Giải chi tiết Vật lí 12 CTST bài 5: Thuyết động học phân tử chất khí

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Đệm hơi cứu hạn (Hình 5.1) là một thiết bị không thể thiếu trong lĩnh vực phòng cháy chữa cháy dùng để giải cứu nhanh chóng các nạn nhân trong trường hợp họ phải nhảy từ trên tầng cao xuống đất trong các vụ cháy nhà cao tầng hoặc động đất xảy ra. Đệm hơi là một tấm đệm được bơm đầy khí bên trong. Nhờ tính chất nào mà đệm hơi có thể giúp giảm chấn thương cho các nạn nhân trong tình huống này?

Bài làm chi tiết:

Tính chất giúp đệm hơi có thể giảm chấn thương cho nạn nhân là tính đàn hồi. Khi tiếp xúc với người, đệm bị nén lại, sau đó sẽ bật trở lại, giúp giảm tốc độ của nạn nhân một cách từ từ. Điều này giúp giảm nguy cơ chấn thương do va đập mạnh với mặt đất.

1. CHUYỂN ĐỘNG BROWN

Thảo luận 1: Nguyên nhân nào gây ra chuyển động Brown?

Bài làm chi tiết:

Nguyên nhân gây ra chuyển động Brown là do sự va đập của các phân tử chất lỏng hoặc chất khí với các hạt lơ lửng.

Luyện tập: Ta có thể quan sát được chuyển động Brown đối với các hạt có kích thước và khối lượng lớn hơn nhiều so với hạt phấn hoa không? Tại sao?

Bài làm chi tiết:

Có thể quan sát được chuyển động Brown đối với các hạt có kích thước và khối lượng lớn hơn hạt phấn hoa, tuy nhiên sẽ khó khăn hơn. Vì hạt càng lớn thì trọng lượng càng lớn, càng khó chuyển động.

2. CHẤT KHÍ

Thảo luận 2: Căn cứ nội dung bài 1 và quan sát trong thực tế, hãy nêu các tính chất của chất khí.

Bài làm chi tiết:

Các tính chất của chất khí là: có hình dạng và thể tích của bình chứa nó, dễ bị nén, dễ dãn nở, có áp suất, có khả năng khuếch tán.

Luyện tập: Đệm hơi cứu nạn trong Hình 5.1 là ứng dụng các tính chất nào của chất khí? Giải thích tác dụng cứu nạn của đệm hơi đối với người bị nạn rơi từ trên cao xuống.

Bài làm chi tiết:

Đệm hơi cứu nạn là ứng dụng tính chất dễ bị nén, dễ dãn nở của chất khí;

Tác dụng cứu nạn của đệm hơi: Khi cơ thể người rơi xuống đệm hơi tức là đang tác động một lực lên chất khí chứa bên trong đệm, đệm sẽ bị nén, sau đó bật trở lại, giúp hạn chế tối đa tiếp xúc giữa nạn nhân với mặt đất và giảm tốc độ của người bị nạn một cách từ từ, giảm nguy cơ chấn thương.

3. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ

Thảo luận 3: Từ mô hình động học phân tử (ở bài 1) và tính chất khí, thảo luận để đưa ra các đặc điểm của các phân tử chất khí về:

a) Khoảng cách giữa các phân tử chất khí (so với chất rắn và chất lỏng)

b) Nguyên nhân gây ra áp suất chất khí.

Bài làm chi tiết:

a) Khoảng cách giữa các phân tử chất khí lớn hơn nhiều so với chất rắn và chất lỏng.

b) Nguyên nhân gây ra áp suất chất khí: Trong quá trình chuyển động, các phân tử khí va chạm với thành bình chứa, gây ra áp suất lên thành bình.

Luyện tập:

Trong quá trình bơm xe đạp, khi lốp xe đã gần căng, càng về cuối của mỗi lần bơm ta càng thấy khó nén pit-tông xuống. Hãy giải thích.

Bài làm chi tiết:

Khi ta bơm xe, pit-tông di chuyển xuống, giảm thể tích của khí trong lốp. Theo định luật Boyle, khi thể tích khí giảm, áp suất khí sẽ tăng. Khi áp suất khí trong lốp đạt đến mức đủ cao, nó sẽ chống lại lực tác động của pit-tông. Do đó, ta càng về cuối của mỗi lần bơm, ta càng khó nén pit-tông xuống hơn.

Khi sản xuất vỏ bình chứa khí gas, khí oxygen, các nhà sản xuất thường sử dụng vật liệu là thép không gỉ hoặc nhôm có bề dày đủ lớn để đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng. Hãy giải thích điều này.

Bài làm chi tiết:

Theo định luật Boyle, khi áp suất khí tăng, lực tác động lên thành bình cũng tăng. Lực này có thể làm biến dạng hoặc nứt vỡ bình nếu bình không đủ dày. Do đó, các nhà sản xuất thường sử dụng vật liệu thép không gỉ hoặc nhôm có bề dày đủ lớn để đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.

Vận dụng: Chuyển động nhiệt của các phân tử khí trong bầu khí quyển là một trong những nguyên nhân gây nên áp suất khí quyển. Khi áp suất khí quyển thay đổi sẽ ảnh hưởng bất lợi đến sức khỏe của cong người và điển hình là những người mắc bệnh viêm xoang. Từ các nguồn sách, báo, internet,...em hãy trình bày ngắn gọn ảnh hưởng bất lợi của sự thay đổi áp suất khí quyển đối với người mắc bệnh viêm xoang và biện pháp hạn chế.

