Chương VI: Định luật Boyle-Mariotte, đường đẳng nhiệt
Định luật Boyle-Mariotte (Định luật Bôilơ-Mariốt): Đối với lượng khí lí tưởng xác định của một hệ khép kín, trong quá trình biến đổi trạng thái với thông số nhiệt độ không đổi áp suất của khí lí tưởng gây ra áp lực tỉ lệ nghịch với thể tích.
Chương VI: Định luật Boyle-Mariotte, đường đẳng nhiệt
1/ Thí nghiệm vật lý Định luật Boyle-Mariotte
Dụng cụ thí nghiệm: một quả bóng được bơm căng, bên trong có một lượng khí xác định, quả bóng đó để trong một bình kín bao quanh bởi lớp không khí.
Tiến hành thí nghiệm: Giữ cho nhiệt độ không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm, dùng bơm hút khí từ trong bình ra sau đó quan sát, rồi tiến hành thí nghiệm cho trường hợp ngược lại bơm thêm khí vào trong bình.
Trường hợp 1: khí trong bình được hút ra
Quả bóng phình to ra khi không khí trong bình được rút bớt ra[/caption]
Nhận xét: khi rút khí trong bình = > áp suất khí nén lên quả bóng giảm, quả bóng phồng to lên chứng tỏ thể tích khí bên trong quả bóng tăng lên = > áp suất biến đổi tỉ lệ nghịch với thể tích.
Trường hợp 2: bơm thêm khí vào trong bình
Quả bóng thu nhỏ lại khi không khí trong bình được bơm thêm vào[/caption]
Nhận xét: khi bơm thêm khí vào bình = > áp suất nén lên quả bóng tăng lên, quả bóng thu nhỏ lại chứng tỏ thể tích khí bên trong quả bóng giảm = > áp suất biến đổi tỉ lệ nghịch với thể tích.
Giải thích chi tiết thí nghiệm vật lý trên:
Bình kín chứa bóng đã được bơm căng, ban đầu áp suất không khi bao quanh bên ngoài quả bóng cân bằng với áp suất bên trong quả bóng. Khi không khí trong bình được rút ra ngoài, áp suất khí bên ngoài bao quanh quả bóng giảm, sự trênh lệch áp suất giữa bên ngoài quả bóng và bên trong quả bóng khiến không khí bên trong quả bóng có xu hướng dịch chuyển ra phía ngoài theo mọi hướng để giảm áp suất bên trong quả bóng sao cho cân bằng với áp suất bên ngoài. Áp lực nén lên quả bóng tăng lên khiến quả bóng bị phình to ra. Lập luận tương tự cho trường hợp ngược lại.
Bằng cách bố chí thí nghiệm với các dụng cụ đo thể tích và áp suất chính xác nhà vật lý học Robert Boyle (1627-1691) người Ireland và nhà vật lý học Edme Mariotte (1620-1684) người Pháp đã cùng tìm ra sự biến đổi của áp suất theo thể tích khi nhiệt độ không đổi nên định luật này được gọi là Định luật Boyle-Mariotte (phiên âm tiếng việt Định luật Bôilơ-Mariốt)
Robert Boyle (trái) – Edme Mariotte (phải) là hai nhà vật lý nghiên cứu độc lập ở hai đất nước khác nhau cùng tìm ra một định luật chung mang tên hai ông.
2/ Bài tập vật lý vận dụng Định luật Boyle-Mariotte
Bài tập vật lý 1: Một dung xilanh có thể tích 2lít chứa khí ở trạng thái áp suất là 10atm. Nén khí trong xilanh xuống áp suất là 5amt tính thể của khí trong xilanh khi đó, coi quá trình biến đổi trạng thái là đẳng nhiệt.
Hướng dẫn:
Trạng thái 1: V1 = 2lít; p1 = 10atm.
Trạng thái 2: V2 = ?; p2 = 2atm
áp dụng công thức của Định luật Boyle-Mariotte
p1V1=p2V2p1V1=p2V2 = > V2 = 4lít
Hoặc ta có thể giải nhanh bằng cách nhận xét:
áp suất giảm từ 10atm xuống 5atm (áp suất giảm 2 lần) = > thể tích tăng 2 lần = >V2 = 4lít
Bài tập vật lý 2: Một bình dung tích 10 lít chứa khí ở áp suất 1atm. Người ta bơm khí ở áp suất 1atm vào trong bình, mỗi lần bơm được 250cm3 khí. Coi nhiệt độ trong khi bơm là không đổi tính áp suất khí trong bình sau 50 lần bơm.
Hướng dẫn:
Thể tích khí sẽ bơm vào sau 50 lần bơm là 250×50 = 12500cm3 = 12,5(lit)
Phân tích bài toán: đây là bài toán vật lý biến đổi đẳng nhiệt tuy nhiên nếu áp dụng ngay định luật Định luật Boyle-Mariotte mà không hiểu rõ có thể dẫn đến sai lầm nghiêm trọng khi hiểu không kỹ vấn đề.
Thứ nhất: khí được bơm liên tục vào trong bình 10 lít như vậy lượng khí xác định ở đây bị thay đổi liên tục sau mỗi một lần bơm điều này mâu thuẫn với Định luật Boyle-Mariotte chỉ áp dụng cho lượng khí xác định.
Thứ hai: khi bơm khí vào trong bình kín thể tích của bình không thay đổi trong suốt quá trình bơm.
Ta có thể chuyển bài toán trên về bài toán như sau: Hai bình thông nhau chứa khí ở áp suất 1atm thể tích mỗi bình lần lượt là 12,5lit và 10lít. Tính áp suất trong bình 10lít sau khi nén toàn bộ khí trong bình 12,5lít sang bình 10 lít.
Hình minh họa bài toán vật lý 2 được hiểu lại sao cho phù hợp với Định luật Boyle-Mariotte
Trạng thái 1: V1 = 12,5+10 = 22,5lít; p1 = 1atm
Trạng thái 2: V2 = 10lít; p2 = ?
Áp dụng Định luật Boyle-Mariotte = > p2 = 2,25atm.
Đây là một bài toán vận dụng Định luật Boyle-Mariotte đơn giản, tác giả muốn phân tích kỹ để bạn đọc có thể hiểu rõ và sâu hơn về Định luật Boyle-Mariotte, sau này khi giải các bài tập vật lý tương tự tất nhiên sẽ không phải dài dòng diễn giải như trên mà bạn có thể áp dụng ngay công thức để tính, nhưng nếu phải giải thích cho một ai đó, hãy giải thích thật chi tiết như trên.
3/ Đường đẳng nhiệt
Đường đẳng nhiệt là đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo thể tích khi nhiệt độ không đổi. Trong hệ tọa độ (p,V) đường đẳng nhiệt là đường hypebol
Mô hình thí nghiệm xác định Định luật Boyle-Mariotte và đường đẳng nhiệt[/caption]
Định luật Boyle-Mariotte là một định luật được xây dựng từ thực nghiệm, nó nghiệm đúng với khí lí tưởng và gần đúng với khí thực, tuy nhiên trong thực tế do không cần độ chính xác cao các bài toán vật lý phổ thông tạm coi định luật Boyle-Mariotte đúng với cả khí thực.