Bài 8 — Chất khí, nhiệt độ và áp suất — Vật lý 10

Chất khí được cấu tạo từ vô số phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng. Chính các va chạm của phân tử vào thành bình gây ra áp suất của khối khí.

\dfrac{p_1 V_1}{T_1} = \dfrac{p_2 V_2}{T_2} \qquad (T \textit{ tính bằng Kelvin})

Phương trình trạng thái khí lí tưởng — định luật khí tổng quát.

pV = \text{const} \; (T \text{ không đổi}) \qquad \dfrac{V}{T} = \text{const} \; (p \text{ không đổi})

Định luật Boyle–Mariotte và định luật Charles.

Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước

1Giữ nhiệt độ không đổi, giảm thể tích V (đẩy pit-tông vào). Quan sát áp suất tăng → p·V = const (định luật Boyle).
2Giữ thể tích, tăng nhiệt độ. Phân tử chuyển động nhanh hơn, áp suất tăng.
3Rút ra: p tỉ lệ nghịch V, tỉ lệ thuận T.

Chất khí trong xilanh

Mô phỏng tương tác

Phân tử khí (chuyển động hỗn loạn)
Áp suất lên pit-tông
Nhiệt độ (nhiệt kế)

Nhiệt độ T300KThể tích V6.0×10 L

Nhiệt độ T: 300 K
Thể tích V: 6.0 L
Áp suất p: 1.00 atm

Nhiệt độ càng cao, phân tử chuyển động càng nhanh, va chạm thành bình càng mạnh → áp suất tăng. Ép pit-tông (giảm V) cũng làm áp suất tăng.

Kéo pit-tông và tăng nhiệt độ để quan sát áp suất thay đổi.

Ví dụ

Đề bài

Khí ở 300 K có áp suất 1 atm trong thể tích 10 L. Nén đẳng nhiệt khí xuống còn 5 L. Áp suất mới là bao nhiêu?

Lời giải

Vì T không đổi: p₁V₁ = p₂V₂ → 1·10 = p₂·5 → p₂ = 2 atm.

Chất khí quanh em

Không khí có vẻ "vô hình", nhưng áp suất, nhiệt độ và thể tích của nó giải thích rất nhiều hiện tượng từ bơm xe đến nồi áp suất.

Bơm xe đạp càng lúc càng nặng tay
Khi ta đẩy pit-tông, thể tích khí trong bơm giảm xuống. Với nhiệt độ gần như không đổi, định luật Boyle cho pV = const, nên V giảm bao nhiêu lần thì áp suất p tăng bấy nhiêu lần. Áp suất khí lớn đẩy ngược lại pit-tông, khiến ta phải dùng lực lớn hơn — đó là cảm giác "nặng tay" dần.
Lý thuyết của bài: pV = const (T không đổi) — định luật Boyle–Mariotte.
Lốp xe hơi nóng lên sau khi chạy đường dài
Ma sát với mặt đường làm lốp nóng lên, truyền nhiệt vào khí bên trong. Với thể tích lốp gần như không đổi, khi nhiệt độ tuyệt đối T tăng thì áp suất p cũng tăng theo p/T = const. Vì vậy sau chặng đường dài, áp suất lốp cao hơn lúc mới xuất phát và người ta thường khuyến cáo kiểm tra lốp khi đã nguội.
Lý thuyết của bài: p/T = const (V không đổi) — định luật Charles.
Nồi áp suất làm chín thức ăn nhanh hơn
Nồi áp suất giữ kín hơi, làm áp suất bên trong tăng cao khi nhiệt độ tăng (theo p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂ với V không đổi). Áp suất cao khiến nước sôi ở nhiệt độ lớn hơn 100 °C, nhờ đó thức ăn chín nhanh và mềm hơn so với nấu trong nồi thường.
Lý thuyết của bài: p/T = const khi V không đổi — áp suất tăng theo nhiệt độ.
Bóng bay để ngoài nắng hoặc lên cao thì phồng to
Vỏ bóng bay cho thể tích thay đổi được, còn áp suất bên trong gần như bằng áp suất khí quyển bên ngoài. Khi nhiệt độ tăng (để ngoài nắng) hoặc áp suất ngoài giảm (lên cao), theo V/T = const bóng phồng lên. Đó là lí do bóng bay và túi khoai tây thường căng phồng hơn khi ở nơi nóng hoặc trên núi cao.
Lý thuyết của bài: V/T = const (p không đổi) — thể tích tăng theo nhiệt độ.
Xịt nước hoa hoặc bình xịt tạo sương mù khi xả van
Khí trong bình xịt bị nén ở áp suất cao. Khi mở van, khí giãn ra rất nhanh làm thể tích tăng vọt; theo pV = const, áp suất giảm mạnh khiến khí và hạt dung dịch bung ra thành sương. Ta thấy dung dịch phun thành tia mịn chính là nhờ sự giãn nở đột ngột của khí nén bên trong.
Lý thuyết của bài: pV = const — khí giãn nở nhanh làm áp suất tụt giảm.

Vì sao lại có công thức p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂, pV = const, V/T = const?

Trực giác:Áp suất của một khối khí do các phân tử đập vào thành bình gây ra. Nén khí vào thể tích nhỏ hơn thì phân tử đập dày hơn (p tăng); nung nóng thì phân tử bay nhanh hơn, đập mạnh hơn (p tăng). Như vậy p chịu ảnh hưởng ngược chiều với V và cùng chiều với T.

\dfrac{p_1 V_1}{T_1} = \dfrac{p_2 V_2}{T_2} \qquad pV = \text{const} \; (T \text{ không đổi}) \qquad \dfrac{V}{T} = \text{const} \; (p \text{ không đổi})

Phương trình trạng thái khí lí tưởng và các định luật riêng.

1Theo thuyết động học phân tử, áp suất tỉ lệ với tần số và cường độ va chạm của phân tử lên thành bình. Nén khí để thể tích V giảm thì mật độ phân tử tăng, va chạm dày hơn → p tăng; quan hệ nghịch biến cho p ~ 1/V khi giữ T.
2Thí nghiệm đẳng nhiệt (nhiệt độ không đổi) cho đúng p·V = const, tức định luật Boyle–Mariotte: ở nhiệt độ không đổi, thể tích giảm bao nhiêu lần thì áp suất tăng bấy nhiêu lần.
3Giữ thể tích không đổi và tăng nhiệt độ: phân tử chuyển động nhanh hơn nên va chạm mạnh hơn, áp suất tăng tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối T: p/T = const (định luật Charles).
4Giữ áp suất không đổi và tăng nhiệt độ: muốn giữ áp suất không đổi thì khí phải nở ra, nên V tỉ lệ thuận với T: V/T = const (định luật Gay-Lussac).
5Gộp cả ba quy luật riêng lại: p tỉ lệ thuận với T và tỉ lệ nghịch với V, tức p·V/T = hằng số. Viết cho hai trạng thái của cùng một lượng khí, ta được p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂.

Ý nghĩa: Phương trình trạng thái p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂ là sự hợp nhất của ba định luật khí riêng lẻ. Từ nó, chỉ cần giữ một đại lượng không đổi ta thu lại ngay định luật Boyle (pV = const) hoặc định luật Charles (V/T = const), nên nó được xem là công thức tổng quát nhất của chất khí lí tưởng.

Chất khí trong xilanh

Kiểm tra: Chất khí