Bài 10. Định luật Charles trang 31, 32, 33 SBT Vật lí 12 Kết nối tri thức

10.1

Biểu thức nào sau đây không phù hợp với nội dung của định luật Charles?

A. $\frac{V}{T}$ = hằng số.

B. $\frac{V_{1}}{T_{1}} = \frac{V_{2}}{T_{2}}$ .

C. $V = V_{o} (1 + α t) .$

D. $V \sim \frac{1}{T}$

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về quá trình đẳng áp

Lời giải chi tiết:

Định luật Charles: $V \sim T$

Đáp án: D

10.2

Đồ thị nào sau đây không phù hợp với quá trình đẳng áp?

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về quá trình đẳng áp

Lời giải chi tiết:

Hình C là quá trình đẳng tích

Đáp án: C

10.3

Trong hiện tượng nào sau đây có quá trình đẳng áp của một lượng khí xác định?

A. Thổi không khí vào một quả bóng bay.

B. Quả bóng bàn bị bẹp nhúng vào nước nóng, phồng lên như cũ.

C. Không khí trong một xi lanh đặt nằm ngang có áp suất bằng áp suất khí quyển bên ngoài, được đun nóng thì đẩy pit-tông chuyển động không ma sát trong xi lanh.

D. Không khí trong một xi lanh đặt thẳng đứng được đun nóng đẩy pit-tông chuyển động nhanh dần.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về quá trình đẳng áp

Lời giải chi tiết:

Khi đun nóng không khí trong xi lanh, thể tích của không khí tăng lên (do nhiệt độ tăng làm cho thể tích không khí tăng theo định luật Charles nếu áp suất không đổi). Nếu xi lanh không có ma sát, áp suất bên trong và bên ngoài xi lanh có thể được giữ không đổi trong suốt quá trình. Đây là quá trình đẳng áp vì áp suất bên trong không thay đổi trong khi thể tích thay đổi do nhiệt độ tăng.

Đáp án: C

10.4

Nội dung của câu nào sau đây không phù hợp với định luật Charles?

A. Trong quá trình đẳng áp, thể tích của một lượng khí xác định tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối.

B. Hệ số nở đẳng áp của mọi chất khí đều bằng $\frac{1}{273}$

C. Đường biểu diễn quá trình đẳng áp trong hệ toạ độ (V – T) là đường thẳng đi qua gốc toạ độ.

D. Trong quá trình đẳng áp, khi nhiệt độ tăng từ 20 °C lên 40 °C thì thể tích khí tăng lên gấp đôi.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về quá trình đẳng áp

Lời giải chi tiết:

$\frac{V_{1}}{V_{2}} = \frac{T_{1}}{T_{2}} = \frac{20 + 273}{40 + 273} \approx 0, 94$ nên thể tích khí chỉ tăng lên khoảng 1,07 lần

Đáp án: D

10.5

Hãy dùng các số liệu trong bảng ghi kết quả thí nghiệm về quá trình đẳng áp của một lượng khí không đổi trong bảng dưới đây để xác định mối quan hệ giữa thể tích và nhiệt độ Kelvin của lượng khí và vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ này.

Bảng ghi kết quả thí nghiệm về quá trình đẳng áp của một lượng khí không đổi

Nhiệt độ (°C)

Thể tích (cm³)

87

107

127

147

3,4

3,6

3,8

4,0

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về quá trình đẳng áp

Lời giải chi tiết:

Bước 1: Đổi nhiệt độ trong bảng ra nhiệt độ tuyệt dối.

Bước 2: Tính các giá trị của $\frac{V}{T}$ để chứng tỏ $\frac{V}{T}$ = hằng số.

Bước 3 : Vẽ đồ thị.

10.6

Khi tăng nhiệt độ của một lượng khí từ 32 °C lên 117 °C và giữ áp suất khí không đổi thì thể tích khí tăng thêm 1,7 lít. Tính thể tích lượng khí trước và sau khi tăng nhiệt độ.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về quá trình đẳng áp

Lời giải chi tiết:

Ta có:

$\begin{array}{l} \frac{V_{1}}{V_{2}} = \frac{T_{1}}{T_{2}} = \frac{32 + 273}{117 + 273} = \frac{61}{78} \Rightarrow \frac{V_{1}}{V_{1} + 1, 7} = \frac{61}{78} \\ \Rightarrow V_{1} = 6, 1 l; V_{2} = 7, 8 l \end{array}$

10.7

Một xi lanh đặt nằm ngang chứa 100 cm³ khí ở nhiệt độ 27 °C, dưới áp suất bằng áp suất khí quyển bên ngoài. Người ta đun nóng bình lên đến 57 °C cho xi lanh chuyển động gần như đều. Coi ma sát giữa xilanh và pit-tông không đáng kể.

1. Tính thể tích khí trong xi lanh ở 57 °C.

2. Vẽ đồ thị biểu diễn quá trình trên theo toạ độ (V – T) và (p – V).

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về quá trình đẳng áp

Lời giải chi tiết:

1. Quá trình biến đổi trạng thái của khí là đẳng áp với áp suất luôn bằng áp suất của khí quyển.

Áp dụng định luật Charles, ta có:

$V_{2} = \frac{V_{1} T_{2}}{T_{1}} = \frac{100. (57 + 273)}{27 + 273} = 110 (c m^{3})$

2.

(V – T)	(p – V)

10.8

Xung quanh hiện tượng quả bóng bàn bị bẹp được nhúng vào nước nóng thì phồng lên như cũ..

