Mở đầu: Bình chứa oxygen (Hình 2.1) là một thiết bị thường dùng trong điều trị người bệnh có vấn đề về hô hấp. Tuy nhiên, khi sử dụng bình cần đặc biệt chú ý nơi bảo quản nhằm đảm bảo an toàn do nguy cơ cháy nổ cao. Khí oxygen trong bình ở áp suất cao nên không phải là khí lí tưởng. Tuy nhiên, người ta vẫn sử dụng mô hình khí lí tưởng để tìm hiểu mối liên hệ giữa các thông số của một lượng khí như áp suất, nhiệt độ và thể tích, từ đó suy ra nguyên tắc bảo quản và sử dụng an toàn các bình chứa khí. Vậy mối liên hệ đó như thế nào?
Lời giải:
- Mặc dù khí oxygen trong bình chứa không phải là khí lí tưởng do ở áp suất cao, nhưng mô hình khí lí tưởng vẫn được sử dụng để tìm hiểu mối liên hệ giữa các thông số của một lượng khí như áp suất, nhiệt độ và thể tích. Điều này giúp chúng ta có thể suy ra nguyên tắc bảo quản và sử dụng an toàn các bình chứa khí như bình chứa oxygen. Dưới đây là mối liên hệ giữa các thông số này trong mô hình khí lí tưởng:
+ Định luật Boyle: Định luật này chỉ ra rằng áp suất của một khí lý tưởng tỉ lệ nghịch với thể tích của nó khi nhiệt độ không đổi. Tức là PV=const, trong đó P là áp suất, V là thể tích.
+ Định luật Charles: Định luật này chỉ ra rằng thể tích của một khí lý tưởng tỉ lệ thuận với nhiệt độ của nó khi áp suất không đổi, và áp suất của một khí lý tưởng tỉ lệ thuận với nhiệt độ khi thể tích không đổi.
+ Định luật tổng hợp: Kết hợp cả hai định luật trên, chúng ta có thể suy ra rằng áp suất, thể tích và nhiệt độ của một khí lý tưởng có mối liên hệ theo phương trình trạng thái tổng hợp PV=nRT, trong đó n là số mol của khí, R là hằng số khí lí tưởng, và T là nhiệt độ tuyệt đối.
Mô hình này cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế và sử dụng các bình chứa khí một cách an toàn, bằng cách xác định mối liên hệ giữa áp suất, thể tích và nhiệt độ của khí trong bình chứa. Điều này giúp đảm bảo rằng các điều kiện bảo quản và sử dụng khí oxygen là an toàn và hiệu quả.
I. Mối liên hệ giữa thể tích và áp suất của chất khí
Câu hỏi 1: Lập phương án thí nghiệm tìm mối liên hệ giữa thể tích khí và áp suất của nó khi giữ nhiệt độ không đổi với các dụng cụ thực hành ở trường.
Lời giải:
Dụng cụ:
- Xi lanh trong suốt có độ chia nhỏ nhất 0,5 cm3 (1).
- Pit-tông có ống nối khí trong xi lanh với áp kế (2).
- Áp kế có độ chia nhỏ nhất 0,05.105 Pa (3).
- Giá đỡ thí nghiệm (4).
- Thước đo (5).
Tiến hành:
- Bố trí thí nghiệm như hình vẽ.
- Dịch chuyển từ từ pit-tông để làm thay đổi thể tích khí.
- Đọc giá trị của thể tích và áp suất trên áp kế tương ứng thu được bảng giá trị
- Rút ra mối liên hệ p và V.
Câu hỏi 2: Việc dịch chuyển pit-tông từ từ giúp đảm bảo điều kiện gì?
Lời giải:
- Việc dịch chuyển pit-tông từ từ giúp đảm bảo điều kiện nhiệt độ không thay đổi
Thực hành: Dụng cụ
- Áp kế (1) có mức 0 ứng với áp suất khí quyển, đơn vị đo của áp kế là Bar (1 Bar = 105 Pa).
- Xilanh (2).
- Pit-tông (3) gắn với tay quay (4).
Phương án thí nghiệm
- Tìm hiểu công dụng của các dụng cụ nêu trên.
- Lập phương án thí nghiệm với các dụng cụ đó.
Tiến hành
Sau đây là một phương án thí nghiệm với các dụng cụ nêu trên.
- Mở van áp kế, dùng tay quay dịch chuyển pit-tông sang phải để lấy một lượng khí xác định vào xilanh.
- Đóng van, đọc và ghi giá trị áp suất p (hiện trên áp kế), thể tích V của khí trong xilanh (theo vạch chia trên xilanh) khi đó.
- Dùng tay quay cho pit-tông dịch chuyển từ từ đến các vị trí mới.
Đọc giá trị p, V ứng với mỗi vị trí và ghi kết quả theo mẫu Bảng 2.1.
