BÀI 10: ĐỊNH LUẬT CHARLES

KHỞI ĐỘNG

Khi giữ nguyên áp suất của một khối lượng khí xác định thì thể tích của khí phụ thuộc như  thế nào vào nhiệt độ của nó?

Giải nhanh:

Khi giữ nguyên áp suất của một khối lượng khí xác định thì thể tích của khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của nó

I. ĐỊNH LUẬT CHARLES

Hoạt động 1: Hãy giải thích cách vẽ đồ thị của hàm: trong Hình 10.1a

Giải nhanh:

+ (0, V0): V0 là thể tích khí ở 0°C, được cho sẵn trong đề bài.

+ (t₁, V₁):

Chọn một giá trị t₁ bất kỳ.

Thay t₁ vào công thức V = V0 (1 + αt) để tính V₁.

Nối hai điểm bằng đường thẳng.

- Đường biểu diễn:

+ Đoạn thẳng đi qua hai điểm (0, V0) và (t₁, V₁)

+ Là đường thẳng đi lên vì thể tích khí tăng khi nhiệt độ tăng.

+ Độ dốc của đường thẳng phụ thuộc vào hệ số nở nhiệt α: α càng lớn, độ dốc càng lớn. α càng nhỏ, độ dốc càng nhỏ.

Hoạt động 2: Hãy chứng tỏ rằng nếu đổi nhiệt độ Celcius t trong hệ thức (10.2) sang nhiệt độ Kelvin T tương ứng thì sẽ được một hệ thức mới chứng tỏ thể tích V của chất khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ Kelvin: = hằng số

Giải nhanh:

t = T - 273 

Thay vào hệ thức: 

Ta có: V₀ là thể tích khí ở nhiệt độ 0℃, là hằng số nên T thay đổi thì V cũng sẽ thay đổi. 

Hệ số của T là (1+) >0 nên V tỉ lệ thuận với T.

Câu hỏi 1: Ứng với các áp suất khác nhau của cùng một lượng khí, ta có những đường đẳng áp khác nhau. Hình 10.2 vẽ hai đường đẳng áp của cùng một lượng khí ứng với hai áp suất p₁ và p₂. Hãy so sánh p₁ và p₂.

Giải nhanh:

Kẻ một đường vuông góc với trục hoành, cắt p₁ và p₂ tại hai điểm và . Từ đồ thị ta xét hai trạng thái của cùng lượng khí và với cùng một nhiệt độ T thì ta thấy V₁>V₂.

Câu hỏi 2: Hãy tìm ví dụ về ứng dụng định luật Charles trong đời sống.

Giải nhanh:

Ví dụ: Bình cứu hoả

Bình cứu hoả chứa khí CO₂ ở áp suất cao. Khi sử dụng, van bình cứu hoả được mở, khí CO₂ thoát ra ngoài, làm giảm áp suất. Theo định luật Charles, khi áp suất giảm, nhiệt độ của khí cũng giảm. Nhờ vậy, khí CO₂ có thể làm giảm nhiệt độ của đám cháy, giúp dập tắt lửa hiệu quả.

II. THÍ NGHIỆM MINH HOẠ ĐỊNH LUẬT CHARLES.

Hoạt động: Chuẩn bị:

- Xi lanh thuỷ tinh dung tích 50 mL, có độ chia nhỏ nhất 1 mL (1).

- Nhiệt kế điện tử (2).

- Ba cốc thuỷ tinh (3), (4), (5).

- Nút cao su để bịt đầu ra của xi lanh.

- Giá đỡ thí nghiệm (6).

- Nước đá, nước ấm, nước nóng.

- Dầu bôi trơn.

Tiến hành:

Bước 1: Cho một chút dầu bôi trơn vào pit-tông để pit-tông dễ dàng di chuyển trong xi lanh. Điều chỉnh pit-tông ở mức 30 mL, bịt đầu ra của xi lanh bằng nút cao su.

Bước 2: Ghi giá trị nhiệt độ phòng và thể tích không khí trong xi lanh vào vở tương tự như Bảng 10.1

Bước 3: Đổ nước đá vào cốc (3).

Bước 4: Nhúng xi lanh và nhiệt kế vào cốc. Sau khoảng thời gian 3 phút, ghi giá trị thể tích V của không khí trong xi lanh và nhiệt độ t vào bảng số liệu.

Bước 5: Lần lượt đổ nước ấm vào cốc (4) và nước nóng vào cốc (5). Thực hiện tương tự bước 4 ở mỗi trường hợp.

Từ kết quả thí nghiệm, thực hiện các yêu cầu sau:

- Tính T, .

- Từ số liệu thu được, vẽ đồ thị mối quan hệ V, T.

1. Kết quả thí nghiệm thu được có phù hợp với định luật Charles không?

2. Giải thích tại sao có thể coi quá trình biến đổi trạng thái của khí trong phòng thí nghiệm trên là quá trình đẳng áp?

Giải nhanh:

- Tính T,

Lần thí nghiệm 1:

Lần thí nghiệm 2:

Lần thí nghiệm 3:

Lần thí nghiệm 4:

- Đồ thị biểu diễn mối quan hệ V,T

1. Kết quả thu được phù hợp với định luật Charles.

2. Vì áp suất qua các lần thí nghiệm gần như không đổi nên được coi là quá trình đẳng áp.

III. BÀI TẬP

Bài tập vận dụng

Câu hỏi 1: Thể tích của một lượng khí xác định tăng thêm 10% khi nhiệt độ của khí được tăng tới 47℃. Xác định nhiệt độ ban đầu của lượng khí, biết quá trình trên là đẳng áp.

Giải nhanh:

V₁ , T₁

V₂ = V₁ +10%V₁ = 1,1 V₁ , T₂ = 47℃ = 320 K

Nhiệt độ ban đầu của lượng khí là:

K = 17,91℃

Câu hỏi 2: Một khối lượng khí 12g có thể tích 4 lít ở nhiệt độ 7℃. Sau khi được đun nóng đẳng áp thì khối lượng riêng của khí là 1,2g/ lít. Xác định nhiệt độ của khí sau khi được đun nóng.

Giải nhanh:

m=12 g , V₁ = 4 lít, T₁ = 7℃ = 280 K

Thể tích sau khi được đun nóng là: lít

Theo định luật Charles, với áp suất không đổi, ta có:

K = 427℃

IV. CÁC ĐỊNH LUÂHT BOYLE VÀ CHARLES LÀ CÁC ĐỊNH LUẬT GẦN ĐÚNG.

 Em có thể: Dùng định luật Charles giải thích các hiện tượng thực tế có liên quan.

Giải nhanh:

Ví dụ về bóng bay co lại khi trời lạnh. Khi trời lạnh, nhiệt độ môi trường giảm, theo định luật Charles, khi nhiệt độ giảm, thể tích khí cũng giảm. Do đó, khí trong bóng bay co lại, khiến bóng bay cũng co lại.