BÀI 6. ĐỊNH LUẬT BOYLE. ĐỊNH LUẬT CHARLES

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Để đưa thuốc từ lọ vào trong xilanh của ống tiêm, ban đầu nhân viên y tế đẩy pit-tông sát đầu trên của xilanh, sau đó đưa đầu kim tiêm (được gắn với ống tiêm) vào trong lọ thuốc. Khi kéo pit-tông, thuốc sẽ chảy vào trong xilanh (Hình 6.1). Quá trình lấy máu dùng trong xét nghiệm tại các cơ sở y tế cũng hoàn toàn tương tự. Ứng dụng trên dựa vào các định luật của chất khí. Vật, đó là những định luật nào?

Giải nhanh:

Định luật Boyle và định luật Charles.

1. TRẠNG THÁI VÀ QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI TRẠNG THÁI CỦA KHÍ

2. ĐỊNH LUẬT BOYLE

Thảo luận 1: Dự đoán mối liên hệ giữa áp suất và thể tích khí nén pit-tông xuống hoặc kéo pit-tông lên.

Giải nhanh:

Khi nén pit-tông, thể tích khí giảm, áp suất khí tăng và ngược lại.

Mối liên hệ giữa thể tích và áp suất: tỉ lệ nghịch.

Thảo luận 2: Tiến hành thí nghiệm theo các bước hướng dẫn, từ đó tính toán và kiểm tra biểu thức dự đoán, rút ra kết luận về mối liên hệ giữa p và V.

Giải nhanh:

Kết luận: p và V tỉ lệ nghịch với nhau theo biểu thước pV = hằng số.

Thảo luận 3: Từ số liệu Bảng 6.1, vẽ đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa p và V trong hệ tọa độ p - V và p - . Nhận xét về dạng đồ thị.

Giải nhanh:

Nhận xét: Đồ thị có hình dạng hypebol.

Thảo luận 4: Từ Hình 6.4, chứng minh rằng T₂ > T₁.

Giải nhanh:

Tại điểm V (V = hằng số), ứng với trục p, ta có p₁ < p₂. 

Phương trình khí: pV = nRT → khi cùng điều kiện, cùng số mol khí mà thể tích không đổi, áp suất tăng thì nhiệt độ cũng tăng.

Do đó, p₂ > p₁ → T₂ > T₁

Luyện tập: Nén đẳng nhiệt một khối khí từ thể tích ban đầu 9 lít xuống còn 4 lít. Áp suất của khối khí sau khi nén tăng hay giảm bao nhiêu lần.

Giải nhanh:

Áp dụng định luật Boyle, khi nhiệt độ không đổi có: pV =  hằng số

→ p₁V₁ = p₂V₂ →

Vậy, áp suất khối khí sau khi nén tăng lên 2,25 lần

Vận dụng: Dựa vào định luật Boyle, giải thích tại sao có thể rút thuốc (thể lỏng) từ trong lọ thuốc vào xilanh của ống tiêm khi nhân viên y tế kéo pit-tông như Hình 6.1.

Giải nhanh:

Khi kéo pit-tông, thể tích khí trong xilanh tăng. Theo định luật Boyle, áp suất khí trong xilanh sẽ giảm xuống thấp hơn so với áp suất ban đầu (áp suất môi trường), tạo ra sự chênh lệch áp suất nên có thể rút thuốc trong lọ thuốc vào xilanh của ống tiêm

3. ĐỊNH LUẬT CHARLES

Thảo luận 5: Tiến hành thí nghiệm theo các bước hướng dẫn, thu thập số liệu T, V trong các lần đo. Từ đó:

• Vẽ đồ thị V theo T trong hệ trục tọa độ V - T, nhận xét dạng đồ thị.

• Rút ra mối liên hệ giữa V và T trong quá trình biến đổi đẳng áp.

Giải nhanh:

Hình dạng đồ thị: Đường thẳng

Mối liên hệ giữa V và T: tỷ lệ thuận

Thảo luận 6: Dựa vào thuyết động học phân tử chất khí, hãy giải thích vì sao đường đẳng áp p₂ lại ở trên đường đẳng áp p₁ trong Hình 6.7.

Giải nhanh:

Ở cùng một thể tích, khi nhiệt độ tăng, các phân tử khí sẽ chuyển động nhanh hơn, va chạm vào thành bình chứa nhiều hơn, tạo ra áp suất khí lên thành bình lớn hơn. Do đó, p₁ > p₂.

Luyện tập: Cho một khối khí dãn nở đẳng áp từ nhiệt độ t₁ = 32^oC đến nhiệt độ t₂ = 117^oC, thể tích khối khí tăng thêm 1,7 lít. Xác định thể tích khối khí trước và sau khi dãn nở.

Giải nhanh:

Ta có: V₂ = V₁ + 1,7

Theo định luật Charles:

→ → → V₁ = 6,1 (lít)

V₂ = 6,1 + 1,7 = 7,8 (lít)

BÀI TẬP

1. Hình nào dưới đây mô tả quá trình đẳng áp của một khối lượng khí xác định?

Giải nhanh:

Đáp án D. 

2. Một khối khí xác định dãn nở đẳng nhiệt từ thể tích ban đầu 5 lít đến 12 lít thì áp suất khối khí đã giảm một lượng 80 kPa. Áp suất ban đầu của khối khí bằng bao nhiêu?

Giải nhanh:

Ban đầu: V₁ = 5 lít, p₁;

Lúc sau: V₂ = 12 lít, p₂ = p₁ - 80

Theo định luật Boyle, ta có: pV = hằng số

→ p₁V₁ = p₂V₂

→ p₁.5 = (p₁ - 80).12

→ p₁ = 137, 14 kPa

3. Một mô hình áp kế khí (Hình 6P.1) gồm một bình cầu thủy tinh có thể tích 270 cm³ gắn với một ống nhỏ AB nằm ngang có tiết diện 0,1 cm². Trong ống có một giọt thủy ngân. Ở 0^oC giọt thủy ngân cách A 30 cm. Tính khoảng di chuyển của giọt thủy ngân khi hơ nóng bình cầu đến 10^oC. Coi thể tích bình là không đổi.

Giải nhanh:

Tại 0^oC: V₁ = 270 + 0,1.30 = 273 cm³; T₁ = 273K

Tại 10^oC: V₂ = 270 + 0,1.s, T₂ = 283K

Vì áp suất không đổi, áp dụng định luật Charles có: = hằng số

→ → → s = 130 (cm)

4. Vào những ngày trời nắng nóng, nhiệt độ không khí ngoài sân là 42^oC, trong khi nhiệt độ không khí trong nhà là 27^oC. Xem áp suất không khí trong nhà và ngoài sân là như nhau. Khối lượng riêng của không khí trong nhà lớn hơn khối lượng riêng của không khí ngoài sân bao nhiêu lần?

Giải nhanh:

Ở ngoài sân có: T₁ = 42^oC

Trong nhà có: T₂ = 27^oC

Vì áp suất không đổi, theo định luật Charles có: →

Ta có: d = . Với m không đổi, có = =

Vậy, khối lượng riêng của không khí trong nhà lớn gấp 1,05 lần không khí ngoài sân.