kiến thức cơ bản trong chương “Chất khí” trong chương trình Vật lí phổ thông.

PHẦN MỞ ĐẦU
Vật lí phân tử và nhiệt học là chiếc cầu nối giữa vật lý vĩ mô và vật lý vi mô,
giữa vật lý cổ điển và vật lý hiện đại. Theo trình tự phát triển nhận thức của con
người đối với thế giới tự nhiên, phần vật lí phân tử được đặt ngay sau phần cơ học
Newton. Nghiên cứu vật lý phân tử và nhiệt học tạo một bước chuyển mới trong
hoạt động nhận thức của HS [2].
Vật lí phân tử là một phần của vật lí nghiên cứu các tính chất vật lí của các vật,
các tính chất đặc thù của tập hợp các trạng thái của vật và nghiên cứu các quá trình
chuyển pha phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của các vật, phụ thuộc vào lực tương tác
của các phân tử và tính chất chuyển động nhiệt của các hạt [3]. Nhiệt học nghiên cứu
các tính chất vật lí của hệ vĩ mô trên cơ sở phân tích những biến đổi năng lượng có thể
có của hệ mà không tính đến cấu trúc vi mô của chúng. Chương “Chất khí” có thể coi
là phần mở đầu của nhiệt học. Vì vậy nghiên cứu vật lí phân tử và nhiệt học giúp cho
giáo viên nắm kiến thức sâu hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho công tác giảng dạy ở
trường THPT.
Tiểu luận này trình bày rõ hơn một số kiến thức cơ bản trong chương “Chất khí”
trong chương trình Vật lí phổ thông.


PHẦN NỘI DUNG
1. Đặc điểm của chương
Trước đây, trong chương trình cải cách giáo dục THPT, phần nhiệt học và vật lý
phân tử bị tách ra làm hai phần. Cụ thể, phần nhiệt học và cơ sở của nhiệt động lực học
nằm ở cuối lớp 10 còn phần chất rắn và chất lỏng nằm ở đầu lớp 11. Làm như vậy đã
tạo ra sự gián đoạn trong việc nghiên cứu phần nhiệt học ở THPT.
Trong chương trình và SGK mới, toàn bộ nội dung kiến thức phần nhiệt học
THPT tập trung ở lớp 10 và được chia làm ba chương là: “Chất khí”, “Cơ sở của nhiệt
động lực học”, “Chất rắn và chất lỏng. Sự chuyển thể” [4].
Chương ‘chất khí” là chương đầu tiên của phần “Nhiệt học”. Toàn chương gồm
có 8 tiết, trong đó có 2 tiết bài tập [7].
2. Nhiệm vụ của chương

Chương này trình bày về cấu tạo chất, nội dung thuyết động học phân tử chất khí,
đặc điểm của khí lý tưởng, quá trình đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp đối với khí lí tưởng
và các định luật thực nghiệm tương ứng, phương trình trạng thái khí lí tưởng. Ngoài ra,
chương này còn đề cập đến khái niệm nhiệt độ tuyệt đối [4] [6].
3. Sơ đồ kiến thức của chương


4. Chuẩn kiến thức kĩ năng
4.1. Kiến thức
- Phát biểu được nội dung cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí.
- Nêu được đặc điểm của khí lý tưởng.
- Nêu được các quá trình đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp là như thế nào và phát
biểu được các định luật Bôilơ – Mariốt, Sác-lơ và Gay Luy-xác.
- Nêu được nhiệt độ tuyệt đối.
- Nêu được các thông số P,V,T xác định trạng thái của một lượng khí.
- Viết được phương trình trạng thái của khí lý tưởng
- Viết được phương trình Cla-pê-rôn – Men-đê-lê-ép.
4.2. Kĩ năng
- Vận dụng được thuyết động học phân tử để giải thích đặc điểm về hình dạng,
thể tích của các chất khí ở thể khí, thể lỏng, thể rắn.
- Vẽ được đường đẳng tích, đẳng áp, đẳng nhiệt trong hệ toạ độ (P, V).
- Vận dụng được phương trình trạng thái của khí lí tưởng và phương trình Clapê-rôn – Men-đê-lê-ép để giải các bài tập đơn giản [6].
5. Phân tích kiến thức của chương
5.1. Thuyết động học phân tử
5.1.1. Cơ sở của thuyết
a. Cơ sở kinh nghiệm
Thuyết động học phân tử (ban đầu là thuyết cấu tạo chất) là một trong những
thuyết vật lí ra đời sớm nhất. Đó là kết quả của cuộc đấu tranh kéo dài nhiều thế kỉ
giữa những quan niệm đối lập về bản chất của nhiệt và là sự kế thừa những quan niệm
cổ đại nhất về cấu tạo chất. Theo quan niệm của Demokritos thì vật chất được cấu tạo

một cách gián đoạn từ các hạt, trong khi đó một trường phái khác cho rằng vật chất
được cấu tạo một cách liên tục từ một số chất cơ bản. Giả thuyết cho rằng nhiệt có
được là do chuyển động của các hạt vật chất ra đời trước giả thuyết về “chất nhiệt” và
được các nhà bác học Hooke, Boyle, Newton, Lomonosov ủng hộ. Bên cạnh đó,
những thành tựu nguyên tử luận trong hóa học đã góp phần quan trọng đến sự ra đời
của thuyết động học phân tử. Cùng với đó là sự ra đời của số Avogadro cho phép xác
định được khối lượng của từng nguyên tử. Như vậy, nguyên tử từ chổ là sản phẩm đơn
thuần của trí tưởng tượng của con người đã dần dần trở thành một thực thể vật lí. Đó
chính là một trong những động lực quan trọng quyết định sự ra đời của thuyết động
học phân tử [1].
b. Cơ sở thực nghiệm


Các định luật thực nghiệm về chất khí của Boyle, Mariot, Gay-Lussac và
Charles có quan hệ trực tiếp đến sự ra đời của thuyết động học phân tử. Năm 1834
Clapeyron đã biểu diễn phương trình trạng thái của chất khí thành một công thức tổng
quát pV = nRT. Ngoài ra còn có những cơ sở thực nghiệm quan trọng khác nữa đó là
sự phát hiện ra chuyển động Brown, hiện tượng khuếch tán của Loschmidt.
c. Các mô hình đầu tiên
- Mô hình tĩnh học chất khí của Boyle là mô hình được đưa ra đầu tiên. Theo
ông thì chất khí do các hạt vật chất hình cầu rất nhỏ tạo thành và có tính chất đàn hồi
như cao su.
- Mô hình động học chất khí được Bernouli đưa ra năm 1734 cho rằng chất khí
được cấu tạo bởi những hạt vật chất chuyển động hỗn loạn và không ngừng. Mô hình
của ông đã giải thích thành công nguyên nhân gây ra áp suất và giải thích được định
luật thực nghiệm Boyle-Mariotte.
5.1.2. Nội dung của thuyết
a. Quan điểm cơ bản của thuyết động học phân tử
Thuyết động học phân tử là một trong những thuyết Vật lí ra đời sớm nhất. Nó kế
thừa những quan điểm cổ đại về cấu tạo vật chất và những kết qủa của cuộc đấu tranh

kéo dài nhiều thế kỷ giữa các tư tưởng đối lập nhau về bản chất của nhiệt.
Tư tưởng cơ bản của thuyết là tư tưởng cơ học của Newton. Theo Newton vật
chất cấu tạo bởi các hạt nằm trong chân không và giũa chúng có tương tác với nhau.
Trong suốt ba thế kỉ XVII, XVIII, XIX, quan điểm này giữ vai trò thống trị và chi phối
sự hình thành, phát triển của thuyết động học phân tử.
Thuyết động học phân tử về thực chất có thể coi là sự vận dụng tư tưởng của cơ
học Newton vào thế giới vi mô. Các quan điểm cơ bản của thuyết là:
- Vật chất được cấu tạo từ các hạt rất nhỏ gọi là phân tử,
- Các phân tử chuyển động hỗn loạn và không ngừng,
- Các phân tử tương tác với nhau bằng lực hút và lực đẩy,
- Chuyển động và tương tác của các phân tử tuân theo định luật cơ học của
Newton.
b. Các định luật và phương trình cơ bản
Hành vi của từng phân tử tuân theo các định luật Newton và các định bảo toàn,
nhưng toàn bộ hệ thì tuân theo quy luật thống kê.


Phương trình cơ bản là
p=

2
nWd
3

Trong đó p là áp suất chất khí, n là mật độ phân tử khí, Wd là động năng trung
bình của phân tử khí.
Phương trình này cho thấy mối quan hệ giữa các đại lượng vĩ mô và vi mô, thực
sự vạch rõ cơ chế vi mô của áp suất và phản ánh một cách tường minh các quan điểm
cơ bản của thuyết động học phân tử.
c. Hệ quả của thuyết

- Giai đoạn 1: Phát triển của thuyết động học phân tử và phối hợp nó với nhiệt
động lực học mang tính chất hiện tượng luận vào cuối thế kỉ XIX đầu thế kỉ XX liên
quan đến các công trình của Clausius, Maxwell và Boltzmann.
- Giai đoan 2: Phát triển vật lí thống kê, dùng nó để giải thích giá trị của các đại
lượng quan sát được trong thí nghiệm. Đây là thời kì thành lập nhiệt động lực học
thống kê liên quan tới những công trình của Gibbs, Bose và Einstein.
- Giai đoạn 3: Xây dựng và phát triển thống kê lượng tử liên quan tới các công
trình của Einstein, Pauli, Fermi, Dirac.
Trong 3 giai đoạn trên thì giai đoạn đầu tiên có quan hệ trực tiếp với thuyết động
học phân tử hiểu theo nghĩa nguyên thủy của nó. Những hệ quả có được từ thuyết
động học phân tử có thể nêu một cách vắn tắt là:
- Vạch rõ bản chất của nhiệt: Thực vậy, từ phương trình cơ bản p =
hợp với phương trình trạng thái pV = RT ta suy ra Wd =
mật độ chất khí n=

2
nWd phối
3

3R
3
T = kT . Trong đó n là
2N
2

N
R
và k = là hằng số Boltzmann. Công thức trên cho thấy ý
V
N

nghĩa của nhiệt độ tuyệt đối.
- Định luật phân bố phân tử theo vận tốc của Maxwell.
- Định luật phân bố phân tử theo chiều cao của Boltzmann.
- Bản chất của nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học.
d. Thiếu sót của thuyết


Thuyết động học phân tử không những giải thich được các hiện tượng nhiệt của
các chất như: khuếch tán, truyền nhiệt, dẫn nhiệt, bay hơi, ngưng tụ,..., mà còn là cơ sở
để nghiên cứu về các quá trình biến đổi trạng thái khí. Tuy nhiên thuyết động học phân
tử củng có những mặt hạn chế:
+ Nguyên tử luận của thuyết động học phân tử là nguyên tử luận siêu hình.
Thuyết động học phân tử quan niệm phân tử là hạt “cơ bản” cuối cùng của vật chất
không có cấu trúc bên trong.
+ Thiếu sót nghiêm trọng nữa là đã sử dụng các quy luật của cơ học cổ điển vào
thế giới vi mô.
5.2. Thuyết động học phân tử chất khí
Vật chất ở điều kiện bình thường tồn tại ở ba thể rắn, lỏng, khí. Chất khí có
những đặc điểm giống với chất rắn và chất lỏng, tuy nhiên nó cũng có những đặc điểm
khác biệt. Vì vậy dựa trên thuyết động học phân tử và mô hình khí lí tưởng người ta
đưa ra thuyết động học phân tử chất khí. Nội dung của thuyết như sau:
- Chất khí bao gồm các phân tử. Kích thước phân tử là nhỏ. Trong phần lớn các
trường hợp có thể bỏ qua kích thước ấy và coi mỗi phân tử như mỗi chất điểm.
- Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng. Nhiệt độ càng cao thì vận tốc
chuyển động hỗn loạn càng lớn. Chuyển động hỗn loạn của phân tử gọi là chuyển
động nhiệt. Do phân tử chuyển động hỗn loạn, tại mỗi thời điểm, hướng của vận tốc
phân tử phân bố đều (theo mọi phương như nhau) trong không gian.
- Khi chuyển động, mỗi phân tử va chạm với các phân tử khác và với thành bình.
Khi không va chạm, các phân tử gần như tự do và chuyển động thẳng đều. Khi phân

tử này va chạm với các phân tử khác thì cả hai phân tử tương tác, làm thay đổi phương
chuyển động và vận tốc của từng phân tử. Khi va chạm với thành bình, phân tử bị phản
xạ và truyền động lượng cho thành bình. Rất nhiều phân tử va chạm với thành bình tạo
nên một lực đẩy vào thành bình. Lực này tạo nên áp suất lên thành bình
5.3. Một số khái niệm
5.3.1. Khí lí tưởng
Để vận dụng thuyết động học phân tử vào việc nghiên cứu các tính chất của chất
khí, trước hết cần phải tìm hiểu rõ cấu tạo phân tử của chất khí. Hơn nữa cần tập trung
vào những đặc điểm chủ yếu của cấu tạo phân tử của chất khí, bỏ qua những yếu tố
thứ yếu không ảnh hưởng rõ rệt đến các tính chất của chất khí. Xuất phát từ quan niệm


này, người ta xây dựng một mẫu khí bao gồm những đặc điểm cơ bản của chất khí gọi
là mẫu khí lí tưởng:
+ Khí lí tưởng gồm một số rất lớn các phân tử có kích thước rất nhỏ (so với
khoảng cách trung bình giữa các phân tử), các phân tử chuyển động hỗn loạn không
ngừng.
+ Lực tương tác giữa các phân tử chỉ trừ lúc va chạm là đáng kể còn lại thì rất
nhỏ bé, có thể bỏ qua.
+ Sự va chạm lẫn nhau giữa các phân tử khí hay va chạm giữa các phân tử khí
với thành bình tuân theo qui luật va chạm đàn hồi (nghĩa là không hao hụt động năng
của phân tử)
Không khí và các chất khí nói chung ở điều kiện bình thường về nhiệt độ và áp
suất đều có thể coi là khí lí tưởng. Các chất khí ở áp suất cao và nhiệt độ cao không thể
coi là khí lí tưởng mà là khí thực.
5.3.2. Thông số trạng thái, phương trình trạng thái và quá trình biến đổi trạng
thái
Trạng thái của một khối khí nhất định được xác định bởi thể tích V, áp suất p và
nhiệt độ tuyệt đối T. Những đại lượng này được gọi là các thông số trạng thái của một
khối khí.

Một khối khí có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác bằng các quá
trình biến đổi trạng thái, gọi tắt là quá trình.Trong hầu hết các quá trình tự nhiên, cả ba
thông số trạng thái đều thay đổi.Tuy nhiên cũng có thể thực hiện các quá trình trong đó
chỉ có hai thông số biến đổi, còn một thông số không đổi. Những quá trình này được
gọi là đẳng quá trình.
Những hệ thức giữa các thông số trạng thái của mỗi khối khí nhất định được gọi
là các phương trình trạng thái của khối khí đó [4].
5.3.3. Áp suất
Cũng là khái niệm áp suất nhưng áp suất trong cơ học thì khác so với khái niệm
áp suất trong vật lý học phân tử, đặc biệt là áp suất của chất khí. Vậy thì phải hiểu thế
nào cho rõ bản chất vi mô của đại lượng ấy.
Ta xét một lượng khí đặt trong một bình có thể tích nhất định. Sau khi hấp thụ
một lớp phân tử khí rất mỏng thì thành bình không hấp thụ thêm nữa. Các phân tử khí
bay tới va chạm vào thành bình, truyền cho thành bình một phần năng lượng rồi bị bật
trở lại. Cho đến khi cân bằng nhiệt giữa thành bình và chất khí được thiết lập thì va
chạm sẽ không làm thay đổi động năng của các phân tử khí nữa, khi đó va chạm có thể


coi là va chạm đàn hồi. Nghĩa là thành bình chỉ nhận xung lực của phân tử khí. Như
vậy, áp suất của chất khí tác dụng lên thành bình chính là xung lực trung bình mà các
phân tử khí tác dụng lên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. Giá trị áp
suất này có thể thay đổi nhưng sự thay đổi đó càng nhỏ nếu số phân tử khí càng lớn.
Chuyển động của các phân tử khí là hỗn độn không có phương ưu tiên nên lực va
chạm của chúng lên thành bình cũng không có phương ưu tiên. Tổng hợp của chúng là
một lực vuông góc với thành bình và hướng từ trong ra ngoài gây nên áp suất ở thành
bình.
Chuyển động của các phân tử càng nhanh, tức động năng càng lớn, thì đập vào
bình với áp lực càng lớn, gây ra áp suất càng lớn. Ngoài ra, mật độ các phân tử khí
càng lớn thì khả năng va chạm với thành bình càng cao, suy ra áp suất càng lớn.
Vậy: áp suất của khí có liên quan đến động năng của các phân tử khí và mật độ

khí.
Trong hệ SI đơn vị áp suất là

N
(Niutơn trên mét vuông), tức là áp suất gây nên
m2

bởi lực bằng 1N tác dụng vuông góc lên diện tích bằng 1m 2.
Trong hệ CGS đơn vị áp suất là

dyn
(dyn trên centimet vuông)
cm 2
1

N
dyn
= 10 2
2
m
cm

Ngoài ra còn dùng các đơn vị áp suất ngoại hệ là atmotphe kĩ thuật còn gọi tắt là
atmotphe (kí hiệu la at) . Nếu dùng đơn vị lực là kilôgam lực (kG) và đơn vị diện tích
là cm2 thì
1at =

1kG
N
= 9,81.104 2

2
cm
m

- Atmosphe vât lí (kí hiệu là atm) là áp suất gây nên bởi trọng lượng cột thủy
ngân cao 760mm.
- Tor hay milimet thủy ngân (kí hiệu là tor hay mmHg) là áp suất gây nên bởi
trọng lượng cột thủy ngân cao 1mm; 1tor = 1mmHg = 133,322
Vậy: 1atm = 760mmHg = 1,013.10
5.3.4. Nhiệt độ

5

N
= 1,033at
m2

N
m2


Theo quan điểm của thuyết động học phân tử, nhiệt độ có liên quan mật thiết với
năng lượng chuyển động tịnh tiến của các phân tử đó chính là động năng trung bình
của chuyển động tịnh tiến. Đối với khí lí tưởng, ta qui ước nhiệt độ θ được xác định
như sau:
θ=

2
Wd
3

Vậy nếu các phân tử chuyển động càng nhanh (hoặc càng chậm) thì động năng
trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử càng lớn (hoặc càng nhỏ) và do đó
nhiệt độ của vật càng cao (hoặc càng thấp). Nhiệt độ cũng như động năng trung bình
của chuyển động tịnh tiến của phân tử là đại lượng liên quan chặt chẽ tới mức độ
nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử.
Vậy theo quan điểm của thuyết động học phân tử, nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc
trưng cho tính chất vĩ mô của vật, thể hiện mức độ nhanh hay chậm của chuyển động
hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật đó.
Như vậy đơn vị của nhiệt độ sẽ là (J) nhưng trong thực tế việc đo trực tiếp động
năng trung bình của chuyển động nhiệt rất khó, hơn nữa vì lí do lịch sử, trước khi
thuyết động học phân tử ra đời người ta vẫn quen dùng đơn vị của nhiệt độ là “độ”. Vì
vậy, để đo nhiệt độ bằng độ phải đưa thêm vào công thức trên một hệ số chuyển đơn vị
là hằng số Bôn-dơ-man k. Mối liên quan giữa nhiệt độ đo bằn đơn vị năng lượng và
nhiệt độ đo bằng đơn vị “độ” được thể hiện qua công thức sau:
θ=

