Giáo án về thuyết động học phân tử các chất khí môn vật lý lớp 10

Chương 6

THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CÁC CHẤT KHÍ

6.1 Các định luật thực nghiệm và phương trình trạng thái chất khí

6.1.1 Một số khái niệm

a. Thông số trạng thái và phương trình trạng thái

Khi nghiên cứu một vật nếu thấy tính chất của nó thay đổi ta nói rằng trạng thái của vật đã thay đổi. Như vậy các tính chất của vật biểu hiện trạng thái của vật đó và ta có thể dùng một tập hợp các tính chất để xác định tính chất của một vật. Mỗi tính chất thường được đặc trưng bởi một đại lượng vật lí và như vậy trạng thái của một vật được xác định bởi một tập hợp xác định các đại lượng vật lí. Các đại lượng vật lý này gọi là các thông số trạng thái.

Những hệ thức giữa các thông số trạng thái của một vật được gọi là phương trình trạng thái của vật đó.

Để biểu diễn trạng thái của một khối khí nhất định, người ta thường dùng ba thông số trạng thái: thể tích V; áp suất p và nhiệt độ T của khối khí.

Thực nghiệm chứng tỏ rằng trong 3 thông số đó chỉ có hai thông số độc lập, nghĩa là giữa ba thông số có mối liên hệ được biểu diễn bằng một phương trình trạng thái có dạng tổng quát như sau:

f(p,V,T) = 0

Việc khảo sát dạng cụ thể của phương trình trạng thái là một trong những vấn đề cơ bản của nhiệt học.

b. Áp suất

Áp suất là một đại lượng vật lí có giá trị bằng lực nén vuông góc lên một đơn vị diện tích. Nếu kí hiệu F là lực nén vuông góc lên ΔS thì áp suất p được xác định:

F p = ΔS

Trong hệ SI đơn vị của áp suất là N/m2 (hay Pa). Ngoài ra để đo áp suất, người ta còn dùng các đơn vị sau:

- atmôtphe kỹ thuật (gọi tắt là atmôtphe). - milimét thủy ngân (viết tắt là mmHg, còn gọi là tor) bằng áp suất tạo bởi trọng lượng của cột thủy ngân cao 1mm.

Mối liên hệ giữa các đơn vị áp suất:

1at = 736 mmHg = 9,81.104 N/m2

61

c. Nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lượng vật lí đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật. Trong hệ SI đơn vị của nhiệt độ là Kelvin (thang nhiệt độ tuyệt đối), kí hiệu là K. Ngoài ra để đo nhiệt độ, người ta thường dùng đơn vị 0C (thang nhiệt độ bách phân).

Mối liên hệ giữa các đơn vị nhiệt độ: T = t + 273,16 Trong tính toán người ta thường lấy: T = t + 273 T: là nhiệt độ trong thang tuyệt đối, t là nhiệt độ trong thang bách phân.

6.1.2 Định luật Boyle-Mariotte

Trong quá trình đẳng nhiệt của một khối khí, thể tích tỉ lệ nghịch với áp suất.

pV = const (6-1)

O V

p

Hình 6-1

1T

2 T

3 T

1 2 3 T <T <T

Đường đẳng nhiệt là đường hypebol. Ứng với nhiệt độ khác nhau ta có các đường đẳng nhiệt khác nhau (hình 6-1). Nhiệt độ càng cao, đường đẳng nhiệt càng xa gốc tọa độ. Tập hợp các đường đẳng nhiệt gọi là họ đường đẳng nhiệt.

6.1.3 Các định luật GayLussac

a. Trong quá trình đẳng tích của một khối khí, áp suất tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối.

const T p = (6-2)

b. Trong quá trình đẳng áp của một khối khí, thể tích tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối.

const T V = (6-3)

(6-2) và (6-3) còn có thể viết:

0

0 T p T p = (V = const) và const) (p T V T V

0

0 = =

Thông thường ta chọn T0 = 273K = α 1 , khi đó:

62

p = p0 .α.T (V = const) (6-4) V = V0.α.T (p = const) (6-5)

α: hệ số giãn nở nhiệt của chất khí.

6.1.3 Giới hạn áp dụng của các định luật Boyle-Mariotte và GayLussac

Khi nghiên cứu các định luật trên đây, Boyle-Mariotte và GayLussac đã nghiên cứu các chất khí ở nhiệt độ và áp suất thông thường của phòng thí nghiệm. Vì vậy các định luật này chỉ đúng trong điều kiện chất khí có nhiệt độ không quá thấp và áp suất không quá lớn.

6.1.4 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng

Khí lý tưởng là chất khí tuân theo hoàn toàn chính xác 2 định luật Boyle-Mariotte và GayLussac.

Đối với 1 kmol khí (chứa N = 6,23.1026 phân tử) Clapeyron và Menđêlêev đã tìm ra phương trình sau: pv = RT (6-6)

R là hằng số của khí lý tưởng.

Với một khối khí có khối lượng m và thể tích là V thì v m μ V = (μ (kg) là khối

lượng của 1kilômol). Từ (6-6) suy ra:

RT μ m pV = (6-7)

a. Thiết lập phương trình trạng thái của khí lý tưởng

Giả sử 1kmol khí lúc đầu có trạng thái xác định bởi các thông số p1,V1,T1. Sau khi biến đổi sang …