8. Cấu trúc luận văn
2.1. Phân tích một số kiến thức khoa học về Chất khí
[24], [26]
Phần này chỉ trình bày các kiến thức khoa học về Chất khí liên quan đến nội dung trong chương trình Vật lý 10 Nâng cao. Nó giúp ta hiểu sâu hơn về nội dung dạy học của chương.
Ta đã biết môn cơ học nghiên cứu các dạng chuyển động cơ, đó là sự thay đổi vị trí của các vật thể vĩ mô trong không gian. Nó không quan tâm đến các quá trình xảy ra bên trong vật, chưa xét đến những quá trình liên quan đến cấu tạo của vật. Nhiệt học sẽ nghiên cứu các quá trình này, nó liên quan đến một dạng chuyển động khác của vật chất gọi là chuyển động nhiệt. Đối tượng nghiên cứu của nhiệt học chính là chuyển động nhiệt, là những hệ vật lý cấu thành từ một số rất lớn các hạt như các nguyên tử, phân tử… Những hệ như vậy gọi là các hệ vĩ mô hay hệ nhiều hạt.
Có hai phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp nghiên cứu thống kê: được ứng dụng trong phần Vật lý phân tử. Nó phân tích các quá trình xảy ra đối với từng phân tử, nguyên tử riêng biệt rồi dựa vào các qui luật thống kê để tìm các qui luật chung cho cả tập hợp để giải thích tính chất của vật. Phương pháp thống kê dựa trên cấu tạo phân tử của các chất, nó cho biết một cách sâu sắc bản chất của hiện tượng. Tuy nhiên, trong một số trường hợp việc ứng dụng phương pháp này khá phức tạp.
- Phương pháp nhiệt động: được ứng dụng trong phần nhiệt động học. Nhiệt động nghiên cứu các điều kiện biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác và nghiên cứu những biến đổi về mặt định lượng. Phương pháp nhiệt động dựa trên hai nguyên lý cơ bản rút ra từ thực nghiệm mà nhờ nó, không cần biết cấu tạo phân tử của vật vẫn có thể rút ra nhiều kết luận về tính chất của vật trong các điều kiện khác nhau. Mặc dù có hạn chế là không giải thích được sâu sắc bản chất của hiện tượng; nhưng trong nhiều hiện tượng, vấn đề thực tế nhiệt động học cho cách giải quyết đơn giản và phổ quát.
A - Thuyết động học phân tử chất khí và các khái niệm cơ bản 1) Thuyết động học phân tử chất khí
- Chất khí được cấu tạo từ các phân tử riêng biệt, kích thước các phân tử rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng.
- Các phân tử khí chuyển động hỗn độn không ngừng. Vận tốc trung bình của các phân tử càng lớn thì nhiệt độ khí càng cao.
- Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn va chạm vào nhau và va chạm vào thành bình gây ra áp suất tác dụng lên thành bình.
2) Cấu tạo phân tử chất
Các chất được cấu tạo từ những phân tử chuyển động nhiệt không ngừng. - Thể khí: các phân tử ở rất xa nhau, lực tương tác giữa các phân tử rất yếu nên chúng chuyển động hỗn độn về mọi phía. Khối khí không có thể tích và hình dạng xác định.
- Thể rắn: các phân tử ở rất gần nhau, lực tương tác giữa chúng rất mạnh nên các phân tử dao động quanh các vị trí cân bằng cố định. Khối chất rắn có hình dạng và thể tích xác định.
- Thể lỏng: các phân tử ở gần nhau, lực tương tác giữa chúng mạnh hơn so với thể khí và nhỏ hơn thể rắn, nên các phân tử dao động quanh các vị trí cân bằng. Nhưng các vị trí cân bằng này luôn dịch chuyển. Chất lỏng có thể tích xác định nhưng không có hình dạng xác định mà có hình dạng của bình chứa.
* Với chất lưu (khí và lỏng), thì vì không có hình dạng xác định nên thể tích của nó chính là thể tích của bình chứa. Chất khí lý tưởng là chất khí không có thể tích riêng vì các phân tử khí lý tưởng được xem như là các chất điểm.
