Phân tích chương trình Vật lí phổ thông chất khí

Khái niệm đại lượng Nhiệt độ Nhiệt độ là đại lượng vật lý, đặc trưng cho tính chất vĩ mô của vật hay hệ vật, thể hiện mức độ nhanh, chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử của vật

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ - 

Phân tích chương trình Vật lí phổ thông

Đề tài: Phân tích kiến thức cơ bản phần "Chất khí"

Vật lý 10

GVHD: PGS.TS LÊ CÔNG TRIÊM

Học viên: DƯƠNG THỊ HẰNG

Lớp : LL &PPDH Vật Lí – Khóa 23

Huế, Năm 2015

MỤC LỤC

A MỞ ĐẦU

Nhiệt học là một phần của vật lí học nghiên cứu về các hiện tượng nhiệt Những hiện tượng nhiệt này có thể giải thích được dựa vào cấu trúc phân tử của vật chất do đó phần vật lí học nghiên cứu cấu trúc phân tử gọi là vật lý học phân tử Ngoài ra nhiệt học còn dùng phương pháp vĩ mô tìm ra quy luật cho các quá trình biến đổi có trao đổi nhiệt và công, đó là nhiệt động lực học (nhiệt học)

Phần nhiệt học trong chương trình vật lý phổ thông bao gồm các vấn đề:

+ Chất khí

+ Cơ sở của nhiệt động lực học

+ Chất rắn và chất lỏng Sự chuyển thể

Trong đó “Chất khí” nghiên cứu về cấu trúc phân tử của chất khí, ba định luật và phương trình trạng thái của chất khí Ngoài ra, chương này còn đề cấp đến khái niệm về khí

lý tưởng và nhiệt độ tuyệt đối Từ đó, làm cơ sở cho học sinh giải thích các hiện tượng trong thực tế cuộc sống và tìm hiểu về các ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật

Nhằm giúp bản thân hiểu sâu hơn nội dung kiến thức chương “Chất khí”, trong tiểu luận này chúng tôi đi sâu nghiên cứu những kiến thức cơ bản của chương “Chất khí”

B NỘI DUNG

I KIẾN THỨC CƠ BẢN

1 Các khái niệm

1.1 Khái niệm đại lượng

- Nhiệt độ

1.2 Khái niệm mô hình

- Số Avôgadrô

- Khí lí tưởng

- Lực tương tác phân tử

2 Thuyết vật lí

- Thuyết động học phân tử chất khí

3 Các định luật thực nghiệm về chất khí

3.1 Định luật Bôilơ-Mariốt

3.2 Định luật Sáclơ

3.3 Định Luật Gay - Luy-xác

3.4 Phương trình trạng thái của khí lí tưởng và phương trình Cla-pê-rôn - Men-đê-lê-ép

4 Phương pháp nhận thức

4.1 Phương pháp thực nghiệm

4.2 Phương pháp mô hình

4.3 Phương pháp đồ thị

II NỘI DUNG KIẾN THỨC

1 Các khái niệm

1.1 Khái niệm đại lượng

Nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lượng vật lý, đặc trưng cho tính chất vĩ mô của vật (hay hệ vật), thể hiện mức độ nhanh, chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử của vật (hay hệ vật) đó.

Nhiệt độ liên quan đến năng lượng chuyển động nhiệt (động năng) của các phân tử Đối với khí lí tưởng, ta qui ước nhiệt độ được xác định như sau:

d

2

θ = W

Nếu các phân tử chuyển động càng nhanh (hoặc càng chậm) thì động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử càng lớn (hoặc càng nhỏ) và do đó nhiệt độ của vật càng cao (hoặc càng thấp) Nhiệt độ cũng như động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử là đại lượng liên quan chặt chẽ tới mức độ nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử

Tuy nhiên, trên thực tế ta không thể dùng đơn vị năng lượng để đo nhiệt độ vì: ta không thể đo trực tiếp năng lượng chuyển động nhiệt, hơn nữa năng lượng ấy lại rất nhỏ Vì

thế ta dùng đơn vị của nhiệt độ là độ (o) Tùy theo cách chia độ mà ta có các nhiệt giai khác

nhau:

+ Nhiệt giai Celsius (nhiệt giai bách phân): kí hiệu là oC Trong nhiệt giai này, người

ta chọn điểm tan của nước đá và điểm sôi của nước (ở áp suất 1 atm) là 0oC và 100oC Trong

khoảng này, chia làm 100 phần đều nhau, mỗi phần đó bằng 1oC.

+ Nhiệt giai Fahrenheit: kí hiệu là 0F Trong nhiệt giai này, người ta chọn điểm tan

của nước đá và điểm sôi của nước (ở áp suất 1 atm) là 32oF và 212oF Trong khoảng này chia làm 180 phần đều nhau, mỗi phần là 1oF Ta có hệ thức liên hệ giữa nhiệt giai Celsius và

nhiệt giai Fahrenheit:

+ Nhiệt giai Kelvin (nhiệt giai Quốc tế): kí hiệu là K (thay vì oK) và được định nghĩa

từ biểu thức: đ hay p = nKT

trong đó T là nhiệt độ của vật, đơn vị đo là kelvin (K);

k = 1,38.10 – 23 (J/K) là hằng số Boltzmann

Ta có hệ thức liên lạc giữa nhiệt giai Kelvin và nhiệt giai bách phân là:

T = toC + 273,15 Với định nghĩa trên, khi T = 0 thì Wđ = 0 Điều này chứng tỏ trên thực tế không bao giờ đạt đến không độ kelvin, vì muốn vậy, các phân tử khí phải đứng yên, không còn chuyển động nhiệt hỗn loạn nữa - mâu thuẫn với thuyết động học phân tử Chính vì vậy 0 (K) được

gọi là độ không tuyệt đối và nhiệt giai Kelvin còn gọi là nhiệt giai tuyệt đối

1.2 Khái niệm mô hình

1.2.1 Số Avôgadrô

Lượng chất là một trong bảy đại lượng vật lí cơ bản của hệ thống đo lường quốc tế

(SI) Lượng chất chứa trong một vật được xác định theo số phân tử hay nguyên tử chứa trong vật ấy Lượng chất được đo bằng mol

Mol của chất nào đó là lượng chất chứa 6,02.1023 hạt (nguyên tử, phân tử) chất đó

Số Avôgađrô

Số 6,02.10 23 hạt chứa trong 1 mol chất gọi là số Avôgađrô và được kí hiệu là : NA = 6,02.1023 mol –1 (đó là số nguyên tử trong 12 gam cacbon, được lấy làm chuẩn về lượng chất) Điều này có nghĩa rằng tất cả các chất khí trong cùng một điều kiện về áp suất và nhiệt độ đều chứa cùng một số phân tử hay nguyên tử, khi chúng có cùng một thể tích

Ý nghĩa: Việc tìm ra số Avôgađrô đã cho phép xác định được khối lượng của từng loại

nguyên tử, phân tử Như vậy là nguyên tử, phân tử từ chỗ là sản phẩm đơn thuần của trí tưởng tượng đã dần dần trở thành một thực thể vật lý

1.2.2 Khí lí tưởng

Để vận dụng thuyết động học phân tử vào việc nghiên cứu các tính chất của chất khí, trước hết cần phải tìm hiểu rõ cấu tạo phân tử của chất khí Hơn nữa cần tập trung vào những đặc điểm chủ yếu của cấu tạo phân tử của chất khí, bỏ qua những yếu tố thứ yếu không ảnh hưởng rõ rệt đến các tính chất của chất khí Xuất phát từ quan niệm này, người ta xây dựng một mẫu khí bao gồm những đặc điểm cơ bản của chất khí gọi là mẫu khí lí tưởng:

+ Khí lí tưởng gồm một số rất lớn các phân tử có kích thước rất nhỏ (so với khoảng cách trung bình giữa các phân tử), các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng

+ Lực tương tác giữa các phân tử chỉ trừ lúc va chạm là đáng kể còn lại thì rất nhỏ bé,

có thể bỏ qua

+ Sự va chạm lẫn nhau giữa các phân tử khí hay va chạm giữa các phân tử khí với thành bình tuân theo qui luật va chạm đàn hồi (nghĩa là không hao hụt động năng của phân tử)

