GV: - Vật chất đợc cấu tạo nh thế nào?
- Vì sao chất khí lại gây áp suất lên thành bình? HS: - Vật chất đợc cấu tạo từ các phân tử riêng biệt.
- Các phân tử chuyển động hỗn độn không ngừng.
- Các phân tử tơng tác với nhau bằng các lực hút và lực đẩy phân tử.
- Vận tốc trung bình của chuyển động hỗn độn của các phân tử cấu tạo nên vật chất càng lớn thì nhiệt độ của vật càng cao.
Khi chuyển động hỗn độn, các phân tử khí va chạm vào thành bình và gây nên áp suất lên thành bình.
+ Khi nhiệt độ tăng, các phân tử khí chuyển động nhanh hơn: Các phân tử khí va chạm vào thành bình càng mạnh và số va chạm trong một đơn vị thời gian càng nhiều thì áp suất chất khí tác dụng lên thành bình càng lớn.
+ Nếu thể tích của khối khí giảm thì số phân tử khí trong một đơn vị thể tích tăng. Do đó số va chạm vào thành bình cũng tăng- áp suất của chất khí tăng và ngợc lại. GV: Câu trả lời của em đúng. Em dựa vào đâu mà có câu trả lời tốt nh vậy?
HS: Em dựa vào mô hình thuyết động học phân tử về cấu tạo chất và mô hình khí lý tởng.
GV: Đúng vậy. Các mô hình ấy mô tả về cấu trúc vật chất (nói chung) và của chất khí (nói riêng). Mô hình còn có chức năng tiên đoán. Từ mô hình, bằng suy luận lôgíc và suy luận toán học suy ra hệ quả là những điều cha biết. Nếu điều cha biết đó đợc thực nghiệm kiểm tra là đúng, khi đó ta mới công nhận là mô hình đúng- nghĩa là mô tả đúng đối tợng. Bài học hôm nay chúng ta sẽ từ các mệnh đề của mô hình kết hợp với suy luận lôgic và suy luận toán học để tiên đoán hệ quả mới- đó sẽ là điều rất thú vị. Các em chú ý theo dõi và phát biểu ý kiến.
II. Bài mới
Đ81 Phơng trình cơ bản của thuyết động học phân tử về chất khí lý tởng. Định luật Bôilơ-Mariôt
Sự kiện khởi đầu:
GV: Nếu chất khí chứa trong một bình kín, các phân tử khí sẽ gây ra một sức ép lên thành bình và tạo ra áp suất. áp suất này có phụ thuộc vào mật độ và nhiệt độ khí hay không? phụ thuộc nh thế nào? biểu thức định lợng ra sao?
1.Xây dựng ph ơng trình cơ bản [1], [2]
Xây dựng mô hình:
GV: Các phân tử khí chuyển động hỗn độn va vào thành bình gây áp suất lên thành bình. Mỗi phân tử khí va chạm vào thành bình gây một áp lực không đáng kể, nhng vô số phân tử va chạm liên tục lên thành bình sẽ gây ra một áp lực đáng
p
kể. Vì các phân tử chuyển động hỗn độn nên vận tốc của chúng khi va chạm cũng nh số va chạm trong mỗi đơn vị thời gian lên thành bình thay đổi. áp suất chất khí do đó cũng thay đổi quanh một giá trị trung bình nào đó (Hình 7).
GV: Độ lớn của áp suất chất khí tác dụng lên thành bình phụ thuộc vào yếu tố nào?
HS: Phụ thuộc vào áp lực mà mỗi phân tử khí tác dụng lên thành bình khi va chạm và vào số va chạm của các phân tử lên thành bình trong một đơn vị thời gian.
GV: Đúng vậy, mỗi phân tử khí có khối lợng m, chuyển động với vận tốc v, sau khi va chạm sẽ truyền động lợng cho thành bình. áp lực của phân tử khí tác dụng vào thành bình phụ thuộc vào yếu tố nào?
HS: Phụ thuộc độ lớn của động lợng mà phân tử khí truyền cho thành bình khi va chạm.
GV: Vậy, áp suất trung bình mà mỗi phân tử khí tác dụng lên thành bình phụ thuộc vào những yếu tố nào?
HS 1: Tỉ lệ với động lợng trung bình mà mỗi phân tử khí truyền cho thành bình khi va chạm : p ~ mv (a)
Trong đó v là vận tốc trung bình của chuyển động hỗn độn của các phân tử).