Kết quả
- Vẽ đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa thể tích và áp suất của chất khí khi nhiệt độ không đổi.
- Tính tích pV của mỗi lần đo và rút ra nhận xét.
Lời giải:
- Đồ thị:
- Bảng kết quả
Tích pV ở trong các lần có giá trị gần bằng nhau.
Câu hỏi 3: Vẽ đồ thị p - V theo số liệu thu được trong thí nghiệm đã thực hiện hoặc theo số liệu ở Bảng 2.1 và so sánh với dạng đồ thị trong Hình 2.4.
Lời giải:
Từ đó ta vẽ đồ thị:
Ta thấy đồ thị thu được có dạng giống hình 2.4 và có dạng của một hypebol.
Câu hỏi 4: Đồ thị p theo có dạng đường thẳng mà nếu kéo dài sẽ đi qua gốc toạ độ cho thấy giữa hai đại lượng p và V có mối quan hệ gì?
Lời giải:
- Dạng đường thẳng của đồ thị thể hiện rằng khi 1/V tăng, p cũng tăng theo và ngược lại.
- Việc đường thẳng đi qua gốc tọa độ cho thấy khi thể tích khí V tiến về vô cùng (1/V tiến về 0), áp suất khí p cũng tiến về 0.
Luyện tập 1: Một quả bóng có chứa 0,04 m3 khí ở áp suất 120 kPa. Nếu giảm thể tích quả bóng xuống còn 0,025 m3 ở nhiệt độ không đổi thì áp suất khí trong bóng là bao nhiêu?
Lời giải:
Áp dụng định luật Boyle cho quá trình đẳng nhiệt:
II. Mối liên hệ giữa thể tích và nhiệt độ của chất khí
Câu hỏi 5: Sử dụng các kí hiệu T1, V1, T2 và V2 để viết công thức định luật Charles cho một quá trình đẳng áp của lượng khi xác định.
Lời giải:
Định luật Charles cho một quá trình đẳng áp của một lượng khí xác định được biểu diễn bằng công thức:
T1/V1=T2/V2
Trong đó:
+ V1 và V2 là thể tích ban đầu và thể tích sau của khí.
+ T1 và T2 là nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ sau của khí.
Công thức này mô tả mối quan hệ tỷ lệ nghịch giữa thể tích của một lượng khí và nhiệt độ của nó khi áp suất được giữ ổn định (đẳng áp).
Luyện tập 2: Một xilanh chứa 0,16 dm3 khí nitrogen ở nhiệt độ phòng 25 0C và áp suất 1,2 atm (1 atm = 1,01.105 Pa). Hơ nóng xilanh từ từ sao cho áp suất khí trong xilanh không đổi thì khi thể tích khí trong xilanh là 0,20 dm3, nhiệt độ của khí trong xilanh là bao nhiêu?
Lời giải:
Câu hỏi 6: Xây dựng phương án thí nghiệm minh hoạ mối liên hệ giữa nhiệt độ và thể tích của một lượng khí xác định khi giữ áp suất của khí không đổi bằng các dụng cụ ở trường của bạn.
Lời giải:
Chuẩn bị:
- Xi lanh thuỷ tinh dung tích 50 mL, có độ chia nhỏ nhất 1 mL (1).
- Nhiệt kế điện tử (2).
- Ba cốc thuỷ tinh (3), (4), (5).
- Nút cao su để bịt đầu ra của xi lanh.
- Giá đỡ thí nghiệm (6).
- Nước đá, nước ấm, nước nóng.
- Dầu bôi trơn.
Tiến hành:
Bước 1: Cho một chút dầu bôi trơn vào pit-tông để pit-tông dễ dàng di chuyển trong xi lanh. Điều chỉnh pit-tông ở mức 30 mL, bịt đầu ra của xi lanh bằng nút cao su.
Bước 2: Ghi giá trị nhiệt độ phòng và thể tích không khí trong xi lanh vào vở tương tự như bảng dưới.
Bước 3: Đổ nước đá vào cốc (3).
Bước 4: Nhúng xi lanh và nhiệt kế vào cốc. Sau khoảng thời gian 3 phút, ghi giá trị thể tích V của không khí trong xi lanh và nhiệt độ t vào bảng số liệu.
Bước 5: Lần lượt đổ nước ấm vào cốc (4) và nước nóng vào cốc (5). Thực hiện tương tự bước 4 ở mỗi trường hợp.
Thực hành: Dụng cụ
- Áp kế (1) có mức 0 ứng với áp suất khí quyển, đơn vị đo của áp kế là Bar (1 Bar = 105 Pa).
- Xilanh (2).
- Pit-tông (3) gắn với tay quay (4).
- Hộp chứa nước nóng (5).
- Cảm biến nhiệt độ (6).
Phương án thí nghiệm
- Tìm hiểu công dụng của các dụng cụ nêu trên.
- Lập phương án thí nghiệm với các dụng cụ đó.
