PHẦN HAI

 

NHIỆT HỌC

 

 

Tàu con thoi Cô-lum-bi-a (Columbia) của Mĩ đang được phóng lên vũ trụ

 

 

 

CHƯƠNG V

 

CHẤT KHÍ

 

 

 

Chương này nghiên cứu tính chất của chất khí và các quá trình biến đổi trạng thái của chất khí.

Khinh khí cầu dùng trong nghiên cứu khí tượng - thuỷ vân, thám hiểm, du lịch, quảng cáo, ...

 

 

 

28

 

CẤU TẠO CHẤT. THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ

 

 

 

 1. Kiến thức

   - Hiểu được các nội dung về cấu tạo chất đã học ở lớp 8.

  - Nêu được các nội dung cơ bản về thuyết động học phân tử chất khí.

  - Nêu được định nghĩa của khí lí tưởng.

2. Kỹ năng

  - Vận dụng được các đặc điểm về khoảng cách giữa các phân tử, về chuyển động phân tử, tương tác phân tử, để giải thich các đặc điểm về thể tích và hình dạng của vật chất ở thể khí, thể lỏng, thể rắn.  

  

Tại sao các vật vẫn giữ được các hình dạng và kích thước dù các phân tử cấu tạo nên vật luôn chuyển động?

 

 

I - CẤU TẠO CHẤT

 Nước đá, nước và hơi nước đều được cấu tạo từ cùng một loại phân tử là phân tử nước. Nhưng tại sao nước đá lại có thể tích và hình dạng riêng, nước có thể tích riêng nhưng hình dạng lại là hình dạng của bình chứa, còn hơi nước thì không có cả thể tích riêng lẫn hình dạng riêng?

 

 

 

 

 

 

 

1. Những điều đã học về cấu tạo chất

 Ở lớp 8 chúng ta đã biết:

  - Các chất được cấu  tạo từ các hạt riêng biệt là nguyên tử, phân tử.

  - Các nguyên tử, phân tử chuyển động không ngừng.

  - Các phân tử chuyển động càng nhanh thì nhiệt độ của vật càng cao.

  Tuy nhiên, nếu các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật chuyển động hỗn độn không ngừng thì tại sao vật (một hòn phấn, một cái bút chẳng hạn...) lại không rã ra thành từng nguyên tử, phân tử riêng biệt, mà cữ giữ nguyên hình dạng và thể tích của chúng?

 

 2. Lực tương tác phân tử

 Các vật có thể giữ được hình dạng và thể tích của chúng là vì giữa các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật có lực hút lực đẩy (Video 28.1). Độ lớn của những lực này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử, phân tử.

  - Khi khoảng cách giữa hai phân tử là r = ro (ro có độ lớn cỡ kích thước phân tử) thì lực đẩy và lực hút có độ lớn bằng nhau, hợp lực của chúng bằng không. Các phân tử lúc này ở vị trí cân bằng.

  - Khi các phân tử tiến lại gần nhan hơn (r < ro) thì lực đẩy mạnh hơn lực hút, kết quả là các phân tử đẩy nhau.

  - Khi các phân tử ra xa nhau hơn (r > ro) thì lực hút lại mạnh hơn lực đẩy, kết quả là các phân lử hút nhau.

  - Khi các phân lử rất xa nhau (r >> ro) thì lực tương tác giữa các phân tử là không đáng kể.

  Tóm lại, các nguyên tử, phân tử đồng thời hút và đẩy nhau. Ở khoảng cách nhỏ thì lực đẩy mạnh hơn, còn ở khoảng cách lớn thì lực hút mạnh hơn. Khi khoảng cách giữa các nguyên tử phân tử rất lớn so với kích thước của chúng thì chúng coi như không tương tác với nhau.

Video 28.1a

Video 28.1a, b. Mô phỏng lực tương tác phân tử

 3. Các thể rắn, lỏng, khí

 Vật chất được tồn tại dưới các thể khí, thể lỏng và thể rắn.

  Ta đã biết, các chất tồn tại ở các trạng thái cấu tạo chất thường gặp là: thể khí, thể lỏng và thể rắn  (Hình 28.1). Sự khác nhau giữa các thể này được giải thích như thế nào?

  Ở thể khí các nguyên tử, phân tử ở xa nhau (khoảng cách giữa các nguyên tử, phân tử lớn gấp hàng chục lần kích thước của chúng). Lực tương tác giữa các nguyên tử, phân tử rất yếu nên các nguyên tử, phân tử chuyển dộng hoàn toàn hỗn độn. Do đó, chất khí không có hình dạng và thể tích riêng. Chất khí luôn chiếm loàn bộ thể lích của bình chứa và có thể nén được dễ dàng (Hình 28.2).

  Ở thể rắn, các nguyên tử, phân tử ở gần nhau (khoảng cách giữa các nguyên tử, phân tử chỉ vào cỡ kích thước của chúng). Lực tương tác giữa các nguyên tử, phân tử chất rắn rất mạnh nên giữ dược các nguyên tử, phân lử này ở các vị trí xác định và làm cho chúng chỉ có thể dao động xung quanh các vị trí cân bằng xác định này. Do đó các vật rắn có thể tích và hình dạng riêng xác định.

  Thể lỏng được coi là trung gian giữa thể khí và thể rắn.

  Lực tương tác giữa các phân tử chất lỏng lớn hơn lực tương tác giữa các nguyên tử, phân tử chất khí nên giữ được các nguyên tử, phân tử không chuyển động phân tán ra xa nhau. Nhờ đó chất lỏng có thể tích riêng xác định. Tuy nhiên, lực này chưa đủ lớn như trong chất rắn để giữ các nguyên lử, phân tử ở những vị trí xác định. Các nguyên tử, phân tử ở thể lỏng cũng đao động xung quanh các vị trí cân bằng, nhưng những vị trí này không cố định mà di chuyển. Do đó chất lỏng không có hình dạng riêng mà có hìh dạng của phần bình chứa nó. Hình 28.2 cho phép ta hình dung sự sắp xếp và chuyển động của phân tử ở các thể khác nhau.

Hình 28.1. Mô hình cấu tạo các chất rắn, lỏng, khí

Hình 28.2. Sự sắp xếp chuyển động phân tử

Video 28.3a

Video 28.a,b. So sánh các thể

 

1. Thả một hạt muối ăn vào bình nước, sau một thời gian các phân tử muối phân bố đều trong toàn bình nước. Giải thích hiện tượng.

 

II - THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ

 1. Nội dung cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí

 Chất khí được cấu tạo từ các phân tử có kích thước 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 của chất khí càng cao (Video 28.3).

  Khi chuyển động hỗn loạn các phân tử khí va chạm vào nhau và va chạm vào thành bình gây áp suất lên thành bình (Video 28.4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 2. Khí lí tưởng

 Vì các phân tử khí ở rất xa nhau nên thể tích của bình chứa lớn hơn thể tích riêng của các phân tử rất nhiều ở áp suất l05Pa thể tích của bình chứa có thể lớn gấp hàng nghìn lần thể tích riêng của các phân tử). Vì thế, để đơn giản ta có thể bỏ qua thể tích của các phân tử, coi chúng như những chất điểm.

  Mặt khác, vì lực tương tác giữa các phân tử khí rất yếu nên để đơn giản ta có thể bỏ qua lực này và coi các phân tử khí chỉ tương tác với nhau khi va chạm. Nhưng va chạm này là va chạm đàn hồi.

  Chất khí trong đó các phân tử được coi là các chất điểm và chỉ tương tác với nhau khi va chạm được gọi là khí lí tưởng.

  Ở áp suất thấp, áp suất nhỏ, phần lớn các chất khí thực có thể coi gần đúng là khí lí tưởng.

  Khí lí tưởng đơn giản hơn khí thực nên việc xác định các tính chất của khí này dễ dàng hơn . Từ các tính chất của khí lí tưởng, ta có thể suy ra gần đúng các tính chất của khí thực.

Video 28.3.Chuyển động nhiệt (Brown)

Video 28.4. Nguyên nhân gây nên áp suất thành bình của chất khí

Hình 28.3. Các phân tử khí va chạm vào nhau và va chạm thành bình

 

 

 

Các chất được cấu tạo tử các nguyên tử, phân tử riêng biệt.

Các nguyên tử, phân tử chuyển động không ngừng.

Chuyển động của các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật càng mạnh thì nhiệt độ của vật càng cao.

Các nguyên tử, phân tử tương tác với nhau bằng các lực hút và lực đẩy phân tử.

Các trạng thái cấu tạo chất:

  Thể khí Thể lỏng Thể rắn
Khoảng cách giữa nguyên tử, phân tử Rất lớn Rất nhỏ Rất nhỏ
Lực tương tác nguyên tử, phân tử Tự do về mọi phía Dao động xung quanh các vị trí cân bằng di chuyển được Dao động xung quanh các vị trí cân bằng cố định
Thể tích của vật Có thể tích của bình chứa Có thể tích riêng xác định Có thể tích riêng xác định
Hình dạng của vật Có hình dạng của bình chứa Có hình dạng của phần bình chứa chất lỏng Có hình dạng riêng xác định

Khí mà trong đó các phân tử được coi là các chất điểm và chỉ tương tác với nhau khi va chạm gọi là khí lí tưởng.

 

Câu 1. Trình bày về cấu tạo chất.

Câu 2. So sánh các thể khí, lỏng, rắn về các mặt sau đây:
- Loại nguyên tử, phân tử
- Tương tác nguyên tử, phân tử
- Chuyển động nguyên tử, phân tử

Câu 3. Khí lí tưởng là gì? Trong các câu sau đây nói về khí lí tưởng, câu nào không đúng?
- Khí lí tưởng là khí mà thể tích của các phần tử có thể bỏ qua.
- Khí lí tưởng là khí mà khối lượng của các phân tử có thể bỏ qua.
- Khí lí tưởng là khí mà các phân tử chỉ tương tác với nhau khi va chạm.
- Khí lí tưởng gây áp suất lên thành bình chứa.

 

 

 

28.1. Ghép nội dung ở cột bên trái với nội dung tương ứng ở cột bên phải để thành một câu có nội dung đúng.

1. Nguyên tử , phân tử ở thể rắn

a) chuyển động hỗn loạn.

2. Nguyên tử , phân tử ỡ thể lỏng

b) dao động xung quanh các vị trí cân bằng cố định.

3. Nguyên tử, phân tử ở thể khí

c) sao động xung quanh các vị trí cân bằng không cố định.

4. Phân tử khí lí tưởng

d) không có thể tích và hình dạng xác định.

5. Một lượng chất ở thể rắn

đ) có thể tích xác định, hình dạng của bình chứa.

6. Mộ lượng chất ở thể lỏng

e) có thể tích và hình dạng xác định.

7. Một lượng chất ở thể khí

g) có thể tích riêng không đáng kể so với thể tích bình chứa.

8. Chất khí lí tưởng

h) có thể coi là những chất điểm.

9. Tương tác giữa các phân tử chất lỏng và chất rắn

i) chỉ đáng kể khi va chạm.

10. Tương tác giữa các phân tử khí lí tưởng

k) chỉ đáng kể khi các phân tử ở rất gần nhau.

28.2. Câu nào sau đây nói về chuyển động của phân tử là không đúng?

A. Chuyển động của phân tử là do lực tương tác phân tử gây ra.

B. Các phân tử chuyển động không ngừng.

C. Các phân tử chuyển động càng nhanh thì nhiệt độ của vật càng cao.

D. Các phân tử khí chuyển động theo đường thẳng giữa hai lần va chạm.

28.3. Câu nào sau đây nói về lực tương tác phân tử là không đúng?

A. Lực phân tử chỉ đáng kể khi các phân tử ở rất gần nhau.

B. Lực hút phân tử có thể lớn hơn lực đẩy phân tử.

C. Lực hút phân tử không thể lớn hơn lực đẩy phân tử.

D. Lực hút phân tử có thể bằng lực đẩy phân tử.

28.4. Nhận xét nào sau đây về các phân tử khí lí tưởng là không đúng?

A. Có thể tích riêng không đáng kể.

B. Có lực tương tác không đáng kể.

C. Có khối lượng không đáng kể.

D. Có khối lượng đáng kể.

28.5. Các câu sau đây , câu nào đúng, câu nào sai?

1. Các chất được cấu tạo một cách gián đoạn.

2. Cá nguyên tử , phân tử đứng sát nhau, giữa chúng không có khoảng cách.

3. Lực tương tác giữa các phân tử ở thể rắn lớn hơn lực tương tác giữa các phân tử ở thể lỏng, thể khí.

4. Các nguyên tử, phân tử chât rắn dao động xung quanh các vị trí cân bằng không cố định.

5. Các nguyên tử, phân tử chất lỏng dao động xung quanh các vị trí cân bằng không cố định.

6. Các nguyên tử, phân tử đồng thời hút nhau và đẩy nhau.

28.6*. Biết khối lượng của một một mol nước là  kg và 1 mol có NA = 6,02.1023 phân tử. Xác định số phân tử có trong 200 cm3 nước. Khối lượng riêng của nước là  kg/m3.

28.7*. Một lượng khí khối lượng 15 kg chứa 5,64.1026 phân tử. Phân tử khí này gồm các nguyên tử hiđrô và cabon. Hãy xác định khối lượng của nguyên tử  cacbon và hiđrô trong khí này. Biết 1 mol khí có NA = 6,02.1023 phân tử.

