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 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?
|
Nội dung |
Đánh giá |
|
|
Đúng |
Sai |
|
|
a) Định luật Charles là định luật về quá trình biến đổi thể tích của một lượng khí theo nhiệt độ khi áp suất không đổi. Do đó không thể áp dụng định luật này cho chất khí trong quả bóng bàn bẹp nhúng vào nước nóng, phồng lên như cũ. |
||
|
b) 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. Đây là trường hợp mà chúng ta chưa đề cập tới cả trong bài học này lẫn các bài học trước đây về chất khí. |
||
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.
Vận dụng kiến thức về quá trình đẳng áp
1. Hiện tượng quả bóng bàn bị bẹp khi nhúng vào nước nóng và phồng lên là do sự kết hợp của việc tăng nhiệt độ, tăng thể tích và thay đổi áp suất của không khí bên trong bóng. Đây là một quá trình phức tạp và không thể đơn giản hóa thành một đẳng quá trình cụ thể nào. Đáp án 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. Mục tiêu: Chứng minh rằng việc áp dụng định luật Charles một cách đơn thuần vào trường hợp quả bóng bàn bị xẹp nhúng vào nước nóng để xác định nhiệt độ làm phồng bóng trở lại là không chính xác.
Dụng cụ: HS tự chuẩn bị
Tiến hành:
– Đo kích thước ban đầu
– Nhúng bóng vào nước nóng
– Đo nhiệt độ
– Áp dụng định luật Charles
Phân tích kết quả:
– So sánh nhiệt độ tính toán và thực tế
– Phân tích sai số:
+ Sự thay đổi áp suất: Khi bóng phồng lên, áp suất bên trong bóng cũng thay đổi. Định luật Charles chỉ áp dụng cho quá trình đẳng áp, do đó việc áp dụng nó vào trường hợp này sẽ gây ra sai số.
+ Sự thay đổi nhiệt độ không đồng đều: Nhiệt độ của nước nóng không đồng đều, đặc biệt là ở lớp tiếp xúc với bóng. Điều này cũng ảnh hưởng đến kết quả đo.
+ Sự giãn nở của vật liệu: Vỏ bóng bàn cũng giãn nở khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, ảnh hưởng đến thể tích bên trong bóng.
+ Sự thoát hơi nước: Một phần hơi nước có thể ngưng tụ trên thành trong của bóng, ảnh hưởng đến thể tích của không khí bên trong.
Kết luận: Kết quả thực nghiệm sẽ cho thấy nhiệt độ tính toán từ định luật Charles thường không trùng khớp với nhiệt độ thực tế. Điều này chứng tỏ rằng việc áp dụng đơn giản định luật Charles vào trường hợp này là không chính xác.
Để mô tả chính xác quá trình này, chúng ta cần sử dụng các phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các khái niệm phức tạp hơn trong nhiệt động lực học.
Các bài tập cùng chuyên đề
Khi giữ nguyên áp suất của một khối lượng khí xác định thì thể tích của khí phụ thuộc như thế nào vào nhiệt độ của nó?
Hãy giải thích cách vẽ đồ thị của hàm: V = V0 (1 + αt) trong Hình 10.1a.
Hãy chứng tỏ rằng nếu đối nhiệt độ Celcius t trong hệ thức (10.2) sang nhiệt độ Kelvin T tương ứng thì sẽ được một hệ thức mới chứng tỏ thể tích V của chất khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ kevin: \(\frac{V}{T}\) = hằng số.
1. Ứng với các áp suất khác nhau của cùng một lượng khí, ta có những đường đẳng áp khác nhau. Hình 10.2 vẽ hai đường đẳng áp của cùng một lượng khí ứng với hai áp suất p1 và p2. Hãy so sánh p1 và p2
2. Hãy tìm ví dụ về ứng dụng định luật Charles trong đời sống.
Chuẩn bị:
- Xi lanh thủy tinh dung tích 50 mL, có độ chia nhỏ nhất 1 mL (1).
- Nhiệt kế điện tử (2).
- Ba cốc thủỷ 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 vở tương tự như Bảng 10.1.
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 thế 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.
Từ kết quả thí nghiệm, thực hiện các yêu cầu sau:
- Tính T, \(\frac{V}{T}\)
- Từ số liệu thu được, vẽ đồ thị mối quan hệ V, T.
1. Kết quả thí nghiệm thu được có phù hợp với định luật Charles không?
2. Giải thích tại sao có thể coi quá trình biến đổi trạng thải của khí trong thí nghiệm trên là quá trình đẳng áp?
1. Thể tích của một lượng khí xác định tăng thêm 10% khi nhiệt độ của khí được tăng tới 47 °C. Xác định nhiệt độ ban đầu của lượng khí, biết quá trình trên là đẳng áp.
2. Một khối lượng khí 12 g có thể tích 4 lít ở nhiệt độ 7 °C. Sau khi được đun nóng đẳng áp thì khối lượng riêng của khí là 1,2 g/lít. Xác định nhiệt độ của khí sau khi được đun nóng.
Tiến hành thí nghiệm theo các bước hướng dẫn, thu thập số liệu T, V trong các lần đo. Từ đó:
- Vẽ đồ thị V theo T trong hệ trục toạ độ V - T, nhận xét dạng đồ thị.
- Rút ra mối liên hệ giữa V và T trong quá trình biến đổi đẳng áp.
Dựa vào thuyết động học phân tử chất khí, hãy giải thích vì sao đường đẳng áp p2 lại ở trên đường đẳng áp p1 trong hình 6.7
Cho một khối khí dẫn nở đẳng áp từ nhiệt độ t1 = 32 °C đến nhiệt độ t2 = 117 °C, thể tích khối khí tăng thêm 1,7 lít. Xác định thể tích khối khí trước và sau khi dãn nở.
Một mô hình áp kế khí (Hình 6P.1) gồm một bình cầu thủy tinh có thể tích 270 cm3 gắn với một ống nhỏ AB nằm ngang có tiết diện 0,1 cm2. Trong ống có một giọt thủy ngân. Ở 0 °C giọt thủy ngân cách A 30 cm. Tính khoảng di chuyển của giọt thủy ngân khi hơ nóng bình cầu đến 10 °C. Coi thể tích bình là không đổi.
Vào những ngày trời nắng nóng, nhiệt độ không khí ngoài sân là 42 °C, trong khi nhiệt độ không khí trong nhà là 27 °C. Xem áp suất không khí trong nhà và ngoài sân là như nhau. Khối lượng riêng của không khí trong nhà lớn hơn khối lượng riêng của không khí ngoài sân bao nhiêu lần?
Sử dụng các kí hiệu T1, V1, T2 và V2 để viết công thức định luật Charles cho một quá trình đắng áp của lượng khí xác định.
Một xilanh chứa 0,16 dm3 khí nitrogen ở nhiệt độ phòng 25 °C và áp suất 1,2 atm (1 atm = 1,01 . 105 Pa). Hơ nóng xilanh từ từ sao cho áp suất khí trong xilanh không đổi thì khi thể tích khí trong xilanh là 0,20 dm3, nhiệt độ của khí trong xilanh là bao nhiêu?
Xây dựng phương án thí nghiệm minh hoạ mối liên hệ giữa nhiệt độ và thể tích của một lượng khí xác định khi giữ áp suất của khí không đổi bằng các dụng cụ ở trường của bạn
Dụng cụ
- Áp kế (1) có mức 0 ứng với áp suất khí quyển, đơn vị đo của áp kế là Bar (1 Bar = 105 Pa).
- Xilanh (2).
- Pit-tông (3) gắn với tay quay (4).
- Hộp chứa nước nóng (5).
- Cảm biến nhiệt độ (6).
Phương án thí nghiệm
- Tìm hiểu công dụng của các dụng cụ nêu trên.
- Lập phương án thí nghiệm với các dụng cụ đó.
Tiến hành
Sau đây là một phương án thí nghiệm với các dụng cụ nêu trên
(Hình 2.7).
- Đọc giá trị phần thể tích chứa khí của xilanh ban đầu.
- Đọc số chỉ của cảm biển 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.
Kết quả
- Tính tỉ số V/T của mỗi lần đo và rút ra nhận xét.
- Vẽ đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa nhiệt độ và thể tích chất khí khi áp suất không đổi.
So sánh đồ thị nhiệt độ - thể tích thu được theo kết quả thí nghiệm đã thực hiện với đồ thị trong Hình 2.5.
Cho đồ thị của áp suất theo nhiệt độ của hai khối khí A và B có thể tích không đổi như hình vẽ. Nhận xét nào sau đây là sai:
Ở 7°C áp suất của một khối khí bằng 0,897 atm. Khi áp suất khối khí này tăng đến 1,75 atm thì nhiệt độ của khối khí này bằng bao nhiêu, coi thể tích khí không đổi:
Một khối khí ở 7°C đựng trong một bình kín có áp suất 1 atm. Đun nóng đẳng tích bình đến nhiệt độ bao nhiêu để khí trong bình có áp suất là 1,5 atm:
Một bóng đèn dây tóc chứa khí trơ ở 27°C và áp suất 0,6 atm. Khi đèn sáng, áp suất không khí trong bình là 1atm và không làm vỡ bóng đèn. Coi dung tích của bóng đèn không đổi, nhiệt độ của khí trong đèn khi cháy sáng là:
Khi đun nóng đẳng tích một khối khí thêm 1°C thì áp suất khối khí tăng thêm 1/360 áp suất ban đầu. Nhiệt độ ban đầu của khối khí đó là:
Nếu nhiệt độ khi đèn tắt là 25°C, khi đèn sáng là 323°C thì áp suất khí trơ trong bóng đèn khi sáng tăng lên là:
Một bình đầy không khí ở điều kiện tiêu chuẩn( 0°C; 1,013.105Pa) được đậy bằng một vật có khối lượng 2kg. Tiết diện của miệng bình 10cm2. Tìm nhiệt độ lớn nhất của không khí trong bình để không khí không đẩy được nắp bình lên và thoát ra ngoài. Biết áp suất khí quyển là p0 = 105Pa.
Khi làm nóng một lượng khí đẳng tích thì:
Hiện tượng có liên quan đến định luật Charles là
Hình 30.1 biểu diễn hai đường đẳng tích của cùng một khối lượng không khí trong hệ tọa độ (p – T). Mối quan hệ đúng về các thể tích V1, V2 là:
Xét một quá trình đẳng tích của một lượng khí lí tưởng nhất định. Tìm phát biểu sai.
Nếu nhiệt độ của một bóng đèn khi tắt là 25oC, khí sáng là 323oC, thì áp suất của khí trơ trong bóng đèn tăng lên là
Một chiếc lốp ô tô chứa không khí ở 25oC. Khi xe chạy nhanh, lốp xe nóng lên, áp suất khí trong lốp tăng lên tới 1,084 lần. Lúc này, nhiệt độ trong lốp xe bằng
Khi đung nóng một bình kín chứa khí để nhiệt độ tăng 1oC thì áp suất khí tăng thêm 1/360 áp suất ban đầu. Nhiệt độ ban đầu của khí là
