Áp suất và thể tích của chất khí: khoang nhỏ, áp suất lớn

Một drone nghiên cứu phải mang một mẫu không khí bịt kín về, nhưng buồng chứa mẫu quá lớn so với ngăn chứa của drone khi bay về. Hãy tìm thể tích nhỏ nhất, là số nguyên mililít, thỏa các quy tắc về áp suất của nhiệm vụ.

Mọi con số trong bài học này đều lấy từ một mô hình khí lý tưởng. Không có con số nào ở đây được đo từ thiết bị thật. Bạn có thể thử nghiệm với mô hình và dùng nó để đưa ra quyết định, nhưng các giá trị của nó không thể cho thấy khí thực tuân theo quy tắc mà mô hình được xây dựng dựa trên.

Bản này có cùng các câu hỏi như bản tương tác và dùng được mà không cần đồ họa. Hãy trả lời từng câu hỏi trước khi đọc tiếp: trang này không ngăn bạn đọc trước, và giáo viên có thể thấy bạn đã dùng bản này.

Buồng bịt kín ban đầu có thể tích 60 mL và áp suất tuyệt đối 100 kPa. Một vỏ ổn nhiệt giữ khí ở 293 K (khoảng 20 °C).

Giữ buồng bịt kín và giữ nhiệt độ không đổi. Mở van làm thay đổi lượng khí; đun nóng làm thay đổi nhiệt độ. Cả hai cách đều khiến bạn không tách riêng được ảnh hưởng của thể tích.

Chọn ít nhất bốn số đọc, trong đó có 60 mL và 30 mL, tạo thành hai bước giảm thể tích bằng nhau. Chép chúng vào bảng.

• 60 mL → 100,0 kPa
• 55 mL → 109,1 kPa
• 50 mL → 120,0 kPa
• 45 mL → 133,3 kPa
• 40 mL → 150,0 kPa
• 35 mL → 171,4 kPa
• 30 mL → 200,0 kPa

Đây là các giá trị khi khí đã ổn định, cho một lượng khí không đổi ở 293 K. Khi nén nhanh trong thực tế, khí có thể nóng lên trong chốc lát; mô hình này không thể hiện điều đó.

Ở 24 mL, mô hình cho 250 kPa: P × V vẫn bằng 6000 kPa·mL khi lượng khí và nhiệt độ không đổi. P + V thay đổi (100 + 60 = 160, 200 + 30 = 230), và P ÷ V cũng vậy.

Các phân tử va chạm vào mỗi đơn vị diện tích thành buồng thường xuyên hơn. Chúng không nhỏ đi, và ở nhiệt độ không đổi chúng giữ nguyên tốc độ trung bình.

Áp suất ở đây là áp suất tuyệt đối: đo so với chân không, không phải so với không khí xung quanh.

Hãy chọn thể tích nhỏ nhất là số nguyên mà vẫn thỏa cả ba quy tắc. Các giới hạn này chỉ thuộc về thử thách thiết kế giả định này.

• Ngăn chứa mẫu chứa được tối đa 40 mL.
• Giới hạn áp suất tuyệt đối là 180 kPa.
• Chừa ít nhất 10 kPa dự phòng bên dưới giới hạn đó.

Tính P = 6000 ÷ V, rồi khoảng dự phòng = 180 − P. Ghi lại từng lần thử trong sổ ghi của bạn.

36 mL cho 166,7 kPa và 13,3 kPa dự phòng. 35 mL cho 171,4 kPa và chỉ còn 8,6 kPa dự phòng. Đây là các quy tắc thiết kế dùng trong lớp học, không phải chứng nhận an toàn cho bất kỳ thiết bị nào.

Bạn đã dùng một mối quan hệ tỉ lệ nghịch để đưa ra quyết định. Mô hình được xây dựng với P × V không đổi, nên việc thử nghiệm với nó không thể kiểm tra quy tắc đó với khí thực. Một xi lanh thật thì có thể. Giáo viên có thể giao bài học Boyle của LabsLand, trong đó bạn làm việc với các số đo đã được ghi lại từ thiết bị thật.

Câu hỏi này nói về một xi lanh thật, không phải mô hình. Không có gợi ý và không có phản hồi tự động. Giáo viên sẽ đọc lập luận của bạn.

Một xi lanh thật ban đầu chứa 60 mL không khí bịt kín ở áp suất 86 kPa, nhiệt độ không đổi.