Bài 8. Mô hình động học phân tử chất khí

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Chất khí

• Chất khí không có hình dạng riêng và thể tích riêng, luôn chiếm toàn bộ thể tích của bình chứa.

• Khoảng cách giữa các phân tử khí lớn hơn nhiều lần kích thước của chúng.

• Do khoảng cách lớn nên lực tương tác giữa các phân tử khí rất nhỏ.

• Chất khí dễ nén và dễ giãn nở vì khoảng cách giữa các phân tử rất lớn.

1.2. Mô hình động học phân tử chất khí

Mô hình động học phân tử chất khí được xây dựng dựa trên các giả thuyết:

• Chất khí được cấu tạo từ các phân tử riêng biệt.

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

• Kích thước của các phân tử rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng.

• Giữa các phân tử có lực tương tác rất nhỏ nên trong phần lớn thời gian chuyển động có thể bỏ qua lực tương tác này.

• Các va chạm giữa các phân tử với nhau và với thành bình được coi là va chạm đàn hồi.

1.3. Chuyển động nhiệt của phân tử khí

• Các phân tử khí chuyển động liên tục theo mọi hướng.

• Sau mỗi lần va chạm, hướng và độ lớn vận tốc của phân tử có thể thay đổi.

• Chuyển động của các phân tử mang tính hỗn loạn, ngẫu nhiên.

• Nhiệt độ càng cao thì chuyển động nhiệt của các phân tử càng mạnh.

1.4. Khí lí tưởng

Khí lí tưởng là mô hình khí trong đó:

• Kích thước các phân tử được coi là không đáng kể so với khoảng cách giữa chúng.

• Lực tương tác giữa các phân tử được bỏ qua, trừ trong thời gian va chạm.

Trong thực tế, nhiều chất khí ở áp suất không quá lớn và nhiệt độ không quá thấp có thể được xem gần đúng là khí lí tưởng.

1.5. Ý nghĩa của mô hình động học phân tử

• Giúp giải thích các tính chất của chất khí dựa trên chuyển động của các phân tử.

• Là cơ sở xây dựng mô hình khí lí tưởng và các định luật chất khí.

2. HIỂU SÂU BẢN CHẤT

💡 Phần lớn thể tích của chất khí là khoảng trống giữa các phân tử.

💡 Chất khí dễ nén hơn chất lỏng và chất rắn vì khoảng cách giữa các phân tử rất lớn.

💡 Chuyển động nhiệt của các phân tử diễn ra liên tục ngay cả khi chất khí đứng yên so với vật mốc bên ngoài.

💡 Trong chất khí, các phân tử chuyển động hỗn loạn theo mọi hướng chứ không chuyển động theo một hướng xác định.

💡 Khí lí tưởng là mô hình lí thuyết dùng để đơn giản hóa việc nghiên cứu chất khí.

3. GHI NHỚ NHANH

• Phân tử khí luôn chuyển động hỗn loạn không ngừng.

• Khoảng cách giữa các phân tử khí rất lớn.

• Lực tương tác giữa các phân tử khí rất nhỏ.

• Va chạm phân tử được coi là va chạm đàn hồi.

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

• Khí lí tưởng: bỏ qua kích thước phân tử và lực tương tác giữa các phân tử (trừ khi va chạm).

4. LƯU Ý CHO HỌC SINH

• Không nhầm lẫn chuyển động nhiệt của các phân tử với chuyển động của cả khối khí.

• Chất khí dễ nén vì khoảng cách giữa các phân tử lớn hơn nhiều lần kích thước của chúng.

• Nhiệt độ càng cao thì chuyển động nhiệt của các phân tử càng mạnh.

• Chuyển động hỗn loạn của từng phân tử khác với chuyển động có hướng của cả khối khí (ví dụ: luồng gió).

• Khí lí tưởng là mô hình gần đúng, được sử dụng rộng rãi trong các bài toán về chất khí.

5. Mở rộng và nâng cao – Dành cho học sinh giỏi và thi đánh giá năng lực

5.1. Quãng đường tự do trung bình

Giữa hai va chạm liên tiếp, phân tử chuyển động gần như thẳng đều. Quãng đường tự do trung bình giảm khi mật độ phân tử hoặc kích thước hiệu dụng của phân tử tăng.

Khái niệm này giải thích vì sao khí loãng truyền nhiệt và khuếch tán khác khí ở áp suất cao.

5.2. Phân bố tốc độ phân tử

Ở cùng một nhiệt độ, các phân tử không có cùng tốc độ. Phân bố Maxwell có một tốc độ ứng với số phân tử nhiều nhất; khi nhiệt độ tăng, phân bố mở rộng và dịch về phía tốc độ lớn.

Tốc độ căn quân phương của khí lí tưởng:

$$v_{\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{\mathrm{3RT}}{M}}$$

5.3. Khuếch tán và chuyển động Brown

Khuếch tán là hệ quả của chuyển động nhiệt hỗn loạn. Chuyển động Brown của các hạt nhỏ lơ lửng là bằng chứng gián tiếp quan trọng cho chuyển động phân tử.

5.4. Giới hạn của mô hình khí lí tưởng

Mô hình phù hợp nhất khi khí loãng, nhiệt độ không quá thấp và ở xa vùng hóa lỏng. Khi mật độ lớn, thể tích riêng của phân tử và lực tương tác không thể bỏ qua.

5.5. Câu hỏi tư duy nâng cao

1. Vì sao mùi nước hoa lan nhanh hơn khi phòng nóng?

2. Hai phân tử cùng một khí ở cùng nhiệt độ có nhất thiết cùng tốc độ không?

3. Vì sao khí thực gần hóa lỏng sai lệch rõ khỏi mô hình khí lí tưởng?

Gợi ý ngắn: (1) chuyển động nhiệt mạnh hơn; (2) không; (3) lực tương tác và thể tích phân tử trở nên đáng kể.