Lý thuyết Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Vật lí 12 Cánh diều

Lý thuyết Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng

I. Mối liên hệ giữa thể tích và áp suất của chất khí

1. Khảo sát mối liên hệ giữa thể tích và áp suất của chất khí khi nhiệt độ không đổi

- Mở van áp kế, dùng tay quay dịch chuyển pit-tông sang phải để lấy một lượng khí xác định vào xilanh.

- Đóng van, đọc và ghi giá trị áp suất p (hiện trên áp kế), thể tích V của khí trong xilanh (theo vạch chia trên xilanh) khi đó.

- Dùng tay quay cho pit-tông dịch chuyển từ từ đến các vị trí mới. Đọc giá trị p, V ứng với mỗi vị trí và ghi kết quả theo mẫu Bảng 2.1.

2. Định luật Boyle

Với một khối lượng khí xác định, khi giữ nhiệt độ của khí không đổi thì áp suất gây ra bởi khi tỉ lệ nghịch với thể tích của nó.

Quá trình biến đổi trạng thái trong đó nhiệt độ được giữ không đổi được gọi là quá trình đẳng nhiệt. Công thức của định luật Boyle được viết dưới dạng:

pV = hằng số

II. Mối liên hệ giữa thể tích và nhiệt độ của chất khí

1. Định luật Charles

$\frac{V}{T}=$ hằng số

Định luật Charles được phát biểu như sau:

Với một khối lượng khi xác định, khi giữ ở áp suất không đổi thì thể tích của khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của nó.

2. Thí nghiệm minh hoạ

- Đọc giá trị phần thể tích chứa khí của xilanh ban đầu.

- Đọc số chỉ của cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ phòng cũng là nhiệt độ khí trong xilanh lúc đầu.

- Đổ nước nóng vào hộp chứa cho ngập hoàn toàn xilanh.

Dịch pit-tông từ từ sao cho số chỉ của áp kế không đổi. Đọc giá trị của phần thể tích chứa khí và nhiệt độ sau mỗi phút.

- Ghi kết quả vào mẫu như Bảng 2.2.

III. Phương trình trạng thái khí lí tưởng

Phương trình: pV = nRT được gọi là phương trình trạng thái khí lí tưởng

với n là số mol khí đang xét và R là một hằng số có giá trị thực nghiệm là R = 8,31 J/(mol.K). R được gọi là hằng số khí lí tưởng.

Sơ đồ tư duy Phương trình trạng thái khí lí tưởng

Trắc nghiệm: Phương trình trạng thái khí lí tưởng

PHẦN I. Câu trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn. Thí sinh trả lời từ câu 1 đến câu 7. Mỗi câu hỏi thí sinh chỉ lựa chọn một phương án.

Câu 1: Tập hợp ba thông số nào sau đây xác định trạng thái của một lượng khí xác định?

A. Áp suất, thể tích, khối lượng.

B. Áp suất, nhiệt độ, thể tích.

C. Thể tích, trọng lượng, áp suất.

D. Áp suất, nhiệt độ, khối lượng.

Câu 2: Quá trình đẳng nhiệt là quá trình biến đổi trạng thái trong đó

A. nhiệt độ được giữ không đổi.

B. áp suất được giữ không đổi.

C. thể tích được giữ không đổi.

D. áp suất và thể tích được giữ không đổi.

Câu 3: Nén khí đẳng nhiệt từ thể tích 10 lít đến thể tích 4 lít thì áp suất của khí tăng lên

A. 2,5 lần.

B. 2 lần.

C. 1,5 lần.

D. 4 lần.

Câu 4: Khi thở ra dung tích của phổi là V₁ = 2,4 lít và áp suất không khí trong phổi là p₁ = 101,7.10³ Pa. Khi hít vào áp suất của phổi là p₂ = 101,01.10³ Pa. Coi nhiệt độ của phổi là không đổi, dung tích của phổi khi hít vào bằng

A. 2,416 lít.

B. 2,384 lít.

C. 2,4 lít.

D. 1,327 lít.

Câu 5: Trong hệ tọa độ (V-T) đường biểu diễn nào sau đây là đường đẳng áp?

A. Đường thẳng song song với trục hoành.

B. Đường thẳng song song với trục tung.

C. Đường hyperbol.

D. Đường thẳng kéo dài đi qua gốc tọa độ.

Câu 6: Khi nung nóng một mol khí lý tưởng từ 300 K lên 360 K ở áp suất không đổi p = 1 atm thì thể tích của nó

A. tăng từ V lên 6,0 V.

B. tăng từ V lên 3,6 V.

C. tăng từ V lên 1,2 V.

D. tăng từ V lên 1,6 V.

Câu 7: Ở nhiệt độ 273 °C thể tích của một lượng khí xác định là 10 lít. Tính thể tích của lượng khí đó ở 546 °C khi áp suất khí không đổi

A. 12,5 lít.

B. 15,0 lít.

C. 28,3 lít.

D. 30,0 lít.

PHẦN II. Câu trắc nghiệm đúng sai. Trong mỗi ý a), b), c), d) ở mỗi câu, thí sinh chọn đúng hoặc sai

Câu hỏi: Một khối khí khi đặt ở điều kiện tiêu chuẩn (trạng thái A). Nén khí và giữ nhiệt độ không đổi đến trạng thái B. Đồ thị áp suất theo thể tích được biểu diễn như hình vẽ. Biết V₁ = 6 lít, p₂ = 3p₁ = 3 atm.

Các phát biểu sau đây đúng hay sai:

a) Thể tích khí ở trạng thái B là V₂ = 3 lít.

b) Khi thể tích lượng khí là 4 lít thì áp suất của nó là 1,5 atm.

c) Trong quá trình biến đổi của lượng khí từ trạng thái A sang B áp suất giảm dần.

d) Đường biểu diễn quá trình nén đẳng nhiệt là một cung hyperbol AB.

PHẦN III. Câu trả lời ngắn

Câu hỏi: Sử dụng một cái bơm để bơm không khí vào quả bóng đá có bán kính khi bơm căng là 11 cm. Mỗi lần bơm đưa được 0,32 lít khí ở điều kiện 1 atm vào bóng. Giả thiết rằng quả bóng trước khi bơm không có không khí nhiệt độ không đổi trong quá trình bơm. Hỏi sau 35 lần bơm thì áp suất khí trong bóng là bao nhiêu