2.3.1.3. Khí lý tưởng. Các định luật về khí lý tưởng
a. Khái niệm về khí lý tưởng:
Như trên đã trình bày, ở thể khí các phân tử xa nhau nên thể tích riêng của
các phân tử khí rất nhỏ so với thể tích của bình chứa. Vì thế để đơn giản ta có
1
v
ur
2
thể bỏ qua thể tích riêng của các phân tử, coi chúng như các chất điểm. Mặt
khác, khi chưa va chạm thì lực tương tác giữa các phân tử khí rất yếu, nên cũng có thể bỏ qua. Từ khái niệm này có thể đưa ra định nghĩa sau đây:
Chất khí trong đó các phân tử được coi là các chất điểm và chỉ tương tác
khi va chạm được gọi là khí lý tưởng.
Trạng thái của khí lý tưởng được đặc trưng bởi ba thơng số: Nhiệt độ (T),
áp suất (P), thể tích (V)
b. Định luật Bơi-lơ – Ma-ri-ốt và q trình đẳng nhiệt.
Nội dung của định luật này được mơ tả q trình biến đổi của một chất khí
từ trạng thái này sang trạng thái khác khi nhiệt độ không thay đổi. Quá trình
như vậy gọi là quá trình đẳng nhiệt.
Bơi-lơ – Ma-ri-ốt làm thực nghiệm với chất khí và đưa ra định luật sau đây:
Khi một lượng khí nhất định thực hiện quá trình đẳng nhiệt (T = const) áp
suất chất khí tỉ lệ nghịch với thể tích của nó.
Biểu thức tổng qt của định luật là:
PV = const ( 2.1)
Nếu gọi p V1, 1là áp suất và thể tích của một chất khí ở trạng thái 1; p V,
2 2 là áp suất và thể tích của một chất khí ở trạng thái 2 thì biểu thức mô tả định
luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt là:
1 1 2 2
p V = p V ( 2.2 )
Từ phương trình ( 2.2 ) có thể suy ra phương trình mơ tả trường hợp tổng
qt một chất khí ( một hệ nhiệt động gọi tắt là một hệ) biến đổi qua n trạng
thái theo quá trình đẳng nhiệt là:
1 1 2 2 ... n n onst
p V = p V = =p V =c ( 2.3 )
Phương trình ( 2.3 ) mơ tả định luật Bơi-lơ – Ma-ri-ốt trong q trình đẳng
nhiệt có thể biểu diễn trên giản đồ ( P,T ) và giản đồ ( P,V ) như hình 2.3a và hình 2.3b
P p 1 p 1 p1 1 T 2 p 2 p2 2 0 T V1 V2 V Hình 2.3a Hình 2.3b Hình 2.3a: Quá trình đẳng nhiệt biểu diễn trên giản đồ P - T
Hình 2.3b: Quá trình đẳng nhiệt biểu diễn trên giản đồ P - V Nhận xét:
-Đường đẳng nhiệt trên giản đồ P – T là đường thẳng song song với trục P,
còn trên giản đồ P - V, đường đẳng nhiệt là một đường hypebol.
-Ứng với các nhiệt độ khác nhau của một chất khí có các đường đẳng nhiệt
khác nhau.
- Các đường đẳng nhiệt trên giản đồ P – Vứng với các nhiệt độ cao hơn là
các đường hypebol ở xa các trục tọa độ.
c. Định luật Sác-Lơ và q trình đẳng tích.
Định luật này mô tả quá trình biến đổi của một chất khí biến đổi từ trạng
thái này sang trạng thái khác khi thể tích của nó khơng thay đổi. Q trình
này được gọi là q trình đẳng tích.
Định luật Sác – Lơ được phát biểu như sau: Trong quá trình đẳng tích của
một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của nó.
Biểu thức của định luật:
onst
p = c T
Nếu gọi P1, T1 là áp suất và nhiệt độ tuyệt đối của một lượng khí một hệ ở trạng
thái 1 biến đổi đẳng tích sang trạng thái 2 có P2, T2là áp suất và nhiệt độ tuyệt đối
của lượng khí đó, thì phương trình mơ tả định luật Sác-Lơ được viết như sau:
p p
1= 2
T T
1 2
( 2.4 )
Trường hợp tổng quát: nếu hệ biến đổi qua n trạng thái theo quá trình đẳng
tích ta viết được: 1 2 1 2 onst n n P P P c T =T = P = ( 2.5 )
Q trình đẳng tích có thể biểu diễn trên giản đồ P – T và P – V như hình 2.4. P P 2 p 2 p2 2 1 1 p a p1 1 b 0 T1 T2 T 0 V Hình 2.4
a: Đường đẳng tích trên giản đồ P - T b: Đường đẳng tích trên giản đồ P - V Nận xét:
Q trình đẳng tích trên trên giản đồ ( P,V) là một đường song song trục P.
Q trình đẳng tích biểu diễn trên giản đồ (P,T) là một đường tuyến tính.
Các thể tích khác nhau của cùng một lượng khí cho những đường đẳng tích
khác nhau theo chiều kim đồng hồ. Đường nằm ở phía trên (V1) ứng với thể
d. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng. Định luật Gay Lussac
* Phương trình trạng thái của khí lí tưởng:
Để thiết lập phương trình trạng thái của khí lí tưởng, ta chuyển lượng khí từ
trạng thái 1(P1, V1, T1) sang trạng thái 2 (P2, V2, T2) qua trạng thái trung gian
'
1(P' , V2 , T1 ).
Xét lượng khí chuyển từ trạng thái 1( P1 , V1 , T1 ) sang trạng '
1 ( '
P , V2 , T1) theo q trình đẳng nhiệt (T1=const). Theo định luật Bơi - lơ - Ma - ri -ốt ta có:
' 1 1 2
p V = p V ( 2.6 )
Tiếp theo đó, lượng khí chuyển từ trạng thái '
1( '
P, V2, T1 ) sang trạng thái 2 (P2, V2, T2) theo q trình đẳng tích (V2=const). Theo định luật Sác – lơ :
' p p 2 = T T 1 2 ( 2.7 ) Nhân hai phương trình ( 2.6 ) và ( 2.7 ) với nhau ta được :
2 1 1 2 1 2 P P PV P V T T ¢= ¢ ( 2.8a) Hay 1 1 2 2 1 2 P P T = T V V (2.8b) Từ phương trình ( 2.8b ) có thể suy ra dạng tổng quát của phương trình
P onst T V c = ( 2.9a) Hay 1 1 2 2 n 1 2 n P P P ... onst T = T T n V V V c = = = ( 2.9b)
Phương trình (2.9b) là phương trình trạng thái của khí lí tưởng
* Định luật Gay Lussac :
Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng ( 2.9 ), ta có thể suy ra: nếu P1 = P2
thì biểu thức này mơ tả q trình chuyển trạng thái của một lượng khí khi áp
Định luậtGay Lussac mơ tả q trình đẳng áp phát biểu như sau:
Trong q trình đẳng áp của một lượng khí nhất định, thể tích tỷ lệ thuận
với nhiệt độ tuyệt đối.
Phương trình mơ tả định luật là:
1 2 1 2 n ... onst T = T T n V V V c = = = ( 2.10 )
Đường biểu diễn sự biến thiên của thể tích theo nhiệt độ khi áp suất không đổi gọi là đường đẳng áp. Đường này được biểu diễn trên giản đồ (T-V) và giản đồ (P-V) như các hình 2.5a và 2.5b. V P p 1 2 p = const a b 0 T 0 V1 V2 V Hình 2.5
a: Đường đẳng áp biểu diễn trên giản đồ (V – T)
b: Đường đẳng áp biểu diễn trên giản đồ ( P – V) Nhận xét:
- Đường đẳng áp trên giản đồ V – T là một đường tuyến tính
- Đường đẳng áp trên giản đồ P – V là một đường song song với trục hoành Tóm lại: Có thể biểu diễn chung các q trình đẳng nhiệt, đẳng tích và đẳng
P P đẳng nhiệt đẳng tích đẳng tích đẳng áp đẳng áp a b đẳng nhiệt 0 T 0 V V đẳng nhiệt đẳng áp đẳng tích c 0 T Hình 2.6
a: Các q trình đẳng nhiệt, đẳng tích và đẳng áp biểu diễn trên giản đồ P – T. b: Các q trình đẳng nhiệt, đẳng tích và đẳng áp biểu diễn trên giản đồ P – V. c: Các quá trình đẳng nhiệt, đẳng tích và đẳng áp biểu diễn trên giản đồ V – T.
2.4. Mục tiêu dạy học chương “Chất khí” vật lí 10 ban cơ bản+ Hiểu được sơ bộ cấu trúc phân tử của chất khí và của vật chất. + Hiểu được sơ bộ cấu trúc phân tử của chất khí và của vật chất.
+ Có khái niệm về khí lí tưởng, về nhiệt độ tuyệt đối.
