8. Cấu trúc luận văn
2.2.3.1.Thuyết động học phân tử chất khí
- Tính chất của chất khí: bành trướng, dễ nén và có khối lượng riêng nhỏ so với chất rắn và chất lỏng.
- Cấu trúc của chất khí: mỗi chất khí được tạo thành từ những phân tử giống hệt nhau. Mỗi phân tử có thể bao gồm một hoặc nhiều nguyên tử.
- Lượng chất, mol:
+ Lượng chất: lượng chất chứa trong một vật được xác định theo số phân tử hay nguyên tử chứa trong vật ấy.
+ Mol: 1 mol là lượng chất trong đó có chứa một số phân tử hay nguyên tử bằng số nguyên tử chứa trong 12g cacbon 12 (số phân tử hay nguyên tử trong 1 mol của mọi chất đều cùng 1 giá trị ).
30
+ Khối lượng mol của một chất được đo bằng khối lượng của một mol chất ấy, thường được kí hiệu bằng chứ Hy lạp (đọc là muy).
+ Thể tích mol của chất được đo bằng thể tích của 1 mol chất ấy. Ở điều kiện tiêu chuẩn (00C, 1 atm) thể tích mol của mọi chất khí đều bằng 22,4 lít/mol hay 0,0224 m3/mol.
+ Khối lượng m0 của một phân tử (hay nguyên tử) của một chất
+ Số mol v (đọc là nuy) chứa trong khối lượng m của một chất
+ Số phân tử (hay nguyên tử) N có trong khối lượng m của một chất
- Thuyết động học phân tử chất khí:
+ Chất khí bao gồm các phân tử kích thước phân tử là nhỏ. Trong phần lớn các trường hợp có thể bỏ qua kính thước ấy và coi mỗi phân tử như một 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.
+ Khi chuyển động, mỗi phân tử va chạm với các phân tử khác và va chạm với thành bình. Giữa hai va chạm, phân tử gần như tự do và chuyển động thẳng đều. Khi phân tử này va chạm với phân tử khác, thì cả hai phân tử tương tác, làm thay đổi phương chuyển động và vận tốc của từng phần 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 lực đẩy vào thành bình. Lực này tạo ra áp suất của chất khí lên thành bình.
- Cấu tạo phân tử của vật chất: vật 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, phân tử chuyển động hỗn loạn về mọi phía, do đó chất khí chiếm toàn bộ thể tích bình chứa, không có hình dáng và thể tích xác định.
31
- Ở thể lỏng và thể rắn: mỗi phân tử luôn có những phân tử khác ở gần nó, các phân tử được sắp xếp một cách nhất định và có liên kết với các phân tử lớn nên chúng có hình dạng xác định. Mặt khác ở thể rắn vị trí cân bằng của phân tử là cố định nên vật rắn có hình dạng xác định còn ở thể lỏng vị trí cân bằng có thể dời chỗ sau những khoảng thời gian trung bình nên nó không có hình dạng xác định mà có hình dạng của bình chứa.
- Khí lý tưởng:
+ Theo quan điểm vi mô: coi phân tử của chất khí là những chất điểm, chuyển động hỗn loạn không ngừng, chỉ tương tác với nhau khi va chạm.
+ Theo quan điểm vĩ mô: tuân theo đúng hai định luật Bôi-lơ_Ma-ri-ốt và Sác-lơ. - Khí thực: chỉ tuân theo gần đúng hai định luật Bôi-lơ_Ma-ri-ốt và Sác-lơ.
2.2.3.2. Các định luật và phương trình chất khí
- Các thông số trạng thái: P áp suất, t nhiệt độ, V thể tích.
- Đẳng quá trình: trong quá trình biến đổi trạng thái có hai thông số thay đổi còn một thống số không thay đổi.
- Định luật Bôi-lơ_Ma-ri-ốt:
+ Quá trình đẳng nhiệt: là quá trình biến đổi trong đó nhiệt độ của những vật mà ta xét không đổi.
+ Nội dung định luật: ở nhiệt độ không đổi, tích của áp suất p và thể tích V của một lượng khí xác định là một hằng số.
+ Đường đẳng nhiệt: là một cung Hypebol biểu diễn mỗi quan hệ giữa thể tích và áp suất.