Bài làm chi tiết:

* Ảnh hưởng bất lợi của sự thay đổi áp suất khí quyển đối với người mắc bệnh viêm xoang:

- Tăng áp suất: Khi áp suất khí quyển tăng (ví dụ: khi đi máy bay lên cao), các xoang bị chèn ép, dẫn đến:

• Đau nhức xoang: Do niêm mạc xoang bị sưng tấy và căng tức.
• Nghẹt mũi: Do niêm mạc xoang bị kích thích và tiết nhiều dịch nhầy.
• Khó thở: Do tắc nghẽn đường thở bởi dịch nhầy.

- Giảm áp suất: Khi áp suất khí quyển giảm (ví dụ: khi đi lặn biển), các xoang bị giãn nở, dẫn đến:

• Đau nhức xoang: Do niêm mạc xoang bị căng ra.
• Chảy máu cam: Do các mao mạch trong niêm mạc xoang bị vỡ.
• Chóng mặt: Do thay đổi áp suất đột ngột ảnh hưởng đến hệ thống cân bằng.

- Ngoài ra, sự thay đổi áp suất khí quyển còn có thể làm:

• Tăng nguy cơ nhiễm trùng xoang: Do sự thay đổi áp suất ảnh hưởng đến hệ thống miễn dịch.
• Làm trầm trọng thêm các triệu chứng của bệnh viêm xoang mãn tính: Do sự thay đổi áp suất làm tăng kích ứng niêm mạc xoang.

* Biện pháp hạn chế ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất khí quyển đối với người mắc bệnh viêm xoang:

- Sử dụng thuốc:

• Dùng thuốc xịt mũi giảm sung huyết trước khi thay đổi áp suất để giúp thông mũi và giảm đau nhức.
• Dùng thuốc giảm đau không kê đơn để giảm đau nhức.
• Dùng thuốc kháng histamine để giảm nghẹt mũi và chảy nước mũi.

- Thay đổi tư thế: 

• Khi đi máy bay, nên nhai kẹo cao su hoặc nuốt nước thường xuyên để giúp cân bằng áp suất giữa tai giữa và môi trường xung quanh.
• Khi lặn biển, nên thực hiện các kỹ thuật cân bằng áp suất để tránh ảnh hưởng đến tai và xoang.

* Phòng ngừa:

• Tránh thay đổi áp suất đột ngột, ví dụ: không nên đi máy bay hoặc lặn biển khi đang bị viêm xoang cấp tính.
• Giữ ấm cơ thể và tránh tiếp xúc với các tác nhân kích thích như khói bụi, hóa chất,... để giảm nguy cơ viêm xoang.
• Sử dụng máy phun sương hoặc nước muối sinh lý để giữ ẩm cho mũi, giúp giảm kích ứng niêm mạc xoang.

BÀI TẬP

Bài 1: Nội dung nào dưới đây không phải là tính chất của các phân tử khí?

A. Chuyển động hỗn loạn, không ngừng.

B. Nhiệt độ càng cao, các phân tử khí chuyển động càng nhanh.

C. Các phân tử khí va chạm vào thành bình gây ra áp suất.

D. Chuyển động hỗn loạn xung quanh các vị trí cân bằng cố định.

Bài làm chi tiết:

Đáp án D. Vì các phân tử khí chuyển động hỗn loạn, theo nhiều hướng khác nhau.

Bài 2: Mùi hôi từ các bãi rác thải là một vấn nạn đối với cư dân sống xung quanh. Khi thời tiết càng nắng nóng thì mùi hôi bốc ra càng nồng nặc và càng bay xa (ngay cả trong điều kiện không có gió). Dựa vào thuyết động học phân tử chất khí, hãy giải thích điều này và đề xuất biện pháp hạn chế tình trạng trên.

Bài làm chi tiết:

Giải thích hiện tượng mùi hôi từ bãi rác: Nhiệt độ càng cao, các phân tử chuyển động càng nhanh và va chạm với nhau càng nhiều khiến mùi hôi càng nồng nặc và bay xa hơn.

Biện pháp hạn chế: Thường xuyên thu gom, xử lý rác thải, nâng cao ý thức cộng đồng.

Bài 3: Đun một nồi nước trên bếp, khi nước sôi nắp nồi thường bị đẩy lên. Hãy giải thích điều này.

Bài làm chi tiết:

Khi đun nước đến nhiệt độ sôi, nước sẽ bay hơi tạo thành hơi nước. Nhiệt độ càng cao, các phân tử hơi nước chuyển động càng nhanh, va chạm với nồi và nắp nồi càng mạnh. Áp suất của hơi nước khiến nắp nồi bị đẩy lên.

Bài 4: Coi Trái Đất là một khối cầu bán kính 6 400 km, nếu lấy toàn bộ số phân tử nước trong 1,0g hơi nước trải đều trên bề mặt Trái Đất thì mỗi mét vuông trên bề mặt Trái Đất có bao nhiêu phân tử nước? Biết khối lượng mol của phân tử nước khoảng 18 g/mol.

Bài làm chi tiết:

Số mol nước ứng với 1g hơi nước là: n = 118 (mol)

Số phân tử nước có trong 1g hơi nước là: N = 118 . 6,02.10²³ = 3,34.10²² 

Diện tích của Trái Đất là: S = 4r² = 4.(6400.10³)² = 5,15.10¹⁴ (m²)

Số phân tử nước trên mỗi mét vuông trên bề mặt Trái Đất là: 3,34.10225,15.1014= 6,5.10⁷