7. Đóng góp của đề tài
2.3.1. Các thí nghiệm minh họa thuyết động học phân tử chất khí
2.3.1.1. Thí nghiệm 1: Quan sát chuyển động Brao trong chất lỏng
a) Sự cần thiết phải xây dựng chuyển động Brao
Quan điểm về vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử đã được Đê-mô-crít (Democristos) đưa ra từ trước Công nguyên. Tuy nhiên, mãi cho đến hết thế kỉ XVII, người ta vẫn chưa tìm ra được thí nghiệm nào chứng tỏ sự tồn tại của các nguyên tử. Nguyên tử cho tới khi đó vẫn chỉ là một giả thuyết mang ý nghĩa triết học.
Những thành tựu của nhà hóa học Đan-ton (Dalton) trong việc dùng khái niệm nguyên tử, phân tử để giải thích thành công hàng loạt các hiện tượng và định luật Hóa học vào thế kỉ XVIII đã củng cố niềm tin vào lí thuyết về nguyên tử, phân tử. Cùng với Đan-tôn, A-vô-ga-rô (Avogadro) là người đưa ra khái niệm phân tử gam và chứng minh được rằng phân tử gam của các chất khác nhau đều chứa cùng một số phân tử. Việc tìm ra số A-vô-ga-rô đã cho phép xác định từng loại nguyên tử, phân tử. Như vậy là từng loại 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.
Việc phát hiện ra các định luật thực nghiệm về chất khí và việc dùng quan điểm nguyên tử, phân tử để giải thích thành công các định luật này đã đóng góp rất lớn vào sự ra đời và phát triển của thuyết động học phân tử chất khí. Tuy nhiên, cũng phải chờ tới khi nhà bác học Brao (Brown) (người Anh) quan sát thấy chuyển động hỗn độn không ngừng của các hạt phấn hoa qua kính hiển vi, phản ánh gián tiếp chuyển động hỗn loạn không ngừng của các phân tử thì thuyết động học phân tử mới bắt đầu được coi là một thuyết khoa học.
Béc-nu-li (Bernoulli) và sau đó là Clau-đi-út (Clausius) đã góp phần đưa thuyết động học phân tử phát triển mới bằng cách xây dựng các định luật và phương trình cơ bản của của thuyết. Những thí nghiệm của Pe-ranh (Perrin) cho phép quan sát sự phân bố của các hạt Brao trong nhũ tương theo chiều cao, đã cho thấy sự phân bố này hoàn toàn phù hợp với định luật Bôn-dơ-man (Boltzmann). Điều này cho phép xác định số A-vô-ga-rô bằng thực nghiệm. Những tính toán của Anh- xtanh (Einstein) đã cho thấy giá trị tìm được bằng thực nghiệm hoàn toàn phù hợp với giá trị lý thuyết.
Sau những công trình thực nghiệm của Pe-ranh, không còn ai nghi ngờ về sự đúng đắn của thuyết động học phân tử.
Khi phân tích các hiện tượng nhiệt, học sinh gặp một hình thức mới về chuyển động của vật chất, khác về nguyên tắc với chuyển động cơ học của các vật vĩ mô, chuyển động hỗn loạn không ngừng. Trong bài học, giáo viên mô tả đặc điểm của chuyển động Brao theo thí nghiệm của Pe-ranh.
b) Những nội dung kiến thức học sinh cần lưu ý
1. Chuyển động Brao là không ngừng theo thời gian và hỗn loạn về phương và độ lớn của độ dời. Nó được xác định bởi tính chất của chính chất lỏng hay chất khí. Đặc trưng của chuyển động Brao không phụ thuộc vào các tác dụng Vật lý lên nó và vào chính các hạt Brao.
2. Chuyển động này được gây ra bởi các xung lượng không triệt tiêu nhau của các phân tử bao quanh hạt Brao tác dụng lên nó. Sự không triệt tiêu nhau của các xung lượng biểu hiện nhiều ở các hạt Brao có kích thước nhỏ - vào cỡ 1µm hay bé hơn. Với các hạt có kích thước lớn, các phân tử va chạm từ các phía bị triệt tiêu lẫn nhau, khi đó các hạt không chuyển động.
3. Dựa theo chuyển động của các hạt Brao, có thể xét về đặc điểm chuyển động của các phân tử của môi trường. Chuyển động Brao dường như là sao lại chuyển động của phân tử. Tuy nhiên, cần phòng trước khuynh hướng của học sinh đồng nhất hai chuyển động này. Trong thí nghiệm của Pe-ranh, hạt Brao được tập hợp từ hàng trăm nghìn triệu phân tử. Hạt Brao là hạt lơ lửng trong chất lỏng hay chất khí, ta
nhìn thấy được nó trong kính hiển vi, trong khi các phân tử của môi trường thì không nhìn thấy được.
Ta rút ra kết luận rằng chuyển động Brao chứng tỏ sự tồn tại của các phân tử và chuyển động của chúng.
4. Học sinh đã biết rằng trong chuyển động đều, độ dời x tỉ lệ với thời gian t, nghĩa là x ∼ t, còn trong chuyển động biến đổi đều thì x ~ t2. Thế nhưng, trong chuyển động Brao, độ dời của hạt Brao được mô tả bằng một định luật mới đối với học sinh do Anh-xtanh và Xờ-mô-lu-kô-xki (Smolukovskij) tìm ra. Có thể trình bày định luật này trong bài học với dung lượng như sau:
Độ dời của hạt Brao sau những khoảng thời gian bằng nhau là không bằng nhau (hình 2.19). Nếu chiếu các độ dời này lên một trong các trục tọa độ, thí dụ trục x, lấy bình phương ( )2
Δx của mỗi độ dời Δxvà tính giá trị trung bình của các bình phương độ dời ( )2
Δx thì theo định luật này ta có:
( )2 x t ∆ hay ( )2 ~ x t ∆
Tiếp theo ta rút ra kết luận: chuyển động của hạt Brao là hỗn loạn, các va chạm là ngẫu nhiên, nhưng dịch chuyển của các hạt tuân theo một định luật xác định.
Các định luật mô tả hành vi và kết quả của một số lớn các hạt được gọi là định luật thống kê. Chúng khác với các định luật động lực học của cơ học cổ điển.
Sự khác nhau về nguyên tắc giữa các định luật này được minh họa trong thí dụ về chuyển động Brao.
5. Chứng tỏ rằng đại lượng ( )2
x
∆ không những tỉ lệ với thời gian t mà còn tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối T, nghĩa là ( )2
~
x T
∆ . Thật vậy, khi làm nóng môi trường thì cường độ chuyển động của hạt Brao tăng lên. Sự kiện thực nghiệm này rất quan trọng đối với thuyết động học phân tử.
c) Xây dựng thí nghiệm chuyển động Brao trong nước
- Mục đích thí nghiệm: Quan sát chuyển động Brao trong chất lỏng, từ đó tìm hiểu đặc điểm chuyển động hỗn loạn không ngừng của phân tử.
- Dụng cụ thí nghiệm:
+ Kính hiển vi có độ phóng đại 200 lần. + Tiêu bản
+ Hóa chất: Natri thiosunfat và axit sunfuric
Hình 2.2. Thí nghiệm quan sát chuyển động Brao - Tiến hành thí nghiệm
Chế tạo tiêu bản từ hỗn hợp hai dung dịch: natri thiosunfat (Na S O2 2 3 ) 2% và axit sunfuric (H SO2 4) 1% mỗi thứ 5 ml. Do phản ứng hóa học
2 2 3 2 4 2 4 2 2
Na S O +H SO →Na SO +SO ↑+S↓+H O
các hạt lưu huỳnh tách ra ở trạng thái lơ lửng trong hỗn hợp. Chúng được dùng làm các hạt Brao.
Nhỏ hai giọt của hỗn hợp này lên chỗ lõm lên tấm kính tiêu bản, đặt tiêu bản đó lên bàn của kính hiển vi, điều chỉnh độ phóng đại của kính cho phù hợp và quan sát.
Cũng có thể chế tạo tiêu bản từ dung dịch sữa trong nước thật loãng (nhũ tương) hay từ dung dịch bột màu nước (thể lơ lửng).
2.3.1.2.Thí nghiệm 2: Dụng cụ điều chỉnh rượu chảy ra của Hê-rôn
- Mục đích thí nghiệm: Chứng minh tính linh động của chất khí và sự tồn tại của áp suất khí.
- Chế tạo dụng cụ và bố trí thí nghiệm
+ Dụng cụ thí nghiệm gồm hai chai nhựa được thông với nhau bằng cách đục một lỗ có đường kính 6 mm ở mỗi cổ chai, gắn chặt hai lỗ với nhau bằng một đoạn ống nhựa dẻo trong suốt dài 5 cm.
+ Trên nắp chai A được gắn vào một cái phễu để rót nước vào.
+ Đục một lỗ nhỏ đường kính 4mm cách đáy chai B 4 cm, gắn vào một ống thủy tinh hình chữ L cùng đường kính với lỗ nhỏ.
+ Đậy kín nắp chai A lại. Đổ nước màu đỏ vào chai B cho đến khi thấy nước chảy qua vòi và vặn chặt nắp chai lại.
- Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
Đổ vào phễu một cốc nước trắng, ta thấy: Nước màu đỏ từ chai B chảy qua ống L và phun ra ngoài. Nước chảy ra có cùng thể tích với lượng nước trắng đổ vào phễu.
- Giải thích thí nghiệm
Lượng nước trắng chiếm chỗ của không khí trong chai làm không khí bị nén lại, áp suất tăng lên, lớn hơn áp suất bên ngoài chai. Độ chênh lệch áp suất này đẩy nước màu đỏ chảy ra khỏi vòi chai B.
Nước chảy ra làm thể tích chai tăng lên, áp suất giảm đi. Khi lượng nước màu đỏ chảy ra bằng lượng nước trắng rót vào phễu thì áp suất trong chai cân bằng với áp suất bên ngoài chai, nước ngừng chảy.
Cũng bằng thí nghiệm này, Hê-rôn đã khiến các nhà bác học thời trung cổ phải kinh ngạc. Ông làm thí nghiệm với hai bình gốm mà đường ống nối chúng thông với nhau được giấu dưới bàn. Rượu vang đỏ được đổ vào bình B. Khi rót nước vào bình A, ông đã “biến” nước thành rượu vang đỏ.
2.3.1.3. Thí nghiệm 3: Chứng minh sự chuyển động của phân tử khí, áp suất chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ suất chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ
- Mục đích thí nghiệm: Chứng minh sự chuyển động của phân tử khí, áp suất chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ.
- Dụng cụ thí nghiệm
+ Xi-lanh có pít-tông bằng thủy tinh, trên pít-tông có áp kế khí loại 0,50.105 – 2,00.105 Pa.
+ Núm cao su dùng để bịt đầu dưới của xi-lanh. + 2 cốc đựng nước 100ml.
+ Nước (0o
C) và nước nóng ( cỡ 80o C) - Tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm:
+ Nới hãm vít phía sau xi-lanh cho khối khí chứa trong xi lanh đến một vị trí nhất định sao cho áp kế chỉ giá trị 1,10.105 Pa.
+ Đặt xi lanh vào cốc 1, quan sát số chỉ trên đồng hồ áp kế, ta thấy số chỉ của áp kế tăng lên.
+ Sau số khi số chỉ trên đồng hồ áp kế ổn định thì lấy xi lanh ra khỏi cốc 1 và đặt vào cốc 2, lúc này số chỉ trên áp kế giảm xuống rất nhanh.
Hình 2.5. Thí nghiệm đơn giản minh họa vận tốc phân tử khí và áp suất chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ
- Giải thích thí nghiệm:
Theo thuyết động học phân tử chất khí: Khi ta đặt xi-lanh vào cốc 1, khí trong xi-lanh nóng lên, các phân tử khí chuyển động nhanh hơn, va chạm với thành bình nhiều hơn, do đó áp suất tăng. Lấy xi-lanh ra khỏi cốc 1 và đặt vào cốc 2, nhiệt độ của khối khí trong xi-lanh giảm, các phân tử khí chuyển động chậm lại, ít va chạm vào thành bình, do đó áp suất giảm.
2.3.2. Các thí nghiệm định tính và định lượng các định luật chất khí 2.3.2.1. Định luật Sác-lơ 2.3.2.1. Định luật Sác-lơ
a) Thí nghiệm định tính
- Mục đích thí nghiệm: Minh họa sự phụ thuộc của áp suất vào nhiệt độ trong quá trình đẳng nhiệt
* Dạng 1:
- Dụng cụ thí nghiệm: + Trứng đã luộc chín
+ Bình cầu không nhánh đáy bằng + Kẹp đốt hóa chất
+ Bông gòn, cồn, bật lửa. - Tiến hành thí nghiệm
Đốt cháy bông đã tẩm cồn rồi cho vào bình cầu. Trong lúc bông đang cháy bên trong bình, đặt quả trứng đã luộc chín lên miệng bình hình cầu. Quả trứng từ từ chui tọt vào miệng bình rồi vào bên trong bình.
Hình 2.6. Thí nghiệm đơn giản minh họa định tính định luật Sác-lơ - Giải thích thí nghiệm:
Khi ta đặt quả trứng lên miệng bình hình cầu, ta đã cô lập khối khí bên trong bình. Khi cháy hết ô-xi, nhiệt độ bên trong bình giảm xuống đột ngột làm cho áp suất giảm theo, tạo nên một lực hút làm cho quả trứng chui vào bên trong bình. * Dạng 2:
- Dụng cụ thí nghiệm:
+ Bình cầu không nhánh đáy bằng, đường kính miệng 3cm. + Nắp nhựa có đường kính bé hơn 3cm.
+ Khay có đựng một ít nước pha màu đỏ. + Kẹp đốt hóa chất.
+ Bông gòn, cồn, bật lửa. - Tiến hành thí nghiệm:
Đốt cháy bông đã tẩm cồn rồi cho vào nắp nhựa đặt trên khay. Úp miệng bình hình cầu lên nắp nhựa. Nước dâng lên trong bình
Hình 2.7. Thí nghiệm đơn giản giải thích hiện tượng liên quan đến định luật Sác-lơ - Giải thích thí nghiệm
Khi ta úp miệng bình hình cầu lên nắp nhựa, ta đã cô lập khối khí trong bình. Khi cháy hết oxi trong bình, nhiệt độ khối khi trong bình giảm xuống đột ngột làm cho áp suất giảm theo tạo nên lực hút cột chất lỏng dâng lên trong bình.
b) Thí nghiệm định lượng
- Mục đích thí nghiệm: Khảo sát sự thay đổi áp suất của khối khí theo nhiệt độ của nó trong quá trình biến đổi đẳng tích, trên cơ sở đó kiểm chứng định luật Sác-lơ. - Dụng cụ thí nghiệm:
+ Xi-lanh có pít-tông bằng thủy tinh (trong pít-tông có chứa một lượng dầu nhờn, mức dầu cao hơn 5mm so với lỗ hở nằm ở chính giữa thân của pít-tông).
+ Áp kế khí 0,5.105
– 2,0.105 Pa.
+ Thanh trượt có vít hãm ở phía sau giá đỡ. + Ống nhựa đường kính 3mm.
+ Bình khí bằng nhôm, có nắp cao su trên có lỗ cắm với ống nhựa. + Chân đế có trụ thép inox D10mm.
+ Bình đun nước siêu tốc 220V-300W. + Nhiệt kế rượu.
+ Que thủy tinh.
+ Cốc thủy tinh có vòi dẫn nước. + Chậu thủy tinh.
+ Lắp giá đỡ vào trụ thép, điều chỉnh độ cao của xi-lanh cách bàn khoảng 20cm. Dùng ống nhựa nối đầu dưới của xi-lanh với lỗ cắm phía trên bình khí.
+ Cho bình khí vào cốc thủy tinh, vòi của cốc thủy tinh cho vào chậu thuỷ tinh.
+ Lắp nhiệt kế vào giá đỡ, sao cho đầu dưới của nhiệt kế cho vào cốc thủy tinh.
Hình 2.8. Bố trí dụng cụ thí nghiệm kiểm chứng định luật Sác-lơ - Tiến hành thí nghiệm:
+ Cho nước vào bình và đun nước.
+ Cố định vị trí pít-tông để giữ thể tích khí không đổi. Cho nước vào cốc thủy tinh, ghi nhiệt độ và áp suất ban đầu của khí trong bình vào bảng.
P (105Pa) T (K) p
T
α = ∆α
+ Cho nước sôi vào cốc thủy tinh sao cho mỗi lần đo, áp suất tăng lên 0,05.105 Pa (tương ứng một vạch trên áp kế) thì dừng rót nước sôi. Dùng que thủy tinh khuấy đều, khi nhiệt độ trên nhiệt kế ổn định thì ta ghi cặp giá trị (p, T) này vào bảng. Làm như vậy 5 lần để có 5 cặp giá trị.
+ Tính giá trị thương số α = p T/ và sai số tỉ đối ∆α . Từ đó rút ra mối liên hệ giữa áp suất p và nhiệt độ tuyệt đối T trong quá trình đẳng tích.
+ Kết quả tham khảo khi tiến hành thí nghiệm:
P (105Pa) T (K) p T α = ∆α 1,00 303 330 8,8 1,05 315 333 5,8 1,10 324 339 0,2 1,15 336 342 3,2 1,20 342 350 11,2 338,8 α = ∆α =5,8 Sai số tỉ đối: 5.8 0, 017 1, 7% 338.8 α δ α ∆ = = = = - Chú ý:
+ Áp kế được lắp sẵn vào xi-lanh nên không tháo áp kế ra sau khi làm xong thí nghiệm.
+ Khi vặn vít để cố định pít-tông và cố định vị trí của giá đỡ xi-lanh, ta cần vặn nhẹ.
+ Khi dùng bình đun nước bằng điện, cần lưu ý quy tắc an toàn điện. - Nhận xét:
Với cách bố trí lại thí nghiệm với sự hỗ trợ của cốc và chậu thủy tinh, ta có thể dễ dàng thay đổi nhiệt độ của nước và từ đó thay đổi được nhiệt độ của khí trong bình kim loại. Ban đầu, ta cho nước vào cốc thủy tinh với nhiệt độ khoảng