Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Mô hình phân tử khí và thuyết động học phân tử
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em mô tả được đặc điểm chuyển động và sắp xếp của phân tử trong chất khí so với chất rắn và chất lỏng, phát biểu đúng ba nội dung của thuyết động học phân tử chất khí, và nêu được hai đặc điểm dùng để mô hình hoá một chất khí lí tưởng.
Kiến thức nền cần nhớ
Ở môn Khoa học tự nhiên lớp 8, em đã học rằng mọi chất đều được cấu tạo từ những hạt rất nhỏ (phân tử, nguyên tử), giữa các hạt có khoảng cách, và các hạt chuyển động không ngừng — chuyển động càng nhanh khi nhiệt độ càng cao *(prior-grade review)*. Course 1 của khoá Vật lí 12 này cũng vừa nhắc lại: nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho mức độ chuyển động nhiệt của phân tử, đo bằng thang Kelvin trong hệ SI *(same-grade bridge)*. Bài hôm nay dùng đúng hai ý đó, nhưng đào sâu riêng cho chất khí — thể có cấu trúc phân tử đơn giản và dễ mô hình hoá nhất trong ba thể.
Khởi động
Xịt một ít nước hoa ở góc phòng kín, quạt tắt, cửa đóng. Vài phút sau, đứng ở góc đối diện, em vẫn ngửi thấy mùi. Không khí gần như đứng yên, vậy phân tử nước hoa đã di chuyển tới đó bằng cách nào? Hãy đoán trước khi đọc tiếp.
Kiến thức trọng tâm
Ba thể rắn, lỏng, khí khác nhau chủ yếu ở khoảng cách và cách sắp xếp giữa các phân tử. Trong chất rắn, phân tử xếp gần nhau theo trật tự và chỉ dao động quanh vị trí cân bằng. Trong chất lỏng, phân tử vẫn gần nhau nhưng có thể trượt qua nhau, không giữ vị trí cố định. Trong chất khí, khoảng cách trung bình giữa các phân tử lớn hơn nhiều so với kích thước mỗi phân tử — lớn tới mức lực hút giữa chúng gần như không đáng kể, trừ lúc va chạm trực tiếp. Chính vì vậy chất khí không có hình dạng và thể tích riêng: nó chiếm đầy toàn bộ bình chứa, dễ nén hơn hẳn rắn và lỏng, và có khối lượng riêng nhỏ hơn nhiều.
Số liệu chỉ mang tính minh hoạ bậc độ lớn: khoảng cách phân tử trong chất khí lớn gấp khoảng chục lần so với chất rắn, chứ không phải một hằng số đo được cho mọi chất.
Từ đặc điểm cấu trúc trên, người ta tổng kết thành **thuyết động học phân tử chất khí**, gồm ba nội dung chính. Thứ nhất, chất khí được cấu tạo từ các phân tử có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng, coi gần đúng mỗi phân tử như một chất điểm. Thứ hai, các phân tử khí chuyển động hỗn loạn không ngừng — gọi là chuyển động nhiệt — theo mọi phương với tốc độ khác nhau; nhiệt độ của khối khí càng cao thì chuyển động này càng mạnh, tức tốc độ trung bình của phân tử càng lớn. Thứ ba, trong lúc chuyển động, các phân tử va chạm với nhau và va chạm vào thành bình chứa; chính vô số va chạm liên tục của phân tử lên thành bình là nguyên nhân gây ra áp suất của chất khí lên thành bình đó.
Ba nội dung này luôn đi cùng nhau: chính vì phân tử nhỏ và ở xa nhau (1) nên chúng tự do chuyển động hỗn loạn (2), và chính chuyển động đó gây ra va chạm tạo áp suất (3).
