skkn áp DỤNG PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI của KHÍ lí TƯỞNG GIẢI bài tập về CHẤT KHÍ

Do HĐKH Sở GD&ĐT ghi SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM “ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÍ TƯỞNG GIẢI BÀI TẬP VỀ CHẤT KHÍ” Người thực hiện: Hoàng Thị Long AnhLĩnh vực nghiên cứu: - Phương ph

TRƯỜNG THPT NGUYỄN HỮU CẢNH

Mã số: (Do HĐKH Sở GD&ĐT ghi)

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

“ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÍ

TƯỞNG GIẢI BÀI TẬP VỀ CHẤT KHÍ”

Người thực hiện: Hoàng Thị Long AnhLĩnh vực nghiên cứu:

- Phương pháp dạy học bộ môn: VẬT LÝ 

- Lĩnh vực khác: 

Có đính kèm: Các sản phẩm không thể hiện trong bản in SKKN

 Mô hình  Phần mềm  Phim ảnh  Hiện vật khác

Năm học: 2011 – 2012

2

-SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC

I THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN

1 Họ và tên: Hoàng Thị Long Anh

2 Ngày tháng năm sinh: 03 – 02 – 1977

8 Đơn vị công tác: Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh

II TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO

- Học vị (hoặc trình độ chuyên môn, nghiệp vụ) cao nhất: Cử Nhân

- Năm nhận bằng: 1998

- Chuyên ngành đào tạo: Vật lý

III.KINH NGHIỆM KHOA HỌC

- Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: giảng dạy Vật Lý PT

Số năm có kinh nghiệm: 13

- Các sáng kiến kinh nghiệm đã có trong 5 năm gần đây:

+ Một số phương pháp giải bài toán mạch cầu (cùng GV Nguyễn Thị Thùy Dương)+ Phương pháp giải bài toán mạch đèn (cùng tổ Vật lý)

+ Giải một số bài toán va chạm bằng định luật bảo toàn động lượng và năng lượng

“ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÍ

TƯỞNG GIẢI BÀI TẬP VỀ CHẤT KHÍ”

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Vật lý học là một trong những bộ môn khoa học cơ bản làm nền tảng cungcấp cơ sở lý thuyết cho một số môn khoa học ứng dụng Sự phát triển của Vật lýhọc dẫn tới sự xuất hiện nhiều ngành kỹ thuật mới: Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật tựđộng hoá, Công nghệ tin học… Mục tiêu giảng dạy Vật lý ở trường Trung học phổthông nhằm cung cấp cho học sinh những kiến thức Vật lý cơ bản và nguyên tắccủa những ứng dụng Vật lý trong sản xuất và đời sống; giúp các em lĩnh hội kiếnthức có hiệu quả và tạo cho các em sự hứng thú học tập môn Vật lý, lòng yêu thíchkhoa học, tính trung thực khoa học và sẵn sàng áp dụng những kiến thức Vật lývào thực tế cuộc sống Biết vận dụng những kiến thức đã học vào việc giải bài tậpVật lý là một trong những phương pháp để khắc sâu kiến thức cho học sinh Vớimỗi vấn đề, mỗi dạng bài tập, người giáo viên cần gợi ý, hướng dẫn để các em cóthể chủ động tìm ra cách giải nhanh nhất, hiệu quả nhất khi làm bài tập

Đối với học sinh trung học phổ thông, bài tập Vật lý là một phương tiệnquan trọng giúp học sinh rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng lý thuyết đã học vàothực tiễn Việc giải bài tập vật lý giúp các em ôn tập, cũng cố, đào sâu, mở rộngkiến thức, rèn luyện thói quen vận dụng kiến thức khái quát để giải quyết các vấn

đề của thực tiễn Ngoài ra, nó còn giúp các em làm việc độc lập, sáng tạo, pháttriển khả năng tư duy cũng như giúp các em tự kiểm tra mức độ nắm kiến thức củabản thân

