Bài 1. Mô hình động học phân tử chất khí

I. ĐẶC ĐIỂM CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC PHÂN TỬ KHÍ

Năm 1827, khi quan sát các hạt phấn hoa trong nước bằng kính hiển vi, Robert Brown (Rô-bớt Braono, 1773 – 1858) đã nhận thấy chúng chuyển động không ngừng. Ghi lại vị trí của hạt phấn hoa sau những khoảng thời gian xác định, rồi nối các điểm đó lại, ta được một đường gấp khúc không theo một trật tự nào (Hình 1.2). Khi nhiệt độ của nước tăng thì các hạt phấn hoa cũng chuyển động nhanh hơn. Chuyển động như vậy của các hạt phấn hoa được gọi là chuyển động Brown. Đây là một hiện tượng giúp ta hình dung được về chuyển động phân tử.

Einstein (Anh-xtanh) đã giải thích chuyển động Brown như sau :

Các hạt phấn hoa bị các phân tử nước chuyển động hỗn loạn va đập vào từ mọi phía (Hình 1.3). Các phân tử nước có kích thước nhỏ hơn nhiều lần so với hạt phấn hoa và tại một thời điểm, số va đập trung bình của các phân tử nước vào hai phía đối diện bất kì của hạt phấn hoa không bằng nhau. Điều này gây nên chênh lệch áp lực và làm cho hạt phấn hoa chuyên động. Hai phía đối diện có chênh lệch áp lực là bất kì nên chuyển động của hạt phấn hoa không có phương ưu tiên.

Nhiệt độ của nước càng cao thì các phân tử nước chuyển động càng nhanh và càng hỗn loạn hơn, nên hạt phấn hoa cũng sẽ chuyển động nhanh hơn và hỗn loạn hơn.

Ta cũng quan sát thấy chuyển động Brown của các hạt khói lơ lửng trong không khí. Hiện tượng này được giải thích tương tự như chuyển động của hạt phấn hoa trong nước. Trong đó, các hạt khói đóng vai trò của các hạt phấn hoa, còn các phân tử không khí đóng vai trò của các phân tử nước. Từ đó, ta có thể rút ra đặc điểm chuyển động của các phân tử khí như sau:

• Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn, không ngừng.
• Nhiệt độ càng cao, các phân tử khí chuyển động càng nhanh.

Thực tế thì với không khí ở điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 0 ^oC và áp suất 1 atm), tốc độ trung bình của các phân tử khí khoảng 400 m/s. Ta chỉ xác định được tốc độ trung bình vì tại mỗi thời điểm bất kì, một số phân tử không khí có tốc độ lớn hơn tốc độ này và một số phân tử khác lại có tốc độ nhỏ hơn.

II. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ CHẤT KHÍ

1. Mô hình

Người ta đưa ra mô hình động học phân từ cho chất khí gồm các nội dung sau :

• Các phân tử khí ở xa nhau, khoảng cách giữa chúng rất lớn so với kích thước mỗi phân từ nên có thể bỏ qua kích thước của chúng.
• Các phân tử chất khí chuyển động hỗn loạn, không ngừng. Chuyển động này càng nhanh thì nhiệt độ chất khí càng cao.
• Khi chuyển động hỗn loạn, các phân tử va chạm vào nhau và và chạm vào thành bình chứa khí.
• Các phân tử khí va chạm vào thành binh gây ra áp suất lên thành bình chứa khí.

Các nội dung trên đây còn được gọi là thuyết động học phân tử chất khí.

2. Khí lí tưởng

Các nội dung của thuyết động học phân tử chất khí mô tả các đặc điểm của chất khí lí tưởng. Ta có thể coi một chất khí ở điều kiện nhiệt độ và áp suất khí quyền bình thường gần đúng là một khí lí tưởng. Mô hình khí lí tưởng có thể giải thích được nhiều kết quả nghiên cứu thực nghiệm chất khí ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển.

Mô hình khí lí tưởng gồm các nội dung sau :

• Các phân từ khí ở xa nhau, khoảng cách giữa chúng rất lớn so với kích thước mỗi phân tử nên có thể bỏ qua kích thước của chúng.
• Khi chưa va chạm, lực tương tác giữa các phân tử khí rất yếu, nên có thể bỏ qua.
• Giữa hai va chạm liên tiếp, phân tử khí lí tưởng chuyên động thẳng đều.
• Khi va chạm vào thành bình chứa, phân tử khí truyền động lượng cho thành bình và bị bật ngược trở lại (Hình 1.4). Và chạm của các phân tử khí với nhau và với thành bình là va chạm hoàn toàn đàn hồi.