Thì nghiệm thuyết động học phân tử chất khí
Thuyết động học phân tử chất khí: Chất khí bao gồm các phân tử có kích thước rất nhỏ chuyển động nhiệt hỗn loạn không ngừng. Nhiệt độ càng cao thì các phân tử chất khi chuyển động càng nhanh. Các phân tử chất khí va chạm với nhau và va chạm với bình chứa gây nên áp suất cho thành bình.
Show Chất khí là một dạng tồn tại của vật chất. Chất khí (không khí) có rất nhiều xung quanh ta và gây ra áp suất vô cùng lớn lên chúng ta. tìm hiểu thêm về suất của khí quyển Nếu không thể nhìn thấy được chất khí tại sao bạn biết chất khí có tồn tại? Vật lý là bộ môn khoa học của tự nhiên, để hiểu và giải thích được các điều trên ta hãy bắt đầu từ những hiện tượng trong tự nhiên gần gũi trong cuộc sống trước.Tự nhiên đã ban cho loài người chúng ta một giác quan đó là khứu giác để có thể nhận biết được khoảng hơn 10.000 mùi khác nhau. Trong một căn phòng khoảng 10m2 bạn cầm bình nước hoa và bắt đầu xịt. Bạn nhận thấy rằng gần như cả căn phòng thơm mùi nước hoa. Điều này chứng tỏ hương thơm đó đã lan rộng trong phòng theo mọi hướng khác nhau. Bằng mắt thường bạn không thể nhìn thấy "mùi thơm" nhưng bạn biết nó tồn tại nhờ khứu giác. Vì "mùi thơm" không thể nhìn thấy nên ta có thể dự đoán được nó có kích thước rất rất nhỏ ta tạm gọi là các hạt khí Quả sầu riêng, một loại quả phát tán "mùi" trong không khí rất lâu và "nặng" tùy vào mỗi người sẽ nhận định đó là mùi thơm hoặc ngược lại Nếu các hạt khí đã rất nhỏ tại sao nó có thể gây sức ép (áp suất) vô cùng lớn? Điều này chỉ có thể giải thích rằng các hạt khí đó chuyển động với tốc độ rất lớn và trong quá trình va chạm với vật cản nó gây ra sức ép (áp suất lên vật cản đó)Để giải thích chung cho các hiện tượng liên quan đến chất khí, vật lý học đưa ra thuyết động học phân tử chất khí.
Nội dung của thuyết động học phân tử chất khí
Lưu ý các thuyết vật lý thường không cần chứng minh, nó được coi như một tiên đề để vận dụng giải thích các hiện tượng vật lý trong tự nhiên. Nếu giải thích đó hợp lý và phù hợp với các kết quả thực nghiệm thu được thì ta mặc nhiên là nó đúng. Nếu bạn chỉ cần chỉ ra được một hiện tượng vật lý khiến thuyết vật lý sai (trong một phạm vi nào đó) bạn có thể xây dựng một thuyết vật lý mới. 2/ Phân loại chất khí Khí thực: là các chất khí tồn tại trong thực tế mà ta đã biết như Oxi, Nitơ, Cácboníc … Khí lí tưởng: là chất khí mà các phân tử được coi là chất điểm chúng chỉ tương tác với nhau khi va chạm. (Khí lí tưởng được coi là chất khí chỉ tồn tại trong lý thuyết) 3/ Thông số trạng thái của chất khí: Do các phân tử chất khí rất nhiều, lại chuyển động hỗn loạn, nên để nghiên cứu vận dụng các định luật vật lý cho chất khí vào tự nhiên, trong chương trình vật lý phổ thông người ta đưa vào các thông số áp suất (p), thể tích (V), và nhiệt độ tuyệt đối (T) gọi là các thông số trạng thái để xác định trạng thái của một khối khí xác định. Khi một trong ba thông số thể tích, áp suất, nhiệt độ thay đổi ta gọi đó là quá trình biến đổi trạng thái của chất khí.