2
Wd = kT
3

k = 1,38.10-23 J/độ hay 1,38.10-16erg/độ
Để xác định được nhiệt độ, người ta sử dụng nhiệt kê. Vấn đề cơ bản của việc
chế tạo nhiệt kế là xây dựng các thang đo. Người ta đưa ra nhiều loại thang đo khác
nhau nhưng bốn thang đo thường được quan tâm nhiều nhất là thang đo của nhà bác
học Celsius, Kelvin, Farenheit, và Réaumur.
Tùy theo cách chia độ mà ta có các nhiệt giai khác nhau:
+ Nhiệt giai Celsius (nhiệt giai bách phân), kí hiệu làoC. Trong nhiệt giai này,
người ta chọn điểm tan của nước đá và điểm sôi của nước (ở áp suất 1 atm) là 0 oC và
100oC. Trong khoảng này, chia làm 100 phần đều nhau, mỗi phần gọi là 1oC.

+ Nhiệt giai Fahrenheit: kí hiệu làoF. Trong nhiệt giai này, người ta chọn điểm
tan của nước đá và điểm sôi của nước (ở áp suất 1 atm) là 32 oF và 212oF. Trong
khoảng này chia làm 180 phần đều nhau, mỗi phần là 1 oF. Ta có hệ thức liên hệ giữa
nhiệt giai Celsius và nhiệt giai Fahrenheit:


t 0C
t 0 F −32
=
100
180
5
⇒t 0C = (t 0 F −32)
9
9
t 0 F = (t 0C +32)
5

+ Nhiệt giai Ken-vin (nhiệt giai Quốc tế): Kí hiệu là K (thay vì 0K) và được định
2
3

nghĩa từ biểu thức: KT = W đ hay p = nKT, trong đó T là nhiệt độ của vật, đơn vị đo
là Kenvin (K); K = 1,38.10-23 (J/Kg) là hằng số Boltzmann.
Ta thường sử dụng thang nhiệt độ Celsius (thang bách phân) và thang nhiệt độ
Kelvin (thang nhiệt độ tuyệt đối). Mỗi độ chia của thang tuyệt đối bằng độ chia của
thang bách phân nhưng độ không của thang tuyệt đối thì ứng với -273 0C (thật ra là
-273,160C). Độ không tuyệt đối là nhiệt độ thấp nhất không thể đạt tới được. Ở độ
không tuyệt đối thì không còn chuyển động nhiệt nữa.
Ta có công thức liên hệ giữa nhiệt độ thang bách phân và thang nhiệt độ tuyệt đối

như sau:
T = t + 273
T: nhiệt độ của thang tuyệt đối (kí hiệu là K)
t: nhiệt độ của thang bách phân (kí hiệu là 0C)
Với định nghĩa này thì khi T = 0 thì W ñ = 0. Điều này chứng tỏ trên thực tế
không bao giờ đạt đến không độ kelvin, vì muốn vậy, các phân tử khí phải đứng yên,
không còn chuyển động nhiệt hỗn loạn nữa, điều này mâu thuẫn với thuyết động học
phân tử. Chính vì vậy 0 (K) được gọi là độ không tuyệt đối và nhiệt giai Kelvin còn
gọi là nhiệt giai tuyệt đối.
Có ý kiến cho rằng độ không tuyệt đối là nhiệt độ không thể đạt được như vậy
sẽ không tồn tại nhiệt độ tuyệt đối âm. Thực ra đó là sự hiểu nhầm. Ta không thể thực
hiện được độ không tuyệt đối nhưng nhiệt độ tuyệt đối âm là có thể thực hiện được. Ta
có thể lí giải điều này như sau: Theo công thức phân bố hạt theo mức năng lượng E
(Gíp-xơ) thì W(E) =

n ( E)
N
E

thức là : W(E) = A e- kT

là xác suất hay tỉ phần hạt ở mức năng lượng E có biểu
(1)

Nếu nhiệt độ T dương thì mức năng lượng E thấp có số hạt lớn hơn mức năng
lượng E cao (E giảm thì W(E) tăng). Nếu T giảm đến giá trị 0 thì tất cả mọi hạt đều


nằm ở mức năng lượng thấp nhất, như thế không còn chuyển động nhiệt nữa. Định lý
Nerst đã chỉ ra rằng không thể đạt tới nhiệt độ không độ K được.

