Khí lý tưởng

Như ta biết, vật chất được cấu tạo từ những phần tử cơ sở là phân tử hay nguyên tử, gọi chung là hạt. Hạt rất nhỏ nhưng vẫn có kích thước nhất định. Giữa các hạt cũng luôn tồn tại những lực tương tác. Trong nhiều trường hợp, việc phải xem xét ảnh hưởng của hai yếu tố này làm các nghiên cứu gặp khó khăn, đôi khi không giải quyết được. Để khắc phục khó khăn này, các nhà khoa học đã đề xuất mô hình "khí lý tưởng".

Một chất khí được xem là lý tưởng khi thỏa mãn các điều kiện sau:

• Thể tích của các hạt cấu tạo nên chất khí bằng không.
• Không có lực tương tác giữa các hạt.
• Sự va chạm giữa các hạt là đàn hồi.

Trong thực tế ta không có khí lý tưởng mà chỉ có khí thực. Nhưng đối với các chất khí thông thường, trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thông thường (không quá cao hay không quá thấp), thể tích của bản thân của hạt chỉ chiếm một phần rất nhỏ, không đáng kể so với thể tích chung. Khi ấy, khoảng cách giữa các hạt là khá lớn so với kích thước hạt nên lực tương tác rất nhỏ. Khi đó ta có thể xem khí ấy như lý tưởng để việc khảo sát được dễ dàng, sai số phạm phải không lớn, trong phạm vi chấp nhận được.

kmol `mu`

Trong hóa học ta đã quen với khái niệm mol. Tuy nhiên đơn vị này lại tương ứng với g, không phải kg như đơn vị khối lượng chuẩn của hệ SI. Do đó, để thuận tiện hơn trong tính toán, người ta đề xuất khái niệm "kmol".

"kmol là một lượng vật chất, có khối lượng, tính bằng kg, đúng bằng phân tử lượng của chất đó."

Trong chương trình nhiệt kỹ thuật, chúng ta sẽ ký hiệu kmol là `mu`.

Thí dụ

• C₂H₄ có phân tử lượng là 28 nên   `mu_("C"_2"H"_4) = 28\ "kg/kmol"`
• O₃ có phân tử lượng là 48 nên   `mu_("0"_3)=48\ "kg/kmol"`

Định luật Avogadro

Định luật này có một số cách phát biểu khác nhau. Để được thuận tiện cho các phần tiếp theo, ta sử dụng cách phát biểu sau:

"Trong cùng điều kiện về áp suất và nhiệt độ. một kmol của bất kỳ khí lý tưởng nào cũng chiếm một thể tích giống nhau"

Thí dụ

Trong điều kiện tiêu chuẩn (0 ºC và 1 atm), thể tích của 1 kmol bất kỳ khí lý tưởng nào cũng có thể tích là 22,4 m³.

 

Trước tiên các nhà khoa học đã tìm ra một số phương trình riêng rẽ liên kết các thông số trạng thái trong các điều kiện nhất định như thể tích không đổi hay áp suất không đổi (các phương trình Boyle, Mariotte, Gay Lussac, . . .). Sau đó người ta dùng thuyết động học phân tử để chứng minh cho trường hợp tổng quát hơn.

Xét một khối khí có thể tích là `V`, khối lượng là `M`. Khối khí này có nhiệt độ là `T` và áp suất là `p`. Phương trình trạng thái khí lý tưởng cho ta biết quan hệ giữa các thông số này và trình bày dưới dạng sau:

`pV=MRT`(1)

Trong đó, `R` là hằng số khí lý tưởng, có đơn vị là J•kg^-1•K^-1. Điều cần lưu ý là các chất khí khác nhau có `R` khác nhau.

Khi ta chia cả hai vế của phương trình (1) cho `M`, ta có:

`pv=RT`(2)

Nếu ta nhân cả hai vế của phương trình (2) cho `mu` thì:

`pv mu=mu RT`(3)

Với  `v mu=V_(mu)` = thể tích của 1 kmol khí lý tưởng, ta được:

`pV_(mu)=mu RT`(4)

Xắp xếp lại phương trình (4) :

`(pV_(mu))/T=mu R`

(5)

Khi ta áp dụng phương trình (5) cho nhiều loại khí khác nhau nhưng có cùng nhiệt độ và áp suất thì định luật Avogadro cho biết thể tích 1 kmol `V_(mu)` của chúng đều giống nhau. Như vậy vế trái là một hằng số nên tích số `mu R` giống nhau cho mọi loại khí và ta đặt:

`mu R=R_(mu)`(6)

`R_(mu)` là hằng số phổ biến, nghĩa là như nhau cho mọi loại khí lý tưởng. Giá trị này được xác định bằng cách sử dụng phương trình (5) cho trạng thái tiêu chuẩn:

  `R_(mu)=(pV_(mu))/T=(101.325xx22,4)/(275,15)=8314\ "J kmol"^-1 "K"^-1 `

Ta còn có thể viết lại phương trình (1) dưới dạng sau:

`pV=M/mu mu RT`

(7)

Hay :

`pV=mR_(mu)T`(8)

Với `m` là số kmol khí lý tưởng.

Giá trị của `R,mu` và một số thông số khác của khí lý tưởng được tham khảo tại Phụ lục 3.1.

Một bình chứa CO₂ có thể tích là 40 lít. Khi nhiệt độ là 32 ºC thì áp kế chỉ giá trị là 45 bar. Hỏi lúc ấy khối lượng CO₂ trong bình là bao nhiêu kg ?

Kết quả Thử lại

Lời giải