Trong quá trình giảng dạy, tôi nhận thấy khi giải bài tập về chất khí trongphần Nhiệt học của chương trình Vật lý lớp 10 các em còn gặp nhiều khó khăntrong việc giải bài tập vật lý như: không tìm được hướng giải quyết vấn đề, khôngvận dụng được lý thuyết vào việc giải bài tập, không tổng hợp được kiến thứcthuộc nhiều phần của chương trình đã học để giải quyết một vấn đề chung, haykhi giải các bài tập thì thường áp dụng một cách máy móc các công thức mà khônghiểu rõ ý nghĩa vật lý của chúng Xuất phát từ thực tế trên, với một số kinh nghiệm

trong quá trình giảng dạy và qua tham khảo một số tài liệu, tôi chọn đề tài “ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÍ TƯỞNG GIẢI BÀI TẬP VỀ CHẤT KHÍ” nhằm tìm cách để giải bài tập một cách dể hiểu, cơ bản, từ

thấp đến cao, giúp học sinh có kỹ năng giải quyết tốt các bài tập, hiểu được ý nghĩavật lý của từng bài đã giải, rèn luyện thói quen làm việc độc lập, sáng tạo, pháttriển khả năng tư duy, giúp các em học tập môn Vật lý tốt hơn

GV thực hiện: Hoàng Thị Long Anh – Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh – Tổ Vật Lý

4

-II TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

1 Cơ sở lý thuyết:

a Thuyết động học phân tử chất khí:

- Chất khí được cấu tạo từ các phân tử rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng

- Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn không ngừng; chuyển động này càngnhanh thì nhiệt độ chất khí càng cao

- Khi chuyển động hỗn loạn các phân tử khí va chạm vào thành bình và gây áp suấtlên thành bình

phương trình trạng thái (phương trình Clapeyron) gọi là khí lí tưởng.

c Nhiệt độ tuyệt đối (hay nhiệt độ Ken-vin):

- Khoảng cách nhiệt độ 1 K bằng khoảng cách 10C

- Không độ tuyệt đối (0 K) ứng với nhiệt độ - 2730C

- Nếu gọi T là số đo nhiệt độ trong nhiệt giai Ken-vin, còn t là số đo cùng nhiệt

độ đó trong nhiệt giai Xen-xi-ut thì: T = t ( 0 C) + 273 (K)

d Các quá trình biến đổi trạng thái của khí lí tưởng:

Ba thông số xác định trạng thái của một lượng khí là áp suất p, thể tích V vànhiệt độ tuyệt đối T Trong quá trình biến đổi trạng thái, ba thông số phụ thuộc lẫnnhau theo các định luật (1), (2), (3) và theo phương trình (4)

d.1 Định luật Boyle – Mariotte (quá trình đẳng nhiệt):

- Định luật: Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệnghịch với thể tích

- Hệ thức: p~1

V hay pV =hằng số hay p1V1 = p2V2 (1)

- Đường đẳng nhiệt:

+ Đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo thể tích

khi nhiệt độ không đổi gọi là đường đẳng nhiệt

+ Trong hệ toạ độ (p,V) đường đẳng nhiệt là đường

hypebol

+ Ứng với các nhiệt độ khác nhau của cùng một lượng khí

có các đường đẳng nhiệt khác nhau Đường đẳng nhiệt ở

trên ứng với nhiệt độ cao hơn đường đẳng nhiệt ở dưới

d.2 Định luật Charles (quá trình đẳng tích):

- Định luật: Trong quá trình đẳng tích của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ

T 2 >T 1

T 1

T 2 p

O

+ Đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo nhiệt độ

khi thể tích không đổi gọi là đường đẳng tích

+ Trong hệ toạ độ (p,T) đường đẳng tích là đường thẳng

kéo dài đi qua gốc tọa độ

+ Ứng với các thể tích khác nhau của cùng một lượng khí

có các đường đẳng tích khác nhau Đường đẳng tích ở

trên ứng với thể tích nhỏ hơn đường đẳng tích ở dưới

d.3 Định luật Gay Lussac (quá trình đẳng áp):

- Định luật: Trong quá trình đẳng áp của một lượng khí nhất định, thể tích tỉ

lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối

+ Đường biểu diễn sự biến thiên của thể tích theo nhiệt độ

khi áp suất không đổi gọi là đường đẳng áp

+ Trong hệ toạ độ (V,T) đường đẳng áp là đường thẳng

kéo dài đi qua gốc tọa độ

+ Ứng với các áp suất khác nhau của cùng một lượng khí

có các đường đẳng áp khác nhau Đường đẳng áp ở trên

ứng với áp suất nhỏ hơn đường đẳng áp ở dưới

d.4 Phương trình trạng thái của khí lí tưởng (PT Clapeyron):

Phương trình trạng thái cho biết sự phụ thuộc lẫn nhau của ba thông số trạngthái của một lượng khí

