sáng kiến kinh nghiệm áp DỤNG PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI của KHÍ lí TƯỞNG GIẢI bài tập về CHẤT KHÍ

Do HĐKH Sở GD&ĐT ghi SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM “ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÍ TƯỞNG GIẢI BÀI TẬP VỀ CHẤT KHÍ” Người thực hiện: Hoàng Thị Long Anh Lĩnh vực nghiên cứu: Có đín

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI

TRƯỜNG THPT NGUYỄN HỮU CẢNH

Mã số: (Do HĐKH Sở GD&ĐT ghi)

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

“ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÍ

TƯỞNG GIẢI BÀI TẬP VỀ CHẤT KHÍ”

Người thực hiện: Hoàng Thị Long Anh Lĩnh vực nghiên cứu:

Có đính kèm: Các sản phẩm không thể hiện trong bản in SKKN

 Mô hình  Phần mềm  Phim ảnh  Hiện vật khác

Năm học: 2011 – 2012

- 2 -

SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC

I THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN

1 Họ và tên: Hoàng Thị Long Anh

2 Ngày tháng năm sinh: 03 – 02 – 1977

8 Đơn vị công tác: Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh

II TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO

- Học vị (hoặc trình độ chuyên môn, nghiệp vụ) cao nhất: Cử Nhân

- Năm nhận bằng: 1998

- Chuyên ngành đào tạo: Vật lý

III KINH NGHIỆM KHOA HỌC

- Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: giảng dạy Vật Lý PT

Số năm có kinh nghiệm: 13

- Các sáng kiến kinh nghiệm đã có trong 5 năm gần đây:

+ Một số phương pháp giải bài toán mạch cầu (cùng GV Nguyễn Thị Thùy Dương) + Phương pháp giải bài toán mạch đèn (cùng tổ Vật lý)

+ Giải một số bài toán va chạm bằng định luật bảo toàn động lượng và năng lượng

GV thực hiện: Hoàng Thị Long Anh – Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh – Tổ Vật Lý

“ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÍ

TƯỞNG GIẢI BÀI TẬP VỀ CHẤT KHÍ”

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Vật lý học là một trong những bộ môn khoa học cơ bản làm nền tảng cung cấp cơ sở lý thuyết cho một số môn khoa học ứng dụng Sự phát triển của Vật lý học dẫn tới sự xuất hiện nhiều ngành kỹ thuật mới: Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật tự động hoá, Công nghệ tin học… Mục tiêu giảng dạy Vật lý ở trường Trung học phổ thông nhằm cung cấp cho học sinh những kiến thức Vật lý cơ bản và nguyên tắc của những ứng dụng Vật lý trong sản xuất và đời sống; giúp các em lĩnh hội kiến thức có hiệu quả và tạo cho các em sự hứng thú học tập môn Vật lý, lòng yêu thích khoa học, tính trung thực khoa học và sẵn sàng áp dụng những kiến thức Vật lý vào thực tế cuộc sống Biết vận dụng những kiến thức đã học vào việc giải bài tập Vật lý là một trong những phương pháp để khắc sâu kiến thức cho học sinh Với mỗi vấn đề, mỗi dạng bài tập, người giáo viên cần gợi ý, hướng dẫn để các em có thể chủ động tìm ra cách giải nhanh nhất, hiệu quả nhất khi làm bài tập

Đối với học sinh trung học phổ thông, bài tập Vật lý là một phương tiện quan trọng giúp học sinh rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng lý thuyết đã học vào thực tiễn Việc giải bài tập vật lý giúp các em ôn tập, cũng cố, đào sâu, mở rộng kiến thức, rèn luyện thói quen vận dụng kiến thức khái quát để giải quyết các vấn

đề của thực tiễn Ngoài ra, nó còn giúp các em làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển khả năng tư duy cũng như giúp các em tự kiểm tra mức độ nắm kiến thức của bản thân

Trong quá trình giảng dạy, tôi nhận thấy khi giải bài tập về chất khí trong phần Nhiệt học của chương trình Vật lý lớp 10 các em còn gặp nhiều khó khăn trong việc giải bài tập vật lý như: không tìm được hướng giải quyết vấn đề, không vận dụng được lý thuyết vào việc giải bài tập, không tổng hợp được kiến thức thuộc nhiều phần của chương trình đã học để giải quyết một vấn đề chung, hay khi giải các bài tập thì thường áp dụng một cách máy móc các công thức mà không hiểu rõ ý nghĩa vật lý của chúng Xuất phát từ thực tế trên, với một số kinh nghiệm

trong quá trình giảng dạy và qua tham khảo một số tài liệu, tôi chọn đề tài “ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÍ TƯỞNG GIẢI BÀI TẬP VỀ CHẤT KHÍ” nhằm tìm cách để giải bài tập một cách dể hiểu, cơ bản, từ

thấp đến cao, giúp học sinh có kỹ năng giải quyết tốt các bài tập, hiểu được ý nghĩa vật lý của từng bài đã giải, rèn luyện thói quen làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển khả năng tư duy, giúp các em học tập môn Vật lý tốt hơn

- 4 -

II TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

1 Cơ sở lý thuyết:

a Thuyết động học phân tử chất khí:

- Chất khí được cấu tạo từ các phân tử rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng

- Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn không ngừng; chuyển động này càng nhanh thì nhiệt độ chất khí càng cao

- Khi chuyển động hỗn loạn các phân tử khí va chạm vào thành bình và gây áp suất lên thành bình

phương trình trạng thái (phương trình Clapeyron) gọi là khí lí tưởng

c Nhiệt độ tuyệt đối (hay nhiệt độ Ken-vin):

- Khoảng cách nhiệt độ 1 K bằng khoảng cách 10C

- Không độ tuyệt đối (0 K) ứng với nhiệt độ - 2730C

- Nếu gọi T là số đo nhiệt độ trong nhiệt giai Ken-vin, còn t là số đo cùng nhiệt

độ đó trong nhiệt giai Xen-xi-ut thì: T = t ( 0

C) + 273 (K)

d Các quá trình biến đổi trạng thái của khí lí tưởng:

Ba thông số xác định trạng thái của một lượng khí là áp suất p, thể tích V và nhiệt độ tuyệt đối T Trong quá trình biến đổi trạng thái, ba thông số phụ thuộc lẫn nhau theo các định luật (1), (2), (3) và theo phương trình (4)

d.1 Định luật Boyle – Mariotte (quá trình đẳng nhiệt):

- Định luật: Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích

- Hệ thức: p~1

V hay pV hằng số hay p1 V 1 = p 2 V 2 (1)

- Đường đẳng nhiệt:

+ Đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo thể tích

khi nhiệt độ không đổi gọi là đường đẳng nhiệt

+ Trong hệ toạ độ (p,V) đường đẳng nhiệt là đường

hypebol

+ Ứng với các nhiệt độ khác nhau của cùng một lượng khí

có các đường đẳng nhiệt khác nhau Đường đẳng nhiệt ở

trên ứng với nhiệt độ cao hơn đường đẳng nhiệt ở dưới

d.2 Định luật Charles (quá trình đẳng tích):

- Định luật: Trong quá trình đẳng tích của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối

GV thực hiện: Hoàng Thị Long Anh – Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh – Tổ Vật Lý

+ Đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo nhiệt độ

khi thể tích không đổi gọi là đường đẳng tích

+ Trong hệ toạ độ (p,T) đường đẳng tích là đường thẳng

kéo dài đi qua gốc tọa độ

+ Ứng với các thể tích khác nhau của cùng một lượng khí

có các đường đẳng tích khác nhau Đường đẳng tích ở

trên ứng với thể tích nhỏ hơn đường đẳng tích ở dưới

d.3 Định luật Gay Lussac (quá trình đẳng áp):

- Định luật: Trong quá trình đẳng áp của một lượng khí nhất định, thể tích tỉ

lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối

+ Đường biểu diễn sự biến thiên của thể tích theo nhiệt độ

khi áp suất không đổi gọi là đường đẳng áp

+ Trong hệ toạ độ (V,T) đường đẳng áp là đường thẳng

kéo dài đi qua gốc tọa độ

+ Ứng với các áp suất khác nhau của cùng một lượng khí

có các đường đẳng áp khác nhau Đường đẳng áp ở trên

ứng với áp suất nhỏ hơn đường đẳng áp ở dưới

d.4 Phương trình trạng thái của khí lí tưởng (PT Clapeyron):

Phương trình trạng thái cho biết sự phụ thuộc lẫn nhau của ba thông số trạng thái của một lượng khí

 với F là áp lực tác dụng vuông góc

lên diện tích S

- Các đơn vị áp suất thường dùng:

+ Trong hệ SI: N/m2

hay Pa; 1 N/m2 = Pa; + 1bar = 105 Pa

+ Atmotphe vật lí: 1atm  1,013.105 Pa

+ Atmotphe kỹ thuật: 1at  0,981.105 Pa

- 6 -

- Áp suất của chất lỏng tại một điểm M ở độ sâu h trong lòng chất lỏng:

pM = p0 + ph = p0 + gh + p0 (N/m2): áp suất khí quyển bên trên mặt thoáng

+ ph = gh (N/m2): áp suất do trọng lượng cột chất lỏng có độ cao h +  (kg/m3): khối lượng riêng của chất lỏng

- Trong một khoảng không gian nhỏ, áp suất khí quyển có thể coi là không đổi, không phụ thuộc vào độ cao

Bảng tóm tắt các quá trình biến đổi trạng thái của khí lí tưởng:

Định luật

Boyle – Mariotte

Định luật Charles

Định luật Gay Lussac

Phương trình trạng thái của khí lí tưởng

Phương trình Cla-pê-rôn (Claypeyron)

GV thực hiện: Hoàng Thị Long Anh – Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh – Tổ Vật Lý

p V T

Bước 2: Phân tích bài tập và lên kế hoạch giải:

Xác định rõ lượng khí không đổi, biến đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 bằng quá trình nào (đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp hay cả ba thông số đều biến đổi)

để áp dụng kiến thức đã biết tìm yêu cầu của đề bài

Bước 3: Thực hiện kế hoạch giải:

Áp dụng các định luật (1), (2), (3) hoặc phương trình (4) và các cách biến đổi toán học chặt chẽ, rõ ràng tùy theo bài cụ thể

Bước 4: Biện luận:

Phân tích kết quả cuối cùng để loại bỏ những kết quả không phù hợp với điều kiện của đề bài và không phù hợp với thực tế

Kiểm tra xem đã giải quyết hết các yêu cầu của bài toán chưa; kiểm tra kết quả tính toán, đơn vị hoặc có thể giải lại bài toán bằng cách khác xem có cùng kết quả không

b Các bài toán ví dụ:

b.1 Các bài toán về quá trình đẳng nhiệt:

Định luật Boyle – Mariotte được áp dụng cho khối khí:

- Có khối lượng không đổi, không có biến đổi hóa học

- Không thay đổi nhiệt độ, chỉ thay đổi thể tích, áp suất

Bài 1: (8/159 SGKCB) Một xilanh chứa 150 cm3 khí ở áp suất 2.105 Pa Pittông nén khí trong xi lanh xuống còn 100 cm3 Tính áp suất khí trong xilanh lúc này, coi nhiệt độ như không đổi

Giải:

Trạng thái 1:

3 1

5 1

150 2.10



Bài 4: (29.8/66 SBTCB) Tính khối lượng khí ôxi đựng trong một bình thể tích 10

lít dưới áp suất 150 atm ở nhiệt độ 00C Biết ở điều kiện chuẩn khối lượng riêng của ôxi là 1,43 kg/m3

GV thực hiện: Hoàng Thị Long Anh – Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh – Tổ Vật Lý

Khí Ôxi ở điều kiện chuẩn

0

0 0

150 0( ) 273 273

Nhận xét: (*)Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất định, áp

suất tỉ lệ thuận với khối lượng riêng

Bài 5: Một bọt khí có thể tích tăng gấp rưỡi khi nổi từ đáy hồ lên đến mặt nước Giả sử nhiệt độ ở đáy hồ và mặt hồ như nhau, hãy tính độ sâu của hồ Cho biết áp suất khí quyển là 75 cmHg, nước có khối lượng riêng là  =1000kg/m3

Giải: Xét khối khí trong bọt nước

b.2 Các bài toán về quá trình đẳng tích:

Định luật Charles được áp dụng cho khối khí:

- Có khối lượng không đổi, không có biến đổi hóa học

- Không thay đổi thể tích (chứa trong bình kín), chỉ thay đổi áp suất, nhiệt độ

T = const

T = const

h = ?