Tiến hành
Sau đây là một phương án thí nghiệm với các dụng cụ nêu trên (Hình 2.7).
- Đọc giá trị phần thể tích chứa khí của xilanh ban đầu.
- Đọc số chỉ của cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ phòng cũng là nhiệt độ khí trong xilanh lúc đầu.
- Đổ nước nóng vào hộp chứa cho ngập hoàn toàn xilanh. Dịch pit-tông từ từ sao cho số chỉ của áp kế không đổi. Đọc giá trị của phần thể tích chứa khí và nhiệt độ sau mỗi phút.
- Ghi kết quả vào mẫu như Bảng 2.2.
Kết quả
- Tính tỉ số V/T của mỗi lần đo và rút ra nhận xét.
- Vẽ đồ thị biễu diễn mối liên hệ giữa nhiệt độ và thể tích chất khí khi áp suất không đổi.
Lời giải:
- Bảng kết quả
Tỉ số trong các lần đo có giá trị gần bằng nhau.
- Đồ thị:
Câu hỏi 7: So sánh đồ thị nhiệt độ - thể tích thu được theo kết quả thí nghiệm đã thực hiện với đồ thị trong Hình 2.5.
Lời giải:
III. Phương trình trạng thái khí lí tưởng
Câu hỏi 8: Với quá trình biến đổi được biểu diễn trên Hình 2.9, hãy so sánh nhiệt độ, thể tích, áp suất của trạng thái 1 với trạng thái 2’, của trạng thái 2' với trạng thái 2.
Lời giải:
Trạng thái 1: p1; V1; T1
Trạng thái 2’: p2; V’2; T1
Trạng thái 2: p2; V2; T2
Trạng thái 1 với trạng thái 2’ có cùng nhiệt độ, của trạng thái 2' với trạng thái 2 có cùng áp suất.
Câu hỏi 9: Hãy giả sử chất khí biến đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 qua trạng thái trung gian 3 (khác với 2') và lập luận đề vẫn thu được công thức (2.6)
Lời giải:
Ta có thể chọn trạng thái trung gian 3 là trạng thái sao cho quá trình 1->3 là quá trình đẳng áp và quá trình từ 3->2 là quá trình đẳng nhiệt, khi đó 2 trạng thái 3 và 2’ là khác nhau nhưng ta vẫn có thể lập luận để thu được công thức 2.6:
1->3 là quá trình đẳng áp nên P1=P3 và V1/T1= V3/T3
Do đó P1.V1/T1=P3.V3/T3 (1)
3->2 là quá trình đẳng nhiệt nên T3=T2 và P2.V2=P3.V3
Do đó P3V3/T3=P2.V2/T2 (2)
Từ (1) và (2) ta có:
P1.V1/T1 = P2.V2/T2 = P3.V3/T3
Vậy từ trạng thái (1) đến trạng thái 2 bất kì ta luôn có P.V/T = const (đpcm).
Luyện tập 3: Một lốp xe chứa 0,020 m3 không khí ở 27 oC và áp suất 3,0.105 Pa. Tính khối lượng không khí trong lốp xe. Biết khối lượng mol của không khí là 28,8 g/mol.
Lời giải:
Vận dụng: Hãy vận dụng định luật Boyle để giải thích nguyên lí hoạt động của loại bình xịt như trong Hình 2.10.
Lời giải:
Nguyên lý hoạt động của bình xịt aerosol dựa trên sự tạo ra áp suất và sự phân tán của chất lỏng. Quá trình hoạt động diễn ra như sau:
- Khi bạn nhấn nút nhấn, hệ thống chất đẩy được kích hoạt, tạo ra áp suất trong chai.
- Áp suất tạo ra bởi hệ thống chất đẩy đẩy chất lỏng lên qua van phun.
- Khi chất lỏng tiếp xúc với van phun, áp suất cao sẽ làm cho chất lỏng bị phân tán thành hạt nhỏ.
- Hạt nhỏ này được đẩy ra khỏi van phun thông qua áp suất và tạo thành một dòng sương mịn.
- Khi dòng sương mịn phun ra sẽ được sử dụng để phun lên bề mặt hoặc trong không gian nhằm đạt được hiệu quả sử dụng mong muốn.
Tìm hiểu thêm: Trong lịch sử, phương trình trạng thái của khí lí tưởng được Clapeyron (Cla-pê-rôn) rút ra từ kết quả của ba định luật thực nghiệm về chất khí là: định luật Boyle (mô tả quá trình đẳng nhiệt), định luật Charles (mô tả quá trình đẳng áp) và định luật Gay-Lussac (mô tả quá trình đẳng tích). Phương trình trạng thái của khí lí tưởng cho thấy rằng ba định luật về chất khí không độc lập với nhau.
Hãy tìm hiểu để phát biểu và viết công thức mô tả mối liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ của một lượng khí lí tưởng trong quá trình đẳng tích.
Lời giải:
