Định luật Boyle, Định luật Charles và Định luật G. Lussac
Định luật Boyle
Robert Boyle (1627–1691) đã tiến hành các thí nghiệm để nghiên cứu mối quan hệ định lượng giữa áp suất và thể tích khí. Thí nghiệm này bao gồm việc đặt một lượng khí nhất định vào một bình kín. Với độ chính xác khá cao, ông đã phát hiện ra rằng nếu nhiệt độ của khí được giữ không đổi, thì khi áp suất khí tăng, thể tích khí giảm. Tương tự, khi áp suất khí giảm, thể tích khí tăng. Áp suất khí tỷ lệ nghịch với thể tích khí. Mối quan hệ này được gọi là Định luật BoyleVề mặt toán học:
Định luật Boyle cũng có thể được viết như sau:
PV = hằng số → phương trình 1
P1 V1 = P2 V2 → phương trình 2
Ý nghĩa của phương trình 1 là ở nhiệt độ không đổi (T), nếu áp suất (P) của khí thay đổi thì thể tích (V) của khí cũng thay đổi sao cho tích của áp suất và thể tích luôn không đổi. Nếu áp suất khí tăng thì thể tích khí giảm hoặc ngược lại, nếu áp suất khí giảm thì thể tích khí tăng, sao cho tích của áp suất và thể tích luôn không đổi.
Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa thể tích và áp suất trông như hình bên dưới. Dựa trên các thí nghiệm của mình, Robert Boyle đã phát hiện ra rằng thể tích khí thay đổi không đều, khiến đường trên đồ thị có dạng cong. Áp suất được thể hiện trên đồ thị là áp suất tuyệt đối, không phải áp suất tương đối.
Luật Charles
Một trăm năm sau khi Robert Boyle phát hiện ra mối quan hệ giữa thể tích và áp suất, nhà khoa học người Pháp Jacques Charles (1746–1823) đã nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ và thể tích khí. Dựa trên các thí nghiệm của mình, ông phát hiện ra rằng nếu áp suất khí không đổi, thì khi nhiệt độ của khí tăng lên, thể tích cũng tăng lên. Ngược lại, khi nhiệt độ của khí giảm xuống, thể tích cũng giảm xuống.
Sự thay đổi thể tích khí do thay đổi nhiệt độ diễn ra thường xuyên, vì vậy đường trên đồ thị này trông thẳng. Nếu đường trên đồ thị được vẽ ở nhiệt độ thấp hơn, nó sẽ cắt trục ở khoảng -273°C. oC.
Dựa trên nhiều thí nghiệm đã được thực hiện, người ta nhận thấy rằng mặc dù độ lớn của sự thay đổi thể tích đối với mỗi loại khí là khác nhau, nhưng khi vẽ đường trên đồ thị V-T ở nhiệt độ thấp hơn, đường này luôn cắt trục ở khoảng -273°C. oC. Ta có thể nói rằng nếu khí được làm lạnh đến -273 oKhi đó thể tích khí bằng 0. Nếu khí được làm lạnh lại cho đến khi nhiệt độ xuống dưới -273°C. oNếu là trường hợp C, thể tích của khí sẽ âm, điều này là không thể.
Vì vậy -273 oC là nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được. Vì đường thẳng cắt trục ở khoảng -273 oSau đó, theo thỏa thuận chung, người ta xác định rằng nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được là -273,15°C. oC. ‐273,15 oC được gọi là nhiệt độ không tuyệt đối và được sử dụng làm tham chiếu cho thang đo tuyệt đối, còn được gọi là thang đo Kelvin. Kelvin được đặt theo tên của Lord Kelvin (1824–1907), một nhà vật lý người Anh. Trên thang đo này, nhiệt độ được biểu thị bằng Kelvin (K), chứ không phải độ Kelvin (°C).oK). Khoảng cách giữa các độ giống như trên thang đo Celsius. 0 K = ‐273,15 oC và 273,15 K = 0 oC.
Nhiệt độ theo thang Celsius có thể được chuyển đổi sang thang Kelvin bằng cách cộng thêm 273,15, và nhiệt độ theo thang Kelvin có thể được chuyển đổi sang thang Celsius bằng cách trừ đi 273,15. Về mặt toán học:
T (K) = T (oC) + 273,15
NS (oC) = T (K) ‐ 273,15
Thông tin :
T = Nhiệt độ
K = Kelvin
C = Độ C
Nếu nhiệt độ được biểu thị bằng thang Kelvin thì đồ thị ở trên sẽ trông giống như hình bên dưới.
