Bài 9. Định luật boyle – Vật lí 12 Kết nối tri thức

Khi thay đổi thể tích của một khối lượng khí xác định ở nhiệt độ không đổi thì áp suất khí thay đổi như thế nào?

i. Các thông số trạng thái của một lượng khí

Một lượng khí đựng trong một bình kín được xác định bởi bốn đại lượng là khối lượng (m), thế tích (V), nhiệt độ (T) và áp suất (p).

Khi thể tích, nhiệt độ và áp suất của một khối lượng khí xác định không thay đổi, ta nói lượng khí ở trạng thái cần bằng. Thể tích, áp suất và nhiệt độ của lượng khí dược gọi là các thông số trạng thái của nó.

Hình 9.1. Xác định các thông số trạng thái của một lượng khí. Gồm: Nhiệt kế, Áp kế.

Các thông số trạng thái của một lượng khí đều là đại lượng có thể đo hoặc xác định được bằng các dụng cụ đo lường.
1. Người ta dùng các dụng cụ nào để đo, xác định các thông số trạng thái của lượng khí trong hộp kín ở Hình 9.17
2. Nêu tên đơn vị của các đại lượng này trong hệ SI.

EM CÓ BIẾT?

Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn, không ngừng nên vận tốc và số va chạm của các phân tử khí lên thành bình thay đổi theo thời gian và áp suất chất khỉ tác dụng lên thành bình tại các thời điểm khác nhau có thể khác nhau. Do đó, áp suất chất khí dược hiểu là áp suất trung bình của các phần tử khí tác dụng lên thành bình.

Khí chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác bằng các quá trình biến đổi trạng thái, gọi tắt là quá trình.

Người ta thường biểu diễn trạng thái và quá trình biến đổi trạng thái của một khối lượng khí xác định bằng Hình 9.2 dưới đây:

Hình 9.2. Trạng thái và quá trình. Gồm:

p_{1}, V_{1}, T_{1}

(Trạng thái 1) chuyển sang

P_{2}, V_{2}, T_{2}

(Trạng thái 2).

Hãy so sánh các thông số trạng thái của không khi trong một quả bóng bay đã được bơm khi đế trong bóng mát và khi đế ngoài nắng (Hình 9.3).

Hình 9.3. Quả bóng bay khi để trong bóng mát (a), khí để ngoài nắng (b).

Trong hầu hết các quá trình biến đổi trạng thái của một khối lượng khí xác định thì cả ba thông số trạng thái (áp suất, thể tích, nhiệt độ) đều có thể biến đổi. Tuy nhiên, để thuận lợi cho việc tìm hiểu mối quan hệ giữa các thông số trạng thái, người ta thực hiện những quá trình đơn giản trong đó chỉ có hai thông số biến đổi còn một thông số không đổi, gọi là các đồng quá trình. Các nhà vật lí đã dùng thí nghiệm để nghiên cứu các đằng quá trình, xác định mối quan hệ của từng cặp thông số trạng thái, từ đó xây dựng phương trình về mối quan hệ giữa cả ba thông số.

1. Quá trình đẳng nhiệt

Quá trình biến đối trạng thái của một khối lượng khí xác định khi nhiệt độ giữ không đổi được gọi là quá trình đăng nhiệt. Thí nghiệm về quá trình đẳng nhiệt sẽ giúp ta xác định được mỗi quan hệ giữa áp suất p và thể tích V của một khối lượng khí xác định trong quá trình này.

2. Thí nghiệm

Chuẩn bị: Bộ thi nghiệm về chất khí
Xi lanh trong suốt có độ chia nhỏ nhất $0, 5 c m^{3}$ (1).
Pít-tông có ông nói khí trong xi lanh với áp kế (2).
Áp kế có độ chia nhỏ nhất ${0.05.10}^{5}$ Pa (3).
Giá đỡ thí nghiệm (4).
Thước đo (5).
Tiến hành:
Bố trí thí nghiệm như Hình 9.4.
Dịch chuyển từ từ pít-tông dễ làm thay đổi thế tích khí.
Dọc và ghi kết quả thí nghiệm vào vớ tương tự mẫu ở Bảng 9.1.

Hình 9.4. Thí nghiệm về quá trình đẳng nhiệt. Gồm: Xi lanh (1), áp kế (2), thước đo (5), giá đỡ (4), mẫu.

Từ kết quả thí nghiệm ở Bảng 9.1, thực hiện các yêu cầu sau:
1. Xác định giá trị của tích pV trong mỗi lần thí nghiệm.
2. Vẽ đường biểu diễn sự phụ thuộc của áp suất p vào thể tích V trong hệ toạ độ (p.V).
3. Phát biểu mối quan hệ giữa p và V trong quá trình đẳng nhiệt.

Khi nhiệt độ của một khối lượng khí xác định giữ không đối thì áp suất gây ra bởi khí tỉ lệ nghịch với thể tích của nó:
$p V^{'} = \ln \dot{a} n g s \vec{α} (9.1)$

Định luật trên được nhà vật lí và hoá học người Ireland là Robert Boyle (Rô-bót Bôi-lo) (1627-1691) tìm ra bằng thực nghiệm năm 1662 nên được gọi là định luật Boyle.

Hình 9.5. Đường đẳng nhiệt trên đồ thị p-V.

Đồ thị biểu diễn định luật Boyle là một nhánh của đường hypcbol (Hình 9.5).
Đường đắng nhiệt của cùng một lượng khí ứng với các nhiệt độ khác nhau thì khác nhau. Hình 9.6 vẽ hai đường đằng nhiệt của cùng một lượng khí ứng với hai nhiệt độ $T_{1}$ và T với $T_{1} < T_{2}$
Nếu gọi $r_{1}$ $v_{1}$ là áp suất và thể tích của khí ở trạng thái 1; $V_{2}$ là áp suất và thế tích của khí ở trạng thái 2 thì:
$p_{1} V_{2} = p_{2} V_{2} (9.2)$

Hình 9.6. Các đường đẳng nhiệt của cùng một lượng khí ở các nhiệt độ khác nhau (

T_{1} < T_{2}

) trên đồ thị p-V.

1. Nếu về đường biểu diễn sự phụ thuộc của p vào $\frac{1}{V}$ thì đường biểu diễn sẽ có dạng như thế nào? Tại sao?
2. Tìm ví dụ về quá trình đắng nhiệt trong đời sống.

Bài tập ví dụ:

Một lượng khí có thể tích là 10 lít ở áp suất $10^{5}$ Pa. Tính thể tích của lượng khí này ở áp suất $1, {25.10}^{5}$ Pa. Biết nhiệt độ của khí không dối.
Các bước giải:
1. Xác định quá trình biến đổi trạng thái trong bài toán: Đây là bài toán về quả trình đằng nhiệt.
2. Xác định các trạng thái của khí:
Trạng thái 1: $P_{1} = 10^{5}$ Pa; $V_{1} = 10 L$
Trạng thái 2: $p_{2} = 1, {25.10}^{5}$ Pa; $V_{2} = ?$
3. Áp dụng định luật Boyle:
Theo định luật Boyle: $p_{1} V_{1} = p_{2} V_{2} \cdot$ Suy ra: $V_{2} - \frac{μ_{2} V_{1}}{p_{3}} - \frac{10^{7} .10}{1, {25.10}^{7}} - 8 L .$

Bài tập vận dụng

1.

Một quả bóng chứa $0, 04 m^{3}$ không khí ở áp suất 120 kPa. Tính áp suất của không khí trong bóng khi làm giảm thể tích bóng còn $0.025 m^{5} \dot{σ}$ nhiệt độ không đổi.

2.

Một bọt khí nổi từ đáy giếng sâu 6 m lên mặt nước. Khi lên tới mặt nước, thể tích của bọt khí tăng lên bao nhiêu lần? Coi áp suất khí quyển là $1, 013.10$ Pa; khối lượng riêng của nước giếng là $1003 k g / m^{3}$ và nhiệt độ của nước giếng không thay đổi theo độ sâu.

EM ĐÃ HỌC

Trạng thái và quá trình biến đổi trạng thái:
$P . V . T_{\underline{1}} \to p_{2} V_{2^{'}} T_{2}$
Trạng thái 1
Trạng thái 2
Định luật Boyle: Khi nhiệt độ của một khối lượng khí xác định giữ không đổi thì áp suất gây ra bởi khí tỉ lệ nghịch với thể tích của nó:
$p V = h \overset{ˋ}{\overset{˘}{a}} ng s \overset{ˊ}{\hat{o}} hay p_{2} V_{2} = p_{2} V_{2}$

EM CÓ THỂ

Dùng định luật Boyle giải thích được các hiện tượng thực tế đơn giản có liên quan.

Xem bản PDF nguyên trang sách: Vật lí 12 – Kết nối tri thức với cuộc sống (trang 37–40).