1. Quá trình đẳng tích – Nền tảng của định luật Sác-lơ
Quá trình đẳng tích là quá trình biến đổi trạng thái của một lượng khí, trong đó thể tích của khí được giữ không đổi. Đây là một khái niệm quan trọng trong nhiệt động lực học, đặc biệt là khi nghiên cứu về định luật Sác-lơ.
2. Định luật Sác-lơ: Áp suất và nhiệt độ tuyệt đối
Định luật Sác-lơ phát biểu rằng, trong quá trình đẳng tích của một lượng khí nhất định, áp suất của khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của nó. Biểu thức toán học của định luật Sác-lơ là:
p ∝ T (V = const)
hoặc
p/T = const
Trong đó:
- p là áp suất của khí (Pa hoặc atm)
- T là nhiệt độ tuyệt đối của khí (K)
- V là thể tích (không đổi)
3. Đường đẳng tích: Biểu diễn trực quan định luật Sác-lơ
Đường đẳng tích là đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo nhiệt độ khi thể tích không đổi. Trên đồ thị (p, T), đường đẳng tích là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ. Độ dốc của đường thẳng này phụ thuộc vào thể tích của khí. Thể tích càng nhỏ thì độ dốc càng lớn.
4. Ứng dụng thực tế của định luật Sác-lơ
Định luật Sác-lơ có nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế, từ việc giải thích các hiện tượng tự nhiên đến thiết kế các thiết bị kỹ thuật.
-
Bóng đèn sợi đốt: Khi chế tạo bóng đèn sợi đốt, người ta nạp khí trơ (ví dụ: Argon) ở áp suất thấp để giảm tốc độ bay hơi của dây tóc và kéo dài tuổi thọ bóng đèn. Khi đèn sáng, nhiệt độ của dây tóc tăng cao, làm tăng áp suất khí trơ trong bóng đèn.
-
Lốp xe: Khi lốp xe ô tô để ngoài trời nắng nóng, nhiệt độ khí trong lốp tăng lên, dẫn đến tăng áp suất. Nếu áp suất vượt quá giới hạn chịu đựng của lốp, lốp có thể bị nổ.
-
Nồi áp suất: Nồi áp suất hoạt động dựa trên nguyên tắc tăng áp suất để tăng nhiệt độ sôi của nước, giúp thức ăn chín nhanh hơn.
5. Bài tập vận dụng định luật Sác-lơ
Ví dụ 1: Một bình chứa khí ở nhiệt độ 27°C và áp suất 2 atm. Nếu nhiệt độ tăng lên 127°C thì áp suất trong bình là bao nhiêu? Coi thể tích bình không đổi.
Giải:
- T1 = 27 + 273 = 300 K
- T2 = 127 + 273 = 400 K
- p1 = 2 atm
Áp dụng định luật Sác-lơ:
p1/T1 = p2/T2
=> p2 = (p1 T2) / T1 = (2 400) / 300 = 2.67 atm
Ví dụ 2: Một bình kín chứa khí ở nhiệt độ 20°C. Người ta tăng nhiệt độ của khí lên đến khi áp suất tăng gấp đôi. Tính nhiệt độ cuối cùng của khí.
Giải:
- T1 = 20 + 273 = 293 K
- p2 = 2 * p1
Áp dụng định luật Sác-lơ:
p1/T1 = p2/T2
=> T2 = (p2 T1) / p1 = (2 p1 * 293) / p1 = 586 K
Bài tập tự luyện:
- Một bình chứa khí ở 30°C có áp suất 300 kPa. Tính áp suất của khí trong bình khi nhiệt độ tăng lên 60°C, giả sử thể tích không đổi.
- Một lốp xe được bơm đến áp suất 2.5 atm ở 25°C. Sau khi xe chạy, nhiệt độ lốp tăng lên 50°C. Tính áp suất mới trong lốp xe.
- Một bình kín chứa khí ở áp suất p1 và nhiệt độ T1. Nếu tăng nhiệt độ lên gấp đôi, áp suất trong bình sẽ thay đổi như thế nào?
Kết luận:
Định luật Sác-lơ là một định luật quan trọng trong vật lý và có nhiều ứng dụng thực tế. Việc nắm vững lý thuyết và các bài tập vận dụng sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các quá trình nhiệt động lực học liên quan đến chất khí. Hiểu rõ “Sác Lơ” giúp chúng ta dự đoán và kiểm soát các hiện tượng liên quan đến áp suất và nhiệt độ trong các hệ kín, góp phần vào việc thiết kế và vận hành các thiết bị hiệu quả và an toàn hơn.