Để tính toán các định luật chất khí một cách đơn giản, các nhà vật lí đưa ra mô hình **khí lí tưởng**: một chất khí được coi là lí tưởng nếu bỏ qua kích thước riêng của phân tử (coi như chất điểm) và bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử, trừ lúc chúng va chạm với nhau. Đây là mô hình gần đúng — không có chất khí thực nào tuyệt đối như vậy — nhưng gần đúng tốt cho khí thực ở áp suất không quá cao và nhiệt độ không quá thấp, vì khi đó khoảng cách phân tử còn đủ lớn để tương tác giữa chúng thực sự yếu. Ở áp suất rất cao hoặc nhiệt độ rất thấp, phân tử bị ép gần nhau hơn, tương tác không còn bỏ qua được, và mô hình khí lí tưởng kém chính xác dần.
Khối lượng riêng nhỏ của chất khí, hệ quả trực tiếp của khoảng cách phân tử lớn, có thể thấy rõ qua số liệu thực tế: không khí ở điều kiện thường có khối lượng riêng khoảng $1{,}2$ kg/m³, trong khi nước — một chất lỏng — có khối lượng riêng $1000$ kg/m³, lớn hơn không khí tới khoảng $800$ lần. Sự chênh lệch khổng lồ này không phải vì phân tử khí nhẹ hơn phân tử nước, mà vì trong cùng một thể tích, số phân tử khí chứa được ít hơn hẳn so với số phân tử nước — đúng như thuyết động học phân tử đã mô tả: phân tử khí ở cách xa nhau, còn phần lớn thể tích giữa chúng chỉ là khoảng trống.
Ví dụ minh hoạ
Ví dụ
Giải thích hiện tượng mùi nước hoa lan toả không cần gió
1
Xịt nước hoa ở một góc phòng kín, không quạt. Sau vài phút, người đứng ở góc đối diện cũng ngửi thấy mùi dù không khí gần như đứng yên. Giải thích hiện tượng bằng thuyết động học phân tử.
2
Hơi nước hoa cũng gồm các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng theo mọi hướng (nội dung 2). Vì khoảng cách giữa các phân tử không khí lớn hơn nhiều so với kích thước phân tử (nội dung 1), các phân tử nước hoa có đủ chỗ trống để len lỏi, di chuyển tự do xen giữa các phân tử không khí.
3
Theo thời gian, chuyển động hỗn loạn đưa phân tử nước hoa lan toả khắp thể tích căn phòng dù không có luồng gió cưỡng bức nào đẩy chúng đi. Hiện tượng này gọi là sự khuếch tán, và nó xảy ra nhanh nhất ở thể khí — đúng như dự đoán vì khí là thể có khoảng cách phân tử lớn nhất trong ba thể. Vậy sự lan toả mùi hương là biểu hiện trực tiếp của chuyển động nhiệt hỗn loạn không ngừng.
Ví dụ
Nhận định về mô hình khí lí tưởng (dạng đúng/sai)
1
Cho các phát biểu về khí lí tưởng: (1) khí lí tưởng bỏ qua kích thước phân tử so với khoảng cách giữa chúng; (2) khí lí tưởng bỏ qua hoàn toàn khối lượng của phân tử; (3) khí lí tưởng bỏ qua tương tác giữa các phân tử trừ lúc va chạm; (4) khí thực ở áp suất rất cao luôn tuân theo đúng mô hình khí lí tưởng. Xác định số phát biểu ĐÚNG.
2
(1) đúng — đây chính là điều kiện thứ nhất của mô hình. (2) sai — khí lí tưởng chỉ bỏ qua kích thước (thể tích riêng) của phân tử, phân tử vẫn có khối lượng $m$ như bình thường. (3) đúng — đây là điều kiện thứ hai của mô hình. (4) sai — ở áp suất rất cao, mật độ phân tử lớn, khoảng cách giữa chúng giảm mạnh nên tương tác không còn bỏ qua được, mô hình khí lí tưởng kém chính xác dần.
3
Có 2 phát biểu đúng (1 và 3), 2 phát biểu sai (2 và 4) — khớp với định nghĩa hai điều kiện của mô hình đã học ở trên, không có điều kiện nào nói về khối lượng phân tử hay về áp suất cao. Vậy số phát biểu đúng là 2.
Ví dụ
So sánh khối lượng riêng để nhận diện thể của một chất
1
Một chất có khối lượng riêng đo được là $1{,}3$ kg/m³ ở điều kiện thường. Dựa vào thuyết động học phân tử, hãy dự đoán chất này đang ở thể nào và giải thích ngắn gọn.
2
Chất rắn và chất lỏng thường có khối lượng riêng cỡ hàng trăm tới hàng nghìn kg/m³ (ví dụ nước $1000$ kg/m³), vì phân tử của chúng xếp sát nhau. Giá trị $1{,}3$ kg/m³ nhỏ hơn hẳn — gần với khối lượng riêng của không khí (khoảng $1{,}2$ kg/m³) — cho thấy khoảng cách giữa các phân tử của chất này rất lớn so với kích thước phân tử.
3
Vậy chất này đang ở thể khí, vì chỉ ở thể khí khoảng cách phân tử mới đủ lớn để khối lượng riêng nhỏ tới mức đó.
Sai lầm thường gặp
Nhầm lẫn thường gặp: cho rằng khí lí tưởng là loại khí "không có thật" hoặc "không có khối lượng". Thực ra khí lí tưởng là một MÔ HÌNH gần đúng cho khí thực — phân tử của nó vẫn có khối lượng, chỉ là kích thước và lực tương tác được bỏ qua để đơn giản hoá tính toán.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Thuyết động học phân tử chất khí: phân tử khí rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng, chuyển động hỗn loạn không ngừng, và va chạm liên tục lên thành bình gây ra áp suất. Khí lí tưởng là mô hình bỏ qua kích thước và tương tác phân tử (trừ lúc va chạm) để đơn giản hoá tính toán.
Bài tiếp theo sẽ khai thác riêng nội dung thứ ba của thuyết động học phân tử — va chạm gây áp suất — để giải thích định tính vì sao đun nóng một bình khí kín lại làm áp suất trong bình tăng lên.
Ở môn Khoa học tự nhiên lớp 8, em đã học rằng mọi chất đều được cấu tạo từ những hạt rất nhỏ (phân tử, nguyên tử), giữa các hạt có khoảng cách, và các hạt chuyển động không ngừng — chuyển động càng nhanh khi nhiệt độ càng cao (prior-grade review). Course 1 của khoá Vật lí 12 này cũng vừa nhắc lại: nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho mức độ chuyển động nhiệt của phân tử, đo bằng thang Kelvin trong hệ SI (same-grade bridge). Bài hôm nay dùng đúng hai ý đó, nhưng đào sâu riêng cho chất khí — thể có cấu trúc phân tử đơn giản và dễ mô hình hoá nhất trong ba thể.
Ba thể rắn, lỏng, khí khác nhau chủ yếu ở khoảng cách và cách sắp xếp giữa các phân tử. Trong chất rắn, phân tử xếp gần nhau theo trật tự và chỉ dao động quanh vị trí cân bằng. Trong chất lỏng, phân tử vẫn gần nhau nhưng có thể trượt qua nhau, không giữ vị trí cố định. Trong chất khí, khoảng cách trung bình giữa các phân tử lớn hơn nhiều so với kích thước mỗi phân tử — lớn tới mức lực hút giữa chúng gần như không đáng kể, trừ lúc va chạm trực tiếp. Chính vì vậy chất khí không có hình dạng và thể tích riêng: nó chiếm đầy toàn bộ bình chứa, dễ nén hơn hẳn rắn và lỏng, và có khối lượng riêng nhỏ hơn nhiều.
Từ đặc điểm cấu trúc trên, người ta tổng kết thành thuyết động học phân tử chất khí, gồm ba nội dung chính. Thứ nhất, chất khí được cấu tạo từ các phân tử có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng, coi gần đúng mỗi phân tử như một chất điểm. Thứ hai, các phân tử khí chuyển động hỗn loạn không ngừng — gọi là chuyển động nhiệt — theo mọi phương với tốc độ khác nhau; nhiệt độ của khối khí càng cao thì chuyển động này càng mạnh, tức tốc độ trung bình của phân tử càng lớn. Thứ ba, trong lúc chuyển động, các phân tử va chạm với nhau và va chạm vào thành bình chứa; chính vô số va chạm liên tục của phân tử lên thành bình là nguyên nhân gây ra áp suất của chất khí lên thành bình đó.
Để tính toán các định luật chất khí một cách đơn giản, các nhà vật lí đưa ra mô hình khí lí tưởng: một chất khí được coi là lí tưởng nếu bỏ qua kích thước riêng của phân tử (coi như chất điểm) và bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử, trừ lúc chúng va chạm với nhau. Đây là mô hình gần đúng — không có chất khí thực nào tuyệt đối như vậy — nhưng gần đúng tốt cho khí thực ở áp suất không quá cao và nhiệt độ không quá thấp, vì khi đó khoảng cách phân tử còn đủ lớn để tương tác giữa chúng thực sự yếu. Ở áp suất rất cao hoặc nhiệt độ rất thấp, phân tử bị ép gần nhau hơn, tương tác không còn bỏ qua được, và mô hình khí lí tưởng kém chính xác dần.
Khối lượng riêng nhỏ của chất khí, hệ quả trực tiếp của khoảng cách phân tử lớn, có thể thấy rõ qua số liệu thực tế: không khí ở điều kiện thường có khối lượng riêng khoảng 1,2 kg/m³, trong khi nước — một chất lỏng — có khối lượng riêng 1000 kg/m³, lớn hơn không khí tới khoảng 800 lần. Sự chênh lệch khổng lồ này không phải vì phân tử khí nhẹ hơn phân tử nước, mà vì trong cùng một thể tích, số phân tử khí chứa được ít hơn hẳn so với số phân tử nước — đúng như thuyết động học phân tử đã mô tả: phân tử khí ở cách xa nhau, còn phần lớn thể tích giữa chúng chỉ là khoảng trống.
Theo thời gian, chuyển động hỗn loạn đưa phân tử nước hoa lan toả khắp thể tích căn phòng dù không có luồng gió cưỡng bức nào đẩy chúng đi. Hiện tượng này gọi là sự khuếch tán, và nó xảy ra nhanh nhất ở thể khí — đúng như dự đoán vì khí là thể có khoảng cách phân tử lớn nhất trong ba thể. Vậy sự lan toả mùi hương là biểu hiện trực tiếp của chuyển động nhiệt hỗn loạn không ngừng.
(1) đúng — đây chính là điều kiện thứ nhất của mô hình. (2) sai — khí lí tưởng chỉ bỏ qua kích thước (thể tích riêng) của phân tử, phân tử vẫn có khối lượng m như bình thường. (3) đúng — đây là điều kiện thứ hai của mô hình. (4) sai — ở áp suất rất cao, mật độ phân tử lớn, khoảng cách giữa chúng giảm mạnh nên tương tác không còn bỏ qua được, mô hình khí lí tưởng kém chính xác dần.
Một chất có khối lượng riêng đo được là 1,3 kg/m³ ở điều kiện thường. Dựa vào thuyết động học phân tử, hãy dự đoán chất này đang ở thể nào và giải thích ngắn gọn.
Chất rắn và chất lỏng thường có khối lượng riêng cỡ hàng trăm tới hàng nghìn kg/m³ (ví dụ nước 1000 kg/m³), vì phân tử của chúng xếp sát nhau. Giá trị 1,3 kg/m³ nhỏ hơn hẳn — gần với khối lượng riêng của không khí (khoảng 1,2 kg/m³) — cho thấy khoảng cách giữa các phân tử của chất này rất lớn so với kích thước phân tử.