Bài 8. Mô hình động học phân tử chất khí trang 34, 35, 36 Vật Lí 12 Kết nối tri thức

Để giải thích tại sao chất ở thể khí lại có những tính chất vật lí khác biệt hoàn toàn so với thể lỏng và thể rắn (như dễ nén, không có hình dạng và thể tích xác định, dễ khuếch tán), chúng ta phân tích dựa trên mô hình động học phân tử như sau:

Sự khác biệt được cụ thể hóa qua bảng so sánh sau:

Kết luận: Chính vì các phân tử khí ở rất xa nhau và lực tương tác rất yếu, nên chúng không bị ràng buộc vào một vị trí hay một cấu trúc nào. Điều này dẫn đến các tính chất đặc trưng của thể khí:

• Không có hình dạng và thể tích xác định: Các phân tử khí tự do di chuyển chiếm toàn bộ thể tích của bình chứa.
• Dễ nén: Do khoảng cách giữa các phân tử rất lớn, khi ta tác dụng áp suất, các phân tử dễ dàng bị đẩy lại gần nhau hơn.
• Khuếch tán nhanh: Do chuyển động hỗn loạn với tốc độ lớn và lực cản tương tác thấp, các phân tử khí dễ dàng len lỏi và hòa trộn vào nhau.

1. Mô tả thí nghiệm quan sát chuyển động Brown trong không khí (Hình 8.1):

Thí nghiệm được tiến hành bằng cách cho một lượng nhỏ khói vào trong một bình kín chứa không khí. Sau đó, sử dụng kính hiển vi có độ phóng đại lớn để quan sát các hạt khói (là những hạt chất rắn cực nhỏ) lơ lửng trong không khí. Kết quả quan sát cho thấy các hạt khói không đứng yên mà chuyển động hỗn loạn, không ngừng theo những quỹ đạo zigzag không xác định.

2. Chứng minh các phân tử không khí chuyển động hỗn loạn, không ngừng:

Dựa vào quỹ đạo chuyển động của hạt khói (Hình 8.2), ta thấy:

• Hạt khói có kích thước lớn hơn nhiều so với phân tử không khí, nhưng nó vẫn chuyển động zigzag một cách ngẫu nhiên.
• Nguyên nhân là do các phân tử không khí (vô hình) chuyển động nhiệt hỗn loạn và va chạm vào hạt khói từ mọi phía. Tại mỗi thời điểm, lực va chạm từ các hướng không cân bằng nhau, tạo ra một hợp lực đẩy hạt khói đi theo một hướng ngẫu nhiên.
• Vì hạt khói luôn luôn chuyển động và thay đổi hướng liên tục, điều này chứng tỏ các phân tử không khí xung quanh nó cũng luôn luôn chuyển động hỗn loạn và không ngừng.

3. Phân tích hiện tượng hạt bụi trong tia nắng:

Khi quan sát các hạt bụi trong tia nắng mặt trời chuyển động không ngừng, ta cần phân biệt hai trường hợp:

• Nếu là các hạt bụi cực nhỏ: Chuyển động của chúng chính là chuyển động Brown, do sự va chạm của các phân tử không khí gây ra.
• Nếu là các hạt bụi lớn hơn: Chuyển động của chúng chủ yếu là do các dòng đối lưu của không khí trong phòng (không khí nóng bay lên, không khí lạnh hạ xuống). Đây không phải là chuyển động Brown mà là chuyển động theo dòng chất lưu.

Kết luận: Trong thực tế, hiện tượng hạt bụi 'nhảy múa' trong tia nắng thường là sự kết hợp của cả hai, nhưng phần lớn những chuyển động rõ rệt mà mắt thường thấy được là do dòng đối lưu của không khí. Tuy nhiên, nếu hạt bụi đủ nhỏ, nó sẽ thực hiện chuyển động Brown.

1. Các hiện tượng thực tế chứng tỏ lực liên kết giữa các phân tử ở thể khí rất yếu:

Chúng ta có thể quan sát các hiện tượng sau để so sánh:

• Khả năng nén: Chất khí rất dễ bị nén (ví dụ: bơm không khí vào lốp xe, bình gas nén), trong khi chất lỏng và chất rắn hầu như không thể nén được. Điều này cho thấy lực liên kết ở thể khí quá yếu, không đủ để giữ các phân tử ở một khoảng cách cố định, cho phép chúng bị ép lại gần nhau dễ dàng.
• Hình dạng và thể tích: Chất rắn có hình dạng và thể tích xác định; chất lỏng có thể tích xác định nhưng hình dạng thay đổi theo bình chứa; còn chất khí không có hình dạng và thể tích xác định, nó luôn chiếm toàn bộ thể tích của bình chứa. Điều này chứng tỏ các phân tử khí chuyển động hỗn loạn và không bị ràng buộc chặt chẽ bởi lực liên kết.
• Sự khuếch tán: Mùi hương của nước hoa hoặc khói thuốc lá lan tỏa rất nhanh trong không khí. Hiện tượng khuếch tán ở thể khí diễn ra nhanh hơn nhiều so với thể lỏng, cho thấy các phân tử khí tự do di chuyển mà không bị lực liên kết kìm hãm.