+ Nắm được định luật Bơi-lơ - Ma-ri-ốt, Sác-lơ về chất khí và phương trình trạng thái hay phương trình Cla-pê-rơn là tổng hợp nội dung của các định
2.5. Mục tiêu dạy bài tập chương “Chất khí” vật lí 10 ban cơ bản+ Giải thích được các hiện tượng trong thực tế về chất khí. + Giải thích được các hiện tượng trong thực tế về chất khí.
+ Vận dụng được các định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt, Sác-lơ và phương trình trạng thái hay phương trình Cla-pê-rơn để giải các bài tập.
+ Rèn luyện kỹ năng giải bài tập.
2.6. Phân loại bài tập chương “Chất khí” vật lí 10 ban cơ bản2.6.1. Các cơ sở phân loại bài tập vật lí 2.6.1. Các cơ sở phân loại bài tập vật lí
Khi tiến hành phân loại các bài tập vật lí, ta thường dựa trên 3 cơ sở chính sau đây:
Phân loại theo nội dung: bài tập vật lí được chia thành các dạng bài tập như bài tập có nội dung lịch sử, bài tập có nội dung cụ thể hoặc trừu tượng,
bài tập dưới dạng đề tài vật lí, bài tập kỹ thuật tổng hợp.
Phân loại theo yêu cầu phát triển tư duy: bài tập vật lí được chia thành bài tập luyện tập, bài tập sáng tạo.
Phân loại theo phương thức cho điều kiện và phương thức giải: bài tập
vật lí được chi thành bài tập định tính, bài tập định lượng, bài tập đồ thị, bài tập thí nghiệm, bài tập trắc nghiệm khách quan.
Tuy nhiên khi tiến hành phân loại bài tập cho một nội dung, một đề tài, một
phần cụ thể chúng ta có thể kết hợp việc phân loại theo các cơ sở trên tùy theo nội dung, mục đích sử dụng bài tập, trình độ xuất phát của học sinh và thời
gian sử dụng các bài tập.
2.6.2. Phân loại bài tập chương “Chất khí”- Vật lí 10 ban cơ bản cho
TTGDTX
Dựa trên cơ sở phân loai bài tập vật lí theo mục 1.1.3. chương 1, để xây
dựng hệ thống bài tập chương “Chất khí” cho phù hợp với học viên Trung TGDTX Ứng Hòa chúng tôi chọn loại bài tập phân loại theo phương thức
cho điều kiện và phương thức giải. Có thể sử dụng sơ đồ sau đây để trình bày
cho các dạng bài tập chương “Chất khí” mà chúng tơi xây dựng và thực hiện
Sơ đồ 2.1. Phân loại các bài tập vật lí theo phương thức cho điều kiện và phương thức giải CHẤT KHÍ Phân loại theo phương thức cho điều kiện và phương thức giải
Bài tập định tính: Sử dụng thuyết động học phân tử
về cấu tạo chất khí để giải thích các hiện tượng liên quan Bài tập định lượng: - Áp dụng các biểu thức của các quá trình: đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp và sử dụng phương trình trạng thái khí lí tưởng để giải các
bài tập
Bài tập thí nghiệm: Thiết kế phương án
thí nghiệm kiểm tra
các đẳng quá trình
theo các định luật
thực nghiệm.
Bài tập trắc nghiệm khách quan
Bài tập đồ thị: - Vẽ đồ thị của các quá trình nhiệt động trên các giản đồ P –V, P – T và V - T - Đọc đồ thị của các đẳng quá trình trên giản đồ Loại 1: Áp dụng cho một lượng khí xác định Loại 2: Áp dụng
cho khối lượng khí thay đổi khi biến đổi trạng thái
Loại1: Vẽ đồ thị
cho một đẳng quá
trình
Loại 2: Vẽ đồ thị
cho nhiều đẳng quá
trình kế tiếp nhau
Loại 1: Cho sẵn dụng cụ
thí nghiệm
Loại 2: Học viên tự lựa
chọn các dụng cụ thí
2.7. Xây dựng hệ thống bài tập chương “chất khí” vật lí 10 ban cơ ban theo hướng tiếp cập hoạt động theo hướng tiếp cập hoạt động
* Hệ thống bài tập theo hướng tiếp cận hoạt động
Dựa trên sơ đồ phân loại bài tập chương “chất khí” vật lí 10 ban cơ bản trên
đây. Sau nhiều năn công tác thực tiễn ở TTGDTX và dựa trên nhu cầu thực tế như
dẫ trình bày ở chương 1. Chúng tôi đã xây dựng được hệ thống bài tập gồm:
- Bài tập định tính; - Bài tập định lượng; - Bài tập đồ thị; - Bài tập thí nghiệm; - Bài tập trắc nghiệm.
Từ các dạng bài tập này GV cần hướng dẫn HV giải bài tập một cách
chủ động theo hướng tiếp cận hoạt động (hoạt động của HV là chủ đạo dưới
sự hướng dẫn của giáo viên). Sau đây là sự chi tiết hóa từng dạng bài tập đã xây dựng cho TTGDTX của chúng tôi.
2.7.1. Bài tập định tính
- Mục đích: Sử dụng thuyết động học phân tử về cấu tạo chất khí để giải
thích các hiện tượng liên quan.
- Phương pháp tiếp cận hoạt động:
GV khắc sâu cho HV mục đích giải bài tập định tính và hướng dẫn gợi mở
cho từng bài tập để HV chủ động giải bài tập.
a. Bài tập mẫu:
Tại sao chất khí dễ bị nén, dễ bị dãn nở, cịn chất lỏng không nén được?
+ Hướng dẫn giải bài tập theo hướng tiếp cận hoạt động
Sơ đồ 2.2. Quá trình tiếp cận hoạt động giữa GV và HV ở TTGDTX
Hướng dẫn giải bài tập theo phương pháp tiếp cận hoạt động:
Hoạt động của GV Hoạt động của HV
- Để học viên chủ động giải thích được hiện tượng này, GV cần yêu cầu
HV thực hiện các bước sau:
+ Yêu cầu HV đọc kỹ đầu bài + Phân tích bài:
Nêu cấu tạo chất?
So sánh lực tương tác của các phân
tử chất lỏng và chất khí ?
+ Từ hai yếu tố trên yêu cầu học viên rút ra nhận xét để trả lời câu hỏi.
+ GV nhận xét kết quả
- HV chủ động nhớ lại kiến thức và thực hiện theo các bước GV yêu cầu. + HV đọc đầu bài và phân tích
- HV trả lời câu hỏi của đề bài: Cấu
tạo của chất lỏng và khí là khác nhau. Các phân tử chất lỏng ở rất gần nhau
giữa chúng có lực đẩy và lực hút giữ
cho các phân tử chất lỏng không thể
tiến gần và cũng không thể xa nhau
q nên chất lỏng ln có hình dạng thay đổi theo bình chứa nhưng thể
tích của nó khơng thay đổi. Cịn chất
khí có thể dễ gần nhau mà cũng dễ xa nhau, do đó chất khí dễ bị nén và cũng dễ bị giãn nở. GV KT HV
Chú ý: Dựa vào mục đích cần đạt được khi giải bài tập định tính mà GV cần hướng dẫn cho HV giải thích các bài tập liên quan tương tự như bài tập
mẫu được lấy làm ví dụ trên đây. Từ đó HV có thể lấy làm phương pháp chung để giải các bài tập định tính cho chương “chất khí”.
b. Bài tập vận dụng( Biên soạn cho học sinh tự giải )
Bài 1:Thả một xúc tác muối ăn vào một bình nước, sau một thời gian các
phân tử muối phân bố đều trong tồn thể tích nước. Hãy giải thích hiện tượng?
Lời giải:
Đầu tiên muối hòa tan trong nước. Mật độ phân tử muối ở chỗ thả muối cao hơn chỗ khác nên phân tử muối khuếch tán đến nơi có mật độ phân tử
muối thấp hơn, cho đến khi mật độ phân tử muối mọi chỗ đều như nhau.
Bài 2: Hãy quan sát một tia nắng lọt vào phòng tối qua lỗ nhỏ và nhận xét
gì về các hạt bụi ? Giải thích hiện tượng ?
Lời giải:
Qua lỗ nhỏ ta dễ dàng thấy các hạt bụi bay lơ lửng, tung hồnh trong khơng khí. Ngun nhân là do các phân tử khơng khí chuyển động hỗn loạn,
không ngừng liên tiếp va chạm vào các hạt bụi.
Bài 3: Tại sao khi bơm xe, bơm bóng thì lốp xe và quả bóng lại căng lên ?
Lời giải:
Số phân tử khí tăng, áp suất tăng lên làm lốp xe và quả bóng căng lên.
Bài 4: Giải thích tại sao ruột ( săm ) xe đạp còn tốt, sau khi đã bơm căng, để lâu ngày ruột xe xẹp dần ?
Lời giải:
Ruột ( săm ) xe đạp bề ngoài như liền, nhưng giữa các phân tử của chất
làm ruột săm xe vẫn có khoảng cách nên các phân tử khơng khí vẫn có thể
Bài 5:Sau khi bóp vụn viên phấn thành những hạt nhỏ. Một em học sinh
gọi bụi phấn ấy là những nguyên tử, phân tử. Ý kiến ấy là sai, em hãy giải