Định Luật Boyle – Quá Trình Đẳng Nhiệt
Ba thông số trạng thái, quá trình đẳng nhiệt, định luật Boyle $p_1V_1 = p_2V_2$, đường đẳng nhiệt và ứng dụng thực tế
Trạng thái của một lượng khí xác định (khối lượng $m$ không đổi) được xác định bởi ba thông số trạng thái:
| Thông số | Kí hiệu | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| Áp suất | $p$ | Pa (Pascal) |
| Thể tích | $V$ | m³ |
| Nhiệt độ tuyệt đối | $T$ | K (Kelvin) |
▸ Một số quy đổi đơn vị
| Đại lượng | Quy đổi |
|---|---|
| Áp suất | $1$ atm $= 101325$ Pa $\approx 10^5$ Pa $= 760$ mmHg; $1$ bar $= 10^5$ Pa. |
| Thể tích | $1$ m³ $= 1000$ lít $= 10^6$ cm³; $1$ lít $= 10^{-3}$ m³ $= 1000$ cm³. |
| Nhiệt độ | $T(K) = t(°C) + 273$. |
▸ Quá trình biến đổi trạng thái
Là quá trình trong đó các thông số trạng thái của khối khí thay đổi (từ trạng thái 1 sang trạng thái 2):
biến đổi →
▸ Các quá trình đặc biệt
| Quá trình | Đại lượng không đổi | Tên gọi |
|---|---|---|
| Đẳng nhiệt | $T$ = const | Quá trình Boyle |
| Đẳng tích | $V$ = const | Quá trình Charles |
| Đẳng áp | $p$ = const | Quá trình Gay-Lussac |
(Bài này tập trung vào quá trình đẳng nhiệt – định luật Boyle.)
▸ Thí nghiệm khảo sát
Dùng bộ thí nghiệm gồm xi lanh trong suốt nối với áp kế. Dịch chuyển từ từ pít tông để thay đổi thể tích khí, đọc giá trị $p$ và $V$ tương ứng.
Ví dụ kết quả thí nghiệm:
| Lần | V (cm³) | p (10⁵ Pa) | p×V (10⁵ Pa·cm³) |
|---|---|---|---|
| 1 | 3,0 | 1,0 | 3,0 |
| 2 | 2,5 | 1,2 | 3,0 |
| 3 | 2,0 | 1,5 | 3,0 |
| 4 | 1,5 | 1,9 | ≈ 3,0 |
Nhận xét: Khi $V$ giảm thì $p$ tăng; tích số $p \times V \approx$ hằng số.
Định luật được Robert Boyle (1627–1691, người Ireland) tìm ra bằng thực nghiệm năm 1662.
▸ Biểu thức
Ý nghĩa: ở nhiệt độ không đổi, khi thể tích tăng $n$ lần thì áp suất giảm $n$ lần và ngược lại.
▸ Điều kiện áp dụng
| Điều kiện | Giải thích |
|---|---|
| Khối lượng khí không đổi | Khí trong bình kín, không rò rỉ. |
| Nhiệt độ không đổi | Biến đổi đủ chậm để nhiệt độ cân bằng với môi trường. |
| Khí gần đúng khí lí tưởng | Áp suất không quá cao, nhiệt độ không quá thấp. |
▸ Trong hệ tọa độ (p, V)
Đồ thị biểu diễn định luật Boyle là một nhánh của đường hyperbol.
So sánh các đường đẳng nhiệt:
- Đường đẳng nhiệt ở nhiệt độ cao hơn nằm phía trên và xa gốc tọa độ hơn.
- Các đường đẳng nhiệt không cắt nhau.
▸ Trong hệ tọa độ (p, 1/V)
Từ $pV = $ const ⟹ $p = $ const $\times \dfrac{1}{V}$ (hàm bậc nhất theo $\dfrac{1}{V}$) → đồ thị là đường thẳng đi qua gốc tọa độ.
Nhấn cần bơm xuống: thể tích giảm → áp suất tăng → không khí bị nén và đẩy vào xăm xe qua van.
Theo Boyle: $p_1 V_1 = p_2 V_2$, vì $p_1 > p_2$ nên $V_2 > V_1$ → bọt khí phồng to lên khi nổi lên.
▸ Dạng bài toán bơm/nạp/xả khí (đẳng nhiệt)
Khi nhiệt độ không đổi, "lượng khí" ở áp suất $p$ và thể tích $V$ có thể được đặc trưng bởi tích $pV$ (tỉ lệ với số mol khí, vì $pV = nRT$).
| Tình huống | Cách viết |
|---|---|
| Bình khí thổi ra $N$ quả bóng | $p_{\text{bình đầu}} \cdot V_{\text{bình}} = p_{\text{bình cuối}} \cdot V_{\text{bình}} + N \cdot p_{\text{bóng}} \cdot V_{\text{bóng}}$ |
| Nạp khí từ bình A sang bình B | $p_A V_A + p_B V_B = p_A' V_A + p_B' V_B$ (khí trong mỗi bình sau + trước cân bằng) |
Giải: Áp dụng bảo toàn: $8 \cdot 10 = 1 \cdot 10 + N \cdot 1 \cdot 2 \Rightarrow 80 - 10 = 2N \Rightarrow N = 35$ bóng.
▸ Công thức cần nhớ
| Công thức | Ý nghĩa |
|---|---|
| $pV = $ const | Tích $p$ và $V$ không đổi (T, m không đổi). |
| $p_1 V_1 = p_2 V_2$ | So sánh hai trạng thái (đẳng nhiệt). |
| $\dfrac{p_1}{p_2} = \dfrac{V_2}{V_1}$ | $p$ và $V$ tỉ lệ nghịch. |
| $p = p_0 + \rho g h$ | Áp suất ở độ sâu $h$ trong chất lỏng. |
▸ Đặc điểm đường đẳng nhiệt
| Hệ tọa độ | Dạng đồ thị |
|---|---|
| (p, V) | Đường hyperbol (T cao nằm trên, xa gốc O) |
| (p, 1/V) | Đường thẳng đi qua gốc O |
▸ Lỗi sai thường gặp
| ❌ Sai | ✅ Đúng |
|---|---|
| Đồ thị đẳng nhiệt (p,V) là đường thẳng | Là đường hyperbol |
| Áp dụng Boyle khi T thay đổi | Chỉ áp dụng khi T = const |
| Quên đổi đơn vị | Đổi về cùng đơn vị trước khi tính |
| Áp suất ở độ sâu $h$ là $\rho gh$ | Là $p_0 + \rho gh$ |
| Đường đẳng nhiệt T cao nằm dưới | T cao nằm trên và xa gốc O |
Sơ đồ tư duy, bảng tóm tắt công thức, các mẹo tính nhanh và lỗi sai thường gặp.
Đã nắm vững lý thuyết, các em chuyển sang tab Bài Tập để luyện 25 câu bám sát SGK nhé!
Cùng luyện Bài 9 – Định luật Boyle!
25 câu: 19 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận
Tuyệt vời!

Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn
