Giải chi tiết Vật lí 12 Cánh diều bài 1 Mô hình động học phân tử chất khí

MỞ ĐẦU 

Khói thuốc lá sẽ gây ảnh hưởng trong phạm vi bán kính 7 – 10 m. Những người ở trong khoảng cách này với người hút thuốc sẽ hít phải khói thuốc, trở thành người hút thuốc thụ động và cũng gặp những nguy cơ về sức khỏe.

Tại sao khói thuốc có thể lan rộng đến thế trong không khí?

Bài làm chi tiết:

Giải thích vì sao khói thuốc có thể lan rộng trong không khí:

Khói thuốc có thể lan rộng trong không khí do sự lan truyền của các phân tử khí trong khói qua quá trình phân tán và hấp thụ. Trong mô hình động học phân tử, các phân tử khí trong khói thuốc được giải phóng từ đầu đốt và lan truyền theo các cơ chế sau:

+ Khuếch tán: Các phân tử khí trong khói có khả năng khuếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp. Do đó, khi một người hút thuốc ở một vị trí cố định, các phân tử khí trong khói sẽ lan truyền ra ngoài không gian xung quanh thông qua quá trình khuếch tán.

+ Hấp thụ: Khi một người hút thuốc tạo ra khói, nó sẽ tạo ra dòng chảy khí nóng, nâng cao và đẩy các phân tử khí trong khói lên cao. Những phân tử này có thể tiếp tục di chuyển theo dòng khí trong không gian, lan truyền khói qua các vùng khác nhau.

+ Trộn lẫn: Trong không khí, sự trộn lẫn xảy ra liên tục do sự di chuyển của các phân tử khí. Điều này làm cho các phân tử khí trong khói thuốc phân tán rộng rãi trong không khí xung quanh, không chỉ tập trung ở vị trí người hút thuốc mà còn lan tỏa ra cả phạm vi xung quanh.

Tóm lại, qua các cơ chế trên, khói thuốc có thể lan truyền rộng rãi trong không khí, ảnh hưởng đến những người ở trong phạm vi gần người hút thuốc và tạo ra nguy cơ cho sức khỏe của họ.

I. ĐẶC ĐIỂM CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC PHÂN TỬ KHÍ

Câu 1: Nếu các hạt phấn hoa có kích thước lớn hơn nữa, ta có thể quan sát được chuyển động Brown không, vì sao?

Bài làm chi tiết:

Nếu các hạt phấn hoa có kích thước lớn hơn, thì khả năng quan sát được chuyển động Brown sẽ giảm đáng kể hoặc thậm chí là không thể quan sát được vì do các hạt lớn hơn sẽ trở nên nặng hơn, dễ bị ảnh hưởng bởi trọng lực và ít bị ảnh hưởng hơn với lực tương tác với các phần tử môi trường. Lực trọng lực này sẽ làm cho các hạt lớn không thể di chuyển một cách ngẫu nhiên như các phân tử nhỏ hơn.

Chuyển động Brown xảy ra khi các hạt nhỏ (như phân tử nước hoặc hạt phấn hoa nhỏ) tương tác với các phân tử nước xung quanh trong dung dịch và di chuyển ngẫu nhiên do sự va chạm ngẫu nhiên với các phân tử khí. Tuy nhiên, khi kích thước của các hạt tăng lên, sự ảnh hưởng của trọng lực sẽ trở nên đáng kể hơn, làm giảm hoặc ngăn chặn khả năng di chuyển ngẫu nhiên của chúng.

Vì vậy, khi quan sát các hạt phấn hoa lớn hơn, chúng thường sẽ không thể hiện được chuyển động Brown và không tạo ra các đường gấp khúc không theo trật tự như khi quan sát các phân tử nhỏ hơn.

Câu 2: Nếu động năng của phân tử nước bằng động năng của hạt phấn hoa, hãy so sánh tốc độ của các phân tử nước với tốc độ của hạt phấn hoa.

Bài làm chi tiết:

Nếu động năng của phân tử nước bằng động năng của hạt phấn hoa, thì vận tốc của phân tử nước sẽ lớn hơn đáng kể so với vận tốc của hạt phấn hoa.

Giải thích vấn đề này là vì phân tử nước có khối lượng nhỏ hơn đáng kể so với hạt phấn hoa. Do đó, theo định luật bảo toàn động năng, khi động năng của cả hai bằng nhau, phân tử nước sẽ có vận tốc nhỏ hơn do khối lượng lớn hơn, trong khi hạt phấn hoa sẽ có vận tốc lớn hơn do khối lượng nhỏ hơn.

Luyện tập 1: Vì sao có thể cảm nhận được mùi thơm ở khắp phòng sau khi chỉ xịt nước hoa ở một góc phòng?

Bài làm chi tiết:

Khi chỉ xịt nước hoa ở một góc nhưng có thể cảm nhận được mùi thơn ở khắp phòng sau khi xịt nước hoa vì liên quan đến chuyển động Brown.

Khi bạn xịt nước hoa ở một góc phòng, các phân tử hương thơm trong nước hoa sẽ lan truyền trong không khí theo cơ chế chuyển động Brown. Trong quá trình này, các phân tử hương thơm sẽ di chuyển ngẫu nhiên và phân tán rộng khắp không gian, do sự va chạm ngẫu nhiên với các phân tử không khí xung quanh.

Chuyển động Brown giúp các phân tử hương thơm di chuyển từ vị trí ban đầu ở góc phòng sang các vị trí khác trong không gian, tạo ra một môi trường mùi thơm trong toàn bộ phòng. Do đó, bạn có thể cảm nhận được mùi thơm ở khắp phòng sau khi chỉ xịt nước hoa ở một góc phòng.

II. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ

Luyện tập 2: Một phân tử oxygen đang chuyển động qua tâm một bình cầu có đường kính 0,20 m. Tốc độ của phân tử là 400 m/s. Ước tính số lần phân tử này va chạm vào thành bình chứa trong mỗi giây. Coi rằng tốc độ của phân tử là không đổi.

Bài làm chi tiết:

Ước tính số phần phân tử này va chạm vào thành bình chứa trong mỗi giây:

Do phân tử oxygen chuyển động qua tâm của bình cầu, một cách lý tưởng, coi phân tử này chuyển động thẳng và không bị đổi hướng do va chạm với các phân tử khí khác trong quá trình chuyển động, coi tốc độ của phân tử là không đổi và va chạm là đàn hồi, khi đó va chạm giữa thành bình và phân tử oxygen sẽ làm cho nó chuyển động ngược hướng cũ và cũng đi qua tâm, do vậy khoảng cách giữa 2 lần phân tử này va chạm với thành bình đúng bằng đường kính của bình cầu. Vậy số lần va chạm vào thành bình chứa trong mỗi giây vào khoảng: 

n = v/2R

=> n = 400/0,2 = 2000 lần

Câu 3: Hãy chỉ ra nội dung tương ứng của mô hình động học phân tử chất khí được dùng để mô tả mỗi đặc điểm của khí lí tưởng.

Bài làm chi tiết:

Mô hình động học phân tử chất khí được dùng để mô tả mỗi đặc điểm của khí lí tưởng có nội dung tương ứng là:

+ Các phân tử khí ở xa nhau và có thể bỏ qua kích thước của chúng: Trong mô hình động học phân tử, các phân tử khí được giả định có khoảng cách lớn so với kích thước của chúng, nên kích thước của các phân tử có thể bị bỏ qua.

+ Chuyển động hỗn loạn của các phân tử và tăng nhiệt độ: Mô hình động học phân tử mô tả rằng các phân tử khí chuyển động hỗn loạn và không ngừng. Sự nhanh chậm của chuyển động này tương ứng với nhiệt độ của chất khí, nghĩa là nếu chuyển động nhanh hơn, thì nhiệt độ của chất khí sẽ cao hơn.

+ Va chạm giữa các phân tử và va chạm với thành bình chứa: Mô hình động học phân tử mô tả rằng các phân tử khí có thể va chạm vào nhau và va chạm vào thành bình chứa khí. Các va chạm này góp phần tạo ra áp suất lên thành bình chứa khí.

+ Va chạm đàn hồi hoàn toàn: Mô hình động học phân tử giả định rằng các va chạm giữa các phân tử khí là đàn hồi hoàn toàn, tức là không có sự mất đi năng lượng trong quá trình va chạm. Điều này giúp mô hình đơn giản hóa và có thể áp dụng để tính toán các đặc tính của khí lí tưởng.

Như vậy, mô hình động học phân tử chất khí và mô hình khí lí tưởng chia sẻ một số đặc điểm cơ bản như sự không chiếm diện tích của các phân tử, chuyển động hỗn loạn của chúng, va chạm hoàn toàn đàn hồi, và ảnh hưởng của va chạm đến áp suất của chất khí.

Vận dụng: Có ý kiến cho rằng: "Bong bóng khí có dạng hình cầu chứng tỏ không có phương ưu tiên trong chuyển động của các phân tử khí." Ý kiến này có đúng không? Vì sao?

Bài làm chi tiết:

Ý kiến đó là không chính xác. 

Giải thích: 

Thực tế, dạng hình cầu của bong bóng khí không phản ánh việc không có phương ưu tiên trong chuyển động của các phân tử khí.

Trong bong bóng khí, các phân tử khí vẫn tiếp tục chuyển động ngẫu nhiên và hỗn loạn, giống như trong không khí. Dù bong bóng có dạng hình cầu, các phân tử khí vẫn di chuyển ở tất cả các hướng một cách ngẫu nhiên và độc lập, không có sự ưu tiên nào về hướng chuyển động.

Dạng hình cầu của bong bóng khí chủ yếu phản ánh sự cân bằng giữa áp suất khí bên trong bong bóng và áp suất khí xung quanh. Đây là một hiệu ứng tự nhiên của tính đàn hồi của màng bong bóng và áp suất khí bên trong.

Vì vậy, ý kiến đó không đúng. Dạng hình cầu của bong bóng khí không có liên quan đến việc có hoặc không có phương ưu tiên trong chuyển động của các phân tử khí.