Bài 10: Định Luật Charles - Quá Trình Đẳng Áp
Hiện tượng nở vì nhiệt đẳng áp: Không khí được đun nóng nở rộng, giảm khối lượng riêng giúp khinh khí cầu bay lên
NỘI DUNG BÀI HỌC
1. Quá Trình Đẳng Áp & Thang Nhiệt Độ Kelvin
Khi đun nóng một lượng khí được giữ trong xi-lanh có piston di chuyển tự do không ma sát, áp suất khí bên trong luôn tự cân bằng với áp suất khí quyển bên ngoài. Quá trình biến đổi trạng thái như vậy gọi là quá trình đẳng áp.
Là quá trình biến đổi trạng thái của một lượng khí xác định trong đó áp suất $p$ được giữ không đổi ($p = \text{const}$).
Trong vật lý chất khí, nhiệt độ được tính theo đơn vị Kelvin ($T$). Công thức đổi từ độ Celsius ($t$) sang Kelvin ($T$) là: $$\mathbf{T\text{ (K)} = t\text{ (}^\circ\text{C)} + 273}$$
2. Định Luật Charles ($\frac{V}{T} = \text{const}$)
Năm 1787, nhà bác học người Pháp Jacques Charles đã thực hiện các đo đạc thực nghiệm chính xác và phát biểu định luật về sự nở vì nhiệt của chất khí ở áp suất cố định:
Thực nghiệm Jacques Charles (1787): Thể tích V tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối T ở áp suất không đổi
Đối với một lượng khí xác định ở áp suất không đổi, thể tích $V$ của khối khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối $T$ của nó.
Khi khối khí chuyển từ trạng thái 1 $(V_1, T_1)$ sang trạng thái 2 $(V_2, T_2)$ ở áp suất không đổi, ta có hệ thức liên hệ:
3. Đồ Thị Đường Đẳng Áp Trong Các Hệ Tọa Độ
Đường biểu diễn sự biến thiên của thể tích $V$ theo nhiệt độ $T$ khi áp suất $p$ giữ không đổi được gọi là đường đẳng áp.
Đồ thị đường đẳng áp trong 4 hệ tọa độ (V, T), (V, t), (p, V), (p, T).
| Hệ tọa độ | Dạng đường đẳng áp | Đặc điểm đồ thị & Lưu ý quan trọng |
|---|---|---|
| Hệ $(V, T)$ | Đường thẳng hướng về gốc tọa độ $O(0\text{ K}, 0\text{ L})$ |
- Ở nhiệt độ cực thấp gần $0\text{ K}$, chất khí bị hóa lỏng/hóa rắn nên định luật không còn đúng. - Với 2 áp suất khác nhau $p_1$ và $p_2$: Đường phía dưới ứng với áp suất lớn hơn ($p_2 > p_1 \Rightarrow$ đường $p_2$ nằm dưới $p_1$). |
| Hệ $(V, t)$ | Đường thẳng kéo dài cắt trục nhiệt độ Celsius tại $-273^\circ\text{C}$ | Thể tích $V = V_0(1 + \alpha t)$ với $\alpha = \frac{1}{273}\text{ K}^{-1}$. |
| Hệ $(p, V)$ | Đường thẳng nằm ngang song song với trục $V$ | Áp suất $p$ giữ nguyên giá trị không đổi bất chấp thể tích $V$ thay đổi. |
| Hệ $(p, T)$ | Đường thẳng nằm ngang song song với trục $T$ | Áp suất $p$ giữ nguyên giá trị không đổi bất chấp nhiệt độ tuyệt đối $T$ thay đổi. |
4. Giải Thích Bằng Thuyết Động Học Phân Tử
Dưới góc nhìn vi mô, thuyết động học phân tử giải thích định luật Charles một cách rõ ràng:
Khi nhiệt độ tuyệt đối $T$ tăng, động năng trung bình và tốc độ chuyển động của phân tử khí tăng lên.
Các phân tử va chạm vào thành bình mạnh hơn và nhiều hơn.
Để giữ áp suất $p$ không bị tăng vọt (không đổi), khối khí buộc phải nở rộng thể tích $V$ để giảm mật độ phân tử, giữ lực tác dụng trung bình không đổi.
5. Thí Nghiệm Kiểm Chứng
THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG ĐỊNH LUẬT CHARLES
Mô phỏng tương tác💡 Hướng dẫn: Thay đổi nhiệt độ T để quan sát thể tích V tự động co giãn và đường đẳng áp biểu diễn tương ứng trên đồ thị.
📌 Quá trình đẳng áp: Áp suất $p$ được giữ không đổi ($p = \text{const}$).
📌 Định luật Charles: Thể tích $V$ tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối $T$: $\frac{V}{T} = \text{const}$ hay $\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}$.
📌 Đồ thị $(V, T)$: Đường kéo dài đi qua gốc $O(0\text{ K}, 0\text{ L})$. Đường có áp suất $p$ lớn hơn nằm phía dưới.
📌 Thang nhiệt độ tuyệt đối: Bắt buộc quy đổi sang Kelvin: $T\text{ (K)} = t\text{ (}^\circ\text{C)} + 273$.