3) Khí lí tưởng
Khí lý tưởng là chất khí mà các phân tử của nó có các đặc tính sau đây:
Các phân tử của khí lý tưởng không có thể tích riêng, ta có thể coi chúng là những chất điểm hay chính xác hơn đó là các chất điểm chuyển động hỗn loạn và không tương tác với nhau (bằng các lực phân tử) trừ khi chúng va chạm với nhau hoặc khi va chạm với thành bình.
Khi va chạm ta có thể coi các phân tử chất khí lý tưởng như là các viên bi đàn hồi. Va chạm giữa chúng và với thành bình được xem như va chạm hoàn toàn đàn hồi.
Kích thước riêng của các phân tử không đáng kể so với khoảng cách giữa chúng.
* Các chất khí thực khi khá loãng có các tính chất rất gần với khí lý tưởng. Nhiều chất khí thực như ôxy, hydro, nitơ ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển có thể coi là chất khí lý tưởng.
4) Lượng chất, mol
Lượng chất chứa trong một vật được xác định theo số phân tử hay nguyên tử chứa trong vật ấy. Người ta định nghĩa mol, đơn vị lượng chất của một chất bất kì như sau:
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.
Mol là một trong những đơn vị cơ bản của SI.
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.
Số mol chứa trong khối lượng m của một chất: ν = m/μ
Số phân tử (hay nguyên tử) N có trong khối lượng m của một chất: N = νNA = mNA/μ
5) Thông số trạng thái
Khi nghiên cứu vật thể, nếu tính chất của nó thay đổi ta nói rằng trạng thái của vật thay đổi. Như thế tính chất của vật biểu thị trạng thái của vật và vì vậy có thể dùng một tập hợp tính chất để xác định trạng thái của vật. Mỗi tính chất có thể đặc trưng bằng một đại lượng vật lý. Tập hợp xác định của các đại lượng vật lý để xác định trạng thái của vật gọi là các thông số trạng thái.
Có nhiều thông số trạng thái. Tuy nhiên, chỉ có một số độc lập, số còn lại phụ thuộc. Để biểu diễn trạng thái một khối khí, có thể dùng 3 thông số trạng thái: thể tích (V), áp suất (p) và nhiệt độ (T). Thực nghiệm cho thấy trong 3 thông số đó chỉ có 2 là độc lập, thông số còn lại là phụ thuộc. Nói khác đi giữa ba thông số trên phải có một phương trình liên hệ giữa chúng với nhau. Phương trình này được gọi là phương trình trạng thái. Mối liên hệ giữa 3 thông số có thể biểu diễn bởi phương trình trạng thái:
f(p,V,T) = 0 (1)
Việc khảo sát dạng cụ thể của phương trình (1) là một trong các vấn đề cơ bản của nhiệt học.
6) Áp suất
Áp suất là một đại lượng vật lý có giá trị bằng lực nén vuông góc lên một đơn vị diện tích. Ký hiệu F là lực nén vuông góc lên diện tích ∆S, thì áp suất p được cho bởi công thức:
F p =
ΔS (2)
Trong hệ SI, đơn vị chuẩn của áp suất là Pascal: 1 Pa = 1 N/m2 Ngoài ra ta còn dùng các đơn vị sau:
- Atmosphere kĩ thuật, kí hiệu là at. 1at ≈ 9,81.104 N/m2
- Atmosphere vật lý, kí hiệu là atm. 1atm ≈ 1,013.105 N/m2
- Milimet thủy ngân, mmHg (hay Torricelli torr): bằng áp suất tạo bởi trọng lượng cột thủy ngân cao 1 mm.
1 mmHg = 1 Torr = 133,3 Pa 1 atm = 760 mmHg = 760 Torr 1at = 736 mmHg = 736 Torr - Bar: 1 bar = 105 N/m2= 0,76 mmHg
7) Nhiệt độ
Nhiệt độ là một đại lương vật lý đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử của các vật.
Có rất nhiều đại lượng vật lý mô tả tính chất nào đó của vật chất mà ta có thể đo đạc được một cách định lượng lại phụ thuộc nhiệt độ. Vì vậy chúng ta có thể sử dụng bất kỳ tính chất nào đó có thể đo được của hệ thống mà tính chất này biến thiên cùng nhiệt độ để đo nhiệt độ. Để có thể xác định nhiệt độ một cách định lượng, chúng ta cần xây dựng một thang đo (nhiệt giai) và sử dụng nhiệt kế. Nguyên tắc của nhiệt kế là dựa vào độ biến thiên của một đại lượng nào đó (chiều dài, thể tích, độ dẫn điện…) khi đốt nóng hoặc làm lạnh rồi suy ra nhiệt độ tương ứng.
