Định luật Boyle -Lý thuyết đẳng nhiệt
I. Các thông số trạng thái của một lượng khí
– Một lượng khí đựng trong một bình kín được xác định bởi bốn đại lượng là khối lượng (m), thể tích (V), nhiệt độ (T) và áp suất (p).
– Khi thể tích, nhiệt độ và áp suất của một khối lượng khí xác định không thay đổi, ta nói lượng khí ở trạng thái cân bằng. Thể tích, áp suất và nhiệt độ của lượng khí được gọi là các thông số trạng thái của nó.
– Khí chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác bằng các quá trình biến đổi trạng thái, gọi tắt là quá trình.
– Người ta thường biểu diễn trạng thái và quá trình biến đổi trạng thái của một khối lượng khí xác định bằng hình dưới đây:
– Trong hầu hết các quá trình biến đổi trạng thái của một khối lượng khí xác định thì cả ba thông số trạng thái (áp suất, thể tích, nhiệt độ) đều có thể biến đổi.
II. Định luật Boyle
1. Quá trình đẳng nhiệt
Quá trình biến đổi trạng thái của một khối lượng khí xác định khi nhiệt độ giữ không đổi được gọi là quá trình đẳng nhiệt.
2. 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:
pV = hằng số
– Đồ thị biểu diễn định luật Boyle là một nhánh của đường hypebol.
– Đường đẳng nhiệt của cùng một lượng khí ứng với các nhiệt độ khác nhau thì khác nhau. Đường đẳng nhiệt của cùng một lượng khí ứng với nhiệt độ T1 ở thấp hơn đường đẳng nhiệt ứng với nhiệt độ T2, với T1<T2.
– Nếu gọi p1,V1 là áp suất và thể tích của khí ở trạng thái 1;p2,V2 là áp suất và thể tích của khí ở trạng thái 2 thì:
p1.v1=p2v2
Trả lời câu hỏi mở đầu trang 37 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức
Khi thay đổi thể tích của một khối lượng khí xác định ở nhiệt độ không đổi thì áp suất khí thay đổi như thế nào?
Phương pháp giải:
Vận dụng mối quan hệ giữa thể tích và áp suất
Lời giải chi tiết:
Với một lượng khí nhất định, ở nhiệt độ không đổi, áp suất và thể tích tỉ lệ nghịch với nhau. Tích số của áp suất và thể tích luôn không đổi.
Câu hỏi tr 37 CH 1
Trả lời câu hỏi 1 trang 37 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức
Các thông số trạng thái của một lượng khí đều là đại lượng có thể đo hoặc xác định được bằng các dụng cụ đo lường.
1. Người ta dùng các dụng cụ nào để đo, xác định các thông số trạng thái của lượng khí trong hộp kín ở Hình 9.1?
2. Nêu tên đơn vị của các đại lượng này trong hệ SI.
Phương pháp giải:
Các thông số trạng thái của một lượng khí
Lời giải chi tiết: 1.
Áp kế: Dùng để đo áp suất khí trong hộp kín.
Nhiệt kế: Dùng để đo nhiệt độ khí trong hộp kín.
Xylanh: Dùng để đo thể tích khí trong hộp kín.
2. Đại lượng
Ký hiệu Đơn vị SI
Áp suất p Pascal (Pa)
Nhiệt độ T Kelvin (K)
Thể tích V Mét khối (m3)
Câu hỏi tr 37 CH 2
Trả lời câu hỏi 2 trang 37 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức
Hãy so sánh các thông số trạng thái của không khí trong một quả bóng bay đã được bơm khi để trong bóng mát và khi để ngoài nắng (Hình 9.3).
Phương pháp giải: Vận dụng các thông số trạng thái của không khí
Lời giải chi tiết: Đại lượng
Bóng mát Ngoài nắng
Áp suất (P₂ > P₁)
Nhiệt độ (T₂ > T₁)
Thể tích (V₂ > V₁)
Câu hỏi tr 38 HĐ
Trả lời câu hỏi hoạt động trang 38 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức
Chuẩn bị: Bộ thí nghiệm về chất khí
– Xi lanh trong suốt có độ chia nhỏ nhất 05, cm (1).
– Pit-tông có ống nối khí trong xi lanh với áp kế (2).
– Áp kế có độ chia nhỏ nhất 0,05.105 Pa (3).