Đây là một hiện tượng đơn giản mà ngay cả những người chưa từng chơi bóng bàn cũng biết. Tuy nhiên, khi có người sử dụng hiện tượng này làm ví dụ cho sự nở vì nhiệt của chất khí, cho định luật Charles (trước đây gọi là định luật Gay Lussac) thì có khá nhiều ý kiến khác nhau. Ý kiến chấp nhận cũng có, ý kiến chấp nhận nhưng đề nghị nói rõ thêm cũng có, ý kiến phản đối dữ dội vì coi đây là một sai lầm hoàn toàn cũng có,...

Em quan niệm thế nào về hiện tượng này? Hãy nhớ lại những kiến thức đã học về chất khí để trả lời các câu hỏi sau đây nhằm thể hiện quan điểm của mình về hiện tượng gây tranh cãi trên.

1. Hiện tượng quả bóng bàn bị bẹp được nhúng vào nước thì phồng lên như cũ liên quan đến đẳng quá trình nào của chất khí?

A. Vì trong hiện tượng này, thể tích khí tăng theo nhiệt độ nên liên quan đến quá trình đẳng áp.

B. Vì trong hiện tượng này, áp suất khí tăng theo nhiệt độ nên liên quan đến quá trình đẳng tích.

C. Vì trong hiện tượng này có sự thay đổi thể tích và áp suất nên liên quan quá trình đẳng nhiệt.

D. Hiện tượng này không phải là một đẳng quá trình.

2. Nội dung câu nào dưới đây là đúng, sai?

Nội dung	Đánh giá
Nội dung	Đúng	Sai
a) Định luật Charles là định luật về quá trình biến đổi thể tích của một lượng khí theo nhiệt độ khi áp suất không đổi. Do đó không thể áp dụng định luật này cho chất khí trong quả bóng bàn bẹp nhúng vào nước nóng, phồng lên như cũ.
b) Cả 3 thông số trạng thái p, V và T của lượng khí trong quả bóng bàn ở hiện tượng nêu trên đều thay đổi. Đây là trường hợp mà chúng ta chưa đề cập tới cả trong bài học này lẫn các bài học trước đây về chất khí.

3. Tại sao quá trình biến đổi trạng thái của không khí trong quả bóng bị xẹp khi được nhúng vào nước nóng không phải là quá trình đẳng áp?

4. Hãy nghĩ ra một phương án thí nghiệm đơn giản để chứng tỏ, nếu coi quá trình biến đổi trạng thái của không khí trong quả bóng bàn bị xẹp khi được nhúng vào nước nóng phồng lên như cũ là quá trình nở vì nhiệt và dùng định luật Charles để xác định nhiệt độ của nước có thể làm cho không khí trong quả bóng dãn nở lấy lại thể tích cũ, thì kết quả tìm được sẽ không đúng với thực tế.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về quá trình đẳng áp

Lời giải chi tiết:

1. Hiện tượng quả bóng bàn bị bẹp khi nhúng vào nước nóng và phồng lên là do sự kết hợp của việc tăng nhiệt độ, tăng thể tích và thay đổi áp suất của không khí bên trong bóng. Đây là một quá trình phức tạp và không thể đơn giản hóa thành một đẳng quá trình cụ thể nào. Đáp án là: D

2, a) và b) đều đúng.

3. Muốn cho quả bóng phồng lên thì áp lực của không khí bên trong bóng tác dụng lên vỏ bóng phải lớn hơn áp lực của không khí bên ngoài và lực đàn hồi của vỏ bóng bị biến dạng. Do đó áp suất của không khí bên trong bóng phải tăng, quá trình này không phải đẳng áp vì cả thể tích và áp suất của khí trong quả bóng đều thay đổi.

4. Mục tiêu: Chứng minh rằng việc áp dụng định luật Charles một cách đơn thuần vào trường hợp quả bóng bàn bị xẹp nhúng vào nước nóng để xác định nhiệt độ làm phồng bóng trở lại là không chính xác.

Dụng cụ: HS tự chuẩn bị

Tiến hành:

– Đo kích thước ban đầu

– Nhúng bóng vào nước nóng

– Đo nhiệt độ

– Áp dụng định luật Charles

Phân tích kết quả:

– So sánh nhiệt độ tính toán và thực tế

– Phân tích sai số:

+ Sự thay đổi áp suất: Khi bóng phồng lên, áp suất bên trong bóng cũng thay đổi. Định luật Charles chỉ áp dụng cho quá trình đẳng áp, do đó việc áp dụng nó vào trường hợp này sẽ gây ra sai số.

+ Sự thay đổi nhiệt độ không đồng đều: Nhiệt độ của nước nóng không đồng đều, đặc biệt là ở lớp tiếp xúc với bóng. Điều này cũng ảnh hưởng đến kết quả đo.

+ Sự giãn nở của vật liệu: Vỏ bóng bàn cũng giãn nở khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, ảnh hưởng đến thể tích bên trong bóng.

+ Sự thoát hơi nước: Một phần hơi nước có thể ngưng tụ trên thành trong của bóng, ảnh hưởng đến thể tích của không khí bên trong.

Kết luận: Kết quả thực nghiệm sẽ cho thấy nhiệt độ tính toán từ định luật Charles thường không trùng khớp với nhiệt độ thực tế. Điều này chứng tỏ rằng việc áp dụng đơn giản định luật Charles vào trường hợp này là không chính xác.

Để mô tả chính xác quá trình này, chúng ta cần sử dụng các phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các khái niệm phức tạp hơn trong nhiệt động lực học.