Giải chi tiết Vật lí 12 KNTT bài 8: Mô hình động học phân tử chất khí

KHỞI ĐỘNG

Khi học môn Khoa học tự nhiên ở lớp 6, các em đã biết một số tính chất đặc biệt của chất ở thể khí so với chất ở thể lỏng và thể rắn. Tại sao chất ở thể khí lại có một số tính chất vật lí khác chính chất đó ở các thể khác?

Bài làm chi tiết:

Chất ở thể khí lại có một số tính chất vật lí khác chính chất đó ở các thể khác bởi vì:

- Khoảng cách giữa các phân tử:

+ Chất ở thể rắn: có khoảng cách giữa các phân tử rất nhỏ

+ Chất ở thể khí: có khoảng cách giữa các phân tử rất lơn

+ Chất ở thể lỏng: có khoảng cách giữa các phân tử lớn hơn khoảng cách giữa các phân tử chất rắn và nhỏ hơn khoảng cách giữa các phân tử chất khí.

- Lực liên kết phân tử:

+ Chất ở thể rắn: có lực liên kết rất mạnh vì các phân tử sắp xếp có trật tự và khoảng cách giữa các phân tử rất nhỏ nên lực liên kết giữ chúng càng mạnh hơn.

+ Chất ở thể khí: có lực liên kết rất yếu vì các phân tử sắp xếp vô cùng hỗn loạn và khoảng cách giữa các phân tử rất lớn nên lực liên kết giữa chúng càng yếu.

+ Chất ở thể lỏng: có lực liên kết giữa các phân tử mạnh hơn so vớ thể khí và yếu hơn so với thể rắn.

- Tốc độ chuyển động của các phân tử cấu tạo nên:

+ Chất ở thể rắn: có tốc độ chuyển động chậm, chỉ dao động quanh vị trí cân bằng.

+ Chất ở thể khí: có tốc độ chuyển động nhanh, tự do di chuyển trong mọi không gian.

+ Chất ở thể lỏng: có tốc độ chuyển động chậm hơn chất ở thể khí và nhỏ hơn chất ở thể lỏng.

I. CHUYỂN ĐỘNG VÀ TƯƠNG TÁC CỦA CÁC PHÂN TỬ KHÍ

1. Chuyển động Brown trong chất khí

Hoạt động 1: Dựa vào Hình 8.1, hãy mô tả thí nghiệm dùng để quan sát chuyển động Brown trong không khí.

Bài làm chi tiết:

Dựa vào Hình 8.1, mô tả thí nghiệm dùng để quan sát chuyển động Brown trong không khí:

- Kính hiển vi: Dùng để quan sát chuyển động của hạt phấn hoa mà mắt thường rất khó quan sát được.

- Nắp đậy thuỷ tinh: để ngăn tiếp xúc với ống kính và tránh làm bẩn môi trường bên trong.

- Khói: tạo khói bằng cách đốt cháy một ít chất hữu cơ

- Hạt khói: quan sát chuyển động Brown trong không khí.

- Ánh sáng: chiếu vào ống đựng khói để khi quan sát thấy rõ hơn sự chuyển động của hạt khói.

- Cách tiến hành:

+ Chuẩn bị dụng cụ như Hình 8.1

+ Đốt cháy chất hữu cơ để tạo khói

+ Soi kính hiển vi để quan sát sự chuyển động của hạt khói.

Hoạt động 2: Hãy dựa vào quỹ đạo chuyển động của hạt khói trong không khí (Hình8.2) để chứng tỏ rằng các phân tử không khí chuyển động hỗn loạn, không ngừng.

Bài làm chi tiết:

Nhìn vào Hình 8.2 thấy được quỹ đạo chuyển động của hạt khói trong không khí không theo một quỹ đạo nhất định nào cả. Bởi hạt khói liên tục va chạm với các phân tử không khí, nhìn hình thì thấy hạt khói chuyển động lộn xộn, hỗn loạn và hạt khói không chuyển động theo một trật tự nhất định.

Để chứng tỏ rằng các phân tử không khí chuyển động hỗn loạn, không ngừng thì ta lấy giả sử nếu như các phân tử không khí chuyển động một cách trật tự, thì khi các hạt khói va chạm vào nó cũng sẽ va chạm một cách trật tự, mà các phân tử khói lại chuyển động hỗn loạn nên chứng tỏ được các phân tử không khí cũng chuyển động hỗn loạn không ngừng.

Hoạt động 3: Khi quan sát tia nắng mặt trời chiếu qua cửa sổ vào trong phòng, ta có thể thấy các hạt bụi trong ánh nắng chuyển động không ngừng. Chuyển động này có phải là chuyển động Brown không? Tại sao?

Bài làm chi tiết:

Chuyển động này không phải là chuyển động Brown bởi vì: Chuyển động Brown là chuyển động hỗn loạn của các hạt lơ lửng trong chất lỏng hoặc chất khí do va đập ngẫu nhiên với các phân tử môi trường.

Hạt bụi trong ánh nắng chuyển động là do: 

- Dòng đối lưu trong không khí: không khí nóng lên bởi ánh sáng mặt trời sẽ di chuyển lên cao, tạo thành dòng đối lưu. Dòng đối lưu này cuốn theo các hạt bụi, khiến chúng chuyển động.

- Ánh sáng tác động lên hạt bụi: ánh sáng có thể tạo áp lực lên các hạt bụi, khiến chúng di chuyển, hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng quang điện.

Đặc điểm khác biệt giữa chuyển động Brown là: chuyển động hỗn loạn, không theo quy luật nhất định, chuyển động tăng theo nhiệt độ môi trường. Còn hạt bụi trong ánh nắng có thể có hướng nhất định do ảnh hưởng của dòng đối lưu, không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường.

2. Tương tác giữa các phân tử khí

Hoạt động 1: Hãy nêu các hiện tượng thực tế chứng tỏ lực liên kết giữa các phân tử ở thể khí rất yếu so với thể lỏng và thể rắn.

Bài làm chi tiết:

Các hiện tượng thực tế chứng tỏ lực liên kết giữa các phân tử ở thể khí rất yếu so với thể lỏng và thể rắn:

- Khí có thể khuyếch tán: mở lọ nước hoa trong phòng kín, sau một lúc cả phòng sẽ có mùi thơm.

- Khí dễ nén: ta có thể nén khí vào bình chứa, ví dụ lốp xe được bơm căng do nén khí bên trong

Do lực liên kết giữa các phân tử ở thể khí rất yếu, nên nó không có hình dạng và thể tích xác định. Còn lực liên kết  giữa các phân tử ở thể rắn mạnh nhất, do đó thể rắn có hình dạng và thể tích xác định. Lực liên kết giữa các phân tử ở thể lỏng yếu hơn thể rắn nhưng mạnh hơn thể khí, do đó thể lỏng có thể tích xác định nhưng không có hình dạng xác định.

Những hiện tượng trên có thể chứng tỏ được lực liên kết các phân tử ở thể khí là rất yếu, yếu hơn thể lỏng và thể rắn.

Hoạt động 2: Hãy dựa vào khối lượng riêng ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất của cùng một chất ở các thể khác nhau để chứng tỏ khoảng cách giữa các phân tử khí rất lớn so với ở thể lỏng và thể rắn.

Bài làm chi tiết:

Chứng tỏ khoảng cách giữa các phân tử khí rất lớn so với ở thể lỏng và thể rắn:

.Ta lấy ví dụ về khối lượng riêng ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất của cùng một chất ở các thể khác nhau:

- Khối lượng riêng của không khí ở 0℃ và 1atm là: 1,29 kg/m³ = 1,29.10^-6 kg/cm³

- Khối lượng riêng của nước ở 0℃ và 1atm là: 1000 kg/cm³

- Khối lượng riêng của sắt ở 0℃ và 1atm là: 7,8 kg/cm³

Nhìn như vậy thì thấy khối lượng riêng của chất khí là bé nhất so với khối lượng riêng của nước và của sắt. Ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, các phân tử khí chuyển động với tốc độ lớn và va chạm với nhau liên tục, khoảng cách giữa các phân tử khí lớn hơn nhiều so với khoảng cách giữa các phân tử lỏng và rắn. 

=> Do đó, cùng một lượng chất khí ở thể khí sẽ có thể tích lớn hơn nhiều so với thể lỏng và thể rắn nên khối lượng riêng cũng nhỏ hơn.

II. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ

Hoạt động : Hãy điền vào các ô trống trong Bảng 8.1

Bảng 8.1. Bảng các thí nghiệm và hiện tượng thực tế làm cơ sở cho việc đưa ra mô hình động học phân tử chất khí .

Bài làm chi tiết:

III. KHÍ LÍ TƯỞNG

Hoạt động: Hãy dùng mô hình động học phân tử chất khí để chứng tỏ với một khối lượng khí xác định thì nếu giảm thể tích của bình chứa và giữ nguyên nhiệt độ khí thì áp suất của khí tác dụng lên thành bình tăng. Hãy tìm ví dụ trong thực tế để minh hoạ cho tính chất trên của chất khí.

Bài làm chi tiết:

Áp suất khí là do lực do các phân tử khí va chạm với thành bình gây ra. Khi giảm thể tích bình chứa thì khoảng cách giữa các phân tử khí sẽ giảm đi, số lần va chạm giữa các phân tử khí và với thành bình trong một đơn vị thời gian sẽ tăng lên. Lực do các phân tử khí va chạm với thành bình sẽ tăng lên mà diện tích bình thì không thay đổi nên áp suất khí sẽ tăng lên.

Ví dụ trong thực tế để minh hoạ cho tính chất trên của chất khí: Bơm xe đạp: khi ta bơm xe đạp, ta nén khí vào trong lốp xe( cụ thể là phần xăm), thì thể tích chứa giảm nên áp suất khí tăng ( ban đầu đang ở ngoài môi trường giờ nén vào trong xăm nên thể tích chứa giảm)

Em có thể: Dùng thuyết động học phân tử chất khí để giải thích được các hiện tượng có liên quan. Ví dụ: chất khí luôn chiếm toàn bộ dung tích của bình chứa; chất khí gây áp suất lên thành bình theo mọi hướng; sự phụ thuộc áp suất của một  lượng khí xác định tác dụng lên thành bình vào thể tích và nhiệt độ…

Bài làm chi tiết:

Thuyết động học phân tử chất khí:

- Chất khí được cấu tạo từ các phân tử khí có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng. Lực liên kết giữa các phân tử ở thể khí rất yếu so với ở thể lỏng và thể rắn.

- Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn, không ngừng. Chuyển động này càng nhanh thì nhiệt độ của khí càng cao.

- Khi chuyển động hỗn loạn, các phân tử khí va chạm với nhau và với thành bình. Khi va chạm với thành bình các phân tử khí tác dụng lực, gây áp suất lên thành bình.

Ta giải thích ví dụ sau:chất khí luôn chiếm toàn bộ dung tích của bình chứa. Do các phân tử khí chuyển động hỗn loạn không ngừng, chúng sẽ di chuyển đến mọi vị trí trong bình chứa. các phân tử khí va chạm với thành bình và đẩy thành bình ra, tạo ra áp suất khí. Áp suất khí sẽ đẩy các thành bình ra cho đến khi khí chiếm toàn bộ dung tích của bình.