Phân tích chương Chất khí

Vật lí phân tử là một phần của vật lí nghiên cứu các tính chất vật lí của các vật, các tính chất đặc thù của tập hợp các trạng thái của vật và nghiên cứu các quá trình chuyển pha phụ thu

ĐẠI HỌC HUẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ -  -

NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2 PHẦN MỞ ĐẦU 3 PHẦN NỘI DUNG 4

PHẦN MỞ ĐẦU

Vật lí phân tử và nhiệt học là chiếc cầu nối giữa vật lý vĩ mô và vật lý vi mô, giữa vật lý cổ điển và vật lý hiện đại Theo trình tự phát triển nhận thức của con người đối với thế giới tự nhiên, phần vật lí phân tử được đặt ngay sau phần cơ học Newton Nghiên cứu vật lý phân tử và nhiệt học tạo một bước chuyển mới trong hoạt động nhận thức của HS [2]

Vật lí phân tử là một phần của vật lí nghiên cứu các tính chất vật lí của các vật, các tính chất đặc thù của tập hợp các trạng thái của vật và nghiên cứu các quá trình chuyển pha phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của các vật, phụ thuộc vào lực tương tác của các phân tử và tính chất chuyển động nhiệt của các hạt [3] Nhiệt học nghiên cứu các tính chất vật lí của hệ vĩ mô trên cơ sở phân tích những biến đổi năng lượng có thể có của hệ

mà không tính đến cấu trúc vi mô của chúng Chương “Chất khí” có thể coi là phần mở đầu của nhiệt học Vì vậy nghiên cứu vật lí phân tử và nhiệt học giúp cho giáo viên nắm kiến thức sâu hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho công tác giảng dạy ở trường THPT

Tiểu luận này trình bày rõ hơn một số kiến thức cơ bản trong chương “Chất khí” trong chương trình Vật lí phổ thông

PHẦN NỘI DUNG

1 Đặc điểm của chương

Trước đây, trong chương trình cải cách giáo dục THPT, phần nhiệt học và vật lý phân tử bị tách ra làm hai phần Cụ thể, phần nhiệt học và cơ sở của nhiệt động lực học nằm ở cuối lớp 10 còn phần chất rắn và chất lỏng nằm ở đầu lớp 11 Làm như vậy đã tạo ra sự gián đoạn trong việc nghiên cứu phần nhiệt học ở THPT

Trong chương trình và SGK mới, toàn bộ nội dung kiến thức phần nhiệt học THPT tập trung ở lớp 10 và được chia làm ba chương là: “Chất khí”, “Cơ sở của nhiệt động lực học”, “Chất rắn và chất lỏng Sự chuyển thể” [4]

Chương ‘chất khí” là chương đầu tiên của phần “Nhiệt học” Toàn chương gồm có

8 tiết, trong đó có 2 tiết bài tập [7]

2 Nhiệm vụ của chương

Chương này trình bày về cấu tạo chất, nội dung thuyết động học phân tử chất khí, đặc điểm của khí lý tưởng, quá trình đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp đối với khí lí tưởng

và các định luật thực nghiệm tương ứng, phương trình trạng thái khí lí tưởng Ngoài ra, chương này còn đề cập đến khái niệm nhiệt độ tuyệt đối [4] [6]

3 Sơ đồ kiến thức của chương

4 Chuẩn kiến thức kĩ năng

4.1 Kiến thức

- Phát biểu được nội dung cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí

- Nêu được đặc điểm của khí lý tưởng

- Nêu được các quá trình đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp là như thế nào và phát biểu được các định luật Bôilơ – Mariốt, Sác-lơ và Gay Luy-xác

- Nêu được nhiệt độ tuyệt đối

- Nêu được các thông số P,V,T xác định trạng thái của một lượng khí

- Viết được phương trình trạng thái của khí lý tưởng

- Viết được phương trình Cla-pê-rôn – Men-đê-lê-ép

4.2 Kĩ năng

- Vận dụng được thuyết động học phân tử để giải thích đặc điểm về hình dạng, thể tích của các chất khí ở thể khí, thể lỏng, thể rắn

