Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Áp suất chất khí do va chạm phân tử gây ra
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em giải thích định tính được vì sao áp suất chất khí sinh ra từ va chạm liên tục của phân tử lên thành bình, và dự đoán được xu hướng thay đổi của áp suất khi nhiệt độ, thể tích hoặc số phân tử của khối khí thay đổi.
Kiến thức nền cần nhớ
Bài trước đã nêu nội dung thứ ba của thuyết động học phân tử: va chạm của phân tử khí lên thành bình gây ra áp suất *(same-grade bridge)*. Course 2 của khoá này cũng dùng khái niệm nội năng — tổng động năng và thế năng chuyển động của các phân tử — liên hệ trực tiếp tới chuyển động nhiệt của chúng. Bài hôm nay ghép hai ý đó lại: chuyển động nhiệt quyết định tốc độ va chạm, và tốc độ va chạm quyết định áp suất.
Khởi động
Một bình xịt côn trùng để gần bếp lửa có thể phát nổ, trong khi để ở nơi mát thì không sao dù lượng khí bên trong không đổi. Điều gì bên trong bình đã thay đổi để gây ra sự khác biệt đó?
Kiến thức trọng tâm
Áp suất chất khí lên thành bình là kết quả tổng hợp của vô số va chạm liên tục, cực nhanh của các phân tử khí lên thành bình trong một đơn vị thời gian. Mỗi va chạm chỉ truyền một xung lực rất nhỏ lên thành bình, nhưng số lượng va chạm trong một giây là cực lớn, nên tổng hợp lại tạo thành một lực trung bình gần như không đổi tác dụng lên một đơn vị diện tích thành bình — đó chính là áp suất mà em cảm nhận hay đo được.
Áp suất đó phụ thuộc vào hai yếu tố. Yếu tố thứ nhất là số phân tử va chạm vào thành bình trong một đơn vị thời gian: khí càng đậm đặc (mật độ phân tử càng lớn) thì càng nhiều phân tử tới đập vào thành bình trong cùng khoảng thời gian, áp suất càng lớn. Yếu tố thứ hai là tốc độ chuyển động của phân tử: phân tử chuyển động càng nhanh thì mỗi va chạm truyền động lượng càng mạnh, đồng thời phân tử cũng tới thành bình thường xuyên hơn (vì đi hết quãng đường nhanh hơn) — cả hai hiệu ứng cùng làm áp suất tăng.
Khi đun nóng một bình khí kín, giữ nguyên thể tích và số phân tử, nhiệt độ tăng làm chuyển động nhiệt hỗn loạn của phân tử mạnh lên, tức tốc độ trung bình của phân tử tăng. Theo lập luận ở trên, tốc độ tăng kéo theo cả lực và tần suất va chạm lên thành bình đều tăng, nên áp suất khí trong bình tăng lên. Đây chính là lí do vì sao các bình khí nén — bình xịt, bình gas — đều ghi cảnh báo không để gần nguồn nhiệt.
Hai yếu tố — mật độ phân tử và tốc độ phân tử — hoàn toàn độc lập với nhau: có thể thay đổi cái này mà giữ nguyên cái kia. Bơm thêm khí vào một bình cứng (thể tích không đổi) chỉ làm tăng mật độ phân tử, trong khi nhiệt độ — và do đó tốc độ trung bình — có thể giữ nguyên nếu bình được để cân bằng nhiệt với môi trường trước khi đo áp suất. Ngược lại, đun nóng một bình kín đã bơm sẵn khí chỉ làm tăng tốc độ phân tử, trong khi mật độ phân tử không đổi vì không có phân tử nào ra vào bình. Việc tách bạch hai yếu tố này ngay từ bài học định tính giúp em hiểu đúng bản chất trước khi gặp công thức định lượng ở bài sau, thay vì chỉ nhớ máy móc "nóng hơn thì áp suất lớn hơn" mà không biết vì sao.
Chuỗi lập luận này là cách trả lời chuẩn cho mọi câu hỏi giải thích định tính về áp suất chất khí ở lớp 12.
Ví dụ minh hoạ
Ví dụ
Giải thích vì sao đun nóng bình khí kín làm áp suất tăng
1
Một bình kín cứng chứa khí ở nhiệt độ phòng, thể tích và số phân tử khí không đổi. Đun nóng bình. Giải thích vì sao áp suất khí trong bình tăng lên.