Tuy nhiên, có thể tạo ra những hệ (trong các nguồn phát Laze) ở trạng thái mà
trong đó mức năng lượng cao có nhiều hạt hơn mức năng lượng thấp. Theo công thức
(1) thì trạng thái này ứng với nhiệt độ tuyệt đối âm T<0. Với T âm thì khi E tăng (mức
năng lượng cao) W(E) cũng tăng (số hạt tăng).
Nhiều lập luận Vật lý đã nêu rõ nhiệt độ tuyệt đối âm là nóng hơn (cao hơn) nhiệt
độ tuyệt đối dương và cao hơn không độ tuyệt đối. Vì thế sự tồn tại nhiệt độ tuyệt đối
âm là không mâu thuẫn với mệnh đề nói rằng 0 (K) là nhiệt độ thấp nhất không thể đạt
được.
5.3.5. Lượng chất và mol - Số Avôgađrô
a. Lượng chất và mol
Lượng chất là một trong 7 đại lượng vật lí cơ bản của hệ thống đo lường quốc tế
(SI). Lượng chất được đo bằng mol.
Mol của chất nào đó là lượng chất của 6,02.1023 hạt (nguyên tử, phân tử) chất đó.
b. Số Avôgađrô
Số 6,02.1023 hạt chứa trong 1 mol chất gọi là số Avôgađrô và được kí hiệu là:
NA = 6,02.1023 mol –1
Đó là số nguyên tử trong 12 gam cacbon, được lấy làm chuẩn về lượng chất.
5.4. Các định luật thực nghiệm về chất khí
5.4.1. Định luật Bôilơ-Mariôt (Robert Boyle-Edme Mariotte)
Từ năm 1659, Rôbơc Bôilơ đã tiến hành nhiều thí nghiệm về tính chất của chất
khí, qua đó ông đã phát hiện ra ở nhiệt độ không đổi thì áp suất và thể tích tỉ lệ nghịch
với nhau và công bố nó vào năm 1662.
Độc lập với Bôilơ thì có Mariôt cũng tìm thấy mối liên hệ tương tự vào năm
1676. Vì vậy, định luật này có tên là định luật Bôilơ hay định luật Bôilơ - Mariôt.

Robert Boyle

Edme Mariotte

Định luật : Trong quá trình đẳng nhiệt của một khối khí xác định, thể tích tỉ lệ
nghịch với áp suất hay nói cách khác tích số của thể tích và áp suất của khối khí là một
hằng số [4].
p:

1
V

hay

pV = const

Đối với một khối khí nhất định, giá trị của hằng số (const) ở trên phụ thuộc vào
nhiệt độ của khối khí đó.
P
T2>T1

T1

T2

0

Họ các đường đẳng nhiệt

V

Sự tỉ lệ nghịch của p và V khi T
không đổi

Đường biểu diễn sự biến thiên của thể tích theo áp suất khi nhiệt độ không đổi
gọi là đường đẳng nhiệt.Trong hệ toạ độ pOV thì đường này là đường hybebol. Ứng
với các nhiệt độ khác nhau ta được các đường đẳng nhiệt khác nhau. Nhiệt độ càng cao
đường đẳng nhiệt càng xa điểm gốc.Tập hợp các đường đẳng nhiệt gọi là họ đường
đẳng nhiệt.
Định luật Bôilơ - Mariôt là định luật gần đúng, nó chỉ khá chính xác với đa số
chất khí ở nhiệt độ gần với nhiệt độ phòng và không chịu áp suất quá cao so với áp
suất khí quyển.
Để hiểu rõ bản chất Vật lý của định luật Bôilơ - Mariôt, ta sẽ giải thích định luật
này một cách định tính theo thuyết động học phân tử.


Như ta đã biết, nguyên nhân của áp suất chất khí là do sự va chạm của phân tử
khí lên thành bình đựng nó. Độ lớn của áp suất phụ thuộc vào hai yếu tố.
- Số va chạm của các phân tử khí lên mỗi đơn vị diện tích của thành bình. Số va
chạm này phụ thuộc vào mật độ phân tử khí lên thành bình (với một lượng khí xác
định mật độ này phụ thuộc vào thể tích), mật độ càng lớn (hoặc càng nhỏ) thì số va
chạm càng lớn (hoặc càng nhỏ). Ngoài ra thì số va chạm này còn phụ thuộc vào vận
tốc các phân tử tức là phụ thuộc vào nhiệt độ chất khí. Nhiệt độ càng cao (hoặc càng
thấp) thì các phân tử chuyển động càng nhanh (hoặc càng chậm) do đó số va chạm này
càng tăng lên (hoặc càng giảm đi).
- Cường độ va chạm của các phân tử chất khí lên thành bình. Cường độ va chạm
này phụ thuộc vào vận tốc các phân tử, tức là phụ thuộc vào nhiệt độ chất khí. Nhiệt
độ càng lớn các phân tử chuyển động càng nhanh, do đó chúng va chạm vào thành
bình càng mạnh và ngược lại.
Trong trường hợp định luật Bôilơ - Mariot nhiệt độ chất khí được giữ không đổi,
do đó cường độ va chạm của phân tử khí lên thành bình không đổi. Vậy ở đây, khi áp
suất tăng có nghĩa là số va chạm của các phân tử khí lên mỗi đơn vị diện tích của
thành bình phải tăng (tính trong một khoảng thời gian xác định). Điều này chỉ thực
hiện được với sự tăng mật độ phân tử khí. Với một khối lượng khí xác định, số phân tử

khí trong đó là xác định, muốn tăng mật độ phân tử khí thì bắt buộc phải giảm thể tích
V. Giải thích tương tự thì nếu p giảm thì V tăng.
5.4.2. Định luật Saclơ (Jacques Charles)
Định luật này nêu lên mối liên hệ giữa áp suất và nhiệt
độ khi thể tích không đổi.
*Định luật: Trong quá trình đẳng tích của một khối khí,
áp suất tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối.
p
= const
T

Hay có thể viết lại biểu thức của định luật như sau:
Cho V1 = V2
Gọi p1 , T1 là áp suất và nhiệt độ tuyệt đối ở trạng thái 1
p2 , T2 là áp suất và nhiệt độ tuyệt đối ở trạng thái 2
Ta có:

Jacques Charles
1746-1823


p1
p
= 2
T1
T2

Hai phương trình trên là cách phát biểu định luật Saclơ theo nhiệt giai tuyệt đối.
Thực ra, ban đầu định luật Saclơ được viết theo nhiệt giai bách phân bởi vì định luật
này được tìm ra trong khi quan sát thí nghiệm với nhiệt độ tính theo nhiệt giai bách

phân.
Gọi p0 là áp suất của một khối khí xác định ở nhiệt độ t 0 = 00C (T0 = 273K). Khi
biến đổi đẳng tích tới áp suất p và nhiệt độ T, ta có hệ thức:
p
p
= 0
T
T0

hay
Vậy

p=

p ( 273+t )
p0
T= 0
T0
273

P

V1

p t = p0 ( 1+α p t )

1
Trong đó α p =
gọi là hệ số nhiệt
273

biến đổi áp suất của khí. Từ phương trình
trên ta có thể phát biểu định luật Saclơ như
sau:

V1
V2

0

T(K)

Họ các đường đẳng tích

Khi thể tích không đổi thì áp suất của một khối lượng khí cho trước biến thiên
bậc nhất theo nhiệt độ (bách phân).
Chú ý rằng p0 là áp suất khí ở 0 0C và nhiệt độ ở đây là nhiệt độ của thang bách
phân.
Đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo nhiệt độ khi thể tích không đổi
gọi là đường đẳng tích.Ứng với các thể tích khác nhau ta có các đường đẳng tích khác
nhau. Đường ở trên ứng với thể tích nhỏ hơn.
5.4.3. Định luật Gay Luy-xác (Gay Lussac)
Định luật này nêu lên mối liên hệ giữa thể tích và nhiệt độ khi áp suất không đổi.
Định luật này được Saclơ phát hiện ra năm 1787 nhưng không công bố, còn Gay
Luy-xác (1778-1850) phát biểu định luật này vào năm 1802. Vì vậy định luật này còn
có tên là định luật Saclơ [4].
*Định luật: Trong quá trình đẳng áp của một khối khí , thể tích tỉ lệ với nhiệt độ
tuyệt đối.

V
= const
T

hay ta có thể phát biểu như sau : Cho p1 = p2
Gọi V1 , T1 là áp suất và nhiệt độ tuyệt đối ở trạng thái 1
V2 , T2 là áp suất và nhiệt độ tuyệt đối ở trạng thái 2
V1 V2
=
T1 T2

Từ phương trình đẳng áp có thể suy ra được phương trình đẳng áp viết dưới dạng
quen thuộc biểu thị định luật GayLuytxăc
Vt =V0 ( 1+α V t )

trong đó α v =

1
gọi là hệ số nhiệt đẳng áp của khí. Như vậy, ta có thể phát biểu định
273

luật GayLuytxăc như sau:
Khi áp suất không đổi thì thể tích của một khối khí cho trước biến thiên bậc nhất
theo nhiệt độ (bách phân).
Với V0 là thể tích ở nhiệt độ 00C và nhiệt độ ở đây là nhiệt độ của thang bách
phân.

V

P1

P1
P2

0

T(K)

Họ các đường đẳng áp

Minh họa của định luật GayLuytxăc

Đường biểu diễn sự biến thiên của thể tích theo nhiệt độ khi áp suất không đổi
gọi là đường đẳng áp.Ứng với các áp suất khác nhau ta có các đường đẳng tích khác
nhau. Đường ở trên ứng với áp suất nhỏ hơn.
Cũng giống như đối với định luật Bôilơ - Mariôt, định luật Saclơ và định luật
GayLuytxăc cũng là những định luật gần đúng.


Tóm lại, các định luật thực nghiệm về chất khí chỉ áp dụng cho các khối khí ở
điều kiện nhiệt độ và áp suất thông thường. Nếu áp suất khí quá lớn hoặc nhiệt độ khí
quá thấp thì chất khí không còn tuân theo các định luật đó nữa. Ở nhiệt độ thấp và áp
suất thông thường thì hầu hết các chất khí đều hoá lỏng. Điều này cũng giải thích vì
sao các đường đẳng tích và đẳng áp có những đường không liền nét ở nhiệt độ thấp,
bởi vì đó là những đường không có thực.
Các định luật hoàn toàn đúng với khí lí tưởng và chỉ gần đúng với các khí thực
5.4.4. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng
Như vậy ta đã thiết lập được mối liên hệ giữa hai thông số khi một thông số

không đổi. Bây giờ ta sẽ xây dựng mối liên hệ giữa ba thông số được gọi là phương
trình trạng thái của khí lí tưởng.
Để thiết lập phương trình này ta chuyển lượng khí từ trạng thái 1 (p 1,V1,T1) sang
trạng thái 2 (p2,V2,T2) qua trạng thái trung gian 2’(p’2,V2,T1)
p1

p ’2

Đẳng nhiệt

Đẳng tích

p2

v1

V2

V2

T1

T1

T2

P

P1

P1
1
2

P2

0

P’2

V1

V2

V

Áp dụng định luật Bôilơ-Mariốt cho quá trình đẳng nhiệt khi chuyển từ trạng thái
1 sang trạng thái 2’, ta có:
p1V1=p’2V2

(1)

Áp dụng định luật Saclơ cho quá trình đẳng tích khi chuyển từ trạng thái 2’ sang
trạng thái 2 ta có :
p'2
T
= 1
p1
T2

(2)


Từ (1) và (2) ta suy ra :
p1V1
pV
= 2 2
T1
T2

Việc chọn trạng thái 1 và trạng thái 2 là bất kì ,vì vậy có thể viết
pV
= const
T

Đây là phương trình trạng thái khí lí tưởng
5.4.5. Phương trình Cla-pê-rôn - Men-đê-lê-ép
Từ phương trình trạng thái

pV
= const đối với hai lượng khí khác nhau thì hằng
T

số ở vế phải là khác nhau. Để khảo sát định lượng sự khác nhau đó thì ta hãy tính hằng
số trong vế phải.Từ đó ta có được phương trình Cla-pê-rôn - Men-đê-lê-ép tương
đương với phương trình trạng thái. Tuy nhiên phương trình Cla-pê-rôn - Men-đê-lê-ép
chứa đựng lượng thông tin nhiều hơn phương trình trạng thái. Nếu biết được hai trong
ba thông số p,V,T thì dựa vào phương trình Cla-pê-rôn - Men-đê-lê-ép ta có thể suy ra
thông số kia. Hoặc nếu tính số mol của lượng khí đó ta cũng có thể dựa vào phương

trình Cla-pê-rôn - Men-đê-lê-ép.
Đối với một kilômol khí (kilômol khí là một khối khí chứa N= 6,023.1026 phân
tử hay nguyên tử), nghĩa là có khối lượng m = μ kg, với μ là khối lượng phân tử hay
nguyên tử). Cla-pê-rôn và Men-đê-lê-ép đã tìm ra phương trình sau:
pV = RT
Trường hợp tổng quát đối với một khối khí có khối lượng m, nếu gọi v là thể tích
của nó thì V=

m
μ
RT [8].
v , từ phương trình trên ta suy ra pv =
μ
m


PHẦN KẾT LUẬN
Học phần “Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông” là một học phần quan
trọng của chuyên ngành lí luận và phương pháp dạy học môn Vật lí, nhằm nghiên cứu
đặc điểm, nhiệm vụ, cấu trúc chương trình, chuẩn kiến thức, nội dung kiến thức,
Nghiên cứu chuơng trình phần “Chất khí” để có cái nhìn tổng quát hơn về kiến
thức của chương, từ đó có định hướng vận dụng vào việc tổ chức dạy học trong trường
phổ thông.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lê Công Triêm - Lê Thúc Tuấn, (2001), Bài giảng phân tích chương trình Vật lí
THPT, ĐHSP Huế.
2. Lê Công Triêm (2004), Bài giảng nghiên cứu chương trình vật lý phổ thông,
ĐHSP Huế.

3. DAVID HALLIDAY - ROBERT RESNICK -JEARL WALKER, 2000, Cơ sở
Vật lí (tập 3 - Nhiệt học), NXBGD.
4. Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên kiêm Chủ biên), SGK và SGV Vật lí 10 CB
(2006), NXB Giáo Dục, Hà Nội.
5. Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên), SGK và SGV Vật lí 10 NC (2006), NXB
Giáo Dục, Hà Nội.
6. Lương Duyên Bình, Phạm Quý Tư, 2006, Tài liệu bồi dưỡng giáo viên môn Vật
lí 10, Hà Nội.
7. Phân phối chương trình môn Vật lí (2010 -2011), Bộ GD và ĐT.
8. Lương Duyên Bình (chủ biên), Vật lí đại cương ( tập 1) Cơ-Nhiệt, Nhà xuất bản
giáo dục.