Trên thực tế không có khí lý tưởng Không khí và các chất khí nói chung ở điều kiện bình thường về nhiệt độ và áp suất đều có thể coi gần đúng là khí lí tưởng.Tuy nhiên, trong phạm vi gần đúng, các kết qủa rút ra đối với khí lý tưởng cũng áp dụng được cho khí thực

Áp suất khí khí lí tưởng

Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn không ngừng va vào thành bình hoặc vào bề mặt ∆S bất kì nằm trong khối khí, tạo nên áp suất Chuyển động của các phân tử càng nhanh, tức động năng càng lớn, thì đập vào bình với áp lực càng lớn, gây ra áp suất càng lớn Ngoài

ra, mật độ các phân tử khí càng lớn thì khả năng va chạm với thành bình càng cao, suy ra áp suất càng lớn

Vậy áp suất của khí có liên quan đến động năng của các phân tử khí và mật độ khí

1.2.3 Lực tương tác phân tử

Mọi vật đều được cấu tạo từ các phân tử, nguyên tử; các phân tử, nguyên tử luôn chuyển động không ngừng Các vật giữ được hình dạng và thể tích của chúng là do giữa các phân tử cấu tạo nên vật đồng thời có lực hút và lực đẩy Độ lớn của những lực này phụ thuộc

vào khoảng cách giữa các phân tử.

Khi khoảng cách giữa các phân tử nhỏ thì lực đẩy mạnh hơn lực hút, khi khoảng cách giữa các phân tử lớn thì lực hút mạnh hơn lực đẩy Còn khi khoảng cách giữa các phân tử lớn hơn nhiều lần kích thướt phân tử thì lực tương tác giữa chúng coi như không đáng kể Để hình dung được sự tồn tại của lực tương tác phân tử, có thể cho học sinh tham khảo mô hình sau:

Hai quả cầu ở hai đầu lò xo là hai phân tử, coi liên kết giữa hai phân tử như một lò xo Khi bị dãn lò xo có xu hướng co lại do đó tổng hợp lực liên kết của hai phân tử là lực hút Khi

bị nén lò xo có xu hướng dãn ra nên tổng hợp lực liên kết phân tử là lực đẩy

2 Thuyết vật lí

Thuyết động học phân tử chất khí

2.1 Cơ sở của thuyết

2.1.1 Cơ sở kinh nghiệm

Thuyết động học phân tử (ban đầu là thuyết cấu tạo chất) là một trong những thuyết vật lí ra đời sớm nhất Đó là kết quả của cuộc đấu tranh kéo dài nhiều thế kỉ giữa những quan niệm đối lập về bản chất của nhiệt và là sự kế thừa những quan niệm cổ đại nhất về cấu tạo chất Theo quan niệm của Demokritos thì vật chất được cấu tạo một cách gián đoạn từ các hạt, trong khi đó một trường phái khác cho rằng vật chất được cấu tạo một cách liên tục từ một số chất cơ bản Giả thuyết cho rằng nhiệt có được là do chuyển động của các hạt vật chất

ra đời trước giả thuyết về “chất nhiệt” và được các nhà bác học Hooke, Boyle, Newton, Lomonosov ủng hộ Bên cạnh đó, những thành tựu nguyên tử luận trong hóa học đã góp phần quan trọng đến sự ra đời của thuyết động học phân tử Cùng với đó là sự ra đời của số Avogadro cho phép xác định được khối lượng của từng nguyên tử Như vậy, nguyên tử từ chổ là sản phẩm đơn thuần của trí tưởng tượng của con người đã dần dần trở thành một thực thể vật lí Đó chính là một trong những động lực quan trọng quyết định sự ra đời của thuyết động học phân tử

2.1.2 Cơ sở thực nghiệm

Các định luật thực nghiệm về chất khí của Boyle, Mariot, Gay-Lussac và Charles có quan hệ trực tiếp đến sự ra đời của thuyết động học phân tử Năm 1834 Clapeyron đã biểu

diễn phương trình trạng thái của chất khí thành một công thức tổng quát pV = nRT Ngoài ra

còn có những cơ sở thực nghiệm quan trọng khác nữa đó là sự phát hiện ra chuyển động Brown, hiện tượng khuếch tán của Loschmidt

2.2 Các mô hình đầu tiên

- Mô hình tĩnh học chất khí của Boyle là mô hình được đưa ra đầu tiên Theo ông thì chất khí do các hạt vật chất hình cầu rất nhỏ tạo thành và có tính chất đàn hồi như cao su

- Mô hình động học chất khí được Bernouli đưa ra năm 1734 cho rằng chất khí được cấu tạo bởi những hạt vật chất chuyển động hỗn loạn và không ngừng Mô hình của ông đã giải thích thành công nguyên nhân gây ra áp suất và giải thích được định luật thực nghiệm Boyle-Mariotte

Vậy dựa theo các quan điểm cơ bản của thuyết, các nhà khoa học xây dựng mô hình cấu trúc phân tử của vật chất Phân tử được coi như những quả cầu nhỏ, rắn, đàn hồi tuyệt đối

2.3 Nội dung của thuyết

Tư tưởng cơ bản của thuyết là tư tưởng cơ học của Newton Theo Newton vật chất cấu tạo bởi các hạt nằm trong chân không và giũa chúng có tương tác với nhau Trong suốt ba thế

kỉ XVII, XVIII, XIX, quan điểm này giữ vai trò thống trị và chi phối sự hình thành, phát triển của thuyết động học phân tử

Thuyết động học phân tử có thể coi là sự vận dụng tư tưởng của cơ học Newton vào

thế giới vi mô Các quan điểm cơ bản của thuyết là:

- Vật chất được cấu tạo từ các hạt rất nhỏ gọi là phân tử

- Các phân tử chuyển động hỗn loạn và không ngừng

- Các phân tử tương tác với nhau bằng lực hút và lực đẩy

- Chuyển động và tương tác của các phân tử tuân theo định luật cơ học của Newton

Thuyết động học phân tử không những giải thích được các hiện tượng nhiệt của các chất như: khuếch tán, truyền nhiệt, dẫn nhiệt, bay hơi, ngưng tụ, mà còn là cơ sở để nghiên cứu về các quá trình biến đổi trạng thái khí

Thuyết động học phân tử chất khí

Vật chất ở điều kiện bình thường tồn tại ở ba thể rắn, lỏng, khí Chất khí có những đặc điểm giống với chất rắn và chất lỏng, tuy nhiên nó cũng có những đặc điểm khác biệt Vì vậy dựa trên thuyết động học phân tử và mô hình khí lí tưởng người ta đưa ra thuyết động học

phân tử chất khí Nội dung của thuyết như sau:

- Chất khí bao gồm các phân tử Kích thước phân tử là nhỏ Trong phần lớn các trường hợp có thể bỏ qua kích thước ấy và coi mỗi phân tử như mỗi chất điểm

- Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng Nhiệt độ càng cao thì vận tốc chuyển động hỗn loạn càng lớn Chuyển động hỗn loạn của phân tử gọi là chuyển động nhiệt

- Do phân tử chuyển động hỗn loạn, tại mỗi thời điểm, hướng của vận tốc phân tử phân bố đều (theo mọi hướng như nhau) trong không gian

- Khi chuyển động, mỗi phân tử va chạm với các phân tử khác và với thành bình

- Khi không va chạm, các phân tử gần như tự do và chuyển động thẳng đều

- Khi phân tử này va chạm với các phân tử khác thì cả hai phân tử tương tác, làm thay đổi phương chuyển động và vận tốc của từng phân tử

- Khi va chạm với thành bình, phân tử bị phản xạ và truyền động lượng cho thành bình Rất nhiều phân tử va chạm với thành bình tạo nên một lực đẩy vào thành bình Lực này tạo nên áp suất lên thành bình

2.4 Hệ quả của thuyết

Sự phát triển của thuyết đông học phân tử gắn liền với sự phát triển của vật lí thống kê qua 3 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Phát triển của thuyết động học phân tử và phối hợp nó với nhiệt động lực học mang tính chất hiện tượng luận vào cuối thế kỉ 19 đầu thế kỉ 20 liên quan đến các công trình của Clausius, Maxwell, Boltzmann

