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. Vậy, đó là những định luật nào?

Giải rút  gọn:

Ứng dụng trên dựa vào các định luật của chất khí đó là: 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 rút gọn:

Dự đoán mối liên hệ:

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

- Khi kéo pit-tông lên, thể tích tăng, áp suất giảm.

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 rút gọn:

Kết luận về mối liên hệ giữa p và V là: p và V tỉ lệ nghịch với nhau theo biểu thức 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 rút gọn:

Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa p và V trong hai toạ độ p -V và

Nhận xét: 

- Đồ thị có hình dạng hypebol.

- Khi V tăng, p giảm và ngược lại.

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

Giải chi tiết:

Tại điểm M, ta có quá trình đẳng tích nên p₁ < p₂. 

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 rút gọn:

Áp dụng định luật Boyle ta có:  p₁V₁ = p₂V₂

Áp suất của khối khí sau khi nén là:

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 rút gọn:

Giải thích:

- Theo định luật Boyle, khi kéo pit-tông, thể tích khí trong xilanh tăng. áp suất  sẽ giảm so với áp suất ban đầu, tạo ra sự chênh lệch áp suất.

- Do đó, chất lỏng sẽ di chuyển từ nơi có áp suất cao (lọ thuốc) đến nơi có áp suất thấp (xilanh) giúp ta lấy được thuốc trong lọ.

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 rút gọn:

Đồ thị biển diễn mối quan hệ V theo T.

Hình dạng đồ thị: là một đường thẳng.

Nhận xét: Khi T tăng thì V tăng và ngược lại

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 rút gọn:

Đường đẳng áp p₂ lại ở trên đường đẳng áp p₁ trong Hình 6.7 vì:

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.

Mật độ phân tử trong trường hợp p₂ cao hơn.

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 rút gọn:

Theo định luật Charles:

Thể tích khối khí trước và sau khi dãn nở là: 

Vậy 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 rút gọn:

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 rút gọn:

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

Áp suất ban đầu của khối khí là:

 p₁V₁ = p₂V₂ → p₁.5 = (p₁ - 80).12→ p₁ = 137, 14 kPa

Vậy áp suất ban đầu của khối khí là 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 rút gọn:

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

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

Khoảng di chuyển của giọt thuỷ ngân khi hơ nóng bình cầu đến 10℃ là:

Vậy giọt thuỷ ngân di chuyển được 130 cm khi hơ nóng bình cầu đến 10℃.

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 rút gọn:

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

Ta có: ,  m không đổi.

Khối lượng riêng của không khí trong nhà so với khối lượng riêng của không khí ngoài sân là: 

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