Dựa trên đồ thị này, có thể kết luận rằng ở áp suất không đổi, thể tích khí luôn tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Nếu nhiệt độ tuyệt đối của khí tăng, thể tích cũng tăng; ngược lại, nếu nhiệt độ tuyệt đối của khí giảm, thể tích cũng giảm. Mối quan hệ này được gọi là định luật Charles. Về mặt toán học, nó được viết như sau:
Thể tích ∝ Nhiệt độ → Áp suất không đổi
V ∝ T → P hằng số
Định luật Charles cũng có thể được viết như sau:
Ý nghĩa của phương trình 1 là ở áp suất không đổi (P), nếu nhiệt độ tuyệt đối (T) của khí thay đổi, thì thể tích (V) của khí cũng thay đổi sao cho kết quả so sánh giữa nhiệt độ tuyệt đối và thể tích luôn không đổi. Nếu nhiệt độ tuyệt đối của khí tăng, thì thể tích của khí cũng tăng, hoặc ngược lại, nếu nhiệt độ tuyệt đối của khí giảm, thì thể tích của khí cũng giảm, sao cho kết quả so sánh giữa nhiệt độ và thể tích luôn không đổi. Nhiệt độ tuyệt đối của khí được hiểu là nhiệt độ của khí được biểu thị trên thang Kelvin. Nếu nhiệt độ vẫn ở thang Celsius, thì trước tiên hãy chuyển đổi nó sang thang Kelvin.
Luật Gay-Lussac
Joseph Gay-Lussac (1778–1850) đã tiến hành một thí nghiệm và phát hiện ra rằng nếu thể tích của một chất khí được giữ không đổi, khi áp suất của khí tăng lên, nhiệt độ tuyệt đối của khí cũng tăng lên. Ngược lại, khi áp suất của khí giảm xuống, nhiệt độ tuyệt đối của khí cũng giảm xuống. Ở thể tích không đổi, áp suất của khí tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của khí. Mối quan hệ này được gọi là Định luật Gay-Lussac. Về mặt toán học:
Áp suất ∝ Nhiệt độ → Thể tích không đổi
P ∝ T → V hằng số
Định luật Gay-Lussac cũng có thể được viết như sau:
Ý nghĩa của phương trình 1 là ở thể tích không đổi (V), nếu áp suất (P) của khí thay đổi thì nhiệt độ tuyệt đối (T) của khí cũng thay đổi sao cho kết quả so sánh giữa áp suất và nhiệt độ tuyệt đối là không đổi. Nói cách khác, nếu áp suất khí tăng thì nhiệt độ tuyệt đối của khí cũng tăng, hoặc ngược lại, nếu áp suất khí giảm thì nhiệt độ tuyệt đối của khí cũng giảm, sao cho kết quả so sánh giữa áp suất và nhiệt độ luôn không đổi.
Nhiệt độ tuyệt đối của một chất khí là nhiệt độ của chất khí đó được biểu thị trên thang Kelvin. Nếu nhiệt độ vẫn đang ở thang Celsius, thì trước tiên hãy chuyển đổi nó sang thang Kelvin.
Điều quan trọng cần lưu ý là định luật Boyle, định luật Charles và định luật Gay-Lussac cho kết quả chính xác nếu áp suất và mật độ khí không quá cao. Hơn nữa, ba định luật này chỉ áp dụng cho các chất khí có nhiệt độ không gần điểm sôi của chúng.
Dựa trên thực tế này, có thể kết luận rằng định luật Boyle, định luật Charles và định luật Gay-Lussac không thể áp dụng cho mọi điều kiện khí. Vì chúng không thể áp dụng cho mọi điều kiện khí thực, chúng ta cần đến khái niệm khí lý tưởng, hay khí hoàn hảo. Khí lý tưởng không tồn tại trong đời sống hàng ngày. Khí lý tưởng chỉ là một mô hình lý tưởng, tương tự như khái niệm vật rắn và chất lỏng lý tưởng. Do đó, chúng ta giả định ba định luật về khí nêu trên áp dụng trong mọi điều kiện khí lý tưởng.
Khi giải các bài toán về định luật khí, nhiệt độ phải được biểu thị theo thang Kelvin. Nếu áp suất khí vẫn là áp suất đo được, trước tiên hãy chuyển đổi nó sang áp suất tuyệt đối. Áp suất tuyệt đối = áp suất khí quyển + áp suất khí áp.r.
