2.3.1.3. Khí lý tưởng. Các định luật về khí lý tưởng
a. Khái niệm về khí lý tưởng:
Nhƣ 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 v1 v2
thể bỏ qua thể tích riêng của các phân tử, coi chúng nhƣ các chất điểm. Mặt khác, khi chƣa va chạm thì lực tƣơng tác giữa các phân tử khí rất yếu, nên cũng có thể bỏ qua. Từ khái niệm này có thể đƣa 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 thông số: Nhiệt độ (T), áp suất (P), thể tích (V)
b. Định luật Bơi-lơ – Ma-ri-ốt và quá trình đẳng nhiệt.
Nội dung của định luật này đƣợc mô tả q trình biến đổi của một chất khí
từ trạng thái này sang trạng thái khác khi nhiệt độ khơng thay đổi. Q trình
như vậy gọi là q trình đẳng nhiệt.
Bơi-lơ – Ma-ri-ốt làm thực nghiệm với chất khí và đƣa ra định luật sau đây: Khi một lượng khí nhất định thực hiện q trình đẳng nhiệt (T = const) áp
suất chất khí tỉ lệ nghịch với thể tích của nó. Biểu thức tổng quát của định luật là:
PV = const ( 2.1)
Nếu gọi p V là áp suất và thể tích của một chất khí ở trạng thái 1; 1, 1 p V,
2 2
là áp suất và thể tích của một chất khí ở trạng thái 2 thì biểu thức mơ tả định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt là:
p V = p V ( 2.2 ) 1 1 2 2
Từ phƣơng trình ( 2.2 ) có thể suy ra phƣơng trình mơ tả trƣờng hợp tổng quát một chất khí ( một hệ nhiệt động gọi tắt là một hệ) biến đổi qua n trạng thái theo quá trình đẳng nhiệt là:
p V = p V1 1 2 2 ... p Vn n const ( 2.3 )
Phƣơng 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 ) nhƣ hình 2.3a và hình 2.3b
P p 1 p 1 p 1 1 T 2 p 2 p 2 2 0 T V 1 V 2 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:
- Đƣờng đẳng nhiệt trên giản đồ P – T là đƣờng thẳng song song với trục P, còn trên giản đồ P - V, đƣờng đẳng nhiệt là một đƣờng hypebol.
- Ứng với các nhiệt độ khác nhau của một chất khí có các đƣờng đẳng nhiệt khác nhau.
- Các đƣờng đẳng nhiệt trên giản đồ P – V ứng với các nhiệt độ cao hơn là các đƣờng hypebol ở xa các trục tọa độ.
c. Định luật Sác-Lơ và q trình đẳng tích.
Định luật này mô tả q 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 đƣợc phát biểu nhƣ sau: Trong q 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:
p onst = c T
Nếu gọi P1, T1 là áp suất và nhiệt độ tuyệt đối của một lƣợng 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 lƣợng khí đó, thì phƣơng trình mơ tả định luật Sác-Lơ đƣợc viết nhƣ sau:
p1= p2
T T
1 2
( 2.4 )
Trƣờng hợp tổng quát: nếu hệ biến đổi qua n trạng thái theo q trình đẳng tích ta viết đƣợc: 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 nhƣ hình 2.4. P P p2 2 p2 2 1 p1 a p1 1 b 0 T1 T2 T 0 V Hình 2.4
a: Đƣờng đẳng tích trên giản đồ P - T b: Đƣờng đẳng tích trên giản đồ P - V Nận xét:
Q trình đẳng tích trên trên giản đồ ( P,V) là một đƣờng song song trục P. Q trình đẳng tích biểu diễn trên giản đồ (P,T) là một đƣờng tuyến tính. Các thể tích khác nhau của cùng một lƣợng khí cho những đƣờng đẳng tích khác nhau theo chiều kim đồng hồ. Đƣờng nằm ở phía trên (V ) ứng với thể 1 tích lớn hơn đƣờng nằm phía dƣới (V ). 2
d. Phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng. Định luật Gay Lussac
* Phương trình trạng thái của khí lí tưởng:
Để thiết lập phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng, ta chuyển lƣợng khí từ trạng thái 1(P1, V , 1 T1) sang trạng thái 2 (P2, V , 2 T2) qua trạng thái trung gian
'
1( '
P , V , 2 T1 ).
