Đề Thi Chuyên Sâu Vật Lý THPT: Cột Thủy Ngân, Áp Kế Khí & Các Đẳng Quá Trình

Một chiếc lốp ô tô chứa không khí ở áp suất 5 atm, nhiệt độ $27^{\circ }\mathrm{C}$. Khi xe chạy, nhiệt độ của khí trong lốp tăng lên đến $54^{\circ }\mathrm{C}$, coi thể tích lốp xe không thay đổi, áp suất không khí trong lốp khi đó là

Một nhóm học sinh thực hiện thí nghiệm kiểm chứng định luật Charles của một lượng khí xác định trong ống thuỷ tinh như hình vẽ. Một giọt acid sulfuric được nhỏ vào giữa ống để chặn cột khí bên dưới và ngăn không cho khí thoát ra. Nước được đun sôi rồi đổ vào cốc thủy tinh, sao cho mực nước cao hơn vị trí giọt acid sulfuric và cột khí. Khuấy đều nước để nhiệt độ đồng nhất. Nhóm học sinh ghi lại số chỉ trên nhiệt kế và chiều cao cột khí tại nhiều thời điểm khác nhau. Các phát biểu sau đúng hay sai?

Để kiểm chứng định luật Boyle, một học sinh dùng bộ thí nghiệm chất khí (như Hình vẽ 1) để kiểm chứng mối liên hệ giữa áp suất $p$ và thể tích $V$ của một lượng khí xác định trong quá trình đẳng nhiệt. Trong đó (1) là cylinder chứa khí có các vạch chia độ để xác định thể tích. Thể tích của lượng khí trong cylinder có thể thay đổi bằng cách di chuyển piston (2). Áp kế (3) và giá đỡ (4). Mở nút cao su ở đáy cylinder để lấy khí, điều chỉnh để đáy piston ngang với số 2 trên cylinder (tương ứng với 20 ml không khí) sau đó lắp chặt nút chai lại.

Một học sinh tiến hành bố trí và lắp đặt các dụng cụ thí nghiệm như hình bên (tên các dụng cụ được ghi trên hình vẽ) để khảo sát các thông số trạng thái của khí lí tưởng. Giả thiết lượng khí bên trong xilanh và bình là khí lí tưởng.

Một học sinh sử dụng bộ dụng cụ như hình vẽ để khảo sát mối quan hệ giữa áp suất và thể tích của một khối khí xác định. Hình vẽ mô tả một ống thủy tinh cố định đặt thẳng đứng, diện tích tiết diện của ống là $7,5\cdot 10^{-5}$ m${}^2$ chứa một cột không khí xem là khí lí tưởng bị nhốt bởi dầu. Dầu trong ống được nối với một bình chứa dầu và một áp kế. Một cái bơm tay được nối với hệ thống để tăng áp suất. Khi áp suất của khối khí bị nhốt tăng lên, chiều dài của cột khí bị nhốt giảm xuống. Học sinh thu thập dữ liệu và ghi vào bảng sau.

Một học sinh sử dụng bộ dụng cụ thí nghiệm như hình bên dưới để tìm hiểu mối liên hệ giữa thể tích $V$ và nhiệt độ tuyệt đối $T$ của một khối lượng khí xác định.

Học sinh này làm như sau: Cho khối khí A vào phần ống mao dẫn có một đầu kín và ngăn cách với bên ngoài bằng giọt thủy ngân (đầu còn lại của ống để hở); Nhúng ống mao dẫn thẳng đứng trong một bình nước; Đun nóng từ từ nước trong bình rồi ghi lại chiều cao của khối khí A và nhiệt độ $t{}^{\circ }\mathrm{C}$ của nước. Kết quả thu được như bảng bên dưới.

(Coi rằng nhiệt độ khí trong ống luôn bằng nhiệt độ nước trong bình và bỏ qua sự giãn nở thể tích của ống)

Một nhóm học sinh thực hiện thí nghiệm khảo sát mối liên hệ giữa thể tích và nhiệt độ của một lượng khí xác định (được coi là khí lí tưởng) khi giữ áp suất không đổi. Dụng cụ thí nghiệm gồm áp kế; xilanh; pit-tông gắn với tay quay; hộp chứa nước nóng và cảm biến nhiệt độ như hình vẽ. Các thao tác thí nghiệm như sau:

(1) Đọc giá trị phần thể tích chứa khí của xilanh và số chỉ của cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ khí trong xilanh lúc đầu.

(2) Đổ nước sôi vào hộp chứa cho ngập hoàn toàn xi lanh.

(3) Dịch chuyển pit-tông từ từ sao cho số chỉ của áp kế không đổi. Đọc giá trị của phần thể tích chứa khí và nhiệt độ sau mỗi phút và ghi kết quả.

Kết quả đo giá trị của phần thể tích chứa khí và nhiệt độ sau mỗi phút như bảng sau:

Phong vũ biểu thủy ngân được phát minh bởi Evangelista Torricelli vào năm 1643, là thiết bị dùng để đo áp suất khí quyển. Nó gồm một ống thủy tinh dài khoảng 80 cm – 90 cm, một đầu kín, đầu còn lại nhúng vào chậu chứa thủy ngân như hình bên. Số chỉ phong vũ biểu được xác định bằng chiều cao cột thủy ngân trong ống so với mặt thoáng thủy ngân trong chậu. Xem nhiệt độ không đổi. Thể tích thủy ngân trong ống rất nhỏ so với thể tích thủy ngân trong chậu.

Trong quá trình hít vào, cơ hoành và cơ liên sườn của một người co lại, mở rộng khoang ngực và hạ thấp áp suất không khí bên trong để không khí đi vào qua miệng, mũi đến phổi. Giả sử phổi của một người chứa 5500 ml không khí ở áp suất bằng áp suất khí quyển $1,01\cdot 10^5$ Pa và nhiệt độ $37^{\circ }\mathrm{C}$ (xem như không đổi). Cho $N_A=6,02\cdot 10^{23}$ phân tử/mol.

Biết không khí trong môi trường sống có nhiệt độ $0^{\circ }\mathrm{C}$ và thể tích mol $22,4$ lít/mol, thể tích không khí mà vận động viên hít vào khi hít sâu là $2,73$ lít. Nhiệt độ phổi của vận động viên luôn ở mức $37^{\circ }\mathrm{C}$. Khi hít vào, không khí được đẩy vào phổi có nhiệt độ $37^{\circ }\mathrm{C}$ sau khi qua mũi, họng, đồng thời nhanh chóng đạt được sự cân bằng áp suất bên trong và bên ngoài. Biết chênh lệch áp suất của không khí bên trong và bên ngoài phổi tối đa mà vận động viên chịu được là 150 mmHg.

Một nồi áp suất có van là một lỗ tròn diện tích 1 cm${}^2$ luôn được áp chặt bởi một lò xo có độ cứng $k=1300$ N/m và luôn bị nén 1 cm, bên trong chỉ chứa không khí. Hỏi nếu ban đầu lượng khí đó ở áp suất khí quyển $p_0=10^5$ Pa và nhiệt độ $27^{\circ }\mathrm{C}$ thì đến khi lượng khí đó có nhiệt độ bao nhiêu ${}^{\circ }\mathrm{C}$ van sẽ mở ra (làm tròn kết quả đến chữ số hàng đơn vị)?

Một bánh xe máy được bơm căng không khí ở nhiệt độ $20^{\circ }\mathrm{C}$ và áp suất 2 atm. Coi thể tích khí trong lốp bánh xe không đổi. Khi để ngoài nắng nhiệt độ $42^{\circ }\mathrm{C}$, thì áp suất khí trong bánh xe bằng bao nhiêu atm? (Làm tròn kết quả đến chữ số hàng phần trăm).