Sách bài tập Vật lí 12 Bài 10 (Kết nối tri thức): Định luật Charles

Giải SBT Vật lí 12 Bài 10: Định luật Charles

Câu 10.1 trang 30 SBT Vật Lí 12: Biểu thức nào sau đây không phù hợp với nội dung của định luật Charles

A. $\frac{V}{T}=$ hằng số.

B. $\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}.$

C. $V=V_0(1+\alpha t).$

D. $V~\frac{1}{ \text{T}}.$

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Định luật Charles cho biết V và T tỉ lệ thuận.

Câu 10.2 trang 30 SBT Vật Lí 12: Đồ thị nào sau đây không phù hợp với quá trình đẳng áp?

Lời giải:

Đáp án đúng là C

A – đúng, biểu diễn theo thang nhiệt độ C thì phải có đường nét đứt ở phần âm của trục Ot.

B – đẳng áp

C – đẳng tích

D – đúng, biểu diễn theo thang độ K thì gốc đồ thị xuất phát từ gốc toạ độ.

Câu 10.3 trang 30 SBT Vật Lí 12: Trong hiện tượng nào sau đây có quá trình đẳng áp của một lượng khí xác định?

A. Thổi không khí vào một quả bóng bay.

B. Quả bóng bàn bị bẹp nhúng vào nước nóng, phồng lên như cũ.

C. Không khí trong một xi lanh đặt nằm ngang có áp suất bằng áp suất khí quyển bên ngoài, được đun nóng thì đẩy pit-tông chuyển động không ma sát trong xi lanh.

D. Không khí trong một xi lanh đặt thẳng đứng được đun nóng đẩy pit-tông chuyển động nhanh dần.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Câu 10.4 trang 30 SBT Vật Lí 12: Nội dung của câu nào sau đây không phù hợp với định luật Charles?

A. Trong quá trình đẳng áp, thể tích của một lượng khí xác định tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối.

B. Hệ số nở đẳng áp của mọi chất khí đều bằng $\frac{1}{273}$

C. Đường biểu diễn quá trình đẳng áp trong hệ toạ độ (V – T) là đường thẳng đi qua gốc toạ độ.

D. Trong quá trình đẳng áp, khi nhiệt độ tăng từ 20 °C lên 40 °C thì thể tích khí tăng lên gấp đôi.

Lời giải:

Đáp án đúng là D

V tỉ lệ thuận với T (K) chứ không tỉ lệ thuận với t (^oC).

Câu 10.5 trang 31 SBT Vật Lí 12: Hãy dùng các số liệu trong bảng ghi kết quả thí nghiệm về quá trình đẳng áp của một lượng khí không đổi trong bảng dưới đây để xác định mối quan hệ giữa thể tích và nhiệt độ Kelvin của lượng khí và vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ này.

Lời giải:

Bước 1: Đổi nhiệt độ trong bảng ra nhiệt độ tuyệt đối.

Bước 2: Tính các giá trị của $\frac{V}{T}$ để chứng tỏ $\frac{V}{T}$ = hằng số.

Bước 3 : Vẽ đồ thị.

Câu 10.6 trang 31 SBT Vật Lí 12: Khi tăng nhiệt độ của một lượng khí từ 32 °C lên 117 °C và giữ áp suất khí không đổi thì thể tích khí tăng thêm 1,7 lít. Tính thể tích lượng khí trước và sau khi tăng nhiệt độ.

Lời giải:

$\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}\Rightarrow \frac{V_1}{32+273}=\frac{V_1+1,7}{117+273}\Rightarrow$V₁ = 6,1 lít; V₂ = 7,8 lít.

Câu 10.7 trang 31 SBT Vật Lí 12: Một xi lanh đặt nằm ngang chứa 100 cm3 khí ở nhiệt độ 27 °C, dưới áp suất bằng áp suất khí quyển bên ngoài. Người ta đun nóng bình lên đến 57 °C cho xi lanh chuyển động gần như đều. Coi ma sát giữa xi lanh và pit-tông không đáng kể.

1. Tính thể tích khí trong xi lanh ở 57 °C.

2. Vẽ đồ thị biểu diễn quá trình trên theo toạ độ (V – T) và (p - V).

Lời giải:

1. Quá trình biến đổi trạng thái của khí là đẳng áp với áp suất luôn bằng áp suất của khí quyển. $\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}\Rightarrow \frac{100}{27+273}=\frac{V_2}{57+273}\Rightarrow V_2=110c{m}^3.$

2.

– Đồ thị 1 là đường thẳng có đường kéo dài qua gốc toạ độ.

– Đồ thị 2 là đường thẳng song song với trục hoành.

Câu 10.8 trang 31 SBT Vật Lí 12: Xung quanh hiện tượng quả bóng bàn bị bẹp được nhúng vào nước nóng thì phồng lên như cũ

Đây là một hiện tượng đơn giản mà ngay cả những người chưa từng chơi bóng bàn cũng biết. Tuy nhiên, khi có người sử dụng hiện tượng này làm ví dụ cho sự nở vì nhiệt của chất khí, cho định luật Charles (trước đây gọi là định luật Gay Lussac) thì có khá nhiều ý kiến khác nhau. Ý kiến chấp nhận cũng có, ý kiến chấp nhận nhưng đề nghị nói rõ thêm cũng có, ý kiến phản đối dữ dội vì coi đây là một sai lầm hoàn toàn cũng có,...

Em quan niệm thế nào về hiện tượng này? Hãy nhớ lại những kiến thức đã học về chất khí để trả lời các câu hỏi sau đây nhằm thể hiện quan điểm của mình về hiện tượng gây tranh cãi trên.

1. Hiện tượng quả bóng bàn bị bẹp được nhúng vào nước thì phồng lên như cũ liên quan đến đẳng quá trình nào của chất khí?

A. Vì trong hiện tượng này, thể tích khí tăng theo nhiệt độ nên liên quan đến quá trình đẳng áp.

B. Vì trong hiện tượng này, áp suất khí tăng theo nhiệt độ nên liên quan đến quá trình đẳng tích.

C. Vì trong hiện tượng này có sự thay đổi thể tích và áp suất nên liên quan đến quá trình đẳng nhiệt.

D. Hiện tượng này không phải là một đẳng quá trình.

2. Nội dung câu nào dưới đây là đúng, sai?

3. Tại sao quá trình biến đổi trạng thái của không khí trong quả bóng bị xẹp khi được nhúng vào nước nóng không phải là quá trình đẳng áp?

4. Hãy nghĩ ra một phương án thí nghiệm đơn giản để chứng tỏ, nếu coi quá trình biến đổi trạng thái của không khí trong quả bóng bàn bị xẹp khi được nhúng vào nước nóng phồng lên như cũ là quá trình nở vì nhiệt và dùng định luật Charles để xác định nhiệt độ của nước có thể làm cho không khí trong quả bóng dãn nở lấy lại thể tích cũ, thì kết quả tìm được sẽ không đúng với thực tế.

Lời giải:

1. Cả 3 thông số trạng thái p, V và T của lượng khí trong quả bóng bàn ở hiện tượng nêu trên đều thay đổi. Đáp án đúng là D.

2. a) và b) đều đúng.

3. Muốn cho quả bóng phồng lên thì áp lực của không khí bên trong bóng tác dụng lên vỏ bóng phải lớn hơn áp lực của không khí bên ngoài và lực đàn hồi của vỏ bóng bị biến dạng. Do đó áp suất của không khí bên trong bóng phải tăng, quá trình này không phải đẳng áp vì cả thể tích và áp suất của khí trong quả bóng đều thay đổi.

4. Tuỳ theo HS. Chỉ yêu cầu các em đưa ra phương án thí nghiệm.

Lý thuyết Định luật Charles

I. Định luật Charles

1. Quá trình đẳng áp

Quá trình biến đổi trạng thái của một khối lượng khí xác định khi giữ áp suất không đổi được gọi là quá trình đẳng áp.

2. Định luật Charles

Khi giữ không đổi áp suất của một khối lượng khí xác định thì thể tích V của khí tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối T của nó.

$\frac{V}{T}=hằngsố$

Định luật Charles được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:

• Nhiệt kế khí: Đo nhiệt độ môi trường, đo nhiệt độ cơ thể,...

• Bình ga, bóng bay.

• Cảm biến áp suất: Cảm biến áp suất trong lốp xe, cảm biến áp suất khí quyển,...

• Hệ thống điều hòa: Sử dụng sự thay đổi thể tích khí để điều chỉnh nhiệt độ.

• Y học: Chẩn đoán và điều trị các bệnh về phổi.

• Vật lý: Nghiên cứu về các tính chất của khí.

II. Thí nghiệm minh hoạ định luật Charles

Sử dụng bộ dụng cụ thí nghiệm dưới

Chuẩn bị:

- Xi lanh thuỷ tinh dung tích 50 mL, có độ chia nhỏ nhất 1 mL (1).

- Nhiệt kế điện tử (2).

- Ba cốc thuỷ tinh (3), (4), (5).

Nút cao su để bịt đầu ra của xi lanh.

- Giá đỡ thí nghiệm (6).

- Nước đá, nước ấm, nước nóng.

- Dầu bôi trơn.

Tiến hành:

Bước 1: Cho một chút dầu bôi trơn vào pit-tông để pit-tông dễ dàng di chuyển trong xi lanh. Điều chỉnh pit-tông ở mức 30 mL, bịt đầu ra của xi lanh bằng nút cao su.

Bước 2: Ghi giá trị nhiệt độ phòng và thể tích không khí trong xi lanh vào bảng kết quả.

Bước 3: Đổ nước đá vào cốc (3).

Bước 4: Nhúng xi lanh và nhiệt kế vào cốc. Sau khoảng thời gian 3 phút, ghi giá trị thể tích V của không khí trong xi lanh và nhiệt độ t vào bảng số liệu.

Bước 5: Lần lượt đổ nước ấm vào cốc (4) và nước nóng vào cốc (5). Thực hiện tương tự bước 4 ở mỗi trường hợp.

IV. Các định luật Boyle và Charles là các định luật gần đúng

Các định luật Boyle và Charles được rút ra từ những thí nghiệm thực hiện trong điều kiện áp suất không quá 10⁶ Pa, nhiệt độ không dưới 200 K.

Các thí nghiệm thực hiện trong điều kiện áp suất rất cao và nhiệt độ rất thấp cho kết quả không phù hợp với các định luật trên.

Để phân biệt khí lí tưởng với khí thực người ta định nghĩa khí lí tưởng là khí tuân theo đúng các định luật Boyle và Charles.

Tuy nhiên, sự khác biệt giữa khí lí tưởng và khí thực không lớn ở điều kiện bình thường về áp suất và nhiệt độ nên người ta vẫn có thể áp dụng các định luật của khí lí tưởng cho khí thực nếu không cần độ chính xác cao.