= với F là áp lực tác dụng vuông góclên diện tích S

- Các đơn vị áp suất thường dùng:

+ Trong hệ SI: N/m2 hay Pa; 1 N/m2 = Pa; + 1bar = 105 Pa

+ Atmotphe vật lí: 1atm ≈ 1,013.105 Pa

+ Atmotphe kỹ thuật: 1at ≈ 0,981.105 Pa

+ Milimet Hg: 1mmHg ≈ 133 Pa = 1tor

GV thực hiện: Hoàng Thị Long Anh – Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh – Tổ Vật Lý

T(K )

6

Áp suất của chất lỏng tại một điểm M ở độ sâu h trong lòng chất lỏng:

pM = p0 + ph = p0 + ρgh + p0 (N/m2): áp suất khí quyển bên trên mặt thoáng

+ ph = ρgh (N/m2): áp suất do trọng lượng cột chất lỏng có độ cao h.+ ρ (kg/m3): khối lượng riêng của chất lỏng

- Trong một khoảng không gian nhỏ, áp suất khí quyển có thể coi là khôngđổi, không phụ thuộc vào độ cao

Bảng tóm tắt các quá trình biến đổi trạng thái của khí lí tưởng:

Định luật

Boyle – Mariotte

Định luật Charles

Định luật Gay Lussac

O

Phương trình trạng thái của khí lí tưởng

Phương trình Cla-pê-rôn (Claypeyron)

Bước 2: Phân tích bài tập và lên kế hoạch giải:

Xác định rõ lượng khí không đổi, biến đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2bằng quá trình nào (đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp hay cả ba thông số đều biến đổi)

để áp dụng kiến thức đã biết tìm yêu cầu của đề bài

Bước 3: Thực hiện kế hoạch giải:

Áp dụng các định luật (1), (2), (3) hoặc phương trình (4) và các cách biếnđổi toán học chặt chẽ, rõ ràng tùy theo bài cụ thể

Bước 4: Biện luận:

Phân tích kết quả cuối cùng để loại bỏ những kết quả không phù hợp với điềukiện của đề bài và không phù hợp với thực tế

Kiểm tra xem đã giải quyết hết các yêu cầu của bài toán chưa; kiểm tra kếtquả tính toán, đơn vị hoặc có thể giải lại bài toán bằng cách khác xem có cùng kếtquả không

b Các bài toán ví dụ:

b.1 Các bài toán về quá trình đẳng nhiệt:

Định luật Boyle – Mariotte được áp dụng cho khối khí:

- Có khối lượng không đổi, không có biến đổi hóa học

- Không thay đổi nhiệt độ, chỉ thay đổi thể tích, áp suất

Bài 1: (8/159 SGKCB) Một xilanh chứa 150 cm3 khí ở áp suất 2.105 Pa Pittôngnén khí trong xi lanh xuống còn 100 cm3 Tính áp suất khí trong xilanh lúc này, coinhiệt độ như không đổi

Giải:

Trạng thái 1:

3 1

5 1

150 2.10

2

150.2.10 3.10 ( )100

V p

V

Vậy: áp suất khí trong xilanh tăng đến 3.105 Pa

GV thực hiện: Hoàng Thị Long Anh – Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh – Tổ Vật Lý

T = const

8

-Bài 2: (9/159 SGKCB) Một quả bóng có dung tích 2,5 lít Người ta bơm khôngkhí ở áp suất 105 Pa vào bóng Mỗi lần bơm được 125cm3 Tính áp suất của khôngkhí trong quả bóng sau 45 lần bơm Coi quả bóng trước khi bơm không có khôngkhí và trong khi bơm nhiệt độ của không khí không thay đổi

p 1 V 1 = p 2 V 2

5

5

1 1 2

2

5,625.10

2, 25.10 ( )2,5

V p

V

Vậy: áp suất khí trong bóng tăng đến 2,25.105 Pa

Bài 3: Bơm không khí ở áp suất p1 = 1 atm vào một quả bóng có dung tích2,4 lít bằng một ống bơm hình trụ có chiều cao h = 40cm, đường kính trong

d = 4cm Cần phải bơm bao nhiêu lần để không khí trong bóng có áp suất p2 = 3,5atm? Biết rằng trước khi bơm trong bóng đã có không khí ở áp suất 1atm và nhiệt