Xét lƣợng khí chuyển từ trạng thái 1( P1 , V , 1 T1 ) sang trạng '
1 ( '
P , V , 2 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, lƣợng khí chuyển từ trạng thái '
1( '
P, V , 2 T1 ) sang trạng thái 2 (P2, V , 2 T2) theo q trình đẳng tích (V2 const). Theo định luật Sác – lơ : ' p p 2 = T T 1 2 ( 2.7 )
Nhân hai phƣơng trình ( 2.6 ) và ( 2.7 ) với nhau ta đƣợc :
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 phƣơng trình ( 2.8b ) có thể suy ra dạng tổng quát của phƣơng 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)
Phƣơng trình (2.9b) là phƣơng trình trạng thái của khí lí tƣởng * Định luật Gay Lussac :
Từ phƣơng trình trạng thái khí lý tƣởng ( 2.9 ), ta có thể suy ra: nếu P1 = P2 thì biểu thức này mơ tả q trình chuyển trạng thái của một lƣợng khí khi áp suất của nó khơng đổi, đó là q trình đẳng áp.
Định luật Gay Lussac mô tả quá trình đẳng áp phát biểu nhƣ sau:
Trong quá trình đẳng áp của một lượng khí nhất định, thể tích tỷ lệ thuận
với nhiệt độ tuyệt đối.
Phƣơng trình mơ tả định luật là:
1 2 1 2 n ... onst T = T T n V V V c ( 2.10 )
Đƣờng biểu diễn sự biến thiên của thể tích theo nhiệt độ khi áp suất không đổi gọi là đƣờng đẳng áp. Đƣờng này đƣợc biểu diễn trên giản đồ (T-V) và giản đồ (P-V) nhƣ các hình 2.5a và 2.5b. V P p 1 2 p = const a b 0 T 0 V 1 V V 2 Hình 2.5
a: Đƣờng đẳng áp biểu diễn trên giản đồ (V – T) b: Đƣờng đẳng áp biểu diễn trên giản đồ ( P – V) Nhận xét:
- Đƣờng đẳng áp trên giản đồ V – T là một đƣờng tuyến tính
- Đƣờng đẳng áp trên giản đồ P – V là một đƣờng song song với trục hồnh Tóm lại: Có thể biểu diễn chung các q trình đẳng nhiệt, đẳng tích và đẳng áp trên các giản đồ P – T, P – V và V – T nhƣ hình 2.6 a, b, c.
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 quá trình đẳng nhiệt, đẳng tích và đẳng áp biểu diễn trên giản đồ P – V. c: Các q trình đẳng nhiệt, đẳng tích và đẳng áp biểu diễn trên giản đồ V – T.
2.4. Mục tiêu dạy học chƣơng “Chất khí” vật lí 10 ban cơ bản
+ Hiểu đƣợc sơ bộ cấu trúc phân tử của chất khí và của vật chất. + Có khái niệm về khí lí tƣởng, về nhiệt độ tuyệt đối.
+ Nắm đƣợc định luật Bơi-lơ - Ma-ri-ốt, Sác-lơ về chất khí và phƣơng trình trạng thái hay phƣơng trình Cla-pê-rơn là tổng hợp nội dung của các định luật ấy.
2.5. Mục tiêu dạy bài tập chƣơng “Chất khí” vật lí 10 ban cơ bản
+ Giải thích đƣợc các hiện tƣợng trong thực tế về chất khí.
+ Vận dụng đƣợc các định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt, Sác-lơ và phƣơng trình trạng thái hay phƣơng trình Cla-pê-rơn để giải các bài tập.
+ Rèn luyện kỹ năng giải bài tập.
2.6. Phân loại bài tập chƣơng “Chất khí” vật lí 10 ban cơ bản
2.6.1. Các cơ sở phân loại bài tập vật lí
Khi tiến hành phân loại các bài tập vật lí, ta thƣờng dựa trên 3 cơ sở chính
sau đây:
Phân loại theo nội dung: bài tập vật lí đƣợc chia thành các dạng bài tập nhƣ bài tập có nội dung lịch sử, bài tập có nội dung cụ thể hoặc trừu tƣợng, bài tập dƣới dạng đề tài vật lí, bài tập kỹ thuật tổng hợp.
Phân loại theo yêu cầu phát triển tƣ duy: bài tập vật lí đƣợc chia thành
bài tập luyện tập, bài tập sáng tạo.
Phân loại theo phƣơng thức cho điều kiện và phƣơng thức giải: bài tập
vật lí đƣợc chi thành bài tập định tính, bài tập định lƣợng, 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. chƣơng 1, để xây
dựng hệ thống bài tập chƣơng “Chất khí” cho phù hợp với học viên Trung TGDTX Ứng Hịa chúng tơi 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 chƣơng “Chất khí” mà chúng tơi xây dựng và thực hiện tại TTGDTX Ứng Hòa Hà Nội.
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 phƣơng thức cho điều kiện và phƣơng thức giải
Bài tập định tính: Sử dụng thuyết động học phân tử
về cấu tạo chất khí để giải thích các hiện tƣợng liên quan Bài tập định lƣợng: - Áp dụng các biểu thức của các q trình: đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp và sử dụng phƣơng trình trạng thái khí lí tƣởng để giải các bài tập Bài tập thí nghiệm: Thiết kế phƣơng 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 lƣợng khí xác định
Loại 2: Áp dụng cho khối lƣợng 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 nghiệm
2.7. Xây dựng hệ thống bài tập chƣơng “chất khí” vật lí 10 ban cơ ban theo hƣớng tiếp cập hoạt động theo hƣớng tiếp cập hoạt động
* Hệ thống bài tập theo hƣớng tiếp cận hoạt động
Dựa trên sơ đồ phân loại bài tập chƣơng “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 nhƣ dẫ trình bày ở chƣơng 1. Chúng tơi đã xây dựng đƣợc 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 hƣớng dẫn HV giải bài tập một cách chủ động theo hƣớng tiếp cận hoạt động (hoạt động của HV là chủ đạo dƣới sự hƣớng 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 tƣợng liên quan.
- Phương pháp tiếp cận hoạt động:
GV khắc sâu cho HV mục đích giải bài tập định tính và hƣớng 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 đƣợc? + Hƣớng dẫn giải bài tập theo hƣớng tiếp cận hoạt động
Sơ đồ 2.2. Quá trình tiếp cận hoạt động giữa GV và HV ở TTGDTX
Hƣớng dẫn giải bài tập theo phƣơng pháp tiếp cận hoạt động:
Hoạt động của GV Hoạt động của HV
- Để học viên chủ động giải thích đƣợc hiện tƣợng này, GV cần yêu cầu HV thực hiện các bƣớc sau:
+ Yêu cầu HV đọc kỹ đầu bài
+ Phân tích bài:
Nêu cấu tạo chất ?
So sánh lực tƣơng 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 bƣớc 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 nhƣng 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 đƣợc khi giải bài tập định tính mà GV cần hƣớng dẫn cho HV giải thích các bài tập liên quan tƣơng tự nhƣ bài tập mẫu đƣợc lấy làm ví dụ trên đây. Từ đó HV có thể lấy làm phƣơng pháp chung để giải các bài tập định tính cho chƣơng “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 nƣớc, sau một thời gian các
phân tử muối phân bố đều trong tồn thể tích nƣớc. Hãy giải thích hiện tƣợng? Lời giải:
Đầu tiên muối hòa tan trong nƣớc. 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 nhƣ 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 tƣợng ? 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, khơng 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 nhƣ liền, nhƣng giữa các phân tử của chất
làm ruột săm xe vẫn có khoảng cách nên các phân tử khơng khí vẫn có thể chui qua và thốt ra ngồi.
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 thích cho bạn ?
Lời giải:
Các hạt phấn nhƣ những hạt bụi nhỏ, tuy vậy vẫn chƣa thể gọi là nguyên
tử, phân tử đƣợc bởi các nguyên tử, phân tử còn nhỏ hơn rất nhiều mà bằng