– Giá đỡ thí nghiệm (4).
– Thước đo (5).
Tiến hành:
– Bố trí thí nghiệm như Hình 9.4.
– Dịch chuyển từ từ pit-tông để làm thay đổi thể tích khí.
– Đọc và ghi kết quả thí nghiệm vào vở tương tự mẫu ở Bảng 9.1.
Từ kết quả thí nghiệm ở Bảng 9.1, thực hiện các yêu cầu sau:
1. Xác định giá trị của tích pV trong mỗi lần thí nghiệm.
2. Vẽ đường biểu diễn sự phụ thuộc của áp suất p vào thể tích V trong hệ toạ độ (p,V).
3. Phát biểu mối quan hệ giữa p và V trong quá trình đẳng nhiệt.
Phương pháp giải:
Từ kết quả thí nghiệm ở Bảng 9.1
Lời giải chi tiết:
1.
p1V1 = 3,0.1,0 = 3,0
p2V2 = 2,5.1,2 = 3,0
p3V3 = 2,0.1,5 = 3,0
p4V4 = 1,5.1,9 = 2,85
3. Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất định, tích của áp suất và thể tích luôn không đổi.
Câu hỏi tr 39 CH
Trả lời câu hỏi trang 39 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức
1. Nếu vẽ đường biểu diễn sự phụ thuộc của p vào 1/V thì đường biểu diễn sẽ có dạng như thế nào? Tại sao?
2. Tìm ví dụ về quá trình đẳng nhiệt trong đời sống.
Phương pháp giải:
Vận dụng lí thuyết định luật Boyle
Lời giải chi tiết:
1. Biểu diễn p và 1/V:
– Dạng đường biểu diễn: Đường thẳng.
– Lý do:
+ Theo định luật Boyle (Mariotte): pV = const
+ Biến đổi công thức: p = k/V => 1/p = V/k
+ Vẽ đồ thị:
Trục hoành: 1/V
Trục tung: p
Các điểm (1/V₁, p₁) và (1/V₂, p₂) nằm trên đường thẳng.
2. Ví dụ về quá trình đẳng nhiệt:
– Bơm xe đạp: Khi ta ấn pit-tông, thể tích khí giảm, áp suất khí tăng. Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ môi trường không đổi (gần như đẳng nhiệt).
– Bình xịt khử trùng: Khí bên trong bình được nén dưới áp suất cao. Khi ta ấn nút, van mở, khí thoát ra ngoài, thể tích khí tăng. Do có van điều tiết, áp suất khí giảm dần, nhưng nhiệt độ khí gần như không đổi (gần như đẳng nhiệt).
– Nén khí trong bình: Khi nén khí, thể tích khí giảm, áp suất khí tăng. Quá trình này có thể được thực hiện gần như đẳng nhiệt bằng cách sử dụng nước để làm mát bình khí.
Câu hỏi tr 40 Bài tập vận dụng
Trả lời câu hỏi bài tập vận dụng trang 40 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức
1. Một quả bóng chứa 0,04 m2 không khí ở áp suất 120 kPa. Tính áp suất của không khí trong bóng khi làm giảm thể tích bóng còn 0,025 m2 ở nhiệt độ không đổi.
2. Một bọt khí nổi từ đáy giếng sâu 6 m lên mặt nước. Khi lên tới mặt nước, thể tích của bọt khí tăng lên bao nhiêu lần? Coi áp suất khí quyển là 1,013.105 Pa; khối lượng riêng của nước giếng là 1 003 kg/m3 và nhiệt độ của nước giếng không thay đổi theo độ sâu.
Lời giải chi tiết:
1. Ta có: p₁V₁ = p₂V₂ =>p2=p1V1/V2=120000.0,04/0,025=192000
Pa
2. Áp suất tại đáy giếng: p₁ = p₀ + hρg = 1,013.10^5+6.1003.9,81 = 1,592.10^5 Pa
Áp dụng định luật Boyle: p₁V₁ = p₂V₂ =>V2=p1V1/p2=1,592.10^5.V1,013.10^5=1,57V=>𝑉2=𝑝1𝑉1/𝑝2=1,592.10^5.𝑉/1,013.10^5=1,57𝑉
Thể tích của bọt khí tăng lên 1,57 lần khi lên tới mặt nước.