- 10 -

Bài 1: Một chiếc lốp ô tô chứa không khí có áp suất 5bar và nhiệt độ 280

C Khi xe chạy nhanh, làm nhiệt độ không khí trong lốp tăng thêm 200C Tính áp suất

của không khí trong lốp xe lúc này?

Giải: Chú ý: Nhiệt độ tăng thêm nên T2 > T1

Trạng thái 1:

0 1

p   bar Vậy: áp suất khí trong lốp xe tăng đến 5,33 bar

Bài 2: (30.7/69 SBTCB) Một săm xe máy được bơm căng không khí ở nhiệt độ

200C và áp suất 2 atm Hỏi săm có bị nổ không khi để ngoài nắng nhiệt độ 420

C? Coi sự tăng thể tích của săm là không đáng kể và biết săm chỉ chịu được áp suất tối đa là 2,5 atm

Giải :

Trạng thái 1:

0 1

Vậy: Áp suất khí trong săm nhỏ hơn áp suất tối đa nên săm không bị nổ

Bài 3: (30.9/69 SBTCB) Biết thể tích của một lượng khí là không đổi Hãy giải bài toán sau bằng hai cách: dùng công thức và dùng đồ thị a) Chất khí ở 00C có áp suất 5 atm Tìm áp suất của khí ở nhiệt độ 2730

C b) Chất khí ở 00C có áp suất p0 Phải đun nóng chất khí lên tới nhiệt độ nào để áp suất của khí tăng lên 3 lần?

GV thực hiện: Hoàng Thị Long Anh – Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh – Tổ Vật Lý

273 5

Đường đẳng tích trong hệ tọa độ (p,T)

là đường thẳng kéo dài đi qua gốc tọa độ

Bài 4: Van an toàn của một nồi áp suất sẽ mở khi áp suất trong nồi là 9 atm

Ở 200C, hơi trong nồi áp suất 1,5 atm Hỏi ở nhiệt độ nào thì van an toàn sẽ mở?

Lượng khí trong nồi áp suất khi van chưa mở có thể tích không đổi nên đây

là quá trình đẳng tích, áp dụng định luật Chasler:

p0

O

Mn nn nn nn nn nn bn bb bb bu

;u uu uu uu uy

273 546 819 T(K)

Vậy nhiệt độ của khí là 1758K hay 14850C thì van an toàn sẽ mở

Nhận xét: Trong thực tế dùng nồi áp suất để hầm thức ăn cho mau mềm vì

nồi áp suất có tác dụng làm tăng nhiệt sôi của chất lỏng

Bài 5: (30.10/69 SBTCB) Một chai chứa không khí được nút kín bằng một nút có

trọng lượng không đáng kể, tiết diện 2,5 cm2 Hỏi phải đun nóng không khí trong chai lên tới nhiệt độ tối thiểu bằng bao nhiêu để nút bật ra? Biết lực ma sát giữa nút

và chai có độ lớn là 12 N, áp suất ban đầu của không khí trong chai bằng áp suất khí quyển và bằng 9,8.104

Pa, nhiệt độ ban đầu của không khí trong chai là -30C Giải:



Tại thời điểm nút bật ra, áp lực không khí trong chai tác dụng lên nút phải lớn hơn áp lực của khí quyển và lực ma sát hay để nút bật ra thì áp suất của khí trong bình cần có giá trị lớn hơn áp suất khí quyển cộng với áp suất do lực ma sát tác dụng lên nút bình:

p 2 S  F ms + p 1 S  2 F ms 1

S

Trước khi nút bật ra, thể tích khí trong chai không đổi và quá trình đun nóng

là quá trình đẳng tích, áp dụng định luật Chasler:

Vậy: Phải đun nóng tới nhiệt độ ít nhất là T2 = 402 K hoặc t2 = 1290C

Chú ý: Phải làm rõ được bản chất của vấn đề là muốn cho nút bật ra thì áp

suất của khí trong bình phải lớn hơn áp suất khí quyển cộng với áp suất do lực ma sát tác dụng lên nút

b.3 Các bài toán về quá trình đẳng áp:

Định luật Gay Lussac được áp dụng cho khối khí:

- Có khối lượng không đổi, không có biến đổi hóa học

- Không thay đổi áp suất (thường là do cân bằng với áp suất khí quyển), chỉ thay đổi nhiệt độ, thể tích

V = const

GV thực hiện: Hoàng Thị Long Anh – Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh – Tổ Vật Lý

Bài 1: Dãn khối khí đẳng áp từ thể tích 10 lít đến thể tích 40 lít thì nhiệt

độ của khối khí thay đổi như thế nào?

T V

T V

Vậy nhiệt độ của khối khí tăng lên 4 lần

Nhận xét: Quá trình đẳng áp, nhiệt độ tuyệt đối tỉ lệ thuận với thể tích nên

thể tích tăng 4 lần thì nhiệt độ tăng 4 lần

Bài 2: Đun nóng đẳng áp một lượng khí lên đến 470C thì thể tích khí tăng

thêm 1/10 thể tích khí lúc ban đầu Tìm nhiệt độ ban đầu của khí?

Giải: Xét cùng một khối lượng không khí m

D T

Vậy khối lượng riêng của không khí trong phòng lớn hơn khối lượng riêng

của không khí ngoài sân nắng 1,05 lần

Nhận xét: Quá trình đẳng áp, nhiệt độ tuyệt đối tỉ lệ thuận với thể tích, nên

khối lượng riêng tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối

Bài 4: Một bình dung tích V = 15cm3

chứa không khí ở nhiệt độ t1 = 1770C, nối với một ống nằm ngang chứa đầy thủy ngân, đầu kia của ống thông với khí quyển Tính khối lượng thủy ngân chảy vào bình khi không khí trong bình được làm lạnh đến nhiệt độ t2 = 270C Dung tích coi như không đổi, khối lượng riêng của thủy ngân là D = 13,6g/cm3

Khi nhiệt độ khí trong bình giảm, áp suất khí trong bình cũng giảm, nhỏ hơn

áp suất khí quyển, một phần thủy ngân sẽ bị khí quyển đẩy vào chiếm một phần thể tích bình chứa, thể tích khí trong bình giảm và áp suất khí lại tăng lên Khi áp suất trong bình tăng bằng áp suất khí quyển, cột thủy ngân sẽ nằm yên cân bằng không chảy vào trong bình nữa, p2 = p0

Do áp suất khí trong bình trước và sau khi thủy ngân chảy vào bằng nhau và

bằng áp suất khí quyển, nên áp dụng định luật Gay Lussac cho khối khí:

15.300

10( ) 450

V T

T

Thể tích thủy ngân chảy vào bình: V = V 1 – V 2 = 15 – 10 = 5(cm 3 )

Vậy khối lượng thủy ngân chảy vào bình: m = D.V = 13,6.5 = 68(g)

GV thực hiện: Hoàng Thị Long Anh – Trường THPT Nguyễn Hữu Cảnh – Tổ Vật Lý

b.4 Các bài toán về thông số trạng thái của khí (quan hệ giữa các đại lượng p,V,T):

Phương trình trạng thái được áp dụng cho biến đổi bất kì của một khối lượng khí xác định

Bài 1: (7/166 SGKCB) Trong phòng thí nghiệm, người ta điều chế được 40cm3

khí Hiđrô ở áp suất 750mmHg và nhiệt độ 270C Tính thể tích của lượng khí trên ở điều kiện chuẩn (áp suất 760mmHg và nhiệt độ 00

Vậy: thể tích của lượng khí trên ở điều kiện chuẩn là V0 = 36cm3

Bài 2: (8/166 SGKCB) Tính khối lượng riêng của không khí ở đỉnh núi

Phăng-xi-păng cao 3140m, biết rằng mỗi khi lên cao 10m thì áp suất khí quyển giảm 1mmHg và nhiệt độ trên đỉnh núi là 20C Khối lượng riêng của không khí ở điều kiện tiêu chuẩn (áp suất 760mmHg và nhiệt độ 00

446.273.1, 29

0, 75( / ) 760.275