- Vẽ được đường đẳng tích, đẳng áp, đẳng nhiệt trong hệ toạ độ (P, V)

- Vận dụng được phương trình trạng thái của khí lí tưởng và phương trình rôn – Men-đê-lê-ép để giải các bài tập đơn giản [6]

Cla-pê-5 Phân tích kiến thức của chương

5.1 Thuyết động học phân tử

5.1.1 Cơ sở của thuyết

a Cơ sở kinh nghiệm

Thuyết động học phân tử (ban đầu là thuyết cấu tạo chất) là một trong những thuyết vật lí ra đời sớm nhất Đó là kết quả của cuộc đấu tranh kéo dài nhiều thế kỉ giữa những quan niệm đối lập về bản chất của nhiệt và là sự kế thừa những quan niệm cổ đại nhất về cấu tạo chất Theo quan niệm của Demokritos thì vật chất được cấu tạo một cách gián đoạn từ các hạt, trong khi đó một trường phái khác cho rằng vật chất được cấu tạo một cách liên tục từ một số chất cơ bản Giả thuyết cho rằng nhiệt có được là do chuyển động của các hạt vật chất ra đời trước giả thuyết về “chất nhiệt” và được các nhà bác học Hooke, Boyle, Newton, Lomonosov ủng hộ Bên cạnh đó, những thành tựu nguyên tử luận trong hóa học đã góp phần quan trọng đến sự ra đời của thuyết động học phân tử Cùng với đó là sự ra đời của số Avogadro cho phép xác định được khối lượng của từng nguyên tử Như vậy, nguyên tử từ chổ là sản phẩm đơn thuần của trí tưởng tượng của con người đã dần dần trở thành một thực thể vật lí Đó chính là một trong những động lực quan trọng quyết định sự ra đời của thuyết động học phân tử [1]

b Cơ sở thực nghiệm

Các định luật thực nghiệm về chất khí của Boyle, Mariot, Gay-Lussac và Charles

có quan hệ trực tiếp đến sự ra đời của thuyết động học phân tử Năm 1834 Clapeyron đã biểu diễn phương trình trạng thái của chất khí thành một công thức tổng quát pV = nRT Ngoài ra còn có những cơ sở thực nghiệm quan trọng khác nữa đó là sự phát hiện

ra chuyển động Brown, hiện tượng khuếch tán của Loschmidt

c Các mô hình đầu tiên

- Mô hình tĩnh học chất khí của Boyle là mô hình được đưa ra đầu tiên Theo ông thì chất khí do các hạt vật chất hình cầu rất nhỏ tạo thành và có tính chất đàn hồi như cao su

- Mô hình động học chất khí được Bernouli đưa ra năm 1734 cho rằng chất khí được cấu tạo bởi những hạt vật chất chuyển động hỗn loạn và không ngừng Mô hình của ông đã giải thích thành công nguyên nhân gây ra áp suất và giải thích được định luật thực nghiệm Boyle-Mariotte

5.1.2 Nội dung của thuyết

a Quan điểm cơ bản của thuyết động học phân tử

Thuyết động học phân tử là một trong những thuyết Vật lí ra đời sớm nhất Nó kế thừa những quan điểm cổ đại về cấu tạo vật chất và những kết qủa của cuộc đấu tranh kéo dài nhiều thế kỷ giữa các tư tưởng đối lập nhau về bản chất của nhiệt

Tư tưởng cơ bản của thuyết là tư tưởng cơ học của Newton Theo Newton vật chất cấu tạo bởi các hạt nằm trong chân không và giũa chúng có tương tác với nhau Trong suốt ba thế kỉ XVII, XVIII, XIX, quan điểm này giữ vai trò thống trị và chi phối sự hình thành, phát triển của thuyết động học phân tử

