SGK Vật Lí 10 - Bài 31. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng

  • Bài 31. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng trang 1
  • Bài 31. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng trang 2
  • Bài 31. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng trang 3
  • Bài 31. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng trang 4
  • Bài 31. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng trang 5
(1) (2)
Hình 31.2
Bũ — Lượng khí được chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 1’ bằng quá trình nào ? Hãy viết biểu thức liên hệ giữa pv V) và p’, v2.
— Lượng khí được chuyển từ trạng thái 1’ sang trạng thái 2 bằng quá trình nào ? Hãy viết biểu thức liên hệ giữa p’, 7) và p2, T2.
' Phương TRINH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ Lí TƯỜNG
Nhúng một quả bóng bàn bẹp vào nước nóng, quả bóng phồng lên như cũ (Hình 31.1). Trong quá trình này, cả nhiệt độ, thể tích và áp suất của lượng khí chứa trong quả bóng đều thay đối. Vậy phải dùng phương trình nào để xác định mối liên hệ giữa ba thông số của lượng khí này ?
I - KHÍ THỰC VÀ KHI LÍ TƯỜNG
Những thí nghiệm chính xác cho thấy, chất khí thực (chất khí tồn tại trong thực tế như ôxi, nitơ, cacbonic...) chỉ tuân theo gần đúng các định luật Bôi-lơ - Ma-ri-ốt và Sác-lơ. Giá trị của tích pV và thương — thay đổi theo bản chất, nhiệt độ và áp suất của chất khí.
Chỉ có khí lí tưởng là tuân theo đúng các định luật về chất khí đã học.
Tuy nhiên, sự khác biệt giữa khí thực và khí lí tưởng không lớn ở những nhiệt độ và áp suất thông thường. Do đó, trong đời sống và kĩ thuật, khi không yêu cầu độ chính xác cao, ta có thể áp dụng các định luật về chất khí lí tưởng để tính áp suất, thể tích và nhiệt độ của khí thực.
II - PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ Lí TƯỜNG
Để lập phương trình này ta chuyển lượng khí từ trạng thái 1 (Pj, Vp Tj) sang trạng thái 2 (p?, V2, r2) qua trạng thái trung gian 1’ (p’, V2, Tj) (Hình 31.2) bằng các đẳng quá trình đã học trong các bài trước.
Hữ
Dễ dàng chứng minh được :
=hằng số (31.1)
p
Hình 31.3 Đồ thị biểu diễn quá trình biến đổi trạng thái trên Hình 31.2 trong hệ toạ độ (p, V).
Độ lớn của hằng số này phụ thuộc vào khối lượng khí.
Phương trình (31.1) được nhà vật lí người Pháp Cla-pê-rôn (Clapeyron) đưa ra năm 1834 và được gọi là phương trình trạng thái của khí lí tưởng hay phương trình Cla-pê-rôn.
Ví dụ :
Một cái bơm chứa 100 cm3 không khí ở nhiệt độ 27°c và áp suất 105 Pa. Tính áp suất của không khí trong bơm khi không khí bị nén xuống còn 20 cm3 và nhiệt độ tăng lên tới 39°c.
Giải :
Trạng thái 1 Pj = 105 Pa
Vj = 100 cm3
Tj = 273 + 27
= 300 K
Trạng thái 2 T2=273 + 39
= 312K v2 = 20 cm3 p2 = ?
' Từ phương trình trạng thái của
khí lí tưởng:	y v
'11 _ '22
T.	r,
1	12
ta có : p2
PịViT2 = 105.100.312 ^2ri 20.300
= 5,2.105 Pa.
Ill - QUÁ TRÌNH ĐẲNG ÁP
Quá trình đẳng áp
Quá trình bịến đổi trạng thái khi áp suất không đổi gọi là quá trình đẳng áp.
Liên hệ giữa thể tích và nhiệt độ tuyệt đối trong quá trình đẳng áp
Từ phương trình	2 , ta thấy khi = p2,
T] T2
nghĩa là khi áp suất không đổi thì:
V1_V2 x
-- = -- => -= - hằng sô	(31.2)
yl •‘2	1
Trong quá trình đẳng áp của một lượng khí nhất định, thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.
3. Đường đẳng áp
Đường biểu diễn sự biến thiên của thể tích theo nhiệt độ khi áp suất không đổi gọi là đường đẳng áp.
Úng vói các áp suất khác nhau của cùng một lượng khí có những đường đẳng áp khác nhau (Hình 31.4).
IV - “Độ KHÔNG TUYỆT ĐỐI”
Đồ thị vẽ ở Hình 30.3 và 31.4 cho thấy nếu giảm
nhiệt độ tới 0 K thì p = 0 và V = 0. Hơn nữa ở nhiệt
độ dưới 0 K, áp suất và thể tích sẽ có giá trị âm. Đó
là điều không thể thực hiện được.
Do đó, Ken-vin đã đưa ra một nhiệt giai bắt đầu
bằng nhiệt độ 0 K gọi là độ không tuyệt đối. Các
nhiệt độ trong nhiệt giai của Ken-vin đều có giá trị
dương và mỗi độ chia trong nhiệt giai này cũng bằng
mỗi độ chia trong nhiệt giai Xen-xi-út (Celsius).
Chính xác thì độ không tuyệt đối thấp hơn
-273°c một chút (vào khoảng -273,15°C). Nhiệt
độ thấp nhất mà con người thực hiện được trong
phòng thí nghiệm hiện nay là 10~9 K.
Phương trình trạng thái của khí lí tường :
■
độ tuyệt đối.
Trong quá trình đẳng áp của qiột luủng khí nhất định, thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
Khí lí tưởng là gì ?
Lập phương trình trạng thái của khí lí tưởng.
Viết hệ thức của sự nở đẳng áp của chất khí.
Quá trình đẳng tích
Quá trình đẳng áp
1. Quá trình đẳng nhiệt
r2
c) — P2^2
4. Hãy ghép các quá trình ghi bên trái với các phương trình tương ứng ghi bên phải.
4. Quá trình bất kì
Trong hệ toạ độ (V, T), đường biểu diễn nào sau đây là đường đẳng áp ?
Đường thẳng song song với trục hoành.
Đường thẳng song song với trục tung, c. Đường hypebol.
D. Đường thẳng kéo dài đi qua gốc toạ độ.
Mối liên hệ giữa áp suất, thể tích, nhiệt độ của một lượng khí trong quá trình nào sau đây không được xác định bằng phương trình trạng thái của khí lí tưởng ?
Nung nóng một lượng khí trong một bình đậy kín.
Nung nóng một lượng khí trong một bình không đậy kín.
c. Nung nóng một lượng khí trong một xilanh kín có pit-tông làm khí nóng lên, nở ra, đẩy pit-tông di chuyển.
D. Dùng tay bóp lõm quả bóng bàn.
Trong phòng thí nghiệm, người ta điều chế được 40 cm3 khí hiđrô ở áp suất 750 mmHg và nhiệt độ 27°c. Tính thể tích của lượng khí trên ở điều kiện chuẩn (áp suất 760 mmHg và nhiệt độ 0°C).
Tính khối lượng riêng của không khí ở đỉnh núi Phăng-xi-păng cao 3 140 m. Biết rằng mỗi khi lên cao thêm 10 m thì áp suất khí quyển giảm 1 mmHg và nhiệt độ trên đỉnh núi là 2°c. Khối lượng riêng của không khí ở điều kiện chuẩn (áp suất 760 mmHg và nhiệt độ 0°C) là 1,29 kg/m3.
hi'iMWHA	
Một số nhiệt độ theo nhiệt giai Ken-vin
Nhiệt độ (K)
Vũ trụ khi bắt đầu hình thành (cách đây khoảng 15 tí năm)
1O39
Nhiệt độ cao nhất thực hiện được bằng thí nghiệm (1990)
109
Tâm của Mặt Trời
107
Dây tóc bóng đèn đang sáng
3 000
Ngọn lửa đỏ
1 273
Hơi nước đang sôi (ở áp suất chuẩn)
373
Nhiệt độ cao nhất mà các trạm khí tượng ở Trái Đất đo được
330
Nhiệt độ thấp nhất mà các trạm khí tượng ớ Trái Đất đo được
184
Cơ thế người bình thường
310
Nước đá đang tan (ở áp suất chuẩn)
273
Nhiệt độ thấp nhất thực hiện được bằng thí nghiệm (1995)
0,000017
Báng sau đây cho thấy sự tiến triển của các nghiên cứu trong hon một thê' kí qua nhằm tiến tới “độ không tuyệt đối”
Năm
Tên nhà bác học
Nhiệt độ đạt được
1883
I Vro-ble-xki (Wrobleski), người Ba Lan
I O-lo-day-ki (Olozeiki), người Ba Lan
77,3 K
1898
Đi-ua (Dewar), người Anh
20,4 K
1933
I Deb-vơ (Debve), người Hà Lan
I Đu-gôn (Dougall), người Mĩ
0,25 K
1950
On-nét (Onnes), người Hà Lan
10 mK
1983
Fro-sa-ti (Frosati), người Hà Lan
2 mK
1995
I E-ríc Co-nen (Eric Cornell), người Mĩ
I Can Vi-man (Carl Wieman), người Mĩ
0,017 mK