Nhiệt kế thường dùng là nhiệt kế thủy ngân (Hình 1a). Trong nhiệt kế này nhiệt độ được xác định bởi thể tích của một khối lượng thủy ngân nhất định. Khi nhiệt kế thủy ngân bị làm nóng lên thì thủy ngân dãn nở và làm cho chiều dài của cột thủy ngân trong ống tăng lên. Mức độ cao của cột thủy ngân được dùng để chỉ nhiệt độ. Ta cũng có thể dùng một chất lỏng thay thế khác là rượu ethanol.
Nhiệt kế áp suất: sử dụng một bình kim loại kín chứa một chất khí. Áp suất của chất khí trong bình được đo bởi đồng hồ của áp kế (dụng cụ đo áp suất). Vì thể tích chất khí trong bình không thay đổi nên khi chất khí bị nóng lên hay bị lạnh đi thì áp suất của nó cũng thay đổi theo. Áp suất của chất khí được đo bằng đồng hồ và mỗi vạch ứng với một nhiệt độ xác định của chất khí (Hình 1b).
Hình 2.1. Nhiệt kế thủy ngân và nhiệt kế áp suất
Một hệ thống thứ ba có thể dùng để đo nhiệt độ là điện trở R của một sợi dây điện trở bằng kim loại. Khi nhiệt độ của dây thay đổi thì điện trở R của nó cũng thay đổi theo một cách tương ứng. Bằng cách đo điện trở của dây ở các nhiệt độ khác nhau, ta có thể gán các giá trị khác nhau của nhiệt độ.
Để đọc được nhiệt độ trên nhiệt kế cần có thang đo nhiệt độ gọi là nhiệt giai, tức là cần quy ước các nhiệt độ cố định làm điểm chuẩn. Tùy theo việc chọn các điểm chuẩn và cách chia khoảng giữa các điểm chuẩn mà có các nhiệt giai khác nhau.
Nhiệt giai bách phân (Celsius):Người ta chọn điểm chuẩn thứ nhất là điểm ba của nước đá, là điểm tồn tại đồng thời 3 trạng thái của nước: hơi, lỏng, rắn (hay còn gọi là trạng thái 3 pha) ở áp suất 1,033 at ứng với nhiệt độ thứ nhất. Điểm chuẩn ứng với trạng thái thứ 2 là điểm sôi của nước cũng ở áp suất 1,033 at. Điểm chuẩn thứ nhất ghi 00C, điểm chuẩn thứ 2 ghi 1000
C, giữa chúng chia thành 100 phần bằng nhau và mỗi vạch ứng với 10
C. Chúng ta có thể mở rộng thang nhiệt độ Celsius để đo các nhiệt độ khác. Các nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ đóng băng của nước là các nhiệt độ âm còn các nhiệt độ cao hơn nhiệt độ đóng băng của nước là các nhiệt độ dương. Vậy trong thang nhiệt độ Celsius các số đo nhiệt độ có thể là âm, không và dương. Nhiệt độ thấp nhất trong thang Celsius là –273,15o
C. Kí hiệu nhiệt độ trong nhiệt giai Celsius là t(0
Nhiệt giai tuyệt đối (Kelvin): mỗi độ chia-một độ trong thang Kelvin cũng bằng một độ trong thang Celsius nhưng độ không của nó ứng với – 273,150C trong thang bách phân. Kí hiệu nhiệt độ là T(K).
Như thế ta có biểu thức liên hệ: T = t + 273,15 (3’)
Trong tính toán đơn giản thường lấy tròn: T = t + 273 (3)
Cần chú ý trong thang bách phân, nhiệt độ được ghi là 0
C (ví dụ: 150 C, 200C), nhưng trong thang tuyệt đối, nhiệt độ được ghi là K (ví dụ: 15K, 20K) Ta không thể đạt tới không độ tuyệt đối, nhiệt độ thấp nhất mà con người tạo ra được trong phòng thí nghiệm là 10-10 K vào năm 1999.
Ngoài ra còn nhiều loại nhiệt giai khác như Fahrenheit, Rankine, Newton, Reaumur,…
Cần phải lưu ý là nhiệt độ mà các nhiệt kế chỉ chính là nhiệt độ của bản thân nhiệt kế. Vấn đề đặt ra là làm cách nào sử dụng nhiệt kế để đo nhiệt độ của một vật chứ không phải là nhiệt độ của nhiệt kế ? Câu trả lời liên quan đến một khái niệm là sự cân bằng nhiệt giữa các vật.
Điều kiện cân bằng của hệ thống mà trong đó sự tương tác ở trong hệ thống không gây ra bất kỳ sự biến đổi nào nữa của các thông số của hệ thống được gọi là sự cân bằng nhiệt. Ở trạng thái cân bằng nhiệt thì nhiệt độ là đồng nhất trong toàn bộ hệ thống.
B - Các định luật thực nghiệm về chất khí 1) Định luật Bôi-lơ - Ma-ri-ôt:
Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích.
p V = p V1 1 2 2 (4)
pV = haèng soá
Đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo thể tích khi nhiệt độ không đổi gọi là đường đẳng nhiệt. Trong hệ tọa độ (p,V) đường này là một phần đường hyperbol. Tập hợp các đường đẳng nhiệt của cùng một lượng khí xác định gọi là họ đường đẳng nhiệt. Đường đẳng nhiệt ở trên ứng với nhiệt độ cao hơn đường đẳng nhiệt ở dưới.
Hình 2.2
2) Định luật Sác-lơ
Dạng 1 với nhiệt độ trong thang Celcius:
Với một lượng khí có thể tích không đổi thì áp suất p phụ thuộc vào nhiệt độ t của khí như sau:
p = p0 (1+ 𝛾t) (5)
𝛾 (gamma) có giá trị như nhau đối với mọi chất khí, mọi nhiệt độ và bằng 2731 độ −1
, gọi là hệ số tăng áp đẳng tích.
Dạng 2 với nhiệt độ tuyệt đối trong thang Kelvin:
Trong quá trình đẳng tích của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.
p = const T hay 11 22 p p = T T (6)
Trong hệ tọa độ (p,T) đường đẳng tích là một phần đường thẳng mà nếu kéo dài sẽ đi qua gốc tọa độ. Tập hợp các đường đẳng tích của cùng một khối khí xác định gọi là họ đường đẳng tích. Đường đẳng tích ở trên sẽ ứng với thể tích nhỏ hơn đường đẳng tích ở dưới.
Hình 2.3
3) Định luật Gay - Luy-sac:
Trong quá trình đẳng áp của một lượng khí nhất định, thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.
⇔ 1 2 1 2 V V V = = const T T T (7)
Đường biểu diễn sự biến thiên của thể tích theo nhiệt độ khi áp suất được giữ không đổi của một lượng khí xác định gọi là đường đẳng áp. Trong hệ tọa độ (V,T) đường này là một phần đường thẳng mà nếu kéo dài sẽ đi qua gốc tọa độ. Tập hợp các đường đẳng áp ứng với các áp suất khác nhau của cùng một lượng khí gọi là họ đường đẳng áp. Đường đẳng áp ở trên ứng với áp suất thấp hơn đường đẳng áp ở dưới.
Hình 2.4
4) Giới hạn ứng dụng
Các định luật thực nghiệm trên đây chỉ là các định luật gần đúng. Nó được thiết lập cho các chất khí ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thông thường (p ≈ 1at, T ≈ 300K). Nếu áp suất càng lớn và nhiệt độ càng nhỏ thì các định trên càng sai lệch lớn.
Tuy nhiên, để việc nghiên cứu được đơn giản, người ta định nghĩa ”khí lý tưởng là chất khí hoàn toàn tuân theo các định luật thực nghiệm trên”.
Thực nghiệm cho thấy phần lớn các chất khí ở điều kiện thường có thể coi là khí lý tưởng.
Khi xét cấu tạo của các chất khí, ta sẽ thấy một chất khí được coi là khí lý tưởng nếu bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử và kích thước của chúng.
C - Phương trình trạng thái khí lý tưởng
1) Thiết lập phương trình
Một lượng khí xác định có trạng thái ban đầu (1) (p1, V1, T1) biến đổi sang trạng thái (2) (p2, V2, T2). Trên đồ thị OpV trạng thái đầu và cuối được biểu diễn bằng hai điểm M1, M2 trên hai đường đẳng nhiệt T1 và T2.