BÀI 8. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ

I. Chuyển động và tương tác của các phân tử khí

1. Chuyển động Brown trong chất khí

- Chuyển động Brown không chỉ xảy ra trong chất lỏng mà còn xảy ra cả trong chất khí.

- Thí nghiệm (Hình 8.1): quan sát hạt khói lơ lửng trong không khí bằng kính hiển vi, chiếu sáng từ bên cạnh. Hạt khói chuyển động theo quỹ đạo gấp khúc, đổi hướng liên tục (Hình 8.2).

Kết luận từ thí nghiệm:

- Chất khí được cấu tạo từ các phân tử chuyển động hỗn loạn, không ngừng.

- Nhiệt độ của khí càng cao thì tốc độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử khí càng lớn (khi tăng nhiệt độ không khí trong ống thuỷ tinh, hạt khói chuyển động nhanh hơn).

Lưu ý – Tốc độ trung bình của các phân tử:

- Khi chuyển động, các phân tử khí không ngừng va chạm với nhau và với thành bình (Hình 8.3) nên tốc độ của chúng liên tục thay đổi. Trong một khối khí có phân tử chuyển động nhanh hơn, có phân tử chậm hơn hoặc bằng tốc độ trung bình.

- Tốc độ chuyển động của phân tử có tính thống kê, chỉ có ý nghĩa khi có rất nhiều phân tử.

- Tốc độ trung bình: $\overline{v} = \dfrac{v_1 + v_2 + \dots + v_n}{n}$

- Ở điều kiện chuẩn ($T = 273\ \text{K}$ tức $0\ ^\circ\text{C}$ và $p = 1\ \text{atm} = 10^5\ \text{Pa}$), các phân tử khí oxygen chuyển động với tốc độ trung bình khoảng $400\ \text{m/s}$.

Gợi ý trả lời câu hỏi trong bài:

Câu 3 (hạt bụi trong tia nắng): Đây không phải chuyển động Brown. Hạt bụi trong tia nắng chuyển động chủ yếu do các dòng khí đối lưu trong phòng, còn chuyển động Brown là do các phân tử khí va chạm không cân bằng vào hạt nhỏ, và phải quan sát bằng kính hiển vi.

2. Tương tác giữa các phân tử khí

- Giữa các phân tử khí có lực đẩy và lực hút, gọi chung là lực liên kết.

- Khoảng cách giữa các phân tử ở thể khí rất lớn so với thể lỏng và thể rắn, nên lực liên kết giữa chúng rất yếu so với thể lỏng và thể rắn.

- Minh hoạ: chất khí dễ nén, dễ lan ra chiếm toàn bộ thể tích bình chứa, không có hình dạng và thể tích riêng; khối lượng riêng của chất ở thể khí nhỏ hơn rất nhiều so với thể lỏng và thể rắn.

II. Mô hình động học phân tử chất khí

Từ các thí nghiệm và thực tế, người ta đưa ra mô hình động học phân tử chất khí gồm 3 nội dung:

1/ Chất khí được cấu tạo từ các phân tử có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng. Lực liên kết giữa các phân tử ở thể khí rất yếu so với thể lỏng và thể rắn.

2/ Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn, không ngừng. Chuyển động này càng nhanh thì nhiệt độ của khí càng cao.

3/ Khi chuyển động hỗn loạn, các phân tử khí va chạm với nhau và với thành bình. Khi va chạm với thành bình, các phân tử tác dụng lực, gây áp suất lên thành bình.

Bảng 8.1. Các thí nghiệm và hiện tượng thực tế làm cơ sở cho mô hình (gợi ý điền)

III. Khí lí tưởng

Để tìm hiểu tính chất của chất khí, người ta dùng một mô hình khí đơn giản hơn khí thực nhưng vẫn phản ánh được các đặc điểm cơ bản của khí:

1/ Các phân tử khí được coi là các chất điểm (bỏ qua thể tích phân tử), không tương tác với nhau khi chưa va chạm.

2/ Các phân tử khí chỉ tương tác khi va chạm với nhau và với thành bình; các va chạm này là va chạm hoàn toàn đàn hồi.

Chất khí trong mô hình trên được gọi là khí lí tưởng.

Vận dụng mô hình: với một khối lượng khí xác định, nếu giảm thể tích bình chứa và giữ nguyên nhiệt độ thì mật độ phân tử tăng, số va chạm của phân tử lên một đơn vị diện tích thành bình trong một đơn vị thời gian tăng, nên áp suất tăng. Ví dụ: nén khí trong bơm tiêm bịt kín đầu ra, ta thấy phải ấn mạnh hơn khi pit-tông tiến vào sâu.

Em đã học

Chất khí được cấu tạo từ các phân tử có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng.

Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn, không ngừng; chuyển động càng nhanh thì nhiệt độ của khí càng cao.

Khi chuyển động, các phân tử khí va chạm với nhau và với thành bình; va chạm với thành bình gây ra áp suất lên thành bình.

Em có thể

Dùng thuyết động học phân tử chất khí để giải thích các hiện tượng liên quan: chất khí luôn chiếm toàn bộ dung tích bình chứa; chất khí gây áp suất lên thành bình theo mọi hướng; sự phụ thuộc áp suất của một lượng khí xác định vào thể tích và nhiệt độ.