2
Nhiệt độ tăng làm chuyển động hỗn loạn (chuyển động nhiệt) của các phân tử khí nhanh hơn, tức tốc độ trung bình phân tử tăng. Phân tử chuyển động nhanh hơn thì mỗi va chạm lên thành bình truyền động lượng lớn hơn, đồng thời tới thành bình thường xuyên hơn trong cùng một khoảng thời gian, nên tần suất va chạm cũng tăng.
3
Kết luận này khớp với thực tế: bình xịt để gần lửa có thể phát nổ vì áp suất bên trong tăng vượt quá giới hạn chịu đựng của vỏ bình, đúng như dự đoán khi nhiệt độ tăng mạnh trong khi thể tích bình không đổi.
4
Vậy khi đun nóng một bình kín (thể tích và số phân tử không đổi), áp suất khí tăng lên do cả lực và tần suất va chạm của phân tử lên thành bình đều tăng.
Ví dụ
Dự đoán xu hướng áp suất khi làm lạnh khí (dạng thi)
1
Một bình kín thể tích không đổi chứa một lượng khí xác định (số phân tử không đổi). Làm lạnh bình khiến tốc độ trung bình phân tử giảm còn một nửa so với ban đầu. Áp suất khí trong bình thay đổi theo xu hướng nào — tăng, giảm hay không đổi? Giải thích.
2
Tốc độ trung bình phân tử giảm khiến mỗi va chạm lên thành bình truyền động lượng nhỏ hơn; đồng thời phân tử di chuyển chậm hơn nên mất nhiều thời gian hơn để tới thành bình, tức tần suất va chạm cũng giảm. Cả hai hiệu ứng đều làm giảm lực trung bình tác dụng lên một đơn vị diện tích thành bình.
3
Xu hướng này phù hợp với kinh nghiệm thực tế: một bình xịt để trong ngăn mát tủ lạnh cảm giác "xẹp" hơn, xịt ra yếu hơn so với để ở nhiệt độ phòng — dấu hiệu áp suất bên trong đã giảm.
4
Vậy khi thể tích và số phân tử không đổi, tốc độ trung bình phân tử giảm làm áp suất khí giảm. Bài sau sẽ định lượng chính xác mối quan hệ này bằng một công thức cụ thể.
Hai bình cùng thể tích, cùng số phân tử; bình A nóng hơn nên phân tử chuyển động nhanh hơn — do đó áp suất trong bình A cũng lớn hơn.
Ví dụ
Phân biệt hai yếu tố độc lập ảnh hưởng tới áp suất
1
Bình 1: bơm thêm khí vào một bình cứng (số phân tử tăng), giữ nhiệt độ không đổi. Bình 2: giữ nguyên số phân tử trong bình cứng, chỉ đun nóng. Cả hai bình đều thấy áp suất tăng. Hai trường hợp này có cùng NGUYÊN NHÂN gây tăng áp suất không?
2
Ở bình 1, số phân tử va chạm lên thành bình trong một đơn vị thời gian tăng lên vì có nhiều phân tử hơn trong cùng thể tích — mật độ phân tử tăng, còn tốc độ mỗi phân tử không đổi. Ở bình 2, số phân tử không đổi, nhưng mỗi phân tử va chạm mạnh hơn và thường xuyên hơn vì chuyển động nhanh hơn — tốc độ tăng, còn mật độ không đổi.
3
Cả hai cơ chế đều làm tăng áp suất, nhưng qua hai con đường khác nhau: một qua số lượng va chạm (mật độ), một qua cường độ và tần suất va chạm (tốc độ). Đây chính là hai yếu tố độc lập đã nêu ở trên.
4
Vậy dù cùng làm áp suất tăng, hai bình tăng áp suất vì hai nguyên nhân vật lí khác nhau: bình 1 do tăng mật độ phân tử, bình 2 do tăng tốc độ phân tử.
Sai lầm thường gặp
Nhầm lẫn thường gặp: nghĩ rằng áp suất khí tăng khi đun nóng là do PHÂN TỬ NỞ RA (kích thước phân tử tăng). Thực ra kích thước mỗi phân tử không đổi — chỉ có tốc độ chuyển động của nó tăng lên. Một nhầm lẫn khác là nghĩ áp suất do phân tử "đẩy nhau", trong khi thuyết động học phân tử khẳng định áp suất lên thành bình sinh ra từ va chạm của phân tử VỚI THÀNH BÌNH.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Áp suất chất khí lên thành bình là kết quả tổng hợp của vô số va chạm phân tử. Tăng nhiệt độ (thể tích, số phân tử không đổi) làm tốc độ phân tử tăng, kéo theo lực và tần suất va chạm tăng, nên áp suất tăng — và ngược lại khi làm lạnh.
Lập luận định tính ở bài này sẽ được định lượng chính xác ở bài tiếp theo bằng một công thức liên hệ trực tiếp áp suất với mật độ phân tử và động năng trung bình của chúng.
Bài trước đã nêu nội dung thứ ba của thuyết động học phân tử: va chạm của phân tử khí lên thành bình gây ra áp suất (same-grade bridge). Course 2 của khoá này cũng dùng khái niệm nội năng — tổng động năng và thế năng chuyển động của các phân tử — liên hệ trực tiếp tới chuyển động nhiệt của chúng. Bài hôm nay ghép hai ý đó lại: chuyển động nhiệt quyết định tốc độ va chạm, và tốc độ va chạm quyết định áp suất.
Áp suất chất khí lên thành bình là kết quả tổng hợp của vô số va chạm liên tục, cực nhanh của các phân tử khí lên thành bình trong một đơn vị thời gian. Mỗi va chạm chỉ truyền một xung lực rất nhỏ lên thành bình, nhưng số lượng va chạm trong một giây là cực lớn, nên tổng hợp lại tạo thành một lực trung bình gần như không đổi tác dụng lên một đơn vị diện tích thành bình — đó chính là áp suất mà em cảm nhận hay đo được.
Áp suất đó phụ thuộc vào hai yếu tố. Yếu tố thứ nhất là số phân tử va chạm vào thành bình trong một đơn vị thời gian: khí càng đậm đặc (mật độ phân tử càng lớn) thì càng nhiều phân tử tới đập vào thành bình trong cùng khoảng thời gian, áp suất càng lớn. Yếu tố thứ hai là tốc độ chuyển động của phân tử: phân tử chuyển động càng nhanh thì mỗi va chạm truyền động lượng càng mạnh, đồng thời phân tử cũng tới thành bình thường xuyên hơn (vì đi hết quãng đường nhanh hơn) — cả hai hiệu ứng cùng làm áp suất tăng.
Khi đun nóng một bình khí kín, giữ nguyên thể tích và số phân tử, nhiệt độ tăng làm chuyển động nhiệt hỗn loạn của phân tử mạnh lên, tức tốc độ trung bình của phân tử tăng. Theo lập luận ở trên, tốc độ tăng kéo theo cả lực và tần suất va chạm lên thành bình đều tăng, nên áp suất khí trong bình tăng lên. Đây chính là lí do vì sao các bình khí nén — bình xịt, bình gas — đều ghi cảnh báo không để gần nguồn nhiệt.
Hai yếu tố — mật độ phân tử và tốc độ phân tử — hoàn toàn độc lập với nhau: có thể thay đổi cái này mà giữ nguyên cái kia. Bơm thêm khí vào một bình cứng (thể tích không đổi) chỉ làm tăng mật độ phân tử, trong khi nhiệt độ — và do đó tốc độ trung bình — có thể giữ nguyên nếu bình được để cân bằng nhiệt với môi trường trước khi đo áp suất. Ngược lại, đun nóng một bình kín đã bơm sẵn khí chỉ làm tăng tốc độ phân tử, trong khi mật độ phân tử không đổi vì không có phân tử nào ra vào bình. Việc tách bạch hai yếu tố này ngay từ bài học định tính giúp em hiểu đúng bản chất trước khi gặp công thức định lượng ở bài sau, thay vì chỉ nhớ máy móc "nóng hơn thì áp suất lớn hơn" mà không biết vì sao.
Nhầm lẫn thường gặp: nghĩ rằng áp suất khí tăng khi đun nóng là do PHÂN TỬ NỞ RA (kích thước phân tử tăng). Thực ra kích thước mỗi phân tử không đổi — chỉ có tốc độ chuyển động của nó tăng lên. Một nhầm lẫn khác là nghĩ áp suất do phân tử "đẩy nhau", trong khi thuyết động học phân tử khẳng định áp suất lên thành bình sinh ra từ va chạm của phân tử VỚI THÀNH BÌNH.