- Giai đoạn 2: Phát triển vật lý thống kê, dùng nó để giải thích giá trị của các đại lượng quan sát được trong thí nghiệm Đây là thời kì thành lập nhiệt động lực học thống kê liên quan tới những công trình của Gibbs, Bose và Einstein

- Giai đoạn 3: Xây dựng và phát triển thống kê lượng tử liên quan tới các công trình của Einstein, Pauli, Fermi, Dirac

Trong 3 giai đoạn trên thì giai đoạn đầu tiên có quan hệ trực tiếp với thuyết động học phân tử hiểu theo nghĩa nguyên thủy của nó Những hệ quả có được từ thuyết động học phân

tử có thể nêu một cách vắn tắt là:

+ Vạch rõ bản chất của nhiệt: từ phương trình cơ bản , phối hợp vói

phương trình trạng thái pV=RT ta suy ra Trong đó n là mật độ chất khí

và được gọi là hằng số Boltzmann

+ Định luật phân bố phân tử theo vận tốc của Maxwell

+ Định luật phân bố phân tử theo chiều cao của Boltzmann

+ Bản chất của nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học

2.5 Thiếu sót của thuyết

Hạt chế cơ bản nhất của thuyết động học phân tử nằm ngay trong tư tưởng cơ bản của thuyết:

- Nguyên tử luận của thuyết động học phân tử là nguyên tử luận siêu hình Thuyết động học phân tử quan niệm rằng phân tử là hạt “cơ bản” cuối cùng của vật chất không có cấu trúc bên trong

- Thiếu sót nghiêm trọng hơn là đã sử dụng các định luật cơ bản của cơ học cổ điển vào thế giới vi mô

3 Các định luật thực nghiệm về chất khí

3.1 Ba định luật thực nghiệm

0

V

T2 >T1

T1 T2

3.1.1 Định luật Boyle-Mariotte

Từ năm 1659, Robert Boyle đã tiến hành nhiều thí nghiệm về tính chất của chất khí, qua đó ông đã phát hiện ra ở nhiệt độ không đổi thì áp suất và thể tích tỉ lệ nghịch với nhau và công bố mối lien hệ này vào năm 1662

Độc lập với Robert Boyle thì có Edme Mariotte cũng tìm thấy mối liên hệ tương tự vào năm 1676 Vì vậy, định luật này có tên là định luật Boyle-Mariotte

Định luật: Trong quá trình đẳng nhiệt của một khối khí xác định, thể tích tỉ lệ nghịch

với áp suất hay nói cách khác tích số của thể tích và áp suất của khối khí là một hằng số.

Biểu thức:

1 p V

:

hay pV = const Đối với một khối khí nhất định, giá trị của hằng số (const) ở trên phụ thuộc vào nhiệt

độ của khối khí đó

Đường biểu diễn sự biến thiên của thể tích theo áp suất khi nhiệt độ không đổi gọi là đường đẳng nhiệt.Trong hệ toạ độ pOV thì đường này là đường hybebol Ứng với các nhiệt

độ khác nhau ta được các đường đẳng nhiệt khác nhau Nhiệt độ càng cao đường đẳng nhiệt càng xa điểm gốc.Tập hợp các đường đẳng nhiệt gọi là họ đường đẳng nhiệt

Định luật Boyle-Mariotte là định luật gần đúng, nó chỉ khá chính xác với đa số chất khí ở nhiệt độ gần với nhiệt độ phòng và không chịu áp suất quá cao so với áp suất khí quyển

Để hiểu rõ bản chất vật lý của định luật Boyle-Mariotte, ta sẽ giải thích định luật này

một cách định tính theo thuyết động học phân tử

Như ta đã biết, nguyên nhân của áp suất chất khí là do sự va chạm của phân tử khí lên thành bình đựng nó Độ lớn của áp suất phụ thuộc vào hai yếu tố:

- Số va chạm của các phân tử khí lên mỗi đơn vị diện tích của thành bình Số va chạm

này phụ thuộc vào mật độ phân tử khí lên thành bình (với một lượng khí xác định mật độ này phụ thuộc vào thể tích), mật độ càng lớn (hoặc càng nhỏ) thì số va chạm càng lớn (hoặc càng