Trong thế giới vật lý với hóa học việc mô tả hành vi của chất khí đóng vai trò vô cùng quan trọng trong nhiều ứng dụng thực tiễn. Một trong những định luật cổ điển được biết đến sử dụng rộng rãi là định luật Bôi‑lơ – Ma‑ri‑ốt. Là một định luật mô tả mối quan hệ giữa áp suất và thể tích của một lượng khí lý tưởng khi nhiệt độ được giữ không đổi. Bài viết này sẽ làm rõ định luật này từ khái niệm cơ bản đến cách áp dụng trong thực tế với cả trong giải bài tập học thuật.
Định luật Bôi‑lơ – Ma‑ri‑ốt là gì
Định luật này được phát hiện vào thế kỷ mười bảy bởi nhà khoa học người Ireland là Robert Boyle và nhà vật lý người Pháp Edme Mariotte. Họ độc lập với nhau nhưng đều tìm thấy một mối liên hệ toán học giữa áp suất và thể tích của khí khi nhiệt độ được giữ nguyên. Định luật nêu rõ rằng trong quá trình đẳng nhiệt tức là nhiệt độ không thay đổi, thể tích của một lượng khí tỉ lệ nghịch với áp suất mà nó chịu. Điều đó có nghĩa là khi thể tích tăng, áp suất giảm và ngược lại.
Mối quan hệ này có thể hiểu đơn giản là khi bạn nén khí vào một thể tích nhỏ hơn, các phân tử khí va chạm vào thành bình nhiều hơn trong cùng một khoảng thời gian tạo ra áp suất cao hơn. Ngược lại nếu bạn để khí giãn ra trong một không gian rộng hơn, mật độ phân tử giảm và số lần va chạm vào thành bình cũng giảm dẫn đến áp suất giảm.
Phương trình toán học cơ bản
Dù không biểu diễn dưới dạng công thức ở đây nội dung định luật có thể mô tả rằng tích số giữa áp suất và thể tích của khí ở trạng thái đầu luôn bằng tích số của chúng ở trạng thái sau, miễn là không có sự thay đổi nhiệt độ cùng số mol khí. Từ nguyên tắc này nếu biết ba trong bốn đại lượng bạn có thể dễ dàng tìm được đại lượng còn lại bằng cách biến đổi đại số.
Ứng dụng trong thực tế
Định luật Bôi‑lơ – Ma‑ri‑ốt không chỉ tồn tại trong sách giáo khoa mà còn xuất hiện trong rất nhiều hiện tượng và thiết bị thường thấy trong cuộc sống.
Một trong những ví dụ điển hình là khi bạn sử dụng bơm tay để bơm xe đạp. Khi tay bơm được ấn xuống, không khí bên trong xilanh bị nén lại, thể tích giảm xuống rõ rệt. Kết quả là áp suất tăng lên đủ để đẩy khí vào lốp xe. Tất cả quá trình này diễn ra gần như giữ nguyên nhiệt độ vì thời gian thực hiện rất ngắn.
Trong y tế, nguyên lý tương tự được áp dụng trong ống tiêm. Khi kéo pittông lên thể tích trong xi lanh tăng lên khiến áp suất bên trong giảm lúc này chất lỏng bên ngoài bị hút vào. Khi đẩy pittông xuống thì thể tích giảm và áp suất tăng đẩy thuốc ra ngoài.
Thậm chí trong sinh học hệ thống hô hấp của con người cũng vận hành theo nguyên lý tương tự. Khi chúng ta hít vào cơ hoành co lại làm thể tích khoang ngực tăng lên làm áp suất trong phổi giảm không khí từ bên ngoài được hút vào. Khi thở ra thể tích giảm áp suất tăng đẩy không khí ra ngoài.
Ứng dụng trong công nghiệp và hàng không
Trong công nghiệp, các hệ thống nén khí, khí nén phục vụ cho công cụ như máy khoan, máy ép đều dựa trên nguyên lý giảm thể tích để tăng áp suất. Hiệu suất và độ an toàn của các thiết bị này phụ thuộc rất lớn vào khả năng kiểm soát quá trình nén khí từ đó kiểm soát áp suất một cách hợp lý.
Trong ngành hàng không, phi công, thợ lặn đều được đào tạo để hiểu định luật này. Khi máy bay cất cánh và lên độ cao, áp suất khí quyển bên ngoài giảm. Nếu không có hệ thống điều áp trong cabin, thể tích khí trong cơ thể người sẽ thay đổi theo chiều hướng tăng có thể gây đau tai hay khó thở hay nguy hiểm nếu không điều chỉnh kịp thời.
Giải bài tập định luật Bôi‑lơ – Ma‑ri‑ốt
Trong chương trình học phổ thông và đại học định luật này thường được đưa vào dạng bài tập tính toán áp suất hay thể tích khi có sự thay đổi trạng thái đẳng nhiệt.
Một ví dụ đơn giản có thể là khí trong bình ban đầu có thể tích hai lít ở áp suất một atm. Sau đó bị nén còn một lít. Yêu cầu tính áp suất mới. Theo định luật chỉ cần nhân áp suất ban đầu với thể tích ban đầu rồi chia cho thể tích sau sẽ ra được kết quả.
Với bài nâng cao hơn có thể kết hợp thêm yếu tố chiều sâu như bọt khí nổi lên mặt nước. Khi ở sâu áp suất nước lớn khiến thể tích khí nhỏ. Khi lên mặt áp suất giảm khiến khí giãn ra. Bài tập này cần kết hợp kiến thức áp suất chất lỏng và định luật Bôi‑lơ – Ma‑ri‑ốt để giải.
Hạn chế và điều kiện áp dụng
Định luật Bôi‑lơ – Ma‑ri‑ốt là một phần của mô hình khí lý tưởng, do đó chỉ chính xác trong các điều kiện nhất định. Nếu nhiệt độ thay đổi khí không lý tưởng (có tương tác giữa các phân tử hoặc thể tích phân tử đáng kể) kết quả có thể sai lệch. Khi đó người ta sẽ cần dùng đến các mô hình phức tạp hơn như phương trình trạng thái khí thực.
Bên cạnh đó áp dụng định luật đòi hỏi điều kiện nhiệt độ giữ không đổi. Trong các bài thực nghiệm hoặc mô hình mô phỏng, nhiệt độ cần được kiểm soát hay cách ly tốt để tránh sai số.
Định luật Bôi‑lơ – Ma‑ri‑ốt là một trong những định luật cơ bản nhưng quan trọng nhất giúp con người hiểu kiểm soát hành vi của chất khí. Mối quan hệ tỉ lệ nghịch giữa áp suất với thể tích không chỉ mang tính học thuật còn chi phối rất nhiều hiện tượng trong đời sống công nghiệp. Từ bơm xe đạp, ống tiêm, thiết bị y tế đến các ứng dụng phức tạp như hệ thống điều áp trong máy bay thì định luật này đều đóng vai trò cốt lõi.