn hai ®Çu dµi l = 84cm bªn trong cã 1 giät thñy ng©n dµi d = 4cm. Khi èng n»m ngang, giät thñy ng©n n»m ë gi÷a èng, khÝ hai bªn cã ¸p suÊt b»ng p0 = 75cmHg. Khi ®ùng èng th¼ng ®øng, giät thñy ng©n dÞch chuyÓn mét ®o¹n bao nhiªu ? Bµi 43 Mét b×nh cÇu chøa kh«ng khÝ ®­îc ng¨n víi bªn ngoµi b»ng giät thñy ng©n trong èng n»m ngang. èng cã tiÕt diÖn S = 0,1cm2. ë 270C giät thñy ng©n c¸ch mÆt b×nh cÇu lµ l1 = 5cm. ë 320C giät thñy ng©n c¸ch mÆt b×nh cÇu lµ l2 = 10cm. TÝnh thÓ tÝch b×nh cÇu, bá qua sù d·n në cña b×nh. Bµi 44: Mét b×nh chøa khÝ ë 270C vµ ¸p suÊt 3at. NÕu nöa khèi l­îng khÝ tho¸t ra khái b×nh vµ h×nh h¹ nhiÖt ®é xuèng 170C th× khÝ cßn l¹i cã ¸p suÊt bao nhiªu? Bµi 45 Mét xi lanh c¸ch nhiÖt ®Æt th¼ng ®øng. Piston nhÑ, cã tiÕt diÖn S = 40cm2 cã thÓ tr­ît kh«ng ma s¸t. Khi c©n b»ng, piston c¸ch ®¸y xi lanh 40cm. NhiÖt ®é kh«ng khÝ ch÷a trong xi lanh lµ 270C. §Æt lªn piston mét vËt nÆng cã träng l­îng P = 40N thi piston di chuyÓn ®Õn vÞ trÝ c©n b»ng míi c¸ch ®¸y 38cm. a. TÝnh nhiÖt ®é kh«ng khÝ. Cho ¸p suÊt khÝ quyÓn p0 = 105N/m2. b. CÇn nung kh«ng khÝ ®Õn nhiÖt ®é bao nhiªu ®Ó piston trë vÒ vÞ trÝ ban ®Çu.