Bài 12. Áp suất khí theo mô hình động học phân tử. Quan hệ giữa động năng phân tử và nhiệt độ

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Nguyên nhân gây ra áp suất chất khí

• Các phân tử khí luôn chuyển động hỗn loạn không ngừng.

• Khi chuyển động, các phân tử liên tục va chạm vào thành bình chứa.

• Mỗi va chạm tạo ra lực tác dụng lên thành bình.

• Tổng hợp tác dụng của vô số va chạm tạo nên áp suất của chất khí.

➡️ Áp suất chất khí là kết quả của các va chạm giữa các phân tử khí và thành bình chứa.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến áp suất chất khí

Áp suất của chất khí phụ thuộc vào:

• Mật độ phân tử khí.

• Động năng chuyển động nhiệt của các phân tử khí.

• Mật độ phân tử tăng ⇒ áp suất tăng.

• Động năng chuyển động nhiệt trung bình tăng ⇒ áp suất tăng.

1.3. Động năng chuyển động nhiệt của phân tử khí

Do các phân tử khí luôn chuyển động nên chúng có động năng.

Động năng chuyển động nhiệt trung bình của các phân tử khí được kí hiệu: ${\bar{W}}_{đ}$
Động năng này phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối của khí.

1.4. Quan hệ giữa động năng phân tử và nhiệt độ

Kết quả thực nghiệm cho thấy:

$${\bar{W}}_{đ}\mathrm{\sim T}$$

Động năng chuyển động nhiệt trung bình của các phân tử khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.

Do đó:

• $T$ tăng ⇒ ${\bar{W}}_{đ}$ tăng.

• $T$ giảm ⇒ ${\bar{W}}_{đ}$ giảm.

1.5. Ý nghĩa vật lí của nhiệt độ tuyệt đối

Nhiệt độ tuyệt đối là đại lượng đặc trưng cho mức độ chuyển động nhiệt của các phân tử khí.

• Nhiệt độ càng cao ⇒ các phân tử chuyển động càng nhanh.

• Nhiệt độ càng thấp ⇒ các phân tử chuyển động càng chậm.

• Ở độ không tuyệt đối $\left(0K\right)$, chuyển động nhiệt của các phân tử đạt giá trị nhỏ nhất.

1.6. Mối liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ

Theo mô hình động học phân tử:

• Nhiệt độ tăng ⇒ động năng chuyển động nhiệt trung bình tăng.

• Các phân tử va chạm với thành bình thường xuyên và mạnh hơn.

• Áp suất chất khí tăng nếu thể tích không đổi.

• Đây là cơ sở vi mô để giải thích các định luật chất khí.

1.7. Mở rộng cho học sinh khá giỏi

Áp suất chất khí theo mô hình động học phân tử

Áp suất của chất khí được xác định bởi công thức:

$$\mathrm{p=}\frac{1}{3}\mathrm{\mu m}\overline{v^2}=\frac{2}{3}\mu {\bar{E}}_{đ}$$Trong đó:

• $p$: áp suất của chất khí.

• $\mu$: mật độ phân tử khí,

$$\mathrm{\mu =}\frac{N}{V}$$với $N$ là số phân tử khí trong thể tích $V$.

• $m$: khối lượng của một phân tử khí.

• $\overline{v^2}$: trung bình các bình phương tốc độ của các phân tử khí.

• $\overline{E_{đ}}$: động năng chuyển động nhiệt trung bình của một phân tử khí.

Liên hệ giữa động năng trung bình của phân tử và nhiệt độ

$${\bar{E}}_{đ}=\frac{3}{2}\mathrm{kT}$$Trong đó:

• $T$: nhiệt độ tuyệt đối (K).

• $k$: hằng số Boltzmann,

$$\text{k=1,38×}{10}^{\mathrm{-23}}\text{ J/K}$$

Nhận xét

• Nhiệt độ tuyệt đối càng cao thì động năng chuyển động nhiệt trung bình của các phân tử càng lớn.

• Áp suất chất khí tăng khi mật độ phân tử hoặc động năng chuyển động nhiệt trung bình tăng.

• Hai công thức trên là cơ sở vi mô để giải thích các định luật chất khí.

2. HIỂU SÂU BẢN CHẤT

💡 Áp suất chất khí không phải do trọng lượng của khí gây ra mà chủ yếu do các phân tử khí va chạm vào thành bình.

💡 Các phân tử khí luôn chuyển động hỗn loạn không ngừng theo mọi hướng.

💡 Nhiệt độ là đại lượng vĩ mô phản ánh động năng chuyển động nhiệt trung bình của các phân tử khí.

💡 Động năng chuyển động nhiệt trung bình của các phân tử khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.

💡 Áp suất và nhiệt độ đều có nguồn gốc từ chuyển động nhiệt của các phân tử khí.

2. GHI NHỚ NHANH

• Áp suất khí có nguồn gốc từ sự va chạm của các phân tử khí với thành bình.

• Áp suất phụ thuộc vào mật độ phân tử và động năng chuyển động nhiệt của các phân tử.

• Động năng trung bình: ${\bar{W}}_{đ}\mathrm{\sim T}$
• Nhiệt độ tuyệt đối luôn tính bằng kelvin (K).

• Nhiệt độ càng cao ⇒ chuyển động nhiệt càng mạnh.

• $\mathrm{T\uparrow \Rightarrow }{\bar{W}}_{đ}\uparrow$

• $\text{T↑⇒p↑}$(khi $V$ không đổi).

• Nhiệt độ tuyệt đối đặc trưng cho mức độ chuyển động nhiệt của các phân tử.

3. LƯU Ý CHO HỌC SINH

• Không nhầm lẫn giữa động năng của một phân tử và động năng chuyển động nhiệt trung bình của các phân tử khí.

• Không nhầm lẫn nhiệt độ với nhiệt năng; nhiệt độ đặc trưng cho mức độ chuyển động nhiệt của các phân tử.

• Áp suất chất khí xuất hiện do các phân tử khí va chạm với thành bình chứa.

• Khi nhiệt độ tăng, động năng chuyển động nhiệt trung bình của các phân tử cũng tăng.

• Khi giải thích các hiện tượng liên quan đến chất khí, nên liên hệ theo chuỗi:

$$\mathrm{T\uparrow \Rightarrow }{\bar{W}}_{đ}\mathrm{\uparrow \Rightarrow }\text{va chạm thường xuy}\hat{e}\text{n v}\grave{a}\text{ mạnh hơn}\mathrm{\Rightarrow p\uparrow }$$(khi thể tích không đổi).