Giải SGK Vật lí 12 KNTT Bài 10. Định luật Charles có đáp án
9 câu hỏi
Khi giữ nguyên áp suất của một khối lượng khí xác định thì thể tích của khí phụ thuộc như thế nào vào nhiệt độ của nó?
Khi giữ nguyên áp suất của một khối lượng khí xác định, thể tích của khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của nó.
Hãy giải thích cách vẽ đồ thị của hàm: V = V0 (1 + αt) trong Hình 10.1a.
Hàm số: V = V0 (1 + αt) = V0 + Vαt. Hàm số có dạng giống như hàm số y = ax + b.
- Khi t = 0 oC thì V = V0
- Khi V = 0 thì t=−1α=−273
Xác định được toạ độ 2 điểm, vẽ đường thẳng đi qua 2 điểm này, do không có giá trị thể tích âm nên đồ thị xuất phát từ điểm -273 trên trục t. Trong thang nhiệt độ Celsius lấy 0 oC làm mốc nên từ điểm -273 đến 0 đồ thị có dạng nét đứt.
Hãy chứng tỏ rằng nếu đổi nhiệt độ Celcius t trong hệ thức (10.2) sang nhiệt độ Kelvin T tương ứng thì sẽ được một hệ thức mới chứng tỏ thể tích V của chất khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ Kelvin: VT = hằng số.
Từ hệ thức 10.2 có: V=V0(1+αt)=V01+1273(T−273)=V01+T273−1=V0T273
⇒VT=V0273= hằng số. Do đó V tỉ lệ thuận với T.
Ứng với các áp suất khác nhau của cùng một lượng khí, ta có những đường đẳng áp khác nhau. Hình 10.2 vẽ hai đường đẳng áp của cùng một lượng khí ứng với hai áp suất p1 và p2. Hãy so sánh p1 và p2.
Dựa vào đồ thị đã vẽ ở trên, giải thích bằng cách dùng khái niệm áp suất, khi cùng một thể tích, nhiệt độ T2 > T1 nên các phân tử khí va chạm ở nhiệt độ cao lớn hơn, gây ra áp suất lớn hơn do đó p2 > p1.
Hãy tìm ví dụ về ứng dụng định luật Charles trong đời sống.
Ví dụ về ứng dụng định luật Charles trong đời sống:
1. Chế biến thực phẩm: Định luật Charles được sử dụng trong quá trình chế biến thực phẩm. Khi nâng cao nhiệt độ, thức ăn trong nồi nóng sẽ nhanh chóng chín và hấp thụ nhiệt.
2. Hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí: Định luật Charles giúp hiểu về quá trình làm lạnh và điều hòa không khí. Khi hơi lạnh được nén lại, nhiệt độ của nó tăng lên và nó được làm mát. Khi hơi lạnh được giãn ra, nhiệt độ của nó giảm và không khí được làm lạnh.
3. Đo nhiệt độ: Định luật Charles cũng được sử dụng trong đo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, áp suất cũng tăng theo tỷ lệ thuận và ngược lại.
4. Hơi nước: Khi nước được đun sôi, nó chuyển thành hơi nước. Định luật Charles giúp hiểu về quá trình chuyển đổi này. Khi nhiệt độ tăng, hơi nước mở rộng và tăng áp suất.
5. Động cơ nhiệt: Định luật Charles được áp dụng trong động cơ nhiệt, nơi nhiệt độ cao của nguyên liệu hóa thạch được sử dụng để chuyển đổi năng lượng nhiệt thành công việc cơ học.
Chuẩn bị:
- Xi lanh thuỷ tinh dung tích 50 mL, có độ chia nhỏ nhất 1 mL (1).
- Nhiệt kế điện tử (2).
- Ba cốc thuỷ tinh (3), (4), (5).
- Nút cao su để bịt đầu ra của xi lanh.
- Giá đỡ thí nghiệm (6).
- Nước đá, nước ấm, nước nóng.
- Dầu bôi trơn.
Tiến hành:
Bước 1: Cho một chút dầu bôi trơn vào pit-tông để pit-tông dễ dàng di chuyển trong xi lanh. Điều chỉnh pit-tông ở mức 30 mL, bịt đầu ra của xi lanh bằng nút cao su.
Bước 2: Ghi giá trị nhiệt độ phòng và thể tích không khí trong xi lanh vào vở tương tự như Bảng 10.1.
Bước 3: Đổ nước đá vào cốc (3).
Bước 4: Nhúng xi lanh và nhiệt kế vào cốc. Sau khoảng thời gian 3 phút, ghi giá trị thể tích V của không khí trong xi lanh và nhiệt độ t vào bảng số liệu.
Bước 5: Lần lượt đổ nước ấm vào cốc (4) và nước nóng vào cốc (5). Thực hiện tương tự bước 4 ở mỗi trường hợp.
Từ kết quả thí nghiệm, thực hiện các yêu cầu sau:
- Tính T,VT.
- Từ số liệu thu được, vẽ đồ thị mối quan hệ V, T.
1. Kết quả thí nghiệm thu được có phù hợp với định luật Charles không?
2. Giải thích tại sao có thể coi quá trình biến đổi trạng thái của khí trong thí nghiệm trên là quá trình đẳng áp?
Bảng kết quả thí nghiệm minh hoạ định luật Charles:
Lần thí nghiệm | t (oC) | T (K) | V (mL) | VT (mL/K) |
1 | 24,5 | 297,5 | 30 | 0,101 |
2 | 0,5 | 273,5 | 27 | 0,099 |
3 | 41,5 | 314,5 | 33 | 0,105 |
4 | 59,3 | 332,3 | 35 | 0,105 |
1. Kết quả tỉ số VT thu được ở các lần thí nghiệm gần bằng nhau, nên kết quả thí nghiệm thu được có thể coi là phù hợp với định luật Charles.
2. Vì đồ thị V – T thu được gần như là 1 đường thẳng nên có thể coi quá trình biến đổi trạng thái của khí trong thí nghiệm trên là quá trình đẳng áp.
Thể tích của một lượng khí xác định tăng thêm 10% khi nhiệt độ của khí được tăng tới 47 °C. Xác định nhiệt độ ban đầu của lượng khí, biết quá trình trên là đẳng áp.
Trạng thái 1: V1; T1
Trạng thái 2: V2=V1+10%V1=1,1V1; T2=47+273=320 K
Áp dụng quá trình đẳng áp: V1T1=V2T2⇔V1T1=1,1V1320⇔T1=290,9 K=17,9 °C
Một khối lượng khí 12 g có thể tích 4 lít ở nhiệt độ 7 °C. Sau khi được đun nóng đẳng áp thì khối lượng riêng của khí là 1,2 g/lít. Xác định nhiệt độ của khí sau khi được đun nóng.
Thể tích của khối khí sau khi đun nóng đẳng áp: V2=121,2=10 lít
Áp dụng quá trình đẳng áp: V1T1=V2T2⇔47+273=10T2⇔T2= 700K= 427°C
Dùng định luật Charles giải thích được các hiện tượng thực tế có liên quan.
- Bơm xe đạp: Khi bơm xe đạp, ta nén khí trong bình chứa. Theo định luật Charles, khi thể tích khí giảm (do bị nén), áp suất khí tăng. Nhờ vậy, áp suất khí trong bình đủ lớn để đẩy lốp xe phồng lên.
- Nấu ăn: Khi nấu ăn, ta thường đun nóng thức ăn trong nồi. Khi nhiệt độ tăng, áp suất khí trong nồi cũng tăng theo. Do đó, nếu nồi kín, áp suất cao có thể khiến nắp nồi bật ra. Để tránh tình trạng này, người ta thường thiết kế nồi có van an toàn để thoát khí khi áp suất quá cao.