2. Chứng minh khoảng cách giữa các phân tử ở thể khí rất lớn dựa vào khối lượng riêng:

Xét cùng một chất ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất:

• Gọi $\rho_r, \rho_l, \rho_k$ lần lượt là khối lượng riêng của chất đó ở thể rắn, thể lỏng và thể khí.
• Thực tế cho thấy: $\rho_r \approx \rho_l \gg \rho_k$. Thông thường, $\rho_k$ nhỏ hơn $\rho_l$ và $\rho_r$ hàng nghìn lần (ví dụ: nước lỏng có $\rho \approx 1000 kg/m^3$, trong khi hơi nước ở điều kiện tiêu chuẩn có $\rho \approx 0.6 kg/m^3$).
• Theo công thức $\rho = \frac{m}{V} \implies V = \frac{m}{\rho}$. Với cùng một khối lượng $m$ phân tử, vì $\rho_k$ rất nhỏ nên thể tích $V_k$ mà chất khí chiếm chỗ là rất lớn so với thể tích $V_l$ của chất lỏng và $V_r$ của chất rắn ($V_k \gg V_l \approx V_r$).
• Vì tổng thể tích tăng lên hàng nghìn lần trong khi số lượng phân tử không đổi, nên không gian trung bình dành cho mỗi phân tử trong thể khí là rất lớn. Điều này chứng tỏ khoảng cách trung bình giữa các phân tử ở thể khí rất lớn so với ở thể lỏng và thể rắn.

Dựa vào lý thuyết về mô hình động học phân tử chất khí, ta phân tích và điền vào bảng như sau:

1. Đối với nội dung số 2: Kích thước các phân tử khí rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng. Điều này có nghĩa là trong một đơn vị thể tích chất khí, phần thể tích thực sự bị chiếm bởi các phân tử là rất nhỏ, phần còn lại là khoảng không gian trống.

$\rightarrow$ Hiện tượng thực tế: Khả năng nén khí (Ví dụ: Khi ta ấn pít-tông của một ống tiêm đã bịt kín đầu, thể tích khí bên trong giảm đi đáng kể).

2. Đối với nội dung số 3: Khi chuyển động, các phân tử khí va chạm liên tục với nhau và với thành bình. Mỗi lần va chạm, phân tử truyền một xung lực cho thành bình.

$\rightarrow$ Hiện tượng thực tế: Áp suất chất khí tác dụng lên thành bình (Ví dụ: Quả bóng bay căng phồng do không khí bên trong va chạm với thành bóng).

Kết luận: Bảng 8.1 hoàn thiện như sau:

Dựa trên mô hình động học phân tử chất khí, ta lập luận như sau:

1. Bản chất của áp suất chất khí: Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn không ngừng. Khi chuyển động, chúng va chạm với nhau và va chạm vào thành bình chứa. Mỗi lần va chạm, phân tử truyền cho thành bình một xung lực. Tổng hợp tất cả các xung lực này trên một đơn vị diện tích thành bình trong một đơn vị thời gian chính là áp suất của chất khí.

2. Phân tích khi giảm thể tích (giữ nguyên nhiệt độ):

• Về tốc độ: Vì nhiệt độ được giữ nguyên, động năng trung bình của các phân tử không đổi, do đó tốc độ trung bình của các phân tử khí vẫn giữ nguyên. Điều này có nghĩa là cường độ (lực) của mỗi lần va chạm đơn lẻ không thay đổi.
• Về mật độ: Khi giảm thể tích $V$ của bình chứa mà khối lượng khí (số phân tử $N$) không đổi, mật độ phân tử ($\frac{N}{V}$) sẽ tăng lên. Các phân tử khí trở nên 'đông đúc' hơn trong một không gian hẹp hơn.
• Về tần suất va chạm: Do mật độ phân tử tăng, xác suất và số lần va chạm của các phân tử lên một đơn vị diện tích thành bình trong một đơn vị thời gian sẽ tăng lên rõ rệt.

Kết luận: Vì lực va chạm mỗi lần là không đổi nhưng số lần va chạm tăng lên, nên tổng lực tác dụng lên thành bình tăng, dẫn đến áp suất $p$ của khí tăng.

Ví dụ thực tế:

• Ống tiêm (Xy lanh): Khi ta bịt kín đầu ống tiêm và ấn pit-tông xuống để giảm thể tích khối khí bên trong, ta sẽ cảm thấy lực cản từ pit-tông tăng dần. Đó là do thể tích khí giảm khiến áp suất khí trong ống tăng lên, đẩy ngược pit-tông ra ngoài.
• Bơm xe đạp: Khi nhấn tay cầm của bơm (đã bịt kín van), càng đẩy sâu (giảm thể tích) thì càng thấy nặng tay hơn do áp suất khí trong ống bơm tăng cao.