Bài 10. Định luật Charles

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Quá trình đẳng áp

Đẳng áp là quá trình biến đổi trạng thái của một lượng khí xác định khi áp suất không đổi.

Trong quá trình đẳng áp:

$$\mathrm{p=}\text{const}$$Khi áp suất không đổi, thể tích của khí thay đổi theo nhiệt độ tuyệt đối.

1.2. Định luật Charles

Phát biểu: Với một lượng khí xác định, ở áp suất không đổi, thể tích của khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của nó.

Biểu thức: $\mathrm{V\sim T}$ hay

$$\frac{V}{T}=\text{const}$$Đối với hai trạng thái bất kì:

$$\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}$$Trong đó:

• $V$: thể tích của khí.

• $T$: nhiệt độ tuyệt đối.

1.3. Nhiệt độ tuyệt đối

Nhiệt độ tuyệt đối được đo bằng đơn vị kelvin (K).

Công thức đổi nhiệt độ:

$$\text{T=t+273,15}$$Trong đó:

• $t$: nhiệt độ Celsius (°C).

• $T$: nhiệt độ Kelvin (K).

Trong các bài tập THPT thường lấy gần đúng:

$$\text{T=t+273}$$

1.4. Đường đẳng áp

Từ phương trình: $\frac{V}{T}=\text{const}$ suy ra:$\text{V=kT}$
Trên hệ trục $\mathrm{V-T}$, đường đẳng áp là đường thẳng đi qua gốc tọa độ.

5. Các đặc điểm của đường đẳng áp

• Mỗi đường đẳng áp ứng với một áp suất xác định.

• Hai đường đẳng áp ứng với hai áp suất khác nhau không cắt nhau.

6. Điều kiện áp dụng

Định luật Charles áp dụng cho:

• Một lượng khí xác định.

• Áp suất không đổi.

• Khí được coi là khí lí tưởng.

2. HIỂU SÂU BẢN CHẤT

💡 Nhiệt độ tuyệt đối là đại lượng đặc trưng cho mức độ chuyển động nhiệt của các phân tử khí.

💡 Khi nhiệt độ tăng, chất khí có xu hướng giãn nở; khi nhiệt độ giảm, chất khí có xu hướng co lại.

💡 Trong quá trình đẳng áp, thể tích của khí thay đổi để duy trì áp suất không đổi.

💡 Định luật Charles chỉ đúng khi áp suất không đổi và lượng khí không đổi.

💡 Trong quá trình đẳng áp, nếu nhiệt độ tuyệt đối tăng bao nhiêu lần thì thể tích cũng tăng bấy nhiêu lần và ngược lại.

3. GHI NHỚ NHANH

• Đẳng áp: $\mathrm{p=}\text{const}$

• Định luật Charles: $\frac{V}{T}=\text{const}$
• Hai trạng thái: $\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}$
• Nhiệt độ phải đổi sang Kelvin: $\text{T=t+273}$
• $\text{T↑⇒V↑}$(khi $p$ không đổi).

• $\text{T↓⇒V↓}$(khi $p$ không đổi).

• Đồ thị $\mathrm{V-T}$: đường thẳng qua gốc tọa độ.

4. LƯU Ý CHO HỌC SINH

• Bắt buộc đổi nhiệt độ sang Kelvin trước khi áp dụng công thức.

• Không được dùng trực tiếp nhiệt độ Celsius trong định luật Charles.

• Tỉ số: $\frac{V}{T}$
chỉ không đổi khi áp suất không đổi.

• Thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối chứ không tỉ lệ thuận với nhiệt độ Celsius.

• Luôn kiểm tra điều kiện đẳng áp trước khi áp dụng công thức: $\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}$
• Định luật Charles là trường hợp riêng của phương trình trạng thái khí lí tưởng khi áp suất không đổi.

5. Mở rộng và nâng cao – Dành cho học sinh giỏi và thi đánh giá năng lực

5.1. Phân biệt hai định luật thường bị gọi nhầm

Với lượng khí xác định: đẳng áp cho $\text{V/T = const}$; đẳng tích cho $\text{p/T = const}$. Trong một số tài liệu cũ, tên Charles và Gay-Lussac có thể được dùng khác nhau; cần căn cứ vào điều kiện quá trình và công thức.

5.2. Ngoại suy đến không độ tuyệt đối

Nếu biểu diễn $V$ theo nhiệt độ Celsius ở áp suất không đổi, đường thẳng lí tưởng ngoại suy cắt trục nhiệt độ gần −273,15 °C. Đây là cơ sở thực nghiệm dẫn tới thang nhiệt độ tuyệt đối.

$$\text{V =}{V}_0\text{(1 + t/273,15)}$$

5.3. Khối lượng riêng trong quá trình đẳng áp

Vì khối lượng khí không đổi và $\text{ρ = m/V}$, từ định luật Charles suy ra:

$${\rho }_1{T}_1={\rho }_2{T}_2$$

5.4. Câu hỏi tư duy nâng cao

1. Vì sao không được thay nhiệt độ Celsius trực tiếp vào tỉ số $\mathrm{V/T}$?

2. Khi nung nóng khí trong xi lanh có pít-tông nhẹ, khối lượng riêng thay đổi thế nào?

3. Đường $\text{V - T}$ có đi qua gốc nếu $T$ tính bằng kelvin không?

Gợi ý ngắn: (1) phải dùng thang tuyệt đối; (2) giảm; (3) có, trong mô hình lí tưởng.