Trong chương trình Vật lý với Hóa học thì định luật Charles là một trong những định luật quan trọng mô tả hành vi của khí lý tưởng. Định luật này giúp giải thích mối liên hệ giữa thể tích với nhiệt độ tuyệt đối của một lượng khí khi áp suất không đổi.
1. Định Luật Charles Là Gì
Định luật Charles phát biểu rằng
Khi áp suất không đổi, thể tích của một lượng khí lý tưởng tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của nó.
Nói cách khác, nếu ta tăng nhiệt độ (đo theo đơn vị Kelvin), thể tích khí sẽ tăng, ngược lại, giảm nhiệt độ thì thể tích cũng giảm – miễn là áp suất được giữ không đổi.
2. Định Luật Charles Là Đẳng Gì
Định luật Charles mô tả quá trình đẳng áp, tức là áp suất không thay đổi trong suốt quá trình biến đổi trạng thái của khí.
-
Đẳng áp: áp suất giữ nguyên
-
Nhiệt độ thay đổi ⇒ thể tích thay đổi theo tỉ lệ thuận
3. Công Thức Của Định Luật Charles
Công thức định luật Charles
V / T = hằng số (khi P không đổi)
Hoặc ở hai trạng thái khác nhau
V₁ / T₁ = V₂ / T₂
Trong đó
-
V là thể tích (đơn vị: lít hoặc m³)
-
T là nhiệt độ tuyệt đối (đơn vị: Kelvin, viết tắt là K)
-
V₁, T₁ là thể tích và nhiệt độ ban đầu
-
V₂, T₂ là thể tích và nhiệt độ sau cùng
Lưu ý: nhiệt độ phải đổi sang đơn vị Kelvin (K = °C + 273)
4. Thí Nghiệm Định Luật Charles
Một thí nghiệm minh họa đơn giản cho định luật Charles có thể tiến hành như sau
-
Dụng cụ: ống thủy tinh kín một đầu, chứa không khí, úp vào chậu nước
-
Đặt ống vào nước đá (0°C) → đo thể tích khí trong ống
-
Sau đó, đun nóng nước dần lên (30°C, 60°C, 90°C…) và theo dõi sự thay đổi thể tích khí
Kết quả: Khi nhiệt độ tăng, thể tích khí cũng tăng. Nếu biểu diễn V theo T, ta thu được đường thẳng đi lên, cho thấy V và T tỷ lệ thuận.
5. Định Luật Charles Cho Biết Hệ Thức Liên Hệ Giữa…
Định luật Charles cho biết hệ thức liên hệ giữa thể tích và nhiệt độ tuyệt đối của khí, trong điều kiện áp suất không đổi.
Tức là
-
Thể tích tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối
-
Nếu nhiệt độ tăng gấp đôi ⇒ thể tích cũng tăng gấp đôi (miễn là áp suất không đổi)
6. Định Luật Charles Được Áp Dụng Trong Quá Trình…
Định luật Charles được áp dụng trong quá trình đẳng áp – tức là quá trình mà áp suất của khí không đổi.
Đây là một trong ba quá trình cơ bản trong khí lý tưởng
-
Đẳng nhiệt: T không đổi ⇒ áp suất và thể tích thay đổi (định luật Boyle)
-
Đẳng áp: P không đổi ⇒ thể tích và nhiệt độ thay đổi (định luật Charles)
-
Đẳng tích: V không đổi ⇒ áp suất và nhiệt độ thay đổi (định luật Gay-Lussac)
Định luật Charles giúp ta hiểu được cách khí nở ra khi nóng lên với co lại khi lạnh đi, trong điều kiện áp suất không đổi. Đây là nguyên lý quan trọng trong đời sống với kỹ thuật – từ cách bóng bay phồng lên trong nắng đến ứng dụng trong động cơ, thiết bị đo nhiệt độ, ngành hàng không. Khi học và áp dụng định luật này cần nhớ luôn đổi nhiệt độ sang Kelvin, xác định đúng điều kiện đẳng áp để tránh sai sót trong tính toán.