độ không thay đổi khi bơm

V0 = S.h = π.d2.h/4 = 160π(cm3 ) = 0,16π (lít)Nhiệt độ không thay đổi khi bơm, áp dụng định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt:

p1.V1 = p2.V2=> V1 = 2 2

1

p V p

V

−

Bài 4: (29.8/66 SBTCB) Tính khối lượng khí ôxi đựng trong một bình thể tích 10

lít dưới áp suất 150 atm ở nhiệt độ 00C Biết ở điều kiện chuẩn khối lượng riêngcủa ôxi là 1,43 kg/m3

Giải: Nhớ: Khối lượng riêng ρ = m

V

Trạng thái 1: Trạng thái 2:

T = const

T = const

Khí Ôxi ở điều kiện chuẩn

0

0 0

10( ít)=10.10 m ? 150

ρρ

Giải: Xét khối khí trong bọt nước

99967( ) 76

b.2 Các bài toán về quá trình đẳng tích:

Định luật Charles được áp dụng cho khối khí:

- Có khối lượng không đổi, không có biến đổi hóa học

- Không thay đổi thể tích (chứa trong bình kín), chỉ thay đổi áp suất, nhiệt độ

GV thực hiện: Hoàng Thị Long Anh – Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh – Tổ Vật Lý

T = const

T = const

h = ?

10

-Bài 1: Một chiếc lốp ô tô chứa không khí có áp suất 5bar và nhiệt độ 280C.Khi xe chạy nhanh, làm nhiệt độ không khí trong lốp tăng thêm 200C Tính áp suất

của không khí trong lốp xe lúc này?

Giải: Chú ý: Nhiệt độ tăng thêm nên T2 > T1

Trạng thái 1:

0 1

Vậy: áp suất khí trong lốp xe tăng đến 5,33 bar

Bài 2: (30.7/69 SBTCB) Một săm xe máy được bơm căng không khí ở nhiệt độ

200C và áp suất 2 atm Hỏi săm có bị nổ không khi để ngoài nắng nhiệt độ 420C? Coi sựtăng thể tích của săm là không đáng kể và biết săm chỉ chịu được áp suất tối đa là 2,5 atm

Giải :

Trạng thái 1:

0 1

Vậy: Áp suất khí trong săm nhỏ hơn áp suất tối đa nên săm không bị nổ

Bài 3: (30.9/69 SBTCB) Biết thể tích của một lượng khí là không đổi Hãygiải bài toán sau bằng hai cách: dùng công thức và dùng đồ thị.a) Chất khí ở 00C có áp suất 5 atm Tìm áp suất của khí ở nhiệt độ 2730C.b) Chất khí ở 00C có áp suất p0 Phải đun nóng chất khí lên tới nhiệt độ nào để ápsuất của khí tăng lên 3 lần?

V = const

V = const

Đường đẳng tích trong hệ tọa độ (p,T) là đường thẳng kéo dài đi qua gốc tọađộ: O 0

2

546 10

Đường đẳng tích trong hệ tọa độ (p,T)

là đường thẳng kéo dài đi qua gốc tọa độ

819 3

Bài 4: Van an toàn của một nồi áp suất sẽ mở khi áp suất trong nồi là 9 atm

Ở 200C, hơi trong nồi áp suất 1,5 atm Hỏi ở nhiệt độ nào thì van an toàn sẽ mở?

là quá trình đẳng tích, áp dụng định luật Chasler:

A B

T(K)

p(atm )

O

5 10

273 546

V = const

C

D

p

3p 0

2p 0 p 0

O

M nn nn nn nn nn nb nb bb bb u;

uu uu uu uu yy yy yy ref m N H Aa aa ksj sb sg hd c/

bn

? n, m bn b m,

273 546 819 T(K)

12

-Vậy nhiệt độ của khí là 1758K hay 14850C thì van an toàn sẽ mở

Nhận xét: Trong thực tế dùng nồi áp suất để hầm thức ăn cho mau mềm vì

nồi áp suất có tác dụng làm tăng nhiệt sôi của chất lỏng

Bài 5: (30.10/69 SBTCB) Một chai chứa không khí được nút kín bằng một nút có

trọng lượng không đáng kể, tiết diện 2,5 cm2 Hỏi phải đun nóng không khí trongchai lên tới nhiệt độ tối thiểu bằng bao nhiêu để nút bật ra? Biết lực ma sát giữa nút

và chai có độ lớn là 12 N, áp suất ban đầu của không khí trong chai bằng áp suấtkhí quyển và bằng 9,8.104 Pa, nhiệt độ ban đầu của không khí trong chai là -30C

