Để khảo sát mối liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ của một lượng khí xác định, một nhóm học sinh tiến hành thí nghiệm bố trí như hình bên. Đối tượng khảo sát là một quả cầu kim loại chứa không
21/28
Để khảo sát mối liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ của một lượng khí xác định, một nhóm học sinh tiến hành thí nghiệm bố trí như hình bên. Đối tượng khảo sát là một quả cầu kim loại chứa không khí, được nhúng ngập hoàn toàn trong bình chứa nước. Quả cầu khí được nối với một khí áp kế để đo áp suất, đồng thời có gắn một van có thể đóng - mở nhằm kết nối hoặc cô lập khí trong quả cầu với khí quyển bên ngoài. Nhiệt độ của hệ được theo dõi bằng nhiệt kế đặt trong bình chứa nước. Bằng cách thay đổi nhiệt độ của nước nhờ nguồn nhiệt, nhiệt độ của khí trong quả cầu được điều khiển thông qua quá trình cân bằng nhiệt. Trong suốt quá trình thí nghiệm, bỏ qua sự co giãn không đáng kể của bình khí. Ban đầu, mở van để khí trong bình cân bằng áp suất với khí quyển, sau đó đóng van để cô lập khối khí trong bình. Ghi lại các giá trị nhiệt độ và áp suất ban đầu của khí vào bảng số liệu. Tiếp theo, bật bếp điện và điều chỉnh công suất ở mức phù hợp để nhiệt độ của nước tăng chậm; đồng thời thường xuyên khuấy nước để đảm bảo nhiệt độ nước trong bình đồng đều, giúp khí trong quả cầu nhanh chóng đạt cân bằng nhiệt với nước. Cứ mỗi khi nhiệt độ tăng thêm \({10^ \circ }{\rm{C}}\), nhóm học sinh tiến hành ghi lại đồng thời nhiệt độ và áp suất tương ứng của khí vào bảng số liệu. Kết quả thí nghiệm được trình bày trong bảng sau:
Nhiệt độ t (oC) | 25,0 | 35,0 | 45,0 | 55,0 | 65,0 |
Áp suất p (105 Pa) | 1,01 | 1,04 | 1,08 | 1,11 | 1,15 |
Quả cầu chứa khí được làm bằng kim loại và nhúng ngập hoàn toàn trong nước nhằm tăng cường trao đổi nhiệt, giúp khí bên trong quả cầu nhanh chóng đạt cân bằng nhiệt với nước, qua đó giảm sai số trong phép đo.
Áp suất khí trong quả cầu tăng tỉ lệ thuận với nhiệt độ.
Quá trình biến đổi khí trong thí nghiệm là quá trình đẳng tích.
Mật độ phân tử trung bình của lượng khí đã sử dụng trong thí nghiệm là \(2,{46.10^{25}}\) phân tử/M3.
a) Đúng. Kim loại dẫn nhiệt tốt và việc nhúng ngập giúp diện tích tiếp xúc tối đa, đảm bảo nhiệt độ của khí bằng nhiệt độ của nước hiển thị trên nhiệt kế.
b) Sai. Áp suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối \(T\) (Kelvin), không tỉ lệ thuận với nhiệt độ Celsius \(t\).
c) Đúng. Đề bài cho biết bỏ qua sự co giãn không đáng kể của bình khí và van đã được đóng kín, nên thể tích khí không đổi.
d) Đúng. Xét tại trạng thái đầu: \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{T = 25 + 273 = 298K}\\{p = 1,{{01.10}^5}{\rm{\;Pa}}}\end{array}} \right.\)
Áp dụng công thức:
\(p = nkT \Rightarrow n = \frac{p}{{kT}} = \frac{{1,{{01.10}^5}}}{{1,{{38.10}^{ - 23}}.298}} \approx 2,{46.10^{25}}\) (phân tử/m3)