Thuyết động học phân tử về thực chất có thể coi là sự vận dụng tư tưởng của cơ học Newton vào thế giới vi mô Các quan điểm cơ bản của thuyết là:

- Vật chất được cấu tạo từ các hạt rất nhỏ gọi là phân tử,

- Các phân tử chuyển động hỗn loạn và không ngừng,

- Các phân tử tương tác với nhau bằng lực hút và lực đẩy,

- Chuyển động và tương tác của các phân tử tuân theo định luật cơ học của Newton

b Các định luật và phương trình cơ bản

Hành vi của từng phân tử tuân theo các định luật Newton và các định bảo toàn, nhưng toàn bộ hệ thì tuân theo quy luật thống kê

Phương trình cơ bản là

d

2

p = nW3

Trong đó p là áp suất chất khí, n là mật độ phân tử khí, Wd là động năng trung bình của phân tử khí

Phương trình này cho thấy mối quan hệ giữa các đại lượng vĩ mô và vi mô, thực sự vạch rõ cơ chế vi mô của áp suất và phản ánh một cách tường minh các quan điểm cơ bản của thuyết động học phân tử

c Hệ quả của thuyết

- Giai đoạn 1: Phát triển của thuyết động học phân tử và phối hợp nó với nhiệt động lực học mang tính chất hiện tượng luận vào cuối thế kỉ XIX đầu thế kỉ XX liên quan đến các công trình của Clausius, Maxwell và Boltzmann

- Giai đoan 2: Phát triển vật lí thống kê, dùng nó để giải thích giá trị của các đại lượng quan sát được trong thí nghiệm Đây là thời kì thành lập nhiệt động lực học thống

kê liên quan tới những công trình của Gibbs, Bose và Einstein

- Giai đoạn 3: Xây dựng và phát triển thống kê lượng tử liên quan tới các công trình của Einstein, Pauli, Fermi, Dirac

Trong 3 giai đoạn trên thì giai đoạn đầu tiên có quan hệ trực tiếp với thuyết động học phân tử hiểu theo nghĩa nguyên thủy của nó Những hệ quả có được từ thuyết động học phân tử có thể nêu một cách vắn tắt là:

- Vạch rõ bản chất của nhiệt: Thực vậy, từ phương trình cơ bản d

2

p = nW

3 phối hợp với phương trình trạng thái pV = RT ta suy ra d

3 R 3

W = T = kT

2 N 2 Trong đó n là mật độ chất khí n=N

V và k = R

Nlà hằng số Boltzmann Công thức trên cho thấy ý nghĩa của nhiệt độ tuyệt đối

- Định luật phân bố phân tử theo vận tốc của Maxwell

- Định luật phân bố phân tử theo chiều cao của Boltzmann

- Bản chất của nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học

d Thiếu sót của thuyết

Thuyết động học phân tử không những giải thich được các hiện tượng nhiệt của các chất như: khuếch tán, truyền nhiệt, dẫn nhiệt, bay hơi, ngưng tụ, , mà còn là cơ sở

để nghiên cứu về các quá trình biến đổi trạng thái khí Tuy nhiên thuyết động học phân

tử củng có những mặt hạn chế:

+ Nguyên tử luận của thuyết động học phân tử là nguyên tử luận siêu hình Thuyết động học phân tử quan niệm phân tử là hạt “cơ bản” cuối cùng của vật chất không có cấu trúc bên trong

+ Thiếu sót nghiêm trọng nữa là đã sử dụng các quy luật của cơ học cổ điển vào thế giới vi mô

5.2 Thuyết động học phân tử chất khí

Vật chất ở điều kiện bình thường tồn tại ở ba thể rắn, lỏng, khí Chất khí có những đặc điểm giống với chất rắn và chất lỏng, tuy nhiên nó cũng có những đặc điểm khác biệt Vì vậy dựa trên thuyết động học phân tử và mô hình khí lí tưởng người ta đưa ra thuyết động học phân tử chất khí Nội dung của thuyết như sau:

- Chất khí bao gồm các phân tử Kích thước phân tử là nhỏ Trong phần lớn các trường hợp có thể bỏ qua kích thước ấy và coi mỗi phân tử như mỗi chất điểm

- Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng Nhiệt độ càng cao thì vận tốc chuyển động hỗn loạn càng lớn Chuyển động hỗn loạn của phân tử gọi là chuyển động nhiệt Do phân tử chuyển động hỗn loạn, tại mỗi thời điểm, hướng của vận tốc phân tử phân bố đều (theo mọi phương như nhau) trong không gian

- Khi chuyển động, mỗi phân tử va chạm với các phân tử khác và với thành bình Khi không va chạm, các phân tử gần như tự do và chuyển động thẳng đều Khi phân tử này va chạm với các phân tử khác thì cả hai phân tử tương tác, làm thay đổi phương chuyển động và vận tốc của từng phân tử Khi va chạm với thành bình, phân tử bị phản

xạ và truyền động lượng cho thành bình Rất nhiều phân tử va chạm với thành bình tạo nên một lực đẩy vào thành bình Lực này tạo nên áp suất lên thành bình

5.3 Một số khái niệm

5.3.1 Khí lí tưởng

Để vận dụng thuyết động học phân tử vào việc nghiên cứu các tính chất của chất khí, trước hết cần phải tìm hiểu rõ cấu tạo phân tử của chất khí Hơn nữa cần tập trung vào những đặc điểm chủ yếu của cấu tạo phân tử của chất khí, bỏ qua những yếu tố thứ yếu không ảnh hưởng rõ rệt đến các tính chất của chất khí Xuất phát từ quan niệm này,

người ta xây dựng một mẫu khí bao gồm những đặc điểm cơ bản của chất khí gọi là mẫu khí lí tưởng:

+ Khí lí tưởng gồm một số rất lớn các phân tử có kích thước rất nhỏ (so với khoảng cách trung bình giữa các phân tử), các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng

+ Lực tương tác giữa các phân tử chỉ trừ lúc va chạm là đáng kể còn lại thì rất nhỏ

bé, có thể bỏ qua

+ Sự va chạm lẫn nhau giữa các phân tử khí hay va chạm giữa các phân tử khí với thành bình tuân theo qui luật va chạm đàn hồi (nghĩa là không hao hụt động năng của phân tử)

Không khí và các chất khí nói chung ở điều kiện bình thường về nhiệt độ và áp suất đều có thể coi là khí lí tưởng Các chất khí ở áp suất cao và nhiệt độ cao không thể coi là khí lí tưởng mà là khí thực

5.3.2 Thông số trạng thái, phương trình trạng thái và quá trình biến đổi trạng thái

Trạng thái của một khối khí nhất định được xác định bởi thể tích V, áp suất p và nhiệt độ tuyệt đối T Những đại lượng này được gọi là các thông số trạng thái của một khối khí

Một khối khí có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác bằng các quá trình biến đổi trạng thái, gọi tắt là quá trình.Trong hầu hết các quá trình tự nhiên, cả ba thông số trạng thái đều thay đổi.Tuy nhiên cũng có thể thực hiện các quá trình trong đó chỉ có hai thông số biến đổi, còn một thông số không đổi Những quá trình này được gọi

Ta xét một lượng khí đặt trong một bình có thể tích nhất định Sau khi hấp thụ một lớp phân tử khí rất mỏng thì thành bình không hấp thụ thêm nữa Các phân tử khí bay tới va chạm vào thành bình, truyền cho thành bình một phần năng lượng rồi bị bật trở lại Cho đến khi cân bằng nhiệt giữa thành bình và chất khí được thiết lập thì va chạm sẽ không làm thay đổi động năng của các phân tử khí nữa, khi đó va chạm có thể coi là va

chạm đàn hồi Nghĩa là thành bình chỉ nhận xung lực của phân tử khí Như vậy, áp suất của chất khí tác dụng lên thành bình chính là xung lực trung bình mà các phân tử khí tác dụng lên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian Giá trị áp suất này có thể thay đổi nhưng sự thay đổi đó càng nhỏ nếu số phân tử khí càng lớn Chuyển động của các phân tử khí là hỗn độn không có phương ưu tiên nên lực va chạm của chúng lên thành bình cũng không có phương ưu tiên Tổng hợp của chúng là một lực vuông góc với thành bình và hướng từ trong ra ngoài gây nên áp suất ở thành bình.

Chuyển động của các phân tử càng nhanh, tức động năng càng lớn, thì đập vào bình với áp lực càng lớn, gây ra áp suất càng lớn Ngoài ra, mật độ các phân tử khí càng lớn thì khả năng va chạm với thành bình càng cao, suy ra áp suất càng lớn

Vậy: áp suất của khí có liên quan đến động năng của các phân tử khí và mật độ khí

Trong hệ SI đơn vị áp suất là N2

m (Niutơn trên mét vuông), tức là áp suất gây nên bởi lực bằng 1N tác dụng vuông góc lên diện tích bằng 1m2

Trong hệ CGS đơn vị áp suất là dyn2

cm (dyn trên centimet vuông)

m

5.3.4 Nhiệt độ

Theo quan điểm của thuyết động học phân tử, nhiệt độ có liên quan mật thiết với năng lượng chuyển động tịnh tiến của các phân tử đó chính là động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến Đối với khí lí tưởng, ta qui ước nhiệt độ θ được xác định như sau:

d

2

θ = W3

Vậy nếu các phân tử chuyển động càng nhanh (hoặc càng chậm) thì động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử càng lớn (hoặc càng nhỏ) và do đó nhiệt độ của vật càng cao (hoặc càng thấp) Nhiệt độ cũng như động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử là đại lượng liên quan chặt chẽ tới mức độ nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử

Vậy theo quan điểm của thuyết động học phân tử, nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất vĩ mô của vật, thể hiện mức độ nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật đó

Như vậy đơn vị của nhiệt độ sẽ là (J) nhưng trong thực tế việc đo trực tiếp động năng trung bình của chuyển động nhiệt rất khó, hơn nữa vì lí do lịch sử, trước khi thuyết động học phân tử ra đời người ta vẫn quen dùng đơn vị của nhiệt độ là “độ” Vì vậy, để

đo nhiệt độ bằng độ phải đưa thêm vào công thức trên một hệ số chuyển đơn vị là hằng

số Bôn-dơ-man k Mối liên quan giữa nhiệt độ đo bằn đơn vị năng lượng và nhiệt độ đo bằng đơn vị “độ” được thể hiện qua công thức sau:

d

2

θ = W = kT3

k = 1,38.10-23 J/độ hay 1,38.10-16erg/độ

Để xác định được nhiệt độ, người ta sử dụng nhiệt kê Vấn đề cơ bản của việc chế tạo nhiệt kế là xây dựng các thang đo Người ta đưa ra nhiều loại thang đo khác nhau nhưng bốn thang đo thường được quan tâm nhiều nhất là thang đo của nhà bác học Celsius,Kelvin, Farenheit, và Réaumur

Tùy theo cách chia độ mà ta có các nhiệt giai khác nhau:

+ Nhiệt giai Celsius (nhiệt giai bách phân), kí hiệu làoC Trong nhiệt giai này, người ta chọn điểm tan của nước đá và điểm sôi của nước (ở áp suất 1 atm) là 0oC và

100oC Trong khoảng này, chia làm 100 phần đều nhau, mỗi phần gọi là 1oC

+ Nhiệt giai Fahrenheit: kí hiệu làoF Trong nhiệt giai này, người ta chọn điểm tan của nước đá và điểm sôi của nước (ở áp suất 1 atm) là 32oF và 212oF Trong khoảng này chia làm 180 phần đều nhau, mỗi phần là 1oF Ta có hệ thức liên hệ giữa nhiệt giai Celsius và nhiệt giai Fahrenheit: