Câu hỏi mở đầu trang 34

Đề bài: Khi học môn Khoa học tự nhiên ở lớp 6, các em đã biết một số tính chất đặc biệt của chất ở thể khí so với chất ở thể lỏng và thể rắn. Tại sao chất ở thể khí lại có một số tính chất vật lí khác chính chất đó ở các thể khác?

Lời giải:

Chất ở thể khí có tính chất khác chính chất đó ở thể lỏng và thể rắn vì cấu trúc phân tử của thể khí khác hẳn:

• Ở thể khí: khoảng cách giữa các phân tử rất lớn so với kích thước phân tử, lực liên kết rất yếu → các phân tử chuyển động tự do, hỗn loạn về mọi phía.
• Ở thể lỏng và thể rắn: các phân tử ở gần nhau hơn, lực liên kết mạnh hơn → phân tử bị ràng buộc, không chuyển động tự do.

Chính sự khác biệt này khiến chất khí có những tính chất riêng: dễ nén, không có hình dạng và thể tích riêng, lan tỏa nhanh và gây áp suất lên thành bình.

I. Chuyển động và tương tác của các phân tử khí

1. Chuyển động Brown trong chất khí

Hoạt động trang 34

Đề bài:

1. Dựa vào Hình 8.1, hãy mô tả thí nghiệm dùng để quan sát chuyển động Brown trong không khí.
2. Hãy dựa vào quỹ đạo chuyển động của hạt khói trong không khí (Hình 8.2) để chứng tỏ rằng các phân tử không khí chuyển động hỗn loạn, không ngừng.
3. Khi quan sát tia nắng mặt trời chiếu qua cửa sổ vào trong phòng, ta có thể thấy các hạt bụi trong ánh nắng chuyển động không ngừng. Chuyển động này có phải là chuyển động Brown không? Tại sao?

Lời giải:

1. Mô tả thí nghiệm (Hình 8.1):

• Dùng một ống thuỷ tinh đựng đầy khói, phía trên có nắp đậy thuỷ tinh trong suốt.
• Chiếu ánh sáng từ một phía vào ống để các hạt khói phát sáng lên.
• Dùng kính hiển vi quan sát từ phía trên xuống.
• Kết quả: quan sát thấy các hạt khói (hiện lên như các đốm sáng nhỏ) chuyển động hỗn loạn, không ngừng theo mọi hướng.

2. Quỹ đạo chuyển động của hạt khói (Hình 8.2) là những đường gấp khúc, đổi hướng liên tục, không theo một quy luật nào.

• Bản thân hạt khói không thể tự chuyển động như vậy được.
• Điều này chỉ có thể giải thích bằng cách: hạt khói bị các phân tử không khí va chạm liên tục từ mọi phía. Các va chạm không đều nhau sẽ đẩy hạt khói đi theo các hướng khác nhau.

→ Việc hạt khói chuyển động không ngừng theo quỹ đạo hỗn loạn chứng tỏ các phân tử không khí luôn chuyển động hỗn loạn, không ngừng.

3. Chuyển động của hạt bụi trong tia nắng không phải là chuyển động Brown. Vì:

• Kích thước hạt bụi lớn hơn nhiều so với hạt khói → các va chạm của phân tử không khí lên hạt bụi từ mọi phía gần như bù trừ lẫn nhau, không đủ mạnh để làm bụi chuyển động theo kiểu Brown.
• Chuyển động của hạt bụi chủ yếu do các dòng đối lưu không khí trong phòng (do chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng) cuốn theo.

2. Tương tác giữa các phân tử khí

Hoạt động trang 35

Đề bài:

1. Hãy nêu các hiện tượng thực tế chứng tỏ lực liên kết giữa các phân tử ở thể khí rất yếu so với ở thể lỏng và thể rắn.
2. Hãy dựa vào khối lượng riêng ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất của cùng một chất ở các thể khác nhau để chứng tỏ khoảng cách giữa các phân tử ở thể khí rất lớn so với ở thể lỏng và thể rắn.

Lời giải:

1. Một số hiện tượng thực tế:

• Chất khí luôn chiếm toàn bộ thể tích bình chứa, không có hình dạng và thể tích riêng → nếu lực liên kết mạnh, các phân tử sẽ tụ lại thành khối, không lan ra khắp bình.
• Chất khí rất dễ nén (ví dụ: bơm hơi vào lốp xe, khí bị nén lại) → phân tử dễ dàng bị ép lại gần nhau.
• Chất khí có tính khuếch tán rất nhanh: mở nắp lọ nước hoa, chỉ trong ít phút cả căn phòng đã có mùi thơm → phân tử khí dễ dàng chen vào giữa các phân tử khí khác.

2. So sánh khối lượng riêng của cùng một chất ở các thể:

Xét ví dụ với nước:

• Nước ở thể lỏng: khối lượng riêng $\approx 1000 ; \text{kg/m}^3$.
• Nước ở thể hơi (100 °C, áp suất khí quyển): khối lượng riêng $\approx 0{,}6 ; \text{kg/m}^3$.

→ Cùng một khối lượng nước, khi ở thể hơi có thể tích lớn gấp hàng nghìn lần khi ở thể lỏng.

Vì số phân tử là như nhau (khối lượng bằng nhau) mà thể tích thể khí lớn hơn thể tích thể lỏng rất nhiều lần → khoảng cách trung bình giữa các phân tử ở thể khí lớn hơn ở thể lỏng và thể rắn rất nhiều lần.

II. Mô hình động học phân tử chất khí

Hoạt động trang 35

Đề bài: Hãy điền vào các ô còn trống trong Bảng 8.1.

Lời giải:

Bảng 8.1 (đã điền đầy đủ):

III. Khí lí tưởng

Hoạt động trang 36

Đề bài: Hãy dùng mô hình động học phân tử chất khí để chứng tỏ với một khối lượng khí xác định thì nếu giảm thể tích của bình chứa và giữ nguyên nhiệt độ khí thì áp suất của khí tác dụng lên thành bình tăng. Hãy tìm ví dụ trong thực tế để minh hoạ cho tính chất trên của chất khí.

Lời giải:

• Giải thích bằng mô hình động học phân tử:

Áp suất khí lên thành bình sinh ra do các phân tử khí va chạm vào thành bình. Khi giảm thể tích bình chứa và giữ nguyên nhiệt độ:

• Nhiệt độ không đổi → tốc độ trung bình của các phân tử khí không đổi → mỗi va chạm có độ mạnh trung bình như cũ.
• Số phân tử không đổi nhưng thể tích giảm → mật độ phân tử tăng (số phân tử trong một đơn vị thể tích tăng).
• → Số lần va chạm của phân tử lên một đơn vị diện tích thành bình trong một đơn vị thời gian tăng lên.

Kết quả: áp suất khí lên thành bình tăng.

• Ví dụ trong thực tế:

• Bơm xe đạp: khi ấn pit-tông của bơm đi xuống, thể tích khí trong ống bơm giảm → áp suất khí trong bơm tăng cao, đủ lớn để đẩy khí vào săm xe.
• Nén khí trong xi lanh động cơ đốt trong: pit-tông đi lên nén hỗn hợp khí, thể tích giảm mạnh → áp suất khí tăng vọt.
• Bóp quả bóng bay đã bơm căng: khi bóp lại, thể tích khí trong bóng ở phần bị bóp giảm → áp suất tăng, có thể làm bóng nổ.

Em có thể

Dùng thuyết động học phân tử chất khí để giải thích được các hiện tượng có liên quan

Lời giải:

1. Chất khí luôn chiếm toàn bộ dung tích của bình chứa:

Vì các phân tử khí chuyển động hỗn loạn về mọi phía với tốc độ trung bình rất lớn (khoảng 400 m/s ở điều kiện chuẩn), và lực liên kết giữa chúng rất yếu. Do đó các phân tử tự do lan tỏa đi khắp nơi cho đến khi lấp đầy toàn bộ bình chứa.

2. Chất khí gây áp suất lên thành bình theo mọi hướng:

Vì các phân tử khí chuyển động hỗn loạn về mọi phía nên chúng va chạm với thành bình từ mọi hướng. Mỗi lần va chạm, phân tử tác dụng một lực lên thành bình. Tổng hợp vô số va chạm đó tạo nên áp suất đều theo mọi hướng trên thành bình.

3. Áp suất của một lượng khí xác định phụ thuộc vào thể tích (khi giữ nhiệt độ không đổi):

• Giảm thể tích → mật độ phân tử tăng → số va chạm lên một đơn vị diện tích thành bình tăng → áp suất tăng.
• Tăng thể tích → mật độ phân tử giảm → số va chạm giảm → áp suất giảm.

4. Áp suất của một lượng khí xác định phụ thuộc vào nhiệt độ (khi giữ thể tích không đổi):

• Tăng nhiệt độ → phân tử chuyển động nhanh hơn → mỗi va chạm mạnh hơn và số va chạm trong một giây cũng nhiều hơn → áp suất tăng.
• Ví dụ: bình xịt côn trùng, bình gas khi bị đun nóng dễ nổ vì áp suất khí bên trong tăng cao.
• Giảm nhiệt độ → phân tử chuyển động chậm lại → áp suất giảm.

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn