Năm 1787, nhà vật lí người Pháp Charles (Sác-lơ) đã dùng thực nghiệm nghiên cứu sự thay đổi thể tích theo nhiệt độ của một khối lượng khí xác định khi áp suất không đổi.

▸ Phát hiện của Charles

Khi tăng nhiệt độ khí từ $t_0 = 0°$C tới $t°$C và giữ áp suất không đổi thì độ tăng thể tích của 1 đơn vị thể tích khí khi tăng thêm 1 đơn vị nhiệt độ — với mọi chất khí khác nhau đều bằng nhau và bằng $\dfrac{1}{273}$.

Với $V_0$: thể tích ở $0°$C; $V$: thể tích ở $t°$C; $\Delta t = t - t_0 = t$: độ tăng nhiệt độ.

▸ Hệ số nở khối đẳng áp

Đặt $\alpha = \dfrac{1}{273}$, ta được:

Ý nghĩa: mọi chất khí đều có cùng hệ số nở khối đẳng áp $\alpha$ — khác với chất rắn và chất lỏng (mỗi chất có hệ số nở riêng).

▸ Đồ thị V–t (theo độ Celsius) và độ không tuyệt đối

Đồ thị biểu diễn $V$ theo nhiệt độ Celsius $t$ là đường thẳng không đi qua gốc tọa độ (vì khi $t = 0°$C thì $V = V_0 \neq 0$). Nếu kéo dài, đường này cắt trục $t$ tại $t = -273°$C.

Đồ thị V–t: đường thẳng, kéo dài cắt trục t tại −273°C

Từ $V = V_0(1 + \alpha t) = V_0\left(1 + \dfrac{t}{273}\right) = V_0 \cdot \dfrac{273 + t}{273}$. Vì $T = t + 273$ (nhiệt độ Kelvin) nên $V = \dfrac{V_0}{273} \cdot T$. Đặt $\dfrac{V_0}{273} = $ const, suy ra $\dfrac{V}{T} = $ hằng số.

▸ Biểu thức

▸ Trong hệ tọa độ (V, T)

Vì $V$ tỉ lệ thuận với $T$ nên đồ thị là đường thẳng đi qua gốc tọa độ O (khi $T = 0$ thì $V = 0$ – về lí thuyết).

Đường đẳng áp trong hệ (V, T) là đường thẳng đi qua gốc O

▸ So sánh hai đường đẳng áp

Vẽ một đường thẳng đứng (đẳng nhiệt) cắt hai đường đẳng áp tại $V_1$ và $V_2$. Vì cùng $T$, đường có $V$ lớn hơn ứng với áp suất nhỏ hơn:

Ghi nhớ: đường đẳng áp nằm phía trên (xa trục $T$ hơn) ứng với áp suất nhỏ hơn.

▸ Thí nghiệm minh họa định luật Charles

Dùng xi lanh thủy tinh có pít-tông (đã bôi dầu trơn) bịt kín bằng nút cao su, gắn nhiệt kế. Lần lượt nhúng vào cốc nước đá, nước ấm, nước nóng rồi ghi $V$ và $T$ tương ứng.

Bộ thí nghiệm khảo sát mối quan hệ V–T (đẳng áp)

Ví dụ kết quả (Bảng 10.1):

Nhận xét: khi $T$ tăng thì $V$ tăng; tỉ số $\dfrac{V}{T} \approx$ hằng số ($\approx 0{,}1$ mL/K) → phù hợp định luật Charles. Quá trình này là đẳng áp vì pít-tông di chuyển tự do nên áp suất khí trong xi lanh luôn bằng áp suất khí quyển (không đổi).

▸ Khí lí tưởng

Các định luật Boyle và Charles chỉ là định luật gần đúng, rút ra từ thí nghiệm với điều kiện áp suất không quá $10^6$ Pa và nhiệt độ không dưới 200 K. Khí lí tưởng là khí tuân theo đúng các định luật Boyle và Charles (chỉ là mô hình, không tồn tại thực tế).

▸ Ứng dụng giải thích hiện tượng

▸ Công thức cần nhớ

▸ Đặc điểm đường đẳng áp

▸ Lỗi sai thường gặp

Đã nắm vững lý thuyết, các em chuyển sang tab Bài Tập để luyện 26 câu bám sát SGK nhé!