ĐỊNH LUẬT BOYLE-MARIOTTE: LỊCH SỬ, BIỂU THỨC, VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2026

Định luật Boyle-Mariotte là định luật biểu thị mối quan hệ giữa áp suất tác dụng bởi hoặc lên chất khí và thể tích mà nó chiếm; giữ cho cả nhiệt độ của khí không đổi, cũng như số lượng (số mol) của nó.

Định luật này, cùng với định luật của Charles, Gay-Lussac, Charles và Avogadro, mô tả hành vi của khí lý tưởng; cụ thể, trong một thùng kín chịu sự thay đổi thể tích do một lực cơ học tác dụng.

Tăng áp suất bằng cách giảm thể tích của bình chứa. Nguồn: Gabriel Bolívar

Hình ảnh trên tóm tắt ngắn gọn định luật Boyle-Mariotte.

Các chấm màu tím đại diện cho các phân tử hoặc nguyên tử khí, chúng va chạm vào thành bên trong của bình chứa (bên trái). Khi không gian hoặc thể tích có sẵn trong bình chứa khí này giảm, va chạm tăng lên, điều này dẫn đến tăng áp suất (bên phải).

Điều này cho thấy áp suất P và thể tích V của khí tỉ lệ nghịch nếu bình kín; nếu không, áp suất cao hơn sẽ tương đương với sự giãn nở lớn hơn của bình chứa.

Nếu đồ thị V so với P được lập, với dữ liệu của V và P trên các trục Y và X, thì một đường cong tiệm cận sẽ được quan sát. V càng nhỏ thì P càng tăng; nghĩa là, đường cong sẽ mở rộng về phía các giá trị cao của P trên trục X.

Tất nhiên, nhiệt độ không đổi; nhưng, nếu cùng một thí nghiệm được thực hiện ở các nhiệt độ khác nhau, thì vị trí tương đối của các đường cong V và P này sẽ thay đổi trên trục Descartes. Sự thay đổi sẽ còn rõ ràng hơn nếu được vẽ trên trục ba chiều, với T không đổi trên trục Z.

Lịch sử của định luật Boyle

Lý lịch

Kể từ khi nhà khoa học Galileo Galilei bày tỏ niềm tin vào sự tồn tại của chân không (1638), các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu các đặc tính của không khí và một phần lỗ rỗng.

Nhà hóa học người Anh-Ireland Robert Boyle bắt đầu nghiên cứu các đặc tính của không khí vào năm 1638 khi biết rằng Otto von Guericke, một kỹ sư và nhà vật lý người Đức, đã chế tạo một máy bơm không khí.

Thí nghiệm thủy ngân

Để tiến hành các nghiên cứu của mình về áp suất không khí, Boyle đã sử dụng một ống thủy tinh hình chữ “J”, việc chế tạo ống này do Robert Hooke, trợ lý của Boyle. Đầu của ống nhỏ được bịt kín, còn phần cuối của ống dài được mở ra để đặt thủy ngân.

Ngay từ đầu, Boyle đã muốn nghiên cứu tính đàn hồi của không khí, về mặt định tính và định lượng. Bằng cách đổ thủy ngân qua đầu hở của ống chữ "J", Boyle suy ra rằng không khí trong phần tay ngắn của ống đang co lại dưới áp suất của thủy ngân.

Các kết quả

Lượng thủy ngân cho vào ống càng lớn thì áp suất tác dụng lên không khí càng lớn và thể tích của nó càng nhỏ. Boyle thu được biểu đồ dạng hàm số mũ âm của thể tích không khí dưới dạng hàm của áp suất.

Trong khi đó, nếu thể tích của không khí được vẽ theo chiều nghịch của áp suất, chúng ta có một đường thẳng có hệ số góc dương.

Năm 1662, Boyle công bố định luật vật lý đầu tiên được đưa ra dưới dạng một phương trình, biểu thị sự phụ thuộc hàm của hai biến số. Trong trường hợp này, áp suất và thể tích.

Boyle đã chỉ ra rằng có mối quan hệ nghịch đảo giữa áp suất tác dụng lên chất khí và thể tích chất khí đó chiếm giữ, mối quan hệ này tương đối đúng đối với khí thực. Hầu hết các chất khí hoạt động giống như khí lý tưởng ở nhiệt độ và áp suất vừa phải.

Khi áp suất cao hơn và nhiệt độ thấp hơn xảy ra, sự sai lệch trong hành vi của khí thực so với lý tưởng trở nên đáng chú ý hơn.

Edme mariotte

Nhà vật lý người Pháp Edme Mariotte (1620-1684) đã độc lập phát hiện ra định luật tương tự vào năm 1679. Nhưng nó có công lao là chỉ ra rằng thể tích thay đổi theo nhiệt độ. Đó là lý do tại sao nó được gọi là Định luật Mariotte hay Định luật Boyle và Mariotte.

Tăng cường luật pháp

Daniel Bernoulli (1737) củng cố định luật Boyle bằng cách chỉ ra rằng áp suất của một chất khí được tạo ra do tác động của các phần tử khí lên thành bình chứa nó.

Năm 1845, John Waterston xuất bản một bài báo khoa học, trong đó ông tập trung vào các nguyên lý chính của lý thuyết động học của chất khí.

Sau đó, Rudolf Clausius, James Maxwell và Ludqwig Boltzmann đã củng cố lý thuyết động học của chất khí, liên hệ giữa áp suất do một chất khí tạo ra với vận tốc của các hạt khí chuyển động.

Thể tích của bình chứa khí càng nhỏ thì tần số tác động của các phần tử tạo thành khí đó lên thành bình càng lớn; và do đó, áp suất do khí tác dụng càng lớn.

Luật này là gì?

Các thí nghiệm do Boyle thực hiện chỉ ra rằng có mối quan hệ nghịch đảo giữa thể tích của một chất khí và áp suất tác dụng lên nó. Tuy nhiên, mối quan hệ được chỉ ra không hoàn toàn tuyến tính, như được biểu thị bằng đồ thị biến thiên thể tích như một hàm của áp suất quy cho Boyle.

Định luật Boyle chỉ ra rằng thể tích của chất khí tỉ lệ nghịch với áp suất. Người ta cũng chỉ ra rằng tích của áp suất của một chất khí và thể tích của nó là không đổi.

Biểu thức toán học

Để đi đến biểu thức toán học của định luật Boyle-Mariotte, chúng ta bắt đầu từ:

V ∝ 1 / P

Trong đó chỉ ra rằng thể tích của một chất khí tỷ lệ nghịch với áp suất của nó. Tuy nhiên, có một hằng số cho biết mối quan hệ này tỷ lệ nghịch như thế nào.

V = k / P

Trong đó k là hằng số tỉ lệ. Giải quyết cho k ta có:

VP = k

Tích của áp suất của một chất khí và thể tích của nó là không đổi. Vì thế:

V ₁ P ₁ = k và V ₂ P ₂ = k

Và từ đó có thể suy ra rằng:

V ₁ P ₁ = V ₂ P ₂

Sau đó là biểu thức hoặc phương trình cuối cùng cho định luật Boyle.

Nó dùng để làm gì? Định luật Boyle giải quyết những vấn đề gì?

Động cơ hơi nước

Tàu chạy bằng hơi nước. Nguồn: Pixabay.

Định luật Boyle-Mariotte được áp dụng trong hoạt động của động cơ hơi nước. Đây là động cơ đốt ngoài sử dụng sự biến đổi nhiệt năng của một lượng nước thành cơ năng.

Nước được làm nóng trong một nồi hơi kín, và hơi nước được tạo ra tạo ra một áp suất theo định luật Boyle-Mariote tạo ra sự giãn nở thể tích của một hình trụ bằng cách đẩy một piston.

Chuyển động thẳng của piston được biến đổi thành chuyển động quay, thông qua việc sử dụng hệ thống thanh truyền và tay quay, có thể dẫn động các bánh của đầu máy hoặc rôto của máy phát điện.

Hiện nay, động cơ hơi nước thay thế là động cơ ít được sử dụng, vì nó đã được thay thế bởi động cơ điện và động cơ đốt trong trong các phương tiện giao thông.

Nhấm nháp đồ uống

Hành động hút nước ngọt hoặc nước trái cây từ chai qua ống nhựa có liên quan đến định luật Boyle-Mariotte. Khi không khí được hút ra khỏi ống bằng miệng, áp suất trong ống sẽ giảm.

Sự giảm áp suất này tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuyển động lên của chất lỏng trong ống, cho phép nó ăn vào. Nguyên tắc tương tự này hoạt động trong việc lấy máu thông qua việc sử dụng một ống tiêm.

Hệ hô hấp

Hệ hô hấp. Nguồn: Pixabay

Định luật Boyle-Mariotte liên quan chặt chẽ đến hoạt động của hệ hô hấp. Trong giai đoạn cảm hứng, cơ hoành và các cơ khác co lại; ví dụ, các chất bên ngoài tạo ra sự giãn nở của khung xương sườn.

Điều này gây ra giảm áp lực trong màng phổi, gây ra sự giãn nở của phổi tạo ra sự gia tăng thể tích phổi. Do đó, áp lực trong phổi giảm theo định luật Boyle-Mariotte.

Khi áp suất trong phổi trở nên hạ khí quyển, không khí trong khí quyển tràn vào phổi, làm tăng áp suất trong phổi; do đó cân bằng áp suất của nó với áp suất khí quyển và kết thúc giai đoạn hứng khởi.

Sau đó, cơ thở thư giãn và cơ thở ra co lại. Ngoài ra, có sự co giãn của phổi, một hiện tượng tạo ra sự giảm thể tích phổi, kéo theo đó là sự gia tăng áp lực trong phổi, được giải thích bởi định luật Boyle-Mariotte.

Khi áp suất trong phổi tăng lên và lớn hơn áp suất khí quyển, không khí sẽ chảy từ bên trong phổi ra khí quyển. Điều này xảy ra cho đến khi áp suất cân bằng, kết thúc giai đoạn thở ra.

Ví dụ (thử nghiệm)

Thí nghiệm 1

Một quả bóng nhỏ, kín được đặt vào, tạo một nút trong miệng của nó, bên trong một ống tiêm, từ đó ống pít-tông đã được rút ra, khoảng 20 ml. Pít tông của ống tiêm được đặt về phía giữa ống tiêm, kim được rút ra và đường vào của không khí bị chặn.

Quan sát

Bằng cách từ từ kéo pít-tông của kim phun, quả bóng được quan sát thấy sẽ phồng lên.

Giải trình

Hai áp suất được tác dụng lên thành của quả bóng: một áp lực lên mặt trong của nó, một sản phẩm của không khí chứa bên trong quả bóng và một áp lực khác lên mặt ngoài của quả bóng, do không khí chứa trong ống tiêm tác dụng.

Bằng cách kéo pít-tông của kim phun, một nửa chân không được tạo ra bên trong. Do đó, áp suất không khí trên mặt ngoài của thành máy bơm giảm, làm cho áp suất tác động vào bên trong máy bơm tương đối cao hơn.

Áp suất thực này, theo định luật Boyle-Mariote, sẽ tạo ra sự biến dạng của thành bóng và làm tăng thể tích của bóng.

Thí nghiệm 2

Một chai nhựa được cắt khoảng một nửa, đảm bảo rằng vết cắt càng nằm ngang càng tốt. Người ta đặt một quả bóng khí vừa khít vào miệng chai, đồng thời cho một lượng nước nhất định vào đĩa sâu.

Quan sát

Bằng cách đặt đáy chai có quả bóng lên mặt nước trong đĩa, quả bóng sẽ phồng lên vừa phải.

Giải trình

Nước làm dịch chuyển một lượng không khí nhất định, làm tăng áp suất không khí lên thành bình và bên trong quả bóng. Điều này gây ra, theo định luật Boyle-Mariotte, sự gia tăng thể tích của khí cầu, được hình dung bởi sự lạm phát của khí cầu.

Người giới thiệu

1. Wikipedia. (2019). Định luật Boyle. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
2. Các biên tập viên của Encyclopaedia Britannica. (Ngày 27 tháng 7 năm 2018). Định luật Boyle. Encyclopædia Britannica. Phục hồi từ: britannica.com
3. Helmenstine, Todd. (Ngày 05 tháng 12 năm 2018). Công thức định luật Boyle. Phục hồi từ: thinkco.com
4. Phim Trẻ Ấn Độ. (Ngày 15 tháng 5 năm 2018). Định luật Boyle: Thí nghiệm khoa học cho trẻ em. Được khôi phục từ: yifindia.com
5. Cecilia Bembibre. (Ngày 22 tháng 5 năm 2011). Khinh khí cầu. Định nghĩa ABC. Phục hồi từ: Defcionabc.com
6. Ganong, W, F. (2003). Sinh lý y tế. (Tái bản lần thứ 19). Biên tập Sổ tay hiện đại.