Khi một thông số trạng thái không đổi ta gọi đó là các đẳng quá trình
a/ Số A-vô-ga-đro (N$_{A}$): Được đặt theo tên nhà vật lý học người Ý, Amedeo Avogadro (1776-1856). Được định nghĩa là số nguyên tử có trong 1 mol lượng chất bất kỳ. \[n= \dfrac{m}{M}\] Trong đó:
\[n= \dfrac{V}{22,4}\] Trong đó
\[N = n.N_{A} = \dfrac{m}{M}.N_{A}\] d/ Mật độ phân tử khí (số phân tử có trong 1 đơn vị thể tích) \[n'= \dfrac{N}{V}\] Chân dung nhà vật lý học Amedeo Avogadro Ví dụ 1: tính số nguyên tử C có trong 1g khí Cácbonic (CO2) ta có m = 1g; M$_{CO2}$ = M$_{C}$ + 2M$_{O}$ = 12 + 2.16 = 44(g) = > \[N = \dfrac{1}{44}.N_{A}\] = 1,368.10$^{23 }$(nguyên tử) Ví dụ 2: tính số nguyên tử Oxi có trong 11,2lít khí Cácbonic (CO2) ở điều kiện tiêu chuẩn\[N = 2.\dfrac{11,2}{22,4}.N_{A}\] = 6,022.10$^{23 }$(nguyên tử) Xem thêm: nguồn vật lý phổ thông trực tuyến Thuyết động học mô tả một chất khí là tập hợp của một số lượng lớn các hạt siêu vi (nguyên tử hoặc phân tử), các hạt này đều chuyển động nhanh không ngừng và có sự ngẫu nhiên trong những lần chúng va chạm với nhau và với tường của vật chứa. Thuyết động học của chất khí
Phương trình trạng thái khí lý tưởngSửa đổiThực nghiệm cho thấy, nếu ta chứa 1mol của nhiều chất khí trong bình cùng thể tích, nhiệt độ thì áp suất đo được gần như tương đương. Mật độ của các phân tử khí càng nhỏ thì sự chênh lệch áp suất đo được càng nhỏ. Khi mật độ các phân tử đủ nhỏ, mọi chất khí tuân theo Phương trình trạng thái khí lý tưởng.[2] p V = n R T {\displaystyle pV=nRT}trong đó: p là áp suất (tính bằng páscal) n là số mol khí (tính bằng kmol) V là thể tích (tính bằng m3) T là nhiệt độ (tính bằng K) R là hằng số khí, R = 8.31 J/kmol.KSử dụng phương trình này, ta có thể suy ra nhiều tính chất của khí thực một cách đơn giản. Tính chấtSửa đổiÁp suất và động năngSửa đổiTheo thuyết động học, áp suất được tạo ra từ lực các hạt tác động lên thành bình.. Xét một khối khí của N hạt, khối lượng m, chứa trong một bình lập phương thể tích V = L3. Khi một phân tử khí va chạm vuông góc với thành bình theo trục x và nảy lại với cùng tốc độ (va chạm đàn hồi), thì động lượng thành bình nhận được là:[3] Δ p = p i , x − p f , x = p i , x − ( − p i , x ) = 2 p i , x = 2 m v x {\displaystyle \Delta p=p_{i,x}-p_{f,x}=p_{i,x}-(-p_{i,x})=2p_{i,x}=2mv_{x}\,}Chất điểm tác động vào một phía xác định của thành bình sau mỗi khoảng thời gian là: Δ t = 2 L v x {\displaystyle \Delta t={\frac {2L}{v_{x}}}}(trong đó L là khoảng cách giữa hai phía của thành bình). Lực do chất điểm tạo ra: F = Δ p Δ t = m v x 2 L . {\displaystyle F={\frac {\Delta p}{\Delta t}}={\frac {mv_{x}^{2}}{L}}.}Tổng lực tác dụng vào thành bình: F = N m v x 2 ¯ L {\displaystyle F={\frac {Nm{\overline {v_{x}^{2}}}}{L}}}Vì chất điểm chuyển động theo hướng ngẫu nhiên nên nếu ta chia vector vận tốc của mọi chất điểm theo 3 hướng vuông góc, thì vận tốc trung bình trên mọi hướng phải bằng nhau. v x 2 ¯ = v 2 ¯ / 3. {\displaystyle {\overline {v_{x}^{2}}}={\overline {v^{2}}}/3.} Công thức lực có thể viết lại thành: F = N m v 2 ¯ 3 L . {\displaystyle F={\frac {Nm{\overline {v^{2}}}}{3L}}.