Với giải bài tập Vật Lí lớp 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng sách Cánh diều hay nhất, chi tiết giúp học sinh dễ dàng làm bài tập Vật Lí 12 Cánh diều Bài 2.

Giải Vật Lí 12 Cánh diều Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng

Bình chứa oxygen (Hình 2.1) là một thiết bị thường dùng trong điều trị người bệnh

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Mở đầu trang 36 Vật Lí 12: Bình chứa oxygen (Hình 2.1) là một thiết bị thường dùng trong điều trị người bệnh có vấn đề về hô hấp. Tuy nhiên, khi sử dụng bình cần đặc biệt chú ý nơi bảo quản nhằm đảm bảo an toàn do nguy cơ cháy nổ cao. Khí oxygen trong bình ở áp suất cao nên không phải là khí lí tưởng. Tuy nhiên, người ta vẫn sử dụng mô hình khí lí tưởng để tìm hiểu mối liên hệ giữa các thông số của một lượng khí như áp suất, nhiệt độ và thể tích, từ đó suy ra nguyên tắc bảo quản và sử dụng an toàn các bình chứa khí. Vậy mối liên hệ đó như thế nào?

Lời giải:

Mối liên hệ giữa các thông số trạng thái như áp suất, nhiệt độ, thể tích của khí lí tưởng được mô tả thông qua phương trình trạng thái $\frac{pV}{T}=const$

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

Lập phương án thí nghiệm tìm mối liên hệ giữa thể tích khí và áp suất

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Câu hỏi 1 trang 37 Vật Lí 12: Lập phương án thí nghiệm tìm mối liên hệ giữa thể tích khí và áp suất của nó khi giữ nhiệt độ không đổi với các dụng cụ thực hành ở trường.

Lời giải:

Dụng cụ:

- Xi lanh trong suốt có độ chia nhỏ nhất 0,5 cm³ (1).

- Pit-tông có ống nối khí trong xi lanh với áp kế (2).

- Áp kế có độ chia nhỏ nhất 0,05.10⁵ Pa (3).

- Giá đỡ thí nghiệm (4).

- Thước đo (5).

Tiến hành:

- Bố trí thí nghiệm như hình vẽ.

- Dịch chuyển từ từ pit-tông để làm thay đổi thể tích khí.

- Đọc giá trị của thể tích và áp suất trên áp kế tương ứng thu được bảng giá trị

- Rút ra mối liên hệ p và V.

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

Áp kế (1) có mức 0 ứng với áp suất khí quyển, đơn vị đo của áp kế là Bar

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Thực hành, khám phá trang 37 Vật Lí 12: 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).

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.

- Mở van áp kế, dùng tay quay dịch chuyển pit-tông sang phải để lấy một lượng khí xác định vào xilanh.

- Đóng van, đọc và ghi giá trị áp suất p (hiện trên áp kế), thể tích V của khí trong xilanh (theo vạch chia trên xilanh) khi đó.

- Dùng tay quay cho pit-tông dịch chuyển từ từ đến các vị trí mới.

Đọc giá trị p, V ứng với mỗi vị trí và ghi kết quả theo mẫu Bảng 2.1.

Kết quả

- Vẽ đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa thể tích và áp suất của chất khí khi nhiệt độ không đổi.

- Tính tích pV của mỗi lần đo và rút ra nhận xét.

Lời giải:

- Đồ thị:

- Bảng kết quả

Tích pV ở trong các lần có giá trị gần bằng nhau.

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

Việc dịch chuyển pit-tông từ từ giúp đảm bảo điều kiện gì

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Câu hỏi 2 trang 37 Vật Lí 12: Việc dịch chuyển pit-tông từ từ giúp đảm bảo điều kiện gì?

Lời giải:

Việc dịch chuyển pit-tông từ từ giúp đảm bảo cho nhiệt độ trong quá trình thí nghiệm không bị thay đổi do ma sát.

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

Vẽ đồ thị p - V theo số liệu thu được trong thí nghiệm đã thực hiện hoặc theo số liệu

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Câu hỏi 3 trang 37 Vật Lí 12: Vẽ đồ thị p - V theo số liệu thu được trong thí nghiệm đã thực hiện hoặc theo số liệu ở Bảng 2.1 và so sánh với dạng đồ thị trong Hình 2.4.

Lời giải:

Đồ thị p – V dựa vào bảng số liệu có hình dạng gần giống với đồ thị hình 2.4a.

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

Đồ thị p theo 1/V có dạng đường thẳng mà nếu kéo dài sẽ đi qua gốc toạ độ

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Câu hỏi 4 trang 38 Vật Lí 12: Đồ thị p theo $\frac{1}{V}$ có dạng đường thẳng mà nếu kéo dài sẽ đi qua gốc toạ độ cho thấy giữa hai đại lượng p và V có mối quan hệ gì?

Lời giải:

Từ đồ thị 2.4b thấy được p và $\frac{1}{V}$ có mối quan hệ tỉ lệ thuận nên p và V có mối quan hệ tỉ lê nghịch.

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

Một quả bóng có chứa 0,04 m^3 khí ở áp suất 120 kPa

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Luyện tập 1 trang 38 Vật Lí 12: Một quả bóng có chứa 0,04 m³ khí ở áp suất 120 kPa. Nếu giảm thể tích quả bóng xuống còn 0,025 m³ ở nhiệt độ không đổi thì áp suất khí trong bóng là bao nhiêu?

Lời giải:

Áp dụng định luật Boyle cho quá trình đẳng nhiệt:

$p_1{V}_1=p_2{V}_2\Rightarrow 120.0,04=p_2.0,025\Rightarrow p_2=192kPa$

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

Sử dụng các kí hiệu T1, V1, T2 và V2 để viết công thức định luật Charles

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Câu hỏi 5 trang 39 Vật Lí 12: Sử dụng các kí hiệu T₁, V₁, T₂ và V₂ để viết công thức định luật Charles cho một quá trình đẳng áp của lượng khi xác định.

Lời giải:

Công thức cho quá trình đẳng áp: $\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}$

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

Một xilanh chứa 0,16 dm^3 khí nitrogen ở nhiệt độ phòng 25 độ C và áp suất 1,2 atm

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Luyện tập 2 trang 40 Vật Lí 12: Một xilanh chứa 0,16 dm³ khí nitrogen ở nhiệt độ phòng 25 ⁰C 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?

Lời giải:

Áp dụng định luật Charles cho quá trình đẳng áp:

$\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}\Rightarrow \frac{0,16}{25+273}=\frac{0,20}{T_2}\Rightarrow T_2=372,5K=99,5°C$

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

Xây dựng phương án thí nghiệm minh hoạ mối liên hệ giữa nhiệt độ và thể tích

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Câu hỏi 6 trang 40 Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

Chuẩn bị:

- Xi lanh thuỷ tinh dung tích 50 mL, có độ chia nhỏ nhất 1 mL (1).

- Nhiệt kế điện tử (2).

- Ba cốc thuỷ 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 dưới.

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 thể 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.

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

Dụng cụ Áp kế (1) có mức 0 ứng với áp suất khí quyển, đơn vị đo của áp kế là Bar

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Thực hành, khám phá trang 40 Vật Lí 12: 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 biến 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 biễu diễn mối liên hệ giữa nhiệt độ và thể tích chất khí khi áp suất không đổi.

Lời giải:

- Bảng kết quả

Tỉ số $\frac{V}{T}$ trong các lần đo có giá trị gần bằng nhau.

- Đồ thị:

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

So sánh đồ thị nhiệt độ - thể tích thu được theo kết quả thí nghiệm đã thực hiện với đồ thị

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Câu hỏi 7 trang 41 Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

Đồ thị thu được theo kết quả thí nghiệm có dạng giống với đồ thị hình 2.5.

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

Với quá trình biến đổi được biểu diễn trên Hình 2.9, hãy so sánh nhiệt độ

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Câu hỏi 8 trang 42 Vật Lí 12: Với quá trình biến đổi được biểu diễn trên Hình 2.9, hãy so sánh nhiệt độ, thể tích, áp suất của trạng thái 1 với trạng thái 2’, của trạng thái 2' với trạng thái 2.

Lời giải:

Trạng thái 1: p₁; V₁; T₁

Trạng thái 2’: p₂; V’₂; T₁

Trạng thái 2: p₂; V₂; T₂

Trạng thái 1 với trạng thái 2’ có cùng nhiệt độ, của trạng thái 2' với trạng thái 2 có cùng áp suất.

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

Hãy giả sử chất khí biến đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 qua trạng thái trung gian

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Câu hỏi 9 trang 42 Vật Lí 12: Hãy giả sử chất khí biến đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 qua trạng thái trung gian 3 (khác với 2') và lập luận đề vẫn thu được công thức (2.6)

Lời giải:

Xét quá trình (1) sang quá trình (3) là quá trình đẳng áp, quá trình (3) sang quá trình (2) là quá trình đẳng nhiệt:

Trạng thái 1: p₁; V₁; T₁

Trạng thái 3: p₁; $V_1^{\text{'}}$; T₂

Trạng thái 2: p₂; V₂; T₂

Quá trình đẳng áp: $\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_1^{\text{'}}}{T_2}\Rightarrow V_1^{\text{'}}=\frac{V_1.T_2}{T_1}$  (2)

Quá trình đẳng nhiệt: $p_1{V}_1^{\text{'}}=p_2{V}_2$  (1)

Thay (1) vào (2) được: $p_1\frac{V_1{T}_2}{T_1}=p_2{V}_2\iff \frac{p_1{V}_1}{T_1}=\frac{p_2{V}_2}{T_2}$

Vậy: Quá trình chuyển trạng thái không phụ thuộc cách chuyển trạng thái mà chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và trạng thái cuối.

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

Một lốp xe chứa 0,020 m^3 không khí ở 27 độ C và áp suất 3,0.105 Pa

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Luyện tập 3 trang 42 Vật Lí 12: Một lốp xe chứa 0,020 m³ không khí ở 27 ^oC và áp suất 3,0.10⁵ Pa. Tính khối lượng không khí trong lốp xe. Biết khối lượng mol của không khí là 28,8 g/mol.

Lời giải:

Áp dụng công thức:

$pV=nRT\Rightarrow {3.10}^5.0,02=n.8,31.(27+273)\Rightarrow n=2,41mol$

 Khối lượng không khí trong lốp xe: $m=n.M=2,41.28,8=69,41g$

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

Hãy vận dụng định luật Boyle để giải thích nguyên lí hoạt động của loại bình xịt

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Vận dụng trang 43 Vật Lí 12: Hãy vận dụng định luật Boyle để giải thích nguyên lí hoạt động của loại bình xịt như trong Hình 2.10.

Lời giải:

Nguyên lý hoạt động của bình xịt aerosol dựa trên sự tạo ra áp suất và sự phân tán của chất lỏng. Quá trình hoạt động diễn ra như sau:

- Khi bạn nhấn nút nhấn, hệ thống chất đẩy được kích hoạt, tạo ra áp suất trong chai.

- Áp suất tạo ra bởi hệ thống chất đẩy đẩy chất lỏng lên qua van phun.

- Khi chất lỏng tiếp xúc với van phun, áp suất cao sẽ làm cho chất lỏng bị phân tán thành hạt nhỏ.

- Hạt nhỏ này được đẩy ra khỏi van phun thông qua áp suất và tạo thành một dòng sương mịn.

- Khi dòng sương mịn phun ra sẽ được sử dụng để phun lên bề mặt hoặc trong không gian nhằm đạt được hiệu quả sử dụng mong muốn.

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác:

Trong lịch sử, phương trình trạng thái của khí lí tưởng được Clapeyron

Giải Vật Lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng - Cánh diều

Tìm hiểu thêm trang 43 Vật Lí 12: Trong lịch sử, phương trình trạng thái của khí lí tưởng được Clapeyron (Cla-pê-rôn) rút ra từ kết quả của ba định luật thực nghiệm về chất khí là: định luật Boyle (mô tả quá trình đẳng nhiệt), định luật Charles (mô tả quá trình đẳng áp) và định luật Gay-Lussac (mô tả quá trình đẳng tích). Phương trình trạng thái của khí lí tưởng cho thấy rằng ba định luật về chất khí không độc lập với nhau.

Hãy tìm hiểu để phát biểu và viết công thức mô tả mối liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ của một lượng khí lí tưởng trong quá trình đẳng tích.

Lời giải:

Quá trình đẳng tích: Trong quá trình đẳng tích của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.

$\frac{p}{T}=const$

Lời giải bài tập Vật lí 12 Bài 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng hay khác: