Bài viết về định luật Boyle, định luật Charles, định luật Gay-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 được thực hiện bằng cách đưa một lượng khí nhất định vào một bình kín. Sau một thời gian khá dài, ông nhận thấy rằng nếu nhiệt độ 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 Boyle. Về mặt toán học:
Định luật Boyle cũng có thể được viết như sau:
PV = hằng số → phương trình 1
P 1 V 1 = P 2 V 2 → phương trình 2
Ý nghĩa của phương trình 1 là ở nhiệt độ (T) không đổi, nếu áp suất (P) của khí thay đổi thì thể tích (V) của khí cũng thay đổi.
Do đó, kết quả của phép nhân giữa áp suất và thể tích luôn không đổi. Nếu áp suất khí tăng, thể tích khí giảm hoặc ngược lại, nếu áp suất khí giảm, thể tích khí tăng, vì vậy phép nhân giữa áp suất và thể tích luôn không đổi.
Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa thể tích và áp suất được thể hiện trong hình bên dưới. Dựa trên kết quả thí nghiệm, Robert Boyle nhận thấy rằng thể tích của khí thay đổi không đều, do đó các đường trên đồ thị có dạng cong. Áp suất được thể hiện trên đồ thị là áp suất tuyệt đối.
Luật của Charles
Một trăm năm sau khi Robert Boyle phát hiện ra mối quan hệ giữa thể tích và áp suất, một nhà khoa học người Pháp tên là Jacques Charles (1746-1823) đã nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ và thể tích khí. Dựa trên kết quả thí nghiệm, ông nhận thấy rằng khi áp suất khí không đổi, thì khi nhiệt độ khí tăng, thể tích khí cũng tăng. Ngược lại, khi nhiệt độ khí giảm, thể tích khí cũng giảm.
Sự thay đổi thể tích khí do thay đổi nhiệt độ diễn ra đều đặn, do đó các đường trên đồ thị này trông thẳng. Nếu tiếp tục vẽ các đường trên đồ thị cho đến khi nhiệt độ thấp hơn, thì đường thẳng sẽ cắt trục ở khoảng -273 ° C.
Dựa trên nhiều thí nghiệm đã được tiến hành, người ta nhận thấy rằng mặc dù mức độ thay đổi thể tích của mỗi loại khí là khác nhau,
Khi vẽ các đường trên biểu đồ VT đến nhiệt độ thấp hơn, đường này luôn cắt trục ở khoảng -273 ° C. Ta có thể nói rằng nếu khí được làm lạnh đến -273 ° C thì thể tích của khí bằng 0. Nếu khí được làm lạnh thêm nữa cho đến khi nhiệt độ xuống dưới -273 ° C thì thể tích của khí sẽ âm, điều này là không thể.
Vậy là -273 oC là nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được. Bởi vì đường thẳng cắt trục ở khoảng -273. oTheo thỏa thuận, 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 thang đo tham chiếu tuyệt đối, hay còn gọi là thang Kelvin. Kelvin là tên của Lord Kelvin (1824-1907), nhà vật lý người Anh. Trên thang đo này, nhiệt độ được biểu thị bằng Kelvin (K), chứ không phải Kelvin (K).oK) độ. Khoảng cách giữa các độ giống như trên thang đo độ C. 0 K = -273.15 oC và 273.15 K = 0 oC.
Nhiệt độ trên thang Celsius có thể được chuyển đổi sang thang Kelvin bằng cách cộng thêm 273.15, và nhiệt độ trên thang Kelvin có thể được chuyển đổi sang thang Celsius bằng cách trừ đi 273.15. Về mặt toán học:
T (K) = T ( o C) + 273.15
T ( o C) = T (K) – 273.15
T = Nhiệt độ
K = Kelvin
C = độ C
Nếu nhiệt độ được biểu thị theo thang Kelvin, biểu đồ 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 của khí. Nếu nhiệt độ tuyệt đối của khí tăng, thể tích khí cũng tăng; ngược lại, nếu nhiệt độ tuyệt đối của khí giảm, thể tích khí cũng giảm. Mối quan hệ này được gọi là định luật Charles. Về mặt toán học:
Thể tích α Nhiệt độ → Áp suất không đổi
V α T → P hằng số
Ý nghĩa của phương trình 1 là ở áp suất (P) không đổi, nếu nhiệt độ tuyệt đối (T) thay đổi thì thể tích (V) của khí cũng thay đổi sao cho tỷ lệ giữa nhiệt độ tuyệt đối và thể tích luôn không đổi. Nếu nhiệt độ tuyệt đối của khí tăng, thể tích của khí cũng tăng hoặc ngược lại nếu nhiệt độ tuyệt đối của khí giảm.
Thể tích của khí cũng giảm, do đó tỷ lệ giữa nhiệt độ và thể tích luôn không đổi. Nhiệt độ tuyệt đối của khí là nhiệt độ của khí được biểu thị trên thang Kelvin. Nếu nhiệt độ vẫn đang ở thang Celsius, thì trước tiên hãy chuyển đổi sang thang Kelvin.
Định luật Gay-Lussac
Joseph Gay-Lussac (1778-1850) đã tiến hành thí nghiệm và phát hiện ra rằng nếu thể tích khí được giữ không đổi, khi áp suất khí tăng thì nhiệt độ tuyệt đối của khí cũng tăng. Tương tự, khi áp suất khí giảm thì nhiệt độ tuyệt đối của khí cũng giảm. Ở thể tích không đổi, áp suất 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 α Nhiệt độ → Thể tích không đổi
P α T → V là hằng số
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 tỷ lệ giữa áp suất và nhiệt độ tuyệt đối là không đổi. Nói cách khác, nếu áp suất khí tăng, nhiệt độ tuyệt đối của khí cũng tăng hoặc ngược lại nếu áp suất khí giảm.
Nhiệt độ tuyệt đối của khí cũng giảm, do đó tỷ lệ giữa áp suất và nhiệt độ luôn không đổi.
Nhiệt độ tuyệt đối của khí là nhiệt độ của khí được biểu thị trên thang Kelvin. Nếu nhiệt độ vẫn đang ở thang Celsius, thì trước tiên hãy chuyển đổi sang thang Kelvin.
Xin lưu ý rằng định luật Boyle, định luật Charles và định luật Gay-Lussac cho kết quả chính xác khi áp suất và mật độ của khí không quá khác biệt. Hơn nữa, ba định luật này cũng chỉ áp dụng cho khí có nhiệt độ không gần điểm sôi.
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 thực tế. Vì không thể đề cập đến tất cả các điều kiện khí thực, chúng ta cần đến khái niệm khí lý tưởng. Khí lý tưởng không tồn tại trong cuộc sống hàng ngày. Khí lý tưởng chỉ là một mô hình lý tưởng, tương tự như khái niệm chất rắn và chất lỏng lý tưởng. Vì vậy, 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 ở dạng 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 đo được
