Vật Lý ProTHPT

Vật lý 12 · Khí lí tưởng

Mô hình động học phân tử, các định luật chất khí và phương trình trạng thái

Mô hình khí lí tưởng, ba thông số trạng thái p – V – T, định luật Boyle, Charles, quá trình đẳng tích, phương trình Clapeyron và liên hệ giữa nhiệt độ với động năng phân tử.

Mô hình động học phân tử chất khí

  • Chất khí gồm các phân tử có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng.
  • Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng; nhiệt độ càng cao chuyển động càng nhanh (chuyển động Brown là bằng chứng).
  • Khi va chạm vào thành bình, phân tử gây ra áp suất lên thành bình.

Khí lí tưởng: các phân tử coi như chất điểm, chỉ tương tác khi va chạm, va chạm là đàn hồi. Khí thực ở áp suất thấp, nhiệt độ thường gần đúng là khí lí tưởng.

Trạng thái của một lượng khí xác định bởi 3 thông số: áp suất \(p\), thể tích \(V\), nhiệt độ tuyệt đối \(T\). Lượng chất: \(n = \dfrac{m}{M} = \dfrac{N}{N_A}\), với \(N_A = 6{,}02.10^{23}\) mol⁻¹.

Ba định luật chất khí (lượng khí không đổi)

Quá trìnhThông số giữ không đổiĐịnh luậtĐồ thị đặc trưng
Đẳng nhiệt\(T\)Boyle: \(pV = \text{const}\)(p, V): đường hypebol
Đẳng áp\(p\)Charles: \(\dfrac{V}{T} = \text{const}\)(V, T): đường thẳng kéo dài qua gốc O
Đẳng tích\(V\)\(\dfrac{p}{T} = \text{const}\)(p, T): đường thẳng kéo dài qua gốc O
Trong các định luật Charles và đẳng tích, \(T\) phải là nhiệt độ Kelvin. Thể tích và áp suất có thể giữ đơn vị bất kì miễn là hai trạng thái dùng cùng đơn vị.

Phương trình trạng thái khí lí tưởng

Với một lượng khí xác định:

\[\frac{p_1V_1}{T_1} = \frac{p_2V_2}{T_2}\]

Phương trình Clapeyron:

\[pV = nRT, \qquad R = 8{,}31\ \text{J/(mol.K)}\]

Ở điều kiện tiêu chuẩn (0 °C, 1 atm ≈ 1,013.10⁵ Pa), 1 mol khí bất kì chiếm thể tích ≈ 22,4 lít.

Đổi đơn vị hay dùng: 1 atm = 1,013.10⁵ Pa; 1 lít = 1 dm³ = 10⁻³ m³; 1 cm³ = 10⁻⁶ m³.

Áp suất và động năng phân tử khí

Áp suất chất khí tính theo mô hình động học phân tử:

\[p = \frac{1}{3}\,\mu\, m\, \overline{v^2}\]

trong đó \(\mu\) là mật độ phân tử (số phân tử trong 1 m³), \(m\) là khối lượng một phân tử, \(\overline{v^2}\) là trung bình bình phương tốc độ.

Động năng tịnh tiến trung bình của phân tử tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối:

\[\overline{W_{\text{đ}}} = \frac{3}{2}kT, \qquad k = \frac{R}{N_A} = 1{,}38.10^{-23}\ \text{J/K}\]
Nhiệt độ tuyệt đối tăng gấp đôi ⇒ động năng trung bình phân tử tăng gấp đôi, tốc độ căn quân phương \(v_{rms} = \sqrt{3kT/m}\) tăng \(\sqrt{2}\) lần.

🔬 Mô phỏng tương tác

🧪 Hãy thử
  • Chọn Quá trình “Đẳng nhiệt”, kéo Thể tích V giảm một nửa: ô p tăng gấp đôi, ô Va chạm lên pit-tông tăng; điểm trạng thái chạy trên đường hyperbol p ~ 1/V (định luật Boyle).
  • Chọn “Đẳng tích”, tăng Nhiệt độ T từ 300 K lên 600 K: các phân tử chạy nhanh hơn, p tăng gấp đôi – p tỉ lệ với T tính bằng kelvin.
  • Chọn “Đẳng áp”, tăng T: V tự tăng theo để giữ p không đổi – V ~ T (định luật Charles).
  • Ở mọi quá trình, theo dõi ô pV/T: luôn không đổi – đó là phương trình trạng thái pV/T = nR. Bấm 🧹 Xoá vết đồ thị trước mỗi thí nghiệm mới.

