nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông chương chất khí

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ -  NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ PHỔ THÔNG Đề tài: NGHIÊN CỨU KIẾN THỨC CHƯƠNG “CHẤT KHÍ”, VẬT LÝ 10 THPT Giảng viên giảng dạy Học viên PGS.TS LÊ CÔNG TRIÊM HÀ THỊ KIM ANH ĐẶNG QUANG HIỂN Lớp : LL &PPDH Vật lý- K24 Huế, Tháng 3/ 2016 MỤC LỤC Trong phần học ta nghiên cứu dạng chuyển động cơ, chủ yếu thay đổi vị trí vật vĩ mô không gian, chưa thật ý đến trình xảy bên vật, liên quan đến cấu tạo vật Thực tế có nhiều tượng liên quan đến trình xảy bên vật, ví dụ trình nóng chảy, bốc Những dạng liên quan đến dạng chuyển động vật chất chuyển động nhiệt Chuyển động nhiệt đối tượng nghiên cứu nhiệt học.[8] Để nghiên cứu chuyển động nhiệt người ta dùng hai phương pháp: + Phương pháp thống kê: ứng dụng vật lý phân tử Mỗi chất cấu tạo từ phân tử nguyên tử Phương pháp thống kê phân tích trình xảy phân tử, nguyên tử riêng biệt dựa vào quy luật thống kê để tìm quy luật chung tập hợp phân tử giải thích tính chất vật Phương pháp thống kê dựa cấu tạo phân tử chất, cho biết cách sâu sắc chất tượng + Phương pháp nhiệt động: ứng dụng phần nhiệt động học Nhiệt động học ngành vật lý nghiên cứu điều kiện biến hóa lượng từ dạng sang dạng khác nghiên cứu biến đổi mặt định lượng Phương pháp nhiệt động dựa hai nguyên lý rút từ thực nghiệm nguyên lý thứ nguyên lý thứ hai nhiệt động học Nhờ nguyên lý này, không cần ý đến cấu tạo phân tử vật ta rút nhiều kết luận tính chất vật điều kiện khác nhau.[8] Nghiên cứu vật lý phân tử nhiệt học tạo bước chuyển hoạt động nhận thức HS Theo trình tự phát triển nhận thức người giới tự nhiên, phần vật lí phân tử đặt sau phần học Newton [2] Chương “Chất khí” coi phần mở đầu nhiệt học Chương trình bày sơ lược cấu trúc phân tử chất khí, ba định luật phương trình trạng thái chất khí Ngoài chương đề cập đến khái niệm khí lý tưởng nhiệt độ tuyệt đối Việc nghiên cứu vật lí phân tử nhiệt học nói chung chương “Chất khí” nói riêng giúp cho giáo viên nắm kiến thức sâu hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho công tác giảng dạy trường THPT PHẦN NỘI DUNG Sơ đồ kiến thức chương Nghiên cứunội dung kiến thức chương 2.1 Một số khái niệm 2.1.1 Khí lí tưởng, khí thực a Khí lí tưởng Để nghiên cứu tính chất chất khí, trước hết cần phải tìm hiểu rõ cấu tạo phân tử chất khí Hơn cần tập trung vào đặc điểm chủ yếu cấu tạo phân tử chất khí, bỏ qua yếu tố thứ yếu không ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất chất khí Xuất phát từ quan niệm này, người ta xây dựng mẫu khí bao gồm đặc điểm chất khí gọi mẫu khí lí tưởng: + Khí lí tưởng gồm số lớn phân tử có kích thước nhỏ (so với khoảng cách trung bình phân tử), phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng + Lực tương tác phân tử trừ lúc va chạm đáng kể lại nhỏ bé, bỏ qua + Sự va chạm lẫn phân tử khí hay va chạm phân tử khí với thành bình tuân theo qui