Phân tích chương trình Vật lí phổ thông chất khí

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ
-----------  ----------

Phân tích chương trình Vật lí phổ thông
Đề tài: Phân tích kiến thức cơ bản phần "Chất khí"
Vật lý 10

GVHD: PGS.TS. LÊ CÔNG TRIÊM
Học viên: DƯƠNG THỊ HẰNG
Lớp : LL &PPDH Vật Lí – Khóa 23

Huế, Năm 2015
-1-


MỤC LỤC

A. MỞ ĐẦU
Nhiệt học là một phần của vật lí học nghiên cứu về các hiện tượng nhiệt. Những hiện
tượng nhiệt này có thể giải thích được dựa vào cấu trúc phân tử của vật chất do đó phần vật lí
học nghiên cứu cấu trúc phân tử gọi là vật lý học phân tử. Ngoài ra nhiệt học còn dùng
phương pháp vĩ mô tìm ra quy luật cho các quá trình biến đổi có trao đổi nhiệt và công, đó là
nhiệt động lực học (nhiệt học).
Phần nhiệt học trong chương trình vật lý phổ thông bao gồm các vấn đề:
+ Chất khí
+ Cơ sở của nhiệt động lực học
+ Chất rắn và chất lỏng. Sự chuyển thể
Trong đó “Chất khí” nghiên cứu về cấu trúc phân tử của chất khí, ba định luật và
phương trình trạng thái của chất khí. Ngoài ra, chương này còn đề cấp đến khái niệm về khí

-2-


lý tưởng và nhiệt độ tuyệt đối. Từ đó, làm cơ sở cho học sinh giải thích các hiện tượng trong
thực tế cuộc sống và tìm hiểu về các ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật.
Nhằm giúp bản thân hiểu sâu hơn nội dung kiến thức chương “Chất khí”, trong tiểu
luận này chúng tôi đi sâu nghiên cứu những kiến thức cơ bản của chương “Chất khí”.

B. NỘI DUNG
I. KIẾN THỨC CƠ BẢN
1. Các khái niệm
1.1. Khái niệm đại lượng
- Nhiệt độ
1.2. Khái niệm mô hình
- Số Avôgadrô
- Khí lí tưởng
- Lực tương tác phân tử
2. Thuyết vật lí
- Thuyết động học phân tử chất khí
3. Các định luật thực nghiệm về chất khí
-3-


3.1. Định luật Bôilơ-Mariốt
3.2. Định luật Sáclơ
3.3. Định Luật Gay - Luy-xác
3.4. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng và phương trình Cla-pê-rôn - Menđê-lê-ép
4. Phương pháp nhận thức
4.1. Phương pháp thực nghiệm
4.2. Phương pháp mô hình

4.3. Phương pháp đồ thị
II. NỘI DUNG KIẾN THỨC
1. Các khái niệm
1.1. Khái niệm đại lượng
Nhiệt độ
Nhiệt độ là đại lượng vật lý, đặc trưng cho tính chất vĩ mô của vật (hay hệ vật), thể
hiện mức độ nhanh, chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử của vật (hay hệ vật) đó.
Nhiệt độ liên quan đến năng lượng chuyển động nhiệt (động năng) của các phân tử.
Đối với khí lí tưởng, ta qui ước nhiệt độ

θ=

2
Wd
3
(

được xác định như sau:
)

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.
Tuy nhiên, trên thực tế ta không thể dùng đơn vị năng lượng để đo nhiệt độ vì: ta
không thể đo trực tiếp năng lượng chuyển động nhiệt, hơn nữa năng lượng ấy lại rất nhỏ. Vì
thế ta dùng đơn vị của nhiệt độ là độ (o). Tùy theo cách chia độ mà ta có các nhiệt giai khác
nhau:
+ Nhiệt giai Celsius (nhiệt giai bách phân): kí hiệu là oC. Trong nhiệt giai này, người

ta chọn điểm tan của nước đá và điểm sôi của nước (ở áp suất 1 atm) là 0oC và 100oC. Trong
-4-


khoảng này, chia làm 100 phần đều nhau, mỗi phần đó bằng 1oC.
+ Nhiệt giai Fahrenheit: kí hiệu là 0F. Trong nhiệt giai này, người ta chọn điểm tan
của nước đá và điểm sôi của nước (ở áp suất 1 atm) là 32oF và 212oF. Trong khoảng này
chia làm 180 phần đều nhau, mỗi phần là 1oF. Ta có hệ thức liên hệ giữa nhiệt giai Celsius và
nhiệt giai Fahrenheit:

+ Nhiệt giai Kelvin (nhiệt giai Quốc tế): kí hiệu là K (thay vì oK) và được định nghĩa

từ biểu thức:

đ

hay

p = nKT

trong đó T là nhiệt độ của vật, đơn vị đo là kelvin (K);
k = 1,38.10 – 23 (J/K) là hằng số Boltzmann.
Ta có hệ thức liên lạc giữa nhiệt giai Kelvin và nhiệt giai bách phân là:
T = toC + 273,15
Với định nghĩa trên, khi T = 0 thì W đ = 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 - 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.
1.2. Khái niệm mô hình
1.2.1. Số Avôgadrô

Lượng chất là một trong bảy đại lượng vật lí cơ bản của hệ thống đo lường quốc tế
(SI). Lượng chất chứa trong một vật được xác định theo số phân tử hay nguyên tử chứa trong
vật ấy. Lượng chất được đo bằng mol.
Mol của chất nào đó là lượng chất chứa 6,02.1023 hạt (nguyên tử, phân tử) chất đó.
Số Avôgađrô
Số 6,02.1023 hạt chứa trong 1 mol chất gọi là số Avôgađrô và được kí hiệu là : N A =
6,02.1023 mol –1 (đó là số nguyên tử trong 12 gam cacbon, được lấy làm chuẩn về lượng chất).
Điều này có nghĩa rằng tất cả các chất khí trong cùng một điều kiện về áp suất và nhiệt độ
đều chứa cùng một số phân tử hay nguyên tử, khi chúng có cùng một thể tích.
-5-


Ý nghĩa: Việc tìm ra số Avôgađrô đã cho phép xác định được khối lượng của từng loại
nguyên tử, phân tử. Như vậy là nguyên tử, phân tử từ chỗ là sản phẩm đơn thuần của trí
tưởng tượng đã dần dần trở thành một thực thể vật lý.
1.2.2. 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).
Trên thực tế không có khí lý tưởng. Không khí và các chất khí nói chung ở điều kiện
bình thường về nhiệt độ và áp suất đều có thể coi gần đúng là khí lí tưởng.Tuy nhiên, trong

phạm vi gần đúng, các kết qủa rút ra đối với khí lý tưởng cũng áp dụng được cho khí thực.
Áp suất khí khí lí tưởng
Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn không ngừng va vào thành bình hoặc vào bề
mặt ∆S bất kì nằm trong khối khí, tạo nên áp suất. 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.
1.2.3. Lực tương tác phân tử
Mọi vật đều được cấu tạo từ các phân tử, nguyên tử; các phân tử, nguyên tử luôn
chuyển động không ngừng. Các vật giữ được hình dạng và thể tích của chúng là do giữa các
phân tử cấu tạo nên vật đồng thời có lực hút và lực đẩy. Độ lớn của những lực này phụ thuộc
-6-


vào khoảng cách giữa các phân tử.
Khi khoảng cách giữa các phân tử nhỏ thì lực đẩy mạnh hơn lực hút, khi khoảng cách
giữa các phân tử lớn thì lực hút mạnh hơn lực đẩy. Còn khi khoảng cách giữa các phân tử lớn
hơn nhiều lần kích thướt phân tử thì lực tương tác giữa chúng coi như không đáng kể. Để
hình dung được sự tồn tại của lực tương tác phân tử, có thể cho học sinh tham khảo mô hình
sau:

Hai quả cầu ở hai đầu lò xo là hai phân tử, coi liên kết giữa hai phân tử như một lò xo.
Khi bị dãn lò xo có xu hướng co lại do đó tổng hợp lực liên kết của hai phân tử là lực hút. Khi
bị nén lò xo có xu hướng dãn ra nên tổng hợp lực liên kết phân tử là lực đẩy.
2. Thuyết vật lí
Thuyết động học phân tử chất khí
2.1. Cơ sở của thuyết
2.1.1. 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.
-7-


2.1.2. 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.
2.2. 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.
Vậy dựa theo các quan điểm cơ bản của thuyết, các nhà khoa học xây dựng mô hình
cấu trúc phân tử của vật chất. Phân tử được coi như những quả cầu nhỏ, rắn, đàn hồi tuyệt

đối.
2.3. Nội dung của thuyết
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 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.

-8-


Thuyết động học phân tử không những giải thích 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.
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 hướng 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.
2.4. Hệ quả của thuyết
Sự phát triển của thuyết đông học phân tử gắn liền với sự phát triển của vật lí thống kê
qua 3 giai đoạn:
- 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 19 đầu thế kỉ 20 liên quan đến các
công trình của Clausius, Maxwell, Boltzmann.

-9-


- Giai đoạn 2: Phát triển vật lý 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: từ phương trình cơ bản

phương trình trạng thái pV=RT ta suy ra

và

, phối hợp vói

. Trong đó n là mật độ chất khí

được gọi là hằng số Boltzmann.

+ 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 lý thứ hai của nhiệt động lực học.
2.5. Thiếu sót của thuyết
Hạt chế cơ bản nhất của thuyết động học phân tử nằm ngay trong tư tưởng cơ bản của
thuyết:
- Nguyên tử luận của thuyết động học phân tử là nguyên tử luận siêu hình. Thuyết
động học phân tử quan niệm rằng phân tử là hạt “cơ bản” cuối cùng của vật chất không có
cấu trúc bên trong.
- Thiếu sót nghiêm trọng hơn là đã sử dụng các định luật cơ bản của cơ học cổ điển
vào thế giới vi mô.
3. Các định luật thực nghiệm về chất khí
3.1. Ba định luật thực nghiệm
- 10 -


3.1.1. Định luật Boyle-Mariotte
Từ năm 1659, Robert Boyle 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 mối lien hệ này vào năm 1662.
Độc lập với Robert Boyle thì có Edme Mariotte cũng tìm thấy mối liên hệ tương tự
vào năm 1676. Vì vậy, định luật này có tên là định luật Boyle-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.
p:

Biểu thức:

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.
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.
p
T2 >T1
T2
0

T1
V

Định luật Boyle-Mariotte 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 Boyle-Mariotte, 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
- 11 -


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 Boyle-Mariotte 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.
3.1.2. Định luật Sac-lơ
Mối liên hệ giữa p và T được Jacques Charles phát hiện năm 1787 nhưng không công
bố, Gay-Lussac phát biểu định luật này vào năm 1802.
Định luật: Trong quá trình đẳng tích của một khối khí, áp suất tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt
đối.
Biểu thức:

p
= const
T

p1
p
= 2
Hay có thể viết lại biểu thức của định luật như sau: T1 T2

Với

(V1 = V2)

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 .

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:
- 12 -


p
p
= 0
T
T0

suy ra

p t = p0 ( 1+α p t )

p=

hay

. Trong đó

αp =

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

1
273 gọi là hệ số nhiệt biến đổi áp suất của khí.

Từ phương trình trên ta có thể phát biểu định luật Saclơ như sau:
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 00C 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.

p

V1
V1< V2

V2

0

T(k)

3.1.3. Định luật Gay-Lussac
Định luật: Trong quá trình đẳng áp của một khối khí, thể tích tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt
đối.
Biểu thức:
Với

V1 V2
V
=
= const
T
hay T1 T2 ( p1 = p2 )

V1 , T1 là thể tích và nhiệt độ tuyệt đối ở trạng thái 1
V2 , T2 là thể tích và nhiệt độ tuyệt đối ở trạng thái 2

Từ phương trình đẳng áp có thể suy ra được phương trình đẳng áp viết dưới dạng quen
thuộc biểu thị định luật Gay-Lussac
trong đó

αv =

Vt =V0 ( 1+α V t )

1
273 gọi là hệ số nhiệt đẳng áp của khí,

V0 là thể tích ở nhiệt độ 00C .

- 13 -


Như vậy, phát biểu định luật Gay-Lussac 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).
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 áp khác nhau. Đường ở
trên ứng với áp suất nhỏ hơn.
V

P1
p1< p2

p2

0

T(k)

Cũng giống như đối với định luật Boyle-Mariotte, định luật Saclơ và định luật GayLussac cũng là những định luật gần đúng.
3.2. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng và phương trình Cla-pê-rôn - Menđê-lêép

Phương trình Clapeyron-Mendeleev (hay còn có tên gọi khác là phương trình trạng
thái) được nhà vật lý người Pháp Émile Clapeyron (1799-1864) đưa ra vào năm 1834, đây là
phương trình rất quan trọng bởi nó là hình thức tổng hợp của ba định luật nổi tiếng về chất
khí: định luật Boyle-Mariotte, định luật Charles và định luật Gay-Lussac.
Qua phương trình này, Clapeyron đã giúp chúng ta thấy rằng: ba định luật nói trên
không hề có sự độc lập nào với nhau mà ngược lại chúng có quan hệ mật thiết với nhau - mỗi
đinh luật này là hệ quả của hai định luật kia.
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
v1
T1

Đẳng nhiệt

p’2
V2
T1

Đẳng tích

- 14 -

p2
V2
T2


Áp dụng định luật Boyle-Mariotte 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

Từ (1) và (2) ta suy ra :

(2)
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

( phương trình trạng thái khí lí tưởng)

pV
= const
Từ phương trình trạng thái T
đối với hai lượng khí khác nhau thì hằng 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 :

3.3. Hạn chế
Khi nghiên cứu các định luật trên đây, Boyle-Mariotte và GayLussac đã nghiên cứu
các chất khí ở nhiệt độ và áp suất thông thường của phòng thí nghiệm. Vì vậy các định luật
này chỉ đúng trong điều kiện chất khí có nhiệt độ không quá thấp và áp suất không quá lớn.
Phương trình trạng thái chỉ là gần đúng cho các khí thực. Nó sẽ chính xác hơn nếu khí
thực nằm trong trạng thái gần với khí lý tưởng, như cho các khí đơn nguyên tử, ở nhiệt độ cao
và áp suất thấp. Phương trình này bỏ qua kích thước của các hạt trong chất khí so với toàn bộ
thể tích của khí, cũng như bỏ qua tương tác giữa các hạt, ngoài tương tác va chạm đàn hồi tại

- 15 -


khoảng cách vô cùng nhỏ giữa chúng. Với khí thực các phương trình trạng thái khác
như phương trình Van der Waals có tính đến các hiệu ứng kể trên và chính xác hơn.
4. Phương pháp nhận thức
4.1. Phương pháp thực nghiệm
Trong phần nhiệt học, để đi đến các định luật: định luật Bôilơ-Mariốt, định luật Sáclơ,

định luật Gay-Luyxác đều xuất phát từ các thí nghiệm, từ những quan sát ban đầu, các nhà
khoa học đã tiến hành thí nghiệm trong nhiều trường hợp khác nhau rồi từ đó mới khái quát
lên thành định luật. Cụ thể:
+ Từ thí nghiệm đi đến phát biểu nội dung định luật Bôilơ - Mariốt: Trong quá trình
đẳng nhiệt của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích.
+ Dùng thí nghiệm xác định ngay mối liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ tuyệt đối trong
quá trình đẳng tích.
Tương tự định luật Sác-lơ cũng được thiết lập như trên.
Sự ra đời của các công trình nghiên cứu của Bôilơ, Mariốt, Sáclơ, Gay-Luy-xác cùng
với sự phát hiện ra chuyển động của Brown và hiện tượng khuếch tán của Loschmidt đã đóng
vai rò rất quan trọng cho việc ra đời của thuyết động học phân tử hay đó cũng chính là những
cơ sở thực nghiệm.
4.2. Phương pháp mô hình
Sử dụng phương pháp này để đưa ra hai khái niệm mô hình quan trọng: khí lý tưởng,
số Avôgađêrô.
Để làm cho học sinh có thể dễ tiếp thu kiến thứ thức về lực tương tác phân tử , SGK sử
dụng mô hình tương tác giữa hai quả cầu được gắn hai đầu của lò xo, từ đó học sinh có thể
hình dung được lực đẩy và lực hút giữa các phân tử chất khí.
4.3. Phương pháp đồ thị
Các quá trình đẳng tích, đẳng nhiệt, đẳng áp được biểu diễn qua hệ tọa độ (V,T),
(p,T).
Áp dụng hai định luật Bôi-lơ-Ma-ri-ôt và định luật Sác- lơ, sử dụng đồ thị để đưa ra
phương trình trạng thái của khí lý tưởng.
- 16 -


C. KẾT LUẬN
Như vậy việc phát hiện ra các định luật thực nghiệm về chất khí và việc dùng quan
điểm nguyên tử, phân tử để giải thích thành công các định luật này đã đóng góp rất lớn vào sự
ra đời và phát triển của thuyết động học phân tử. Tuy nhiên cũng phải chờ tới khi nhà bác học

người Anh Brown quan sát thất chuyển động hỗn loạn không ngừng của các hạt phấn hoa qua
kính hiển vi, phản ánh gián tiếp chuyển động hỗn loạn không ngừng của các phân tử thì
thuyết động học phân tử mới bắt đầu được coi là một thuyết khoa học.
Phần “cơ sở của Nhiệt động lực học” cung cấp những kiến thức phổ thông cơ bản bao
gồm những khái niệm về các sự vật, hiện tượng và quá trình vật lý thường gặp trong đời sống
và sản xuất thuộc lĩnh vực nhiệt động lực học, các nguyên lý được trình bày phù hợp với
năng lực toán học và năng lực suy luận logic của HS, những nguyên tắc cơ bản của các ứng
dụng quan trọng của vật lý trong đời sống.
Các kiến thức cơ bản trên có thể được phân bố vào từng bài, từng mục cụ thể của bài
nhưng chúng có quan hệ với nhau trong một thể thống nhất về nội dung của bài, của chương.

- 17 -


D. TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lê Công Triêm, Phân tích chương trình Vật lí phổ thông.
2. Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 (sách giáo khoa), Nhà xuất
bản giáo dục.
3. Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 (sách giáo viên), Nhà xuất
bản giáo dục.
4. Lương Duyên Bình (chủ biên) (1995), Vật lý đại cương (tập 1), Nhà xuất bản
Giáo dục.
5. Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 nâng cao (sách giáo khoa),
Nhà xuất bản giáo dục.
6. Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 nâng cao (sách giáo viên),
Nhà xuất bản giáo dục.
7. DAVID HALLIDAY - ROBERT RESNICK -JEARL WALKER, 2000, Cơ sở
Vật lí (tập 3 - Nhiệt học), Nhà xuất bản giáo dục.

- 18 -