📐 Công thức cần nhớ

Lượng chất
\[n = \frac{m}{M} = \frac{N}{N_A}\]
m: khối lượng khí (g); M: khối lượng mol (g/mol); N: số phân tử; N_A = 6,02.10²³ mol⁻¹
Định luật Boyle (đẳng nhiệt)
\[p_1V_1 = p_2V_2\]
p: áp suất; V: thể tích (cùng đơn vị ở hai trạng thái)
Định luật Charles (đẳng áp)
\[\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}\]
V: thể tích; T: nhiệt độ tuyệt đối (K)
Quá trình đẳng tích
\[\frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2}\]
p: áp suất; T: nhiệt độ tuyệt đối (K)
Phương trình trạng thái
\[\frac{p_1V_1}{T_1} = \frac{p_2V_2}{T_2}\]
Áp dụng cho lượng khí không đổi
Phương trình Clapeyron
\[pV = nRT\]
p (Pa); V (m³); n (mol); R = 8,31 J/(mol.K); T (K)
Áp suất theo động học phân tử
\[p = \frac{1}{3}\mu m\overline{v^2}\]
μ: mật độ phân tử (m⁻³); m: khối lượng 1 phân tử (kg); v²: trung bình bình phương tốc độ (m²/s²)
Động năng trung bình phân tử
\[\overline{W_{\text{đ}}} = \frac{3}{2}kT\]
k = 1,38.10⁻²³ J/K (hằng số Boltzmann); T (K)
Tốc độ căn quân phương
\[v_{rms} = \sqrt{\frac{3kT}{m}} = \sqrt{\frac{3RT}{M}}\]
m: khối lượng 1 phân tử (kg); M: khối lượng mol (kg/mol)

✍️ Ví dụ có lời giải

Ví dụ 1. Một lượng khí ở áp suất \(10^5\) Pa chiếm thể tích 6 lít. Nén đẳng nhiệt đến thể tích 2 lít. Tính áp suất khí lúc sau.

Xem lời giải
  1. Đẳng nhiệt: \(p_1V_1 = p_2V_2\).
  2. \(p_2 = \dfrac{p_1V_1}{V_2} = \dfrac{10^5 \cdot 6}{2} = 3.10^5\) Pa.

✅ Đáp số: p₂ = 3.10⁵ Pa

Ví dụ 2. Khí trong bình kín ở 27 °C có áp suất 2 atm. Nung nóng bình đến 127 °C (thể tích bình không đổi). Áp suất khí lúc sau là bao nhiêu?

Xem lời giải
  1. Đổi: \(T_1 = 27 + 273 = 300\) K; \(T_2 = 127 + 273 = 400\) K.
  2. Đẳng tích: \(p_2 = p_1\dfrac{T_2}{T_1} = 2 \cdot \dfrac{400}{300} \approx 2{,}67\) atm.

✅ Đáp số: p₂ ≈ 2,67 atm

Ví dụ 3. Tính thể tích của 1 mol khí lí tưởng ở 0 °C, áp suất \(1{,}013.10^5\) Pa. Cho \(R = 8{,}31\) J/(mol.K).

Xem lời giải
  1. \(T = 273\) K.
  2. \(V = \dfrac{nRT}{p} = \dfrac{1 \cdot 8{,}31 \cdot 273}{1{,}013.10^5} \approx 0{,}0224\) m³.

✅ Đáp số: V ≈ 22,4 lít

⚠️ Lỗi thường gặp

  • Dùng nhiệt độ °C trong định luật Charles, đẳng tích hoặc pV = nRT (phải dùng K).
  • Nghĩ rằng nhiệt độ tăng gấp đôi khi đi từ 20 °C lên 40 °C (thực tế 293 K → 313 K).
  • Quên đổi lít sang m³ khi dùng pV = nRT với R = 8,31 J/(mol.K).
  • Áp dụng định luật Boyle khi khí bị rò rỉ – các định luật chỉ đúng với lượng khí không đổi.
  • Nhầm đồ thị: đường đẳng tích trong hệ (p, T) qua gốc O, còn trong hệ (p, t°C) cắt trục t tại −273 °C.

🎮 Luyện tập bài này