Giải SGK Vật lí 12 Bài 10. Định luật Charles

Hàm số: V = V$_{0}$(1 + αt) = V$_{0}$ + Vαt. Hàm số có dạng giống như hàm số y = ax + b.

- Khi t = 0 $^{o}$C thì V = V$_{0}$

- Khi V = 0 thì $t=-\frac{1}{α}=-273$

Xác định được toạ độ 2 điểm, vẽ đường thẳng đi qua 2 điểm này, do không có giá trị thể tích âm nên đồ thị xuất phát từ điểm -273 trên trục t. Trong thang nhiệt độ Celsius lấy 0 $^{o}$C làm mốc nên từ điểm -273 đến 0 đồ thị có dạng nét đứt.

Từ hệ thức 10.2 có: $V={V}_{0}(1+αt)={V}_{0}[1+\frac{1}{273}(T-273)]={V}_{0}(1+\frac{T}{273}-1)=\frac{{V}_{0}T}{273}$

$\Rightarrow \frac{V}{T}=\frac{{V}_{0}}{273}=$ hằng số. Do đó V tỉ lệ thuận với T.

Dựa vào đồ thị đã vẽ ở trên, giải thích bằng cách dùng khái niệm áp suất, khi cùng một thể tích, nhiệt độ T$_{2}$ > T$_{1}$ nên các phân tử khí va chạm ở nhiệt độ cao lớn hơn, gây ra áp suất lớn hơn do đó p$_{2}$ > p$_{1}$.

Ví dụ về ứng dụng định luật Charles trong đời sống:

1. Chế biến thực phẩm: Định luật Charles được sử dụng trong quá trình chế biến thực phẩm. Khi nâng cao nhiệt độ, thức ăn trong nồi nóng sẽ nhanh chóng chín và hấp thụ nhiệt.

2. Hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí: Định luật Charles giúp hiểu về quá trình làm lạnh và điều hòa không khí. Khi hơi lạnh được nén lại, nhiệt độ của nó tăng lên và nó được làm mát. Khi hơi lạnh được giãn ra, nhiệt độ của nó giảm và không khí được làm lạnh.

3. Đo nhiệt độ: Định luật Charles cũng được sử dụng trong đo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, áp suất cũng tăng theo tỷ lệ thuận và ngược lại.

4. Hơi nước: Khi nước được đun sôi, nó chuyển thành hơi nước. Định luật Charles giúp hiểu về quá trình chuyển đổi này. Khi nhiệt độ tăng, hơi nước mở rộng và tăng áp suất.

5. Động cơ nhiệt: Định luật Charles được áp dụng trong động cơ nhiệt, nơi nhiệt độ cao của nguyên liệu hóa thạch được sử dụng để chuyển đổi năng lượng nhiệt thành công việc cơ học.

Bảng kết quả thí nghiệm minh hoạ định luật Charles:

1. Kết quả tỉ số $\frac{V}{T}$ thu được ở các lần thí nghiệm gần bằng nhau, nên kết quả thí nghiệm thu được có thể coi là phù hợp với định luật Charles.

2. Vì đồ thị V – T thu được gần như là 1 đường thẳng nên có thể coi quá trình biến đổi trạng thái của khí trong thí nghiệm trên là quá trình đẳng áp.

Trạng thái 1: V$_{1}$; T$_{1}$

Trạng thái 2: ${V}_{2}={V}_{1}+10\%{V}_{1}=1{,}1{V}_{1};\ {T}_{2}=47+273=320\ K$

Áp dụng quá trình đẳng áp: $\frac{{V}_{1}}{{T}_{1}}=\frac{{V}_{2}}{{T}_{2}}\Leftrightarrow \frac{{V}_{1}}{{T}_{1}}=\frac{1{,}1{V}_{1}}{320}\Leftrightarrow {T}_{1}=290{,}9\ K=17{,}9\ ^{\circ}C$

Thể tích của khối khí sau khi đun nóng đẳng áