Vật lý 12 · Chương 2: Khí lí tưởng · Phương trình trạng thái của khí lí tưởng

Phương trình trạng thái của khí lí tưởng

Từ ba định luật suy ra pV/T không đổi; phương trình Clapeyron pV = nRT, điều kiện chuẩn và khối lượng riêng của khí.

⏱ 40 phút 🤖 AI hỗ trợ
📘 Vật lý 12 ⏱ 40 phút 🤖 AI hỗ trợ

Phương trình trạng thái của khí lí tưởng

Từ ba định luật suy ra pV/T không đổi; phương trình Clapeyron pV = nRT, điều kiện chuẩn và khối lượng riêng của khí.

Bài học hiện tại

Sẵn sàng học

Từ ba định luật suy ra pV/T không đổi; phương trình Clapeyron pV = nRT, điều kiện chuẩn và khối lượng riêng của khí.

Tiến độ

--

Thời lượng

40 phút

Bài tập

72

Nội dung từ hệ thống

Mục tiêu

Khởi động

Trong thực tế, thường cả ba thông số $p$, $V$, $T$ của khí cùng thay đổi: lốp xe nóng lên khi chạy và áp suất tăng; khí bơm vào bình phải nén lại và nóng lên. Các định luật trước chỉ cho phép một thông số không đổi. Bài này kết hợp chúng thành một phương trình tổng quát.

Kiến thức

1. Biến đổi tổng quát và phương trình trạng thái

Xét một lượng khí xác định chuyển từ trạng thái 1 $(p_1, V_1, T_1)$ sang trạng thái 2 $(p_2, V_2, T_2)$. Ta có thể thực hiện chuyển đó qua một trạng thái trung gian: trước hết biến đổi đẳng nhiệt, sau đó đẳng áp (hoặc đẳng tích). Áp dụng các định luật Boyle và Charles cho từng bước, ta được:

$$\dfrac{p_1V_1}{T_1} = \dfrac{p_2V_2}{T_2} \qquad \text{hay} \qquad \dfrac{pV}{T} = \text{hằng số}$$
Ba quá trình là trường hợp riêng của phương trình trạng thái Trạng thái 1 p₁, V₁, T₁ Đẳng nhiệt T không đổi: pV = hằng số Đẳng áp p không đổi: V/T = hằng số Đẳng tích V không đổi: p/T = hằng số
Từ một trạng thái đầu, giữ cố định lần lượt nhiệt độ, áp suất hoặc thể tích sẽ thu được ba quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích. Cả ba đều suy ra từ pV/T = hằng số.

2. Ba định luật là trường hợp riêng

Điều kiệnRút gọn từ $\dfrac{p_1V_1}{T_1} = \dfrac{p_2V_2}{T_2}$Định luật
$T_1 = T_2$$p_1V_1 = p_2V_2$Boyle
$p_1 = p_2$$\dfrac{V_1}{T_1} = \dfrac{V_2}{T_2}$Charles (đẳng áp)
$V_1 = V_2$$\dfrac{p_1}{T_1} = \dfrac{p_2}{T_2}$Charles (đẳng tích)

3. Phương trình Clapeyron

Thực nghiệm cho thấy hằng số trong phương trình trạng thái tỉ lệ với lượng khí. Với $n$ mol khí:

$$pV = nRT$$

Trong đó $R = 8{,}31$ J/(mol·K) là hằng số khí lí tưởng, $p$ tính bằng Pa, $V$ tính bằng m³, $T$ tính bằng K. Vì $n = m/M$ nên cũng có thể viết $pV = \dfrac{m}{M}RT$.

4. Điều kiện chuẩn và thể tích mol

Điều kiện chuẩn là $p = 1$ atm $= 1{,}013\cdot10^{5}$ Pa và $T = 273$ K (0 °C). Ở điều kiện chuẩn, thể tích của $1$ mol khí lí tưởng là $V = \dfrac{RT}{p} = \dfrac{8{,}31\cdot273}{1{,}013\cdot10^{5}} \approx 22{,}4\cdot10^{-3}$ m³ $\approx 22{,}4$ lít.

5. Khối lượng riêng của khí

Từ $pV = \dfrac{m}{M}RT$ suy ra khối lượng riêng $\rho = \dfrac{m}{V}$ của khí:

$$\rho = \dfrac{pM}{RT}$$

Ở nhiệt độ và áp suất cho trước, khí có khối lượng mol lớn hơn thì có khối lượng riêng lớn hơn. Khi cùng áp suất, nhiệt độ tăng thì khối lượng riêng giảm.

Ví dụ có lời giải

Ví dụ 1: Biến đổi tổng quát

Khí trong bình có thể tích $6$ lít ở áp suất $1$ atm và nhiệt độ $27$ °C. Nén khí đến áp suất $3$ atm và nhiệt độ $127$ °C. Tính thể tích khí sau khi nén.

$T_1 = 300$ K; $T_2 = 400$ K. Từ $\dfrac{p_1V_1}{T_1} = \dfrac{p_2V_2}{T_2}$:

$V_2 = \dfrac{p_1V_1T_2}{p_2T_1} = \dfrac{1\cdot6\cdot400}{3\cdot300} \approx 2{,}67$ lít.

Ví dụ 2: Tính số mol

Một bình thể tích $5{,}0$ lít chứa khí ở áp suất $2{,}0$ atm và nhiệt độ $27$ °C. Tính số mol khí.

Đổi: $p = 2{,}0\cdot1{,}013\cdot10^{5} = 2{,}03 \cdot 10^{5}$ Pa; $V = 5{,}0\cdot10^{-3}$ m³; $T = 300$ K.

$n = \dfrac{pV}{RT} = \dfrac{2{,}03 \cdot 10^{5}\cdot5{,}0\cdot10^{-3}}{8{,}31\cdot300} \approx 0{,}41$ mol.

Ví dụ 3: Khối lượng khí trong bình

Bình thể tích $20$ lít chứa khí oxi ($M = 32$ g/mol) ở áp suất $5{,}0\cdot10^{6}$ Pa và nhiệt độ $27$ °C. Tính khối lượng oxi trong bình.

$V = 20\cdot10^{-3}$ m³; $T = 300$ K; $M = 32\cdot10^{-3}$ kg/mol.

$m = \dfrac{pVM}{RT} = \dfrac{5{,}0\cdot10^{6}\cdot20\cdot10^{-3}\cdot32\cdot10^{-3}}{8{,}31\cdot300} \approx 1{,}28$ kg.

Ví dụ 4: Điều kiện chuẩn

Tính thể tích của $3$ mol khí ở điều kiện chuẩn và khối lượng riêng của không khí ($M = 29$ g/mol) ở điều kiện chuẩn.

$V = 3\cdot22{,}4 \approx 67{,}2$ lít (hoặc dùng $nRT/p \approx 67{,}2$ lít).

$\rho = \dfrac{pM}{RT} = \dfrac{1{,}013\cdot10^{5}\cdot29\cdot10^{-3}}{8{,}31\cdot273} \approx 1{,}29$ kg/m³.

Kiểm tra nhanh

Kiểm tra nhanh: Một lượng khí giữ nguyên áp suất, nhiệt độ tuyệt đối tăng gấp đôi. Thể tích thay đổi thế nào?

Thể tích tăng gấp đôi (từ $pV/T$ = hằng số với $p$ không đổi).

Kiểm tra nhanh: Ở điều kiện chuẩn, $2$ mol khí chiếm khoảng bao nhiêu lít?

$2\cdot22{,}4 = 44{,}8$ lít.

Kiểm tra nhanh: Cùng áp suất và nhiệt độ, khí nào có khối lượng riêng lớn hơn: $\text{H}_2$ ($M = 2$ g/mol) hay $\text{O}_2$ ($M = 32$ g/mol)?

Khí oxi, vì $\rho = pM/(RT)$ tỉ lệ với $M$.

Tóm tắt

  • Phương trình trạng thái: $\dfrac{p_1V_1}{T_1} = \dfrac{p_2V_2}{T_2}$ cho một lượng khí xác định.
  • Boyle và Charles là các trường hợp riêng khi $T$, $p$ hoặc $V$ không đổi.
  • Clapeyron: $pV = nRT$ với $R = 8{,}31$ J/(mol·K), dùng đơn vị SI.
  • Điều kiện chuẩn: $1$ mol khí chiếm khoảng $22{,}4$ lít; $\rho = pM/(RT)$.

Khi đã đọc xong, hãy bấm nút Luyện tập chủ đề này ở cuối bài để làm các câu trắc nghiệm, đúng/sai và trả lời ngắn về nội dung vừa học.

Kiểm tra mức độ hiểu bài

Chọn câu phù hợp để luyện ngay sau khi học xong nội dung.

72 câu
Luyện tập chủ đề này (72 câu)
Trắc nghiệm Dễ
Câu 222
Phương trình Clapeyron cho $n$ mol khí lí tưởng là
Đúng/sai Dễ
Câu 322
Về phương trình trạng thái của khí lí tưởng $\dfrac{p_1V_1}{T_1} = \dfrac{p_2V_2}{T_2}$, xét các phát biểu:
Trả lời ngắn Khó
Câu 422
Khí trong xi lanh ở 27 °C có thể tích 6 lít, áp suất 1 atm. Nén khí đến thể tích 2 lít và nhiệt độ tăng lên 127 °C. Áp suất khí lúc này là bao nhiêu atm? Kết quả làm tròn đến hàng…
Trắc nghiệm Dễ
Câu 223
Giá trị của hằng số khí lí tưởng $R$ gần bằng
Đúng/sai Trung bình
Câu 323
Từ phương trình Clapeyron $pV = nRT$ với $n$ mol khí lí tưởng, xét các phát biểu:
Trả lời ngắn Khó
Câu 423
Một lượng khí ở 27 °C, áp suất 2 atm có thể tích 3 lít. Thể tích của lượng khí này ở điều kiện chuẩn (0 °C, 1 atm) là bao nhiêu lít? Kết quả làm tròn đến hàng phần trăm.