Một khối khí lý tưởng đơn nguyên tử có thể tích V = 5l ở áp suất khí quyển
22/28
Một khối khí lý tưởng đơn nguyên tử có thể tích \({\rm{V}} = 5l\) ở áp suất khí quyển \(p = {1,013.10^5}{\rm{\;Pa}}\) và nhiệt độ \({\rm{T}} = 300{\rm{\;K}}\) (điểm A trong hình). Nó được làm nóng ở thể tích không đổi đến áp suất 3 atm (điểm B). Sau đó, nó được giãn nở đẳng nhiệt đến áp suất 1 atm (điểm C) và cuối cùng bị nén đẳng áp về trạng thái ban đầu.
a) Số mol của khí trong mẫu xấp xỉ là \(0,203{\rm{\;mol}}\).
b) Thể tích của khí ở C là 1,5 lít.
c) Nhiệt lượng khí nhận được trong quá trình \({\rm{A}} \to {\rm{B}}\) xấp xỉ là \(1,52{\rm{\;kJ}}\).
d) Trong quá trình \({\rm{B}} \to {\rm{C}}\) độ biến thiên động năng của khí \({\rm{\Delta }}U = 0\).
Phương pháp:
Sử dụng lí thuyết về đồ thị của các đẳng quá trình
Phương trình Clapeyron: \({\rm{pV}} = {\rm{nRT}}\)
Phương trình trạng thái khí lí tưởng: \(\frac{{{p_1}{V_1}}}{{{T_1}}} = \frac{{{p_2}{V_2}}}{{{T_2}}}\)
Động năng của phân tử khí: \({W_d} = \frac{3}{2}kT\) với \(k = \frac{R}{{{N_A}}}\)
Nguyên lí I nhiệt động lực học: \({\rm{\Delta }}U = A + Q\)
Cách giải:
a) Áp dụng phương trình trạng thái khí lí tưởng, ta có:
\({1,013.10^5}{.5.10^{ - 3}} = n.8,31.300 \Rightarrow n = 0,203\left( {{\rm{mol}}} \right)\)
\( \to \) a đúng
b) Từ đồ thị, ta thấy thể tích ở C là 15 lít.
\( \to \) b sai
c) Đối với khí lí tưởng, nội năng U chỉ phụ thuộc vào động năng \({W_d}\) (mà động năng \({W_d}\) phụ thuộc vào nhiệt độ T)
Suy ra: \(U = \mathop \sum \nolimits^ {W_d}\)
Từ \({\rm{A}} \to {\rm{B}}\) là quá trình đẳng tích nên công \({\rm{A}} = 0\)
Độ biến thiên nội năng \({\rm{\Delta }}U = Q\)
Suy ra: \({\rm{\Delta }}U = {\rm{\Delta }}\mathop \sum \nolimits^ {W_d}\)
Động năng của phân tử khí: \({W_d} = \frac{3}{2}kT\) với \(k = \frac{R}{{{N_A}}}\)
\( \Rightarrow {\rm{\Delta }}U = Q = {\rm{\Delta }}\mathop \sum \nolimits^ {W_d} \Rightarrow {\rm{\Delta }}U = Q = n.{N_A}.\frac{3}{2}k.\left( {{T_B} - {T_A}} \right)\)
\( \Rightarrow {\rm{\Delta }}U = Q = n.{N_A}.\frac{3}{2}.\frac{R}{{{N_A}}}.\left( {{T_B} - {T_A}} \right)\)
\( \Rightarrow {\rm{\Delta }}U = Q = n.\frac{3}{2}.R.\left( {{T_B} - {T_A}} \right)\)
Có: \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{T_A} = 300K}\\{{p_B} = 3{p_A}}\\{{V_A} = {V_B}}\end{array}} \right.\)
\( \Rightarrow {T_B} = 3{T_A} = 3.300 = 900{\rm{\;K}}\)
\( \Rightarrow {\rm{\Delta }}U = Q = \frac{3}{2}.0,203 \cdot 8,31.\left( {900 - 300} \right) \approx 1518\left( {\rm{J}} \right) \approx 1,52\left( {{\rm{kJ}}} \right)\)
\( \to \) c đúng
d) Từ \({\rm{B}} \to {\rm{C}}\) là quá trình đẳng nhiệt
Mà độ biến thiên nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ
Độ biến thiên nội năng của khí trong quá trình \({\rm{B}} \to {\rm{C}}\) là \({\rm{\Delta }}U = 0\)
\( \to \) d đúng