Với giải Hoạt động 2 trang 48 Vật lí 12 Kết nối tri thức chi tiết trong Bài 12: Áp suất khí theo mô hình động học phân tử. Quan hệ giữa động năng phân tử và nhiệt độ giúp học sinh dễ dàng xem và so sánh lời giải từ đó biết cách làm bài tập Vật lí 12. Mời các bạn đón xem:

Giải bài tập Vật lí 12 Bài 12: Áp suất khí theo mô hình động học phân tử. Quan hệ giữa động năng phân tử và nhiệt độ

Hoạt động 2 trang 48 Vật lí 12: Hãy dựa vào tính chất trên của chuyển động phân tử để tính thời gian ∆t giữa hai va chạm liên tiếp của một phân tử lên thành bình ABCD theo l và v.

Từ đó dùng công thức tính xung lượng của lực trong thời gian At (đã học ở lớp 10) để chứng minh:

a) Lực do thành bình ABCD tác dụng lên một phân tử khí có giá trị là $-\frac{m{v}^2}{l}$, lực do một phần từ khí tác dụng lên thành bình ABCD có gá trị là $+\frac{m{v}^2}{l}$

b) Áp suất do một phân tử khí tác dụng lên thành bình ABCD có giá trị là: $p_m=\frac{m}{V}{v}^2$ với thể tích lượng khí V = P.

Lời giải:

Thời gian va chạm giữa hai lần va chạm liên tiếp của một phân tử:

$\mathrm{\Delta }t=\frac{s}{v}=\frac{2l}{v}$

a) Lực do thành bình ABCD tác dụng lên một phân tử khí và lực do một phân tử khí tác dụng lên thành bình ABCD:

- Theo định luật III Newton, hai lực này có cùng độ lớn và ngược chiều nhau.

- Lực do thành bình ABCD tác dụng lên một phân tử khí được gọi là lực phản xạ.

- Lực do một phân tử khí tác dụng lên thành bình ABCD được gọi là áp suất.

b) Áp suất do một phân tử khí tác dụng lên thành bình ABCD:

Áp suất được định nghĩa là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích.

Lực do một phân tử khí tác dụng lên thành bình ABCD là $F=\frac{mv}{\mathrm{\Delta }t}$

Diện tích bị tác dụng là diện tích một cạnh của hình vuông ABCD, A = l².

Do đó, áp suất do một phân tử khí tác dụng lên thành bình ABCD là:

$\begin{array}{l}{p}_m=\frac{F}{A}=\frac{\frac{mv}{\mathrm{\Delta }t}}{l^2}=\frac{mv}{2l}\\ pV=nRT=\frac{N}{N_A}RT\\ \Rightarrow V=\frac{NRT}{p}\\ \Rightarrow p_m=m\frac{RT}{p}.\frac{v}{2l}=\frac{m}{V}{v}^2\end{array}$

Lý thuyết Áp suất khí theo mô hình động học phân tử

1. Tác dụng của một phân tử khí lên thành bình

Xét một phân tử khí chuyển động trong một bình hình lập phương, mỗi cạnh có chiều dài L rất nhỏ. Phân tử này có khối lượng m và đang di chuyển với tốc độ v theo phương song song với một cạnh của bình tới va chạm đàn hồi và trực diện với thành bình ABCD. Sau khi va chạm, phân tử chuyển động theo chiều ngược lại với tốc độ có cùng độ lớn v tới thành bình đối diện.

Độ biến thiên độ lượng của phân tử do va chạm với thành bình ABCD có độ lớn là:

$\left|\mathrm{\Delta }\overrightarrow{p}\right|=\left|-mv-\left(+mv\right)\right|=\left|-2mv\right|=2mv$

Thời gian giữa một lần va chạm của phân tử với thành bình ABCD và lần va chạm tiếp theo của nó với cùng thành bình đó là $\mathrm{\Delta }t=\frac{2L}{v}$. Do giữa hai va chạm liên tiếp, phân tử khí lí tưởng chuyển động thẳng đều nên $\mathrm{\Delta }t$ là thời gian ghi nhận được động lượng của phân tử khí biến thiên một lượng là 2mv.

Vậy độ lớn trung bình của lực gây ra thay đổi động lượng của phân tử khí đang xét là:

$F=\frac{2mv}{\frac{2L}{v}}=\frac{m{v}^2}{L}$

Lực do phân tử khí tác dụng lên thành bình ABCD có cùng độ lớn với F.

Thành bình ABCD là hình vuông nên diện tích của nó là:

$S=L^2$

Vậy áp suất do một phân tử khí gây ra là:

$p_i=\frac{F}{S}=\frac{\frac{m{v}^2}{L}}{L^2}=\frac{m{v}^2}{L^3}$

Trong bình không phải chỉ có một mà có một số lượng lớn các phân tử khí, mỗi phân tử khí có một giá trị $v^2$ khác nhau và mỗi phân tử đều góp phần gây ra áp suất lên thành bình. Vì thế, khi tính giá trị trung bình của $p_i$, ta phải lấy giá trị trung bình của $v^2$ (kí hiệu là $\overline{v^2}$).

2. Tác dụng của N phân tử khí lên thành bình

Nếu trong bình có N phân tử thì áp suất do chúng gây ra được tính bằng tích của N và giá trị trung bình của $p_i$, tức là: $p=\frac{Nm\overline{v^2}}{L^3}$

Thực tế, các phân tử trong bình chuyển động hỗn loạn không có phương nào ưu tiên, tức là chúng chuyển động và va chạm với ba cặp mặt đối diện của hình lập phương như nhau. Do đó, ta phải chia kết quả đã tính cho 3 để được áp suất do tất cả các phân tử gây ra lên mỗi mặt của bình lập phương. Với thể tích của bình là $V=L^3$, ta thu được:

$p=\frac{1}{3}\frac{Nm\overline{v^2}}{V}$

Vì N.m là khối lượng của tất cả các phân tử khí, tức là khối lượng của lượng khí trong bình nên ta có:

$p=\frac{1}{3}\mu \overline{v^2}=\frac{2}{3}\mu E_d$

Với $\mu$ là khối lượng riêng của chất khí.