Nhiệt học

Các định luật chất khí

Khảo sát quan hệ giữa áp suất, thể tích và nhiệt độ của một lượng khí xác định qua các quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp và đẳng tích.

Các định luật chất khí mô tả cách một trạng thái cân bằng thay đổi khi ta giữ cố định một đại lượng. Luôn dùng nhiệt độ tuyệt đối $T$ tính bằng kelvin; nhiệt độ Celsius không thể thay trực tiếp vào tỉ số.

Đọc đồ thị đúng cách

Trên mặt phẳng $p$–$V$, đẳng nhiệt của khí lý tưởng là hypebol $p=nRT/V$. Đẳng tích là đường thẳng đứng; đẳng áp là đường ngang. Đường cong mô tả các trạng thái đi qua chứ không tự nói tốc độ diễn biến theo thời gian.

Trắc nghiệm nhanh

Mỗi định luật khí mô tả một phép biến đổi đặc biệt của cùng lượng khí. Đẳng nhiệt nghĩa là nhiệt độ tuyệt đối không đổi nên $pV$ không đổi; nén khí làm thể tích giảm và áp suất tăng. Đẳng áp giữ áp suất không đổi, khi ấy thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ Kelvin. Đẳng tích giữ thể tích không đổi, nên áp suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ Kelvin. Đồ thị giúp nhận ra điều kiện: đường đẳng nhiệt trên mặt phẳng $p$–$V$ là một nhánh hypebol, còn đẳng áp là đường ngang. Một biểu thức tổng quát $p_1V_1/T_1=p_2V_2/T_2$ gộp các quan hệ cho lượng khí cố định, nhưng không có nghĩa trong một quá trình mọi đại lượng đều tự do đổi. Trước khi áp dụng, hãy kiểm tra đại lượng nào được giữ không đổi, đổi Celsius sang kelvin khi cần, và dùng cùng hệ đơn vị cho hai trạng thái. Các định luật là hệ quả của phương trình trạng thái khí lý tưởng.

Chẳng hạn, nén đẳng nhiệt khí từ 4,0 L ở 100 kPa xuống 2,5 L cho $p_2=p_1V_1/V_2=160$ kPa. Áp suất tăng vì cùng lượng khí bị nhốt trong thể tích nhỏ hơn; không dùng nhiệt độ Celsius trong tỉ số trạng thái.