HS 2: Số phân tử khí trong một đơn vị thể tích càng nhiều, nghĩa là mật độ phân tử khí càng lớn thì số phân tử khí va chạm vào thành bình trong một đơn vị thời gian càng lớn. Do đó áp suất chất khí tỉ lệ với mật độ phân tử khí:
p~n0. (b)
HS 3: Do vận tốc trung bình của mỗi phân tử khí càng lớn thì quãng đờng đi đợc của phân tử trong một đơn vị thời gian càng dài, do đó số lần va chạm của mỗi phân tử vào thành bình trong một đơn vị thời gian càng lớn. áp suất chất khí do đó còn tỉ lệ với vận tốc trung bình của các phân tử khí:
p ~v (c) GV: từ (a), (b) và (c) ta có thể viết: p ~ n0mv2 hoặc p~2n0wd (d) Trong đó wd là động năng trung bình của chuyển động từng phân tử khí.
Hệ số tỉ lệ của biểu thức (4) phụ thuộc vào các đơn vị dùng trong biểu thức và tính chất riêng của chuyển động hỗn độn của các phân tử. Các phép tính thống kê cho phép xác định hệ số này là 3 1 . Vậy 2 0 3 1 v m n p= (1) hoặc p= n0wd 3 2 (2)
Phơng trình (1) và (2) đợc gọi là phơng trình cơ bản của thuyết động học phân tử về chất khí lý tởng.
Hệ quả suy ra từ mô hình:
2.Định luật Bôilơ-Mariôt a) Định luật Bôilơ-Mariôt
GV_Từ phơng trình (1), hãy chứng minh rằng ở nhiệt độ không đổi, tích của thể tích và áp suất của một khối lợng khí xác định là một hằng số.
HS_từ phơng trình (1) ta có: pV= mv V V N . 3 1 .2 hay pV= 2 3 1 v Nm trong đó V N =n0
Do nhiệt độ phụ thuộc vào vận tốc phân tử nên ở nhiệt độ không đổi, vận tốc của phân tử là không đổi.
Vậy (3) hoặc (4)pV=const
12 2 2 1 V V p p =
GV: Nh vậy, từ phơng trình cơ bản của thuyết động học phân tử ta suy ra đợc hệ quả là: Đối với một khối lợng khí xác định, khi nhiệt độ không đổi áp suất chất khí tỉ lệ nghịch với thể tich của nó.
Thực nghiệm kiểm tra:
GV cho HS làm thí nghiệm để kiểm tra và xác nhận tính đúng đắn của hệ quả. GV: Trong lịch sử vật lý, hai nhà bác học Bôilơ (ngời Anh) và Mariôt (ngời Pháp) đã độc lập tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu mối quan hệ giữa áp suất và thể tích của chất khí khi nhiệt độ không đổi và cũng thấy rằng: áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích và phát biểu thành định luật mang tên định luật Bôilơ-Mariôt. Chúng ta thấy rằng hệ quả tiên đoán từ phơng trình cơ bản đã đợc thực nghiệm kiểm chứng. Nh vậy, mô hình cấu trúc vật chất (MH thuyết ĐHPT) đã phản ánh đúng cấu trúc vật chất của thế giới.
b) Đờng đẳng nhiệt.
- Họ đờng đẳng nhiệt: Họ những đờng cong biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo thể tích khi nhiệt độ không đổi.
- ứng với các nhiệt độ khác nhau của cùng một lợng khí có các đờng đẳng nhiệt khác nhau.
GV: Các đờng đẳng nhiệt ở phía trên ứng với nhiệt độ cao hơn các đờng đẳng nhiệt ở phía dới, tại sao?
HS: Trong hệ toạ độ P-V, trên đờng song song với trục P (nghĩa là cùng một thể tích của một khối lợng khí), các điểm nằm trên ứng với nhiệt độ cao hơn các điểm nằm dới (xem hình vẽ 11). p P2 t2>t1 H2 02 P(at) 50 100 p.V 1,1 1 0,5 0
c) Định luật Bôilơ-Mariôt là định luật gần đúng ( Mở rộng phạm vi mô hình)
GV thông báo khi làm thí nghiệm với các áp suất cao thì tích pV của nhiều chất khí có sai lệch. Từ đó cho thấy định luật Bôilơ- Mariốt chỉ là định luật gần đúng. Chỉ có chất khí lý tởng là tuân theo đúng định luật Bôilơ-Mariôt. Đờng biểu diễn tích p.V ứng với khí này là đờng nét đứt trong hình vẽ 12 ở trên. Do đó ngời ta còn định nghĩa: khí lý tởng là khí tuân theo đúng định luật Bôilơ- Mariôt).