luật va chạm đàn hồi (nghĩa không hao hụt động phân tử) Không khí chất khí nói chung điều kiện bình thường nhiệt độ áp suất coi khí lí tưởng Các chất khí áp suất cao nhiệt độ cao coi khí lí tưởng mà khí thực b Khí thực Đối với khí thực điều kiện bình thường, khoảng cách phân tử cỡ 3.10 -9m ≈10r0, khoảng cách lực tương tác gần không, thể tích riêng phân tử vào khoảng 1/1000 thể tích khối khí Khi nén hạ nhiệt độ, thể tích khối khí giảm; lúc phân tử lại gần bỏ qua lực tương tác chúng, đồng thời thể tích riêng phân tử chiếm phần đáng kể so với thể tích toàn bỏ qua 2.1.2 Lực tương tác phân tử Mọi vật cấu tạo từ phân tử, nguyên tử; phân tử, nguyên tử chuyển động không ngừng Các vật giữ hình dạng thể tích chúng phân tử cấu tạo nên vật đồng thời có lực hút lực đẩy Độ lớn lực phụ thuộc vào khoảng cách phân tử Khi khoảng cách phân tử nhỏ lực đẩy mạnh lực hút, khoảng cách phân tử lớn lực hút mạnh lực đẩy Còn khoảng cách phân tử lớn nhiều lần kích thước phân tử lực tương tác chúng coi không đáng kể Để hình dung tồn lực tương tác phân tử tham khảo mô hình sau: Hai cầu hai đầu lò xo hai phân tử, coi liên kết hai phân tử lò xo Khi bị dãn lò xo có xu hướng co lại tổng hợp lực liên kết hai phân tử lực hút Khi bị nén lò xo có xu hướng dãn nên tổng hợp lực liên kết phân tử lực đẩy 2.1.3 Thông số trạng thái, phương trình trạng thái trình biến đổi trạng thái a) Thông số trạng thái, phương trình trạng thái Khi nghiên cứu vật thấy tính chất thay đổi ta nói trạng thái vật thay đổi Như tính chất vật biểu trạng thái vật ta dùng tập hợp tính chất để xác định trạng thái vật Mỗi tính chất thường đặc trưng đại lượng vật lý trạng thái vật xác định tập hợp xác định đại lượng vật lý Các đại lượng vật lý gọi thông số trạng thái Trạng thái vật xác định nhiều thông số trạng thái Tuy nhiên số có số thông số độc lập với nhau, số khác phụ thuộc vào thông số nói Những hệ thức thông số trạng thái vật gọi phương trình trạng thái vật Để biểu diễn trạng thái khối khí định, người ta thường dùng ba thông số trạng thái: thể tích V, áp suất p, nhiệt độ T khối khí Thực nghiệm chứng tỏ ba thông số có hai thông số độc lập, nghĩa ba thông số có liên hệ biểu diễn bơi phương trình trạng thái có dạng tổng quát: f(p, V, T)=0 b) Quá trình biến đổi trạng thái: Một khối khí chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác trình biến đổi trạng thái, gọi tắt trình Trong hầu hết trình tự nhiên, ba thông số trạng thái thay đổi Tuy nhiên thực trình có hai thông số biến đổi, thông số không đổi Những trình gọi đẳng trình 2.1.4 Áp suất Áp suất đại lượng vật lý có giá trị lực nén vuông góc lên đơn vị diện tích Nếu kí hiệu F lực nén vuông góc lên diện tích ∆S áp suất cho bởi: N Trong hệ SI đơn vị áp suất m (Newton mét vuông) hay patxcan (Pa), tức áp suất gây nên lực 1N tác dụng vuông góc lên diện tích 1m dyn Trong hệ CGS đơn vị áp suất cm (dyn centimet vuông) N dyn = 10 2 m cm Ngoài dùng đơn vị atmotphe kĩ thuật gọi tắt atmotphe (kí hiệu lat) Nếu dùng đơn vị lực kilôgam lực (kG) đơn vị diện tích cm 1at = 1kG N = 9,81.104 2 cm m - Atmosphe vật lí (kí hiệu atm) áp suất gây nên trọng lượng cột thủy ngân cao 760mm - Tor hay milimet thủy ngân (kí hiệu tor hay mmHg) áp suất gây nên trọng lượng cột thủy ngân cao 1mm; Vậy: 1tor = 1mmHg = 133,322 1atm = 760mmHg = 1,013.105 N = 1,033at m2 N m2 2.1.5 Nhiệt độ Nhiệt độ đại lượng vật lý đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử vật Theo quan điểm thuyết động học phân tử, nhiệt độ có liên quan mật thiết với lượng chuyển động tịnh tiến phân tử động trung bình chuyển động tịnh tiến Đối với khí lí tưởng, ta qui ước nhiệt độ θ xác định sau: θ= Wd Vậy phân tử chuyển động nhanh (hoặc chậm) động trung bình chuyển động tịnh tiến phân tử lớn (hoặc nhỏ) nhiệt độ vật cao (hoặc thấp) Nhiệt độ động trung bình chuyển động tịnh tiến phân tử đại lượng liên quan chặt chẽ tới mức độ nhanh hay chậm chuyển động hỗn loạn phân tử Theo quan điểm thuyết động học phân tử, nhiệt độlà đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất vĩ mô vật, thể mức độ nhanh hay chậm chuyển động hỗn loạn phân tử cấu tạo nên vật Như đơn vị nhiệt độ (J) thực tế việc đo trực tiếp động trung bình chuyển động nhiệt khó, lí lịch sử, trước thuyết động học phân tử đời người ta quen dùng đơn vị nhiệt độ “độ” Vì vậy, để đo nhiệt độ độ phải đưa thêm vào công thức hệ số chuyển đơn vị số Bôn-dơ-man k=1,38.10J/độ Khi đó: θ= Wd = kT Để xác định nhiệt độ, người ta sử dụng nhiệt biểu Nguyên tắc nhiệt biểu dựa vào độ biến thiên đại lượng (chiều dài, thể tích, độ dẫn điện ) đốt nóng làm lạnh suy nhiệt độ tương ứng Nhiệt biểu thường dùng nhiệt kế thủy ngân Trong nhiệt biểu nhiệt độ xác định thể tích khối thủy ngân định Vấn đề việc chế tạo nhiệt biểu xây dựng thang đo Người ta đưa nhiều loại thang đo khác bốn thang đo thường quan tâm nhiều thang đo nhà bác học Celsius, Kelvin, Farenheit, Réaumur + Nhiệt giai Celsius (nhiệt giai bách phân), kí hiệu oC Trong nhiệt giai này, người ta chọn điểm tan nước đá điểm sôi nước (ở áp suất atm) oC 100oC Trong khoảng này, chia làm 100 phần nhau, phần gọi 1oC + Nhiệt giai Fahrenheit: kí hiệu làoF Trong nhiệt giai này, người ta chọn điểm tan nước đá điểm sôi nước (ở áp suất atm) 32 oF 212oF Trong khoảng chia làm 180 phần nhau, phần oF Ta có hệ thức liên hệ nhiệt giai Celsius nhiệt giai Fahrenheit: t 0C t F − 32 = 100 180 ⇒ t 0C = (t F − 32) 9 t F = (t 0C + 32) + Nhiệt giai Ken-vin (nhiệt giai Quốc tế): Kí hiệu K (thay 0K) định nghĩa từ biểu thức: hay p = nkT, T nhiệt độ vật, đơn vị đo Kenvin (K); 1k = 1,38.10-23 (J/Kg) số Boltzmann Ta có hệ thức liên hệ nhiệt giai Kelvin nhiệt giai bách phân là: T = toC + 273,15 10 p p = T T0 hay p= p ( 273+t ) p0 T= T0 273 25 Vậy p t = p ( 1+α p t ) 26 Trong αp = 273 gọi hệ số nhiệt biến đổi áp suất khí Từ phương trình ta phát biểu định luật Saclơ sau: 27 Khi thể tích không đổi áp suất khối lượng khí cho trước biến thiên bậc theo nhiệt độ (bách phân) 28 Họ đường đẳng tích P Chú ý p0 áp suất khí 00C nhiệt độ nhiệt độ thang bách phân Đường biểu diễn biến thiên áp suất theo nhiệt độ thể tích không đổi gọi đường đẳng tích.