Bài tập Vật Lí 12 Bài 9: Định luật Boyle (25 bài tập)

Lớp 12 · Vật Lí Bài 9

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

1
Thông số trạng thái & quá trình biến đổi

Trạng thái của một lượng khí xác định (khối lượng $m$ không đổi) được xác định bởi ba thông số trạng thái:

Thông sốKí hiệuĐơn vị SI
Áp suất$p$Pa (Pascal)
Thể tích$V$
Nhiệt độ tuyệt đối$T$K (Kelvin)

▸ Một số quy đổi đơn vị

Đại lượngQuy 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):

Trạng thái 1p₁, V₁, T₁
Quá trình
biến đổi →
Trạng thái 2p₂, V₂, T₂

▸ Các quá trình đặc biệt

Quá trìnhĐại lượng không đổiTên gọi
Đẳng nhiệt$T$ = constQuá trình Boyle
Đẳng tích$V$ = constQuá trình Charles
Đẳng áp$p$ = constQuá trình Gay-Lussac

(Bài này tập trung vào quá trình đẳng nhiệt – định luật Boyle.)

2
Quá trình đẳng nhiệt & thí nghiệm khảo sát
QUÁ TRÌNH ĐẲNG NHIỆT
Là quá trình biến đổi trạng thái trong đó nhiệt độ được giữ không đổi (T = hằng số), còn áp suất $p$ và thể tích $V$ thay đổi.

▸ 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.

Bộ thí nghiệm khảo sát quá trình đẳng nhiệt
Bộ thí nghiệm khảo sát mối quan hệ giữa p và V (đẳng nhiệt)

Ví dụ kết quả thí nghiệm:

LầnV (cm³)p (10⁵ Pa)p×V (10⁵ Pa·cm³)
13,01,03,0
22,51,23,0
32,01,53,0
41,51,9≈ 3,0

Nhận xét: Khi $V$ giảm thì $p$ tăng; tích số $p \times V \approx$ hằng số.

KẾT LUẬN
Trong quá trình đẳng nhiệt, áp suất và thể tích của một khối khí xác định tỉ lệ nghịch với nhau.
3
Định luật Boyle & biểu thức
ĐỊNH LUẬT BOYLE
Khi nhiệt độ của một khối lượng khí xác định giữ không đổi thì áp suất gây ra bởi khí tỉ lệ nghịch với thể tích của nó.

Định luật được Robert Boyle (1627–1691, người Ireland) tìm ra bằng thực nghiệm năm 1662.

▸ Biểu thức

TÍCH p·V KHÔNG ĐỔI
$pV = $ hằng số
SO SÁNH HAI TRẠNG THÁI
$p_1 V_1 = p_2 V_2$    hay    $\dfrac{p_1}{p_2} = \dfrac{V_2}{V_1}$

Ý nghĩa: ở nhiệt độ không đổi, khi thể tích tăng $n$ lần thì áp suất giảm $n$ lần và ngược lại.

💡 VÍ DỤ ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT BOYLE
Đề: Một lượng khí có thể tích 10 lít ở áp suất $10^5$ Pa. Tính thể tích ở áp suất $1{,}25 \times 10^5$ Pa (nhiệt độ không đổi).
Bước 1: $p_1 = 10^5$ Pa, $V_1 = 10$ lít; $p_2 = 1{,}25 \times 10^5$ Pa.
Bước 2: $V_2 = \dfrac{p_1 V_1}{p_2} = \dfrac{10^5 \times 10}{1{,}25 \times 10^5} = 8$ lít.
Kết luận: $V_2 = 8$ lít (thể tích giảm khi áp suất tăng).

▸ Điều kiện áp dụng

Điều kiệnGiải thích
Khối lượng khí không đổiKhí trong bình kín, không rò rỉ.
Nhiệt độ không đổiBiến đổi đủ chậm để nhiệt độ cân bằng với môi trường.
Khí gần đúng khí lí tưởngÁp suất không quá cao, nhiệt độ không quá thấp.
4
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)

Đồ thị biểu diễn định luật Boyle là một nhánh của đường hyperbol.

Đồ thị đẳng nhiệt trong hệ p-V
Đường đẳng nhiệt trong hệ (p, V) là một nhánh 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.

Đồ thị p theo 1/V
📌 [DÁN ẢNH: Đồ thị (p, 1/V) — đường thẳng đi qua gốc tọa độ O]
Trong hệ (p, 1/V), đồ thị là đường thẳng đi qua gốc O
5
Ứng dụng giải thích hiện tượng thực tế
💡 BÓNG BAY NỔ KHI BÓP MẠNH
Khi bóp bóng, thể tích $V$ giảm → theo định luật Boyle (T không đổi), áp suất $p$ tăng. Khi $p$ vượt giới hạn chịu được của vỏ bóng → bóng nổ.
💡 BƠM TAY (BƠM XE ĐẠP)
Kéo cần bơm lên: thể tích trong xi lanh tăng → áp suất giảm → không khí từ ngoài tràn vào.
Nhấn cần bơm xuống: thể tích giảm → áp suất tăng → không khí bị nén và đẩy vào xăm xe qua van.
💡 BỌT KHÍ NỔI LÊN TỪ ĐÁY NƯỚC
Ở đáy (độ sâu $h$): áp suất $p_1 = p_0 + \rho g h$ (lớn). Lên mặt nước: $p_2 = p_0$ (nhỏ hơn).
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.
⚠️
Lưu ý bài toán độ sâu: áp suất ở độ sâu $h$ là $p = p_0 + \rho g h$ (cộng cả áp suất khí quyển $p_0$), không phải chỉ $\rho g h$.

▸ 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 $pV = nRT$).

BẢO TOÀN LƯỢNG KHÍ (đẳng nhiệt)
$\sum (pV)_{\text{trước}} = \sum (pV)_{\text{sau}}$
Tình huốngCách 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)
⚠️
Chú ý: Áp dụng khi nhiệt độ không đổi. Có thể để nguyên đơn vị (atm, L…) miễn là các đại lượng $p$ và $V$ cùng đơn vị hai vế.
💡 VÍ DỤ NHANH
Đề: Bình chứa 10 L khí ở 8 atm. Thổi khí sang các quả bóng V = 2 L, p = 1 atm cho đến khi bình còn 1 atm (T không đổi). Số bóng thổi được?
Giải: Áp dụng bảo toàn: $8 \cdot 10 = 1 \cdot 10 + N \cdot 1 \cdot 2 \Rightarrow 80 - 10 = 2N \Rightarrow N = 35$ bóng.
6
Tổng kết

▸ Công thức cần nhớ

Công thứcÝ nghĩa
$pV = $ constTích $p$ 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 độDạng 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 thẳngLà đường hyperbol
Áp dụng Boyle khi T thay đổiChỉ áp dụng khi T = const
Quên đổi đơn vịĐổi 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 dướiT cao nằm trên và xa gốc O

Đã nắm vững lý thuyết, các em chuyển sang tab Bài Tập để luyện 25 câu bám sát SGK nhé!

1
Điểm: 0/25
🎈

Cùng luyện Bài 9 – Định luật Boyle!

25 câu: 19 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận

💡 Gợi ý
Thầy Phạm Trần Quốc Anh

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