}Lực này tác động lên một diện tích L2. Vì thế áp suất chất khí là: P = F L 2 = N m v 2 ¯ 3 V {\displaystyle P={\frac {F}{L^{2}}}={\frac {Nm{\overline {v^{2}}}}{3V}}}Nhiệt độ và động năngSửa đổiTừ Phương trình khí lý tưởng: P V = N k B T {\displaystyle \displaystyle PV=Nk_{B}T} Trong đó k B {\displaystyle k_{B}} là hằng số Boltzmann, và T là nhiệt độ tuyệt đối Từ công thức P = N m v 2 ¯ 3 V {\displaystyle P={Nm{\overline {v^{2}}} \over 3V}} ta có P V = N m v 2 ¯ 3 {\displaystyle PV={Nm{\overline {v^{2}}} \over 3}} Từ đó N k B T = N m v 2 ¯ 3 {\displaystyle Nk_{B}T={Nm{\overline {v^{2}}} \over 3}} Thì nhiệt độ T có dạng: Động năng của hệ gấp N lần động năng của một phân từ K = 1 2 N m v 2 ¯ {\displaystyle K={\frac {1}{2}}Nm{\overline {v^{2}}}} Nhiệt độ trở thành: T = 2 3 K N k B . {\displaystyle \displaystyle T={\frac {2}{3}}{\frac {K}{Nk_{B}}}.} Công thức trên là một kết luận quan trọng của thuyết động học: Động năng trong bình của phân tử tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối Quãng đường di chuyển trung bìnhSửa đổiMột tham số hữu dụng dùng để mô tả chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử là "Quãng đường di chuyển trung bình": λ = 1 2 π d 2 N / V {\displaystyle \lambda ={\frac {1}{{\sqrt {2}}\pi d^{2}N/V}}}Trong đó, λ là khoảng cách trung bình mà phân tử đi được giữa các va chạm. Nó tỉ lệ nghịch với N/V, số lượng phân tử trên một đơn vị thể tích. N/V càng lớn thì xảy ra càng nhiều va chạm, đồng thời Quãng đường di chuyển trung bình của các phân tử cũng ngắn lại. λ cũng tỉ lệ nghịch với kích thước của phân tử qua đường kính d. Kích thước phân tử càng lớn, quãng đường di chuyển càng ngắn.[4] Lịch sửSửa đổiNăm 1738, Daniel Bernoulli xuất bản Hydrodynamica, đặt nền móng cho Thuyết động học chất khí. Bernoulli thừa nhận lý thuyết vẫn còn được dùng đến ngày nay là chất khí bao gồm rất nhiều các phân tử chuyển động liên tục theo mọi hướng, lực tác động của chúng lên bề mặt tạo nên áp suất, và nhiệt chính là động năng của chuyển động đó. Lý thuyết này đã không được chấp nhận ngay tại thời điểm đó, vì vẫn chưa có Định luật bảo toàn năng lượng, và các nhà khoa học vẫn chưa thể khẳng định sự va chạm giữa các phân tử với thành bình là chuyển động đàn hồi. Những người tiên phong khác của Thuyết động học Chất khí là Mikhail Lomonosov (1747)[5], Georges-Louis Le Sage (1818), John Herapath (1816)[6] and John James Waterston (1843)[7]. Năm 1856 August Krönig, chế tạo một mô hình động học chất khí đơn giản, nhưng chỉ được coi là chuyển động tịnh tiến của chất điểm. Năm 1857, Rudolf Clausius, độc lập với Krönig, phát triển một mô hình tương tự, nhưng phức tạp hơn rất nhiều. Năm 1859, sau khi đọc tài liệu của Clausius, James Clerk Maxwell xây dựng công thức Maxwell về thống kê vận tốc phân tử. Đây chính là lý thuyết thống kê đầu tiên của Vật Lý.[8] Năm 1871, Ludwig Boltzmann tống quát hóa công trình của Maxwell và tạo nên phân bố Maxwell–Boltzmann. Tuy nhiên, vào đầu thế kỷ XX, nhiều nhà khoa học cho rằng Nguyên tử không phải là thực thể mà chỉ được xây dựng hoàn toàn trên lý thuyết.[9] Tham khảoSửa đổi
|