Ứng với thể tích khác ta có đường đẳng tích khác nhau.Đường ứng với thể tích nhỏ 11 2.4.3 Định luật Gay Luy-xác (Gay Lussac) Định luật nàyV1[...]... giới vi mô 2.3 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... tượng khuếch tán của Loschmidt c 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... Lượng chất và mol - Số Avôgađrô a Lượng chất và mol 11 Lượng chất là một trong 7 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 1mol là lượng chất trong đó có chứa một số phân tử hay nguyên tử bằng số nguyên tử chứa trong 12g cacbon 12 Mol của chất nào đó là lượng chất. .. thành bình 2.4 Các định luật thực nghiệm về chất khí Nghiên cứu tính chất của các chất khí bằng thực nghiệm người ta đã tìm ra các định luật nêu lên sự liên hệ giữa hai trong ba thông số áp suất, thể tích và nhiệt độ Cụ 16 thể người ta xét các quá trình biến đổi trạng thái của một khối khí trong đó một thông số có giá trị được giữ không đổi; đó là các quá trình: + Đẳng nhiệt: nhiệt độ không đổi + Đẳng... 3662 Với các nhiệt độ thấp và ở áp suất thông thường, hầu hết các chất khí đều đã hóa lỏng Lúc đó không thể áp dụng các định luật trên được nữa Các định luật hoàn toàn đúng với khí lí tưởng và chỉ gần đúng với các khí thực 13 2.4.5 Phương trình trạng thái của khí lí tưởng Phương trình Clapeyron-Mendeleev (hay còn có tên gọi khác là phương trình trạng thái) được nhà vật lý người Pháp Émile Clapeyron (1799-1864)... 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 12... tượng đã dần dần trở thành một thực thể vật lý c Thể tích mol Thể tích mol của một chất được đo bằng thể tích của 1 mol chất ấy Ở điều kiện chuẩn (00C, 1atm) thể tích mol của mọi chất khí đều bằng 22,4lít/mol 2.2 Thuyết động học phân tử 7 2.2.1 Cơ sở của thuyết a 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... định luật Thực nghiệm còn chứng tỏ áp suất và thể tích khí không hoàn toàn tỉ lệ bậc nhất với nhiệt độ tuyệt đối Nghiên cứu hệ số dãn nở nhiệt của các chất khí người ta thấy nó không phải là hằng số mà phụ thuộc vào nhiệt độ ta xét Đối với các chất khí khác nhau hệ số dãn nở nhiệt có khác nhau Bảng dưới đây cho thấy hệ số dãn nở nhiệt của không khí ở áp suất 1,3 at Khoảng nhiệt độ a.106 0-500C 0-1000C... 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 Bôilơ - Mariôt, 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... hiện tượng nhiệt của các chất như: khuếch tán, truyền nhiệt, dẫn nhiệt, bay hơi, ngưng tụ, , mà còn là cơ 15 sởđể nghiên cứu về các quá trình biến đổi trạng thái khí Tuy nhiên thuyết động học phân tử cũng có những mặt hạn chế: + Nguyên tử luận của thuyết động học phân tử là nguyên tử luận siêu hình Thuyết động học phân tử quan niệm phân tử là hạt “cơ bản” cuối cùng của vật chất không có cấu trúc bên