 

Trạng thái thứ tư của vật chất

 

http://vnexpress.net/Files/Subject/3B/9A/E3/E7/cquang.jpg

Cực quang, trạng thái plasma trên Bắc Cực và Nam Cực.

Vật chất, ngoài ba trạng thái thường gặp là thể rắn, lỏng, khí, còn tồn tại ở một dạng đặc biệt khác, được gọi là "trạng thái plasma", hay là thể khí ion hoá.

Hãy lấy nước làm ví dụ: Đun nóng một cục băng đến mức độ nhất định, nó (ở thể rắn) sẽ biến thành nước (thể lỏng), nhiệt độ tăng lên nữa nước sẽ bốc hơi (thể khí). Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ nước lên cao nữa, kết quả sẽ là gì?

Khi nhiệt độ chất khí cao hơn vài ngàn độ, các electron mang điện âm bắt đầu bứt khỏi nguyên tử và chuyển động tự do, nguyên tử trở thành các ion mang điện dương. Nhiệt độ càng cao thì số electron bứt ra khỏi nguyên tử chất khí càng nhiều, hiện tượng này được gọi là sự ion hoá của chất khí. Các nhà khoa học gọi thể khí ion hóa là “trạng thái plasma”. Ngoài nhiệt độ cao, người ta có thể dùng các tia tử ngoại, tia X, tia bêta cực mạnh chiếu vào chất khí cũng làm cho nó biến thành plasma.

Không phải là xa lạ

Có thể bạn cảm thấy trạng thái plasma rất hiếm gặp. Nhưng thực ra đó là một trạng thái rất phổ biến trong vũ trụ. Trong lòng phần lớn những vì sao phát sáng đều có nhiệt độ và áp suất cực cao, vật chất ở đây đều ở trạng thái plasma. Chỉ có ở một số hành tinh tối và vật chất phân tán trong thiên hà mới có thể tìm thấy chất rắn, chất lỏng và chất khí.

Ngay xung quanh chúng ta cũng thường gặp vật chất ở trạng thái plasma. Như ở trong ống đèn huỳnh quang, đèn neon hay trong hồ quang điện sáng chói. Hơn nữa, trong tầng ion xung quanh trái đất, trong hiện tượng cực quang, trong khí phóng điện sáng chói ở khí quyển và trong đuôi của các sao chổi đều có thể thấy trạng thái kỳ diệu này.

(Theo Bộ Sách 10 vạn câu hỏi vì sao).

Plasma

uploads/images/2010/mrthanhtrai/2010/4/13/kythuatvien_Attachments_plasma-lampAutosave_692327678.jpg

Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất ( các trạng thái khác là rắn , lỏng , khí )trong đó các chất bị ion hóa mạnh. Đại bộ phận phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân; các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân.Plasma không phổ biến trên Trái Đất tuy nhiên trên 99% vật chất trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma , vì thế trong bốn trạng thái vật chất,plasma được xem như trạng thái đầu tiên.

Nếu sự ion hóa được xảy ra bởi việc nhận năng lượng từ các dòng vật chất bên ngoài, như từ các bức xạ điện từ thì plasma còn gọi là plasma nguội. Thí dụ như đối với hiện tượng phóng điện trong chất khí, các electron bắn từ catod ra làm ion hóa một số phân tử trung hòa. Các electron mới bị tách ra chuyển động nhanh trong điện trường và tiếp tục làm ion hóa các phân tử khác. Do hiện tượng ion hóa mang tính dây chuyền này, số đông các phân tử trong chất khí bị ion hóa, và chất khí chuyển sang trạng thái plasma. Trong thành phần cấu tạo loại plasma này có các ion dương, ion âm, electron và các phân tử trung hòa..

Nếu sự ion hóa xảy ra do va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử ở nhiệt độ cao thì plasma còn gọi là plasma nóng. Khi nhiệt độ tăng dần, các electron bị tách ra khỏi nguyên tử, và nếu nhiệt độ khá lớn, toàn bộ các nguyên tử bị ion hóa. Ở nhiệt độ rất cao, các nguyên tử bị ion hóa tột độ, chỉ còn các hạt nhân và các electron đã tách rời khỏi các hạt nhân.

Các hiện tượng xảy ra trong plasma chuyển động là rất phức tạp. Để đơn giản hóa, trong nghiên cứu plasma, người ta thường chỉ giới hạn trong việc xét các khối plasma tĩnh, tức là các khối plasma có điện tích chuyển động nhưng toàn khối vẫn đứng yên.

(Theo wikipedia)

 

 

http://hocmai.vn/mod/quiz/view.php?id=9729