- Định luật Sác-lơ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
32 + Nội dung định luật:
Phát biểu 1: với một lượng khí có thể tích không đổi thì áp suất p phụ thuộc vào
nhiệt độ t của chất khí như sau:
Trong đó: p0 là áp suất ở 00C. t là nhiệt độ (0C). p là áp suất ở t0C.
có giá trị như nhau đối với mọi chất khí, mọi nhiệt độ và bằng và được gọi là hệ số tăng áp đẳng tích.
Phát biểu 2: khi thể tích của một lượng khí không đổi, áp suất tỉ lệ thuận với
nhiệt độ tuyệt đối:
+ Đường đẳng tích: là đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo nhiệt độ khi thể tích không đổi.
+ Nhiệt độ tuyệt đối: T là số đo nhiệt độ trong nhiệt giai Ken-vin, t là số đo cùng nhiệt độ đó trong nhiệt giai Xen-xi-út thì:
Nhiệt độ đo trong nhiệt giai Ken-vin được gọi là nhiệt độ tuyệt đối
Người ta coi nhiệt độ là niệt độ thấp nhất không thể đạt được và gọi là không độ tuyệt đối. Khoảng cách 1K bằng khoảng cách 10C
- Định luật Gay Luy-xác:
+ Quá trình đẳng áp: là quá trình biến đổi của lượng khí có áp suất không đổi. + Nội dung định luật: thể tích của một lượng khí có áp suất không đổi thì tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của khí
33
+ Đường đẳng áp: đường biểu diễn sự biến thiên của thể tích theo nhiệt độ khi áp suất không đổi.
- Phương trình trạng thái của khí lý tưởng: quá trình biến đổi đồng thời 3 thông số trạng thái P,V,T.
- Phương trình Cla-pê-rôn_Men-đê-lê-ép: xét cho lượng khí có khối lượng m,
khối lượng mol µ. Số mol v chứa trong lượng khí đó sẽ là ta có:
R= 8,31 J/mol.K: hằng số của các chất khí. + Hằng số Bôn-xơ-man:
Ta có: P=nkT
2.3. Xây dựng hệ thống bài tập cơ bản chương “Chất khí” lớp 10 chương trình nâng cao nâng cao
Ta đã biết BTCB là BT mà để tìm lời giải chỉ cần xác lập mối quan hệ giữa cái đã cho và cái cần tìm dựa vào một đơn vị kiến thức mới học. Về nguyên tắc theo lý thuyết phát triển BTVL chỉ cần chọn số ít BTCB rồi phát triển thành hệ thống BT sao cho việc giảng dạy hệ thống BT đó huy động hết các kiến đã nêu tóm tắt ở 2.2.3 và có sử dụng thêm một số công thức nâng cao dành cho HS khá giỏi là:
Động năng trung bình của phân tử chất khí:
34 Trung bình vận tốc của các phân tử khí:
2.3.1. Bài tập cơ bản 1: Quá trình đẳng nhiệt
Ví dụ 1: Một lượng khí có thể tích 1dm3 và áp suất 1 atm. Người ta nén đẳng nhiệt cho tới khi thể tích khí chỉ còn 0,286dm3. Tính áp suất của khí sau khi nén?
Giải
Vì quá trình nén đẳng nhiệt nên ta áp dụng định luật Bôi-lơ_Ma-ri-ốt ta có: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.3.2. Bài tập cơ bản 2: Quá trình đẳng tích
Ví dụ 2: Một bình chứa khí ở nhiệt độ 270C và áp suất 105Pa. Nếu đem bình
nung nóng sao cho áp suất trong bình lên tới 1,15.105Pa. Tính nhiệt độ của khí trong
bình lúc đó?
Giải Xét lượng khí trong bình
Vì lượng không khí trong bình có m=hằng số, V= hằng số Áp dụng định luật Sác-lơ ta có:
35
Ví dụ 3: Một bình cầu có thể tích 100cm3 chứa khí ở nhiệt độ 270C. Tính thể tích
lượng khí đó ở 1470C khi áp suất không đổi.
Giải Xét lượng khí trong bình cầu
Vì P= hằng số. Áp dụng định luật Gay luy-Xác ta có:
2.3.4. Bài tập cơ bản 4: Phương trình trạng thái khí lý tưởng
Ví dụ 4 : Một xi lanh chứa khí có thể tích 8lít ở nhiệt độ 270C và có áp suất 105Pa. Hỏi thể tích của lượng khí trong xi lanh khi nhiệt độ của nó tăng lên đến 990C
và áp suất của nó là 1,5.105Pa.
Giải
Xét lượng khí trong xi lanh. Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng:
36
Ví dụ 5: Tính khối lượng khí trong bình cầu không có thể tích 200 lít, nhiệt độ 270C. Biết khí đó là Hiđrô có khối lượng mol µ= 2g/mol và ấp suất khí quyển là 100kPa.
Giải Xét khối lượng khí trong bình cầu
Ta có p=100kPa=105Pa; V= 0,2m3; T=273+27=300K.
Áp dụng phương trình Cla-pê-rôn_Men-đê-lê-ép ta có:
2.4. Phát triển bài tập cơ bản trong chương “Chất khí” lớp 10 chương trình nâng cao cao
2.4.1.Phát triển bài tập cơ bản 1
Căn cứ vào lý thuyết về các phương án xây dựng các BTTH từ BTCB, đối với chương “Chất khí”, ta có các hướng phát triển sau:
a. Theo phương án 1 (PA1)
Căn cứ vào giả thiết và kết luận của BTCB 1, ta có thể hoán vị chúng thành các dạng bài tập sau:
Bài tập 1:
Một lượng không khí có thể tích 1dm3và áp suất 1atm. Người ta nén đẳng nhiệt khí tới áp suất 3,5 atm. Tính thể tích khí khi nén?
Giải
Vì khí được nén đẳng nhiệt ta áp dụng định luật Bôi-lơ_Ma-ri-ốt ta có: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
37
Đối với BTCB để tính áp suất của lượng khí ta có thể cho thể tích V1 một cách gián tiếp.
Bài tập 2:
Một lượng khí có áp suất 1 atm bơm khí vào một quả bóng da. Mỗi lần bơm người ta đưa được 0,06 dm3 khí vào quả bóng. Hỏi sau khi bơm 12 lần, áp suất trong quả bóng là bao nhiêu ?
Cho biết: - Dung tích bóng không đổi là V=0,286 dm 3
- Trước khi bơm bóng chứa không khí ở áp suất 1atm - Nhiệt độ không khí không đổi.
Giải
Xét khối không khí sau 12 lần bơm. Trước khi được đưa vào bóng thể tích khí là:
Sau khi được bơm vào bóng khí có thể tích V2 = 0,286 dm3
Do T=const Áp dụng định luật Bôi-lơ_Ma-ri-ốt ta có:
c. Theo PA3
Trong BTCB 1, thay vì yêu HS tìm áp suất ta có thể phát triển kết luận bằng cách yêu cầu HS tìm độ sâu của bọt khí.
Bài tập 3:
Ở dưới mặt hồ có một bọt không khí hình cầu có thể tích V1 và có áp suất . Hỏi ở độ sâu nào thì bọt khí có thể tích giảm đi 8 lần so với vị trí ban đầu của bọt khí?
38 - Cho khối lượng riêng của nước là - Áp suất khí quyển - . Giải Áp dụng định luật Bôi-lơ_Ma-ri-ốt ta có: Độ sâu của bọt khí là: d. Theo PA4
Có nhiều bài toán thay vì cho V2 một cách tường minh mà ta có thể cho các đại lượng trung gian. Ví dụ như ta có thể cho diện tích và độ cao của bình chứa khí. Nhằm củng cố kiến thức và phát huy năng lực sáng tạo cho học sinh.
Bài tập 4:
Một lượng khí có thể tích 1dm3 và áp suất 1atm bị giam trong một xi lanh có pít- tông đóng kín, diện tích pít-tông là 2 dm2. Người ta nén đẳng nhiệt cho pít-tông dịch chuyển một đoạn là 35,7 cm. Tính lực cần thiết để dịch chuyển pít-tông?
39 Giải
Chiều dài ban đầu của khối khí trong xi lanh là:
Sau khi pít-tông bị nén 35,7 cm thể tích của khối khí lúc đó là:
Vì T=const Áp dụng định luật Bôi-lơ_Ma-ri-ốt ta có:
Lượng áp suất tăng khi dùng lực đẩy pít-tông dịch chuyển là:
Lực cần tìm là:
Bài tập 5 :
Một xilanh nằm ngang kín hai đầu, có thể tích V=1,2 lít và chứa không khí ở áp
suất p0=105N/m. Xilanh được chia thành hai phần bằng nhau bởi pittông mỏng khối
lượng m=100g đặt thẳng đứng. Chiều dài xilanh 2l=0,4m. Xilanh được quay với vận
tốc góc ω quanh trục thẳng đứng ở giữa xilanh. Tính ω nếu pittông nằm cách trục quay đoạn r=0,1m khí có cân bằng tương đối.
Giải (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
40
- Khi xilanh quay, khí trong nửa xilanh I có thể tích V1=S(l-r), áp suất p1; khí trong nửa xilanh II có thể tích V2=S(l+r), áp uất p2.
+ Áp dụng định luật Bôi-lơ_Ma-ri-ốt cho hai nửa xilanh ta có:
+ Các lực tác dụng lên pittông theo phương ngang: F1=p1S; F2=p2S. Hợp các lực
này gây ra gia tốc hướng tâm làm xilanh quay đều:
Vậy vận tốc góc của xilanh khi quay quanh trục thẳng đứng ở giữa xilanh là ω=200 rad/s.
e. Theo PA5
Thực tế có những BTTH còn khó hơn chúng ta có thể xuất phát từ BTCB, vừa hoán vị giả thiết và kết luận, thậm chí có thể bổ sung giả thiết.
Bài tập 6:
Một lượng khí có áp suất 1 atm bơm khí vào một lốp xe. Mỗi lần bơm đưa được
V= 60cm3 không khí vào lốp xe. Sau khi bơm diện tích tiếp xúc của lốp xe với mặt đường là 3,57 cm2. Thể tích của lốp xe sau khi bơm là V0=0,286dm3 . Trọng lượng của xe là 150 N. Tìm số lần bơm? Coi nhiệt độ là không đổi.
41
Giải Sau n lần bơm lượng khí đưa vào bánh xe là :
Thể tích của ruột xe sau khi bơm là: Lượng áp suất tăng sau khi bơm n là:
Áp suất của lượng khí sau khi bơm là:
T=const Áp suất định luật Bôi-lơ_Ma-ri-ốt:
Số lần cần bơm khí vào xe là:
2.4.2.Phát triển bài tập cơ bản 2
Căn cứ vào lý thuyết về các phương án xây dựng các BTTH từ BTCB, đối với chương “Chất khí” ta có các hướng phát triển sau:
a. Theo phương án 1 (PA1)
Căn cứ vào giả thiết và kết luận của BTCB 2, ta có thể hoán vị chúng thành các dạng bài tập sau:
Bài tập 7:
Một bình kín chứa khí ở 270C và áp suất 105Pa nếu đem nung bình đến nhiệt độ 720C thì áp suất trong bình sẽ là bao nhiêu?
42
Giải Vì V=const Áp dụng định luật Sác-lơ ta có:
b. Theo PA 2
Chúng ta có thể phát triển bài toán bằng thông qua các đại lượng trung gian để nâng dần mức độ khó của bài toán, nhằm củng cố kiến thức của học sinh.
Bài tập 8:
Một bình chứa khí ở nhiệt độ 270C và áp suất 105Pa được đóng kín bằng một nút
có tiết diện 2cm2. Hỏi phải nung bình đến nhiệt độ nào để nút có thể bật ra nếu lực ma sát giữa nút và bình là 3N? Biết áp suất ban đầu của khí trong bình và áp suất ngoài bình bằng nhau. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Giải
Áp suất của lượng khí tăng sau khi được nung nóng để đẩy nút ra là :
Áp suất của lượng khí sau khi được nung nóng là :
43
Bài tập 9:
Một bình chứa khí Nitơ ở nhiệt độ 270C có thể tích 17,8 lít. Hơ nóng khí đẳng
tích đến áp suất 1,15.105Pa. Tính nhiệt độ của khí sau khi bị hơ nóng ? Biết rằng khí
có khối lượng 20g.
Giải
Áp suất của lượng khí trước khi bị nung nóng là :
Khí được hơ nóng đẳng tích ta áp dụng định luật Sác-lơ :
c. Theo PA 3 Bài tập 10:
Một bình chứa khí Hêli ở nhiệt độ 270C và áp suất 105Pa. Nung nóng khí đến áp
suất 1,15.105 Pa. Xác định động năng trung bình của phân tử khí khi bị nung nóng ?
44 Giải
Vì m=const, V=const Áp dụng định luật Sác-lơ ta có :
Động năng trung bình của phân tử khí khi bị nung nóng là :
d. Theo PA 4
Trong BTCB 2, ta có thể phát triển đồng thời cả giả thiết và kết luận. Nhằm củng cố phát triển tư duy cho học sinh.
Bài tập 11:
Một bình kín có dung tích 12,46 lít có chứa 0,5mol khí Ôxy ở áp suất 105Pa. Hơ