F p S

=

Tại thời điểm nút bật ra, áp lực không khí trong chai tác dụng lên nút phảilớn hơn áp lực của khí quyển và lực ma sát hay để nút bật ra thì áp suất của khítrong bình cần có giá trị lớn hơn áp suất khí quyển cộng với áp suất do lực ma sáttác dụng lên nút bình:

Trước khi nút bật ra, thể tích khí trong chai không đổi và quá trình đun nóng

là quá trình đẳng tích, áp dụng định luật Chasler:

Vậy: Phải đun nóng tới nhiệt độ ít nhất là T2 = 402 K hoặc t2 = 1290C

Chú ý: Phải làm rõ được bản chất của vấn đề là muốn cho nút bật ra thì áp

suất của khí trong bình phải lớn hơn áp suất khí quyển cộng với áp suất do lực masát tác dụng lên nút

b.3 Các bài toán về quá trình đẳng áp:

Định luật Gay Lussac được áp dụng cho khối khí:

- Có khối lượng không đổi, không có biến đổi hóa học

- Không thay đổi áp suất (thường là do cân bằng với áp suất khí quyển), chỉ thayđổi nhiệt độ, thể tích

Bài 1: Dãn khối khí đẳng áp từ thể tích 10 lít đến thể tích 40 lít thì nhiệt

độ của khối khí thay đổi như thế nào?

V = const

p

3p 0

2p 0

p0

O

M nn nn nn nn nn nb nb bb bb u;

uu uu uu uu yy yy yy ref m N H Aa aa ksj sb sg hd c/

bn

? n, m bn b m,

Vậy nhiệt độ của khối khí tăng lên 4 lần.

Nhận xét: Quá trình đẳng áp, nhiệt độ tuyệt đối tỉ lệ thuận với thể tích nên

thể tích tăng 4 lần thì nhiệt độ tăng 4 lần

Bài 2: Đun nóng đẳng áp một lượng khí lên đến 470C thì thể tích khí tăng

thêm 1/10 thể tích khí lúc ban đầu Tìm nhiệt độ ban đầu của khí?

Vậy nhiệt độ ban đầu của khối khí là 291 K hay 180C

Bài 3: Khối lượng riêng của không khí trong phòng (270C) lớn hơn khốilượng riêng của không khí ngoài sân nắng (420C) bao nhiêu lần? Biết áp suấtkhông khí trong và ngoài phòng là như nhau

Giải: Xét cùng một khối lượng không khí m.

p = const

p = const

Vậy khối lượng riêng của không khí trong phòng lớn hơn khối lượng riêng

của không khí ngoài sân nắng 1,05 lần.

Nhận xét: Quá trình đẳng áp, nhiệt độ tuyệt đối tỉ lệ thuận với thể tích, nên

khối lượng riêng tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối

Bài 4: Một bình dung tích V = 15cm3 chứa không khí ở nhiệt độ t1 = 1770C,nối với một ống nằm ngang chứa đầy thủy ngân, đầu kia của ống thông với khíquyển Tính khối lượng thủy ngân chảy vào bình khi không khí trong bình đượclàm lạnh đến nhiệt độ t2 = 270C Dung tích coi như không đổi, khối lượng riêng củathủy ngân là D = 13,6g/cm3

Giải: Xét khối không khí chứa trong bình.

Hiện tượng:

Ban đầu cột thủy ngân trong ống nằm ngang, cân bằng Áp suất trong bình bằng áp suất khí quyển, p1 = p0

Khi nhiệt độ khí trong bình giảm, áp suất khí trong bình cũng giảm, nhỏ hơn

áp suất khí quyển, một phần thủy ngân sẽ bị khí quyển đẩy vào chiếm một phần thểtích bình chứa, thể tích khí trong bình giảm và áp suất khí lại tăng lên Khi áp suấttrong bình tăng bằng áp suất khí quyển, cột thủy ngân sẽ nằm yên cân bằng khôngchảy vào trong bình nữa, p2 = p0

15.300

10( ) 450

V T

T

Thể tích thủy ngân chảy vào bình: V = V 1 – V 2 = 15 – 10 = 5(cm 3 )

Vậy khối lượng thủy ngân chảy vào bình: m = D.V = 13,6.5 = 68(g)

b.4 Các bài toán về thông số trạng thái của khí (quan hệ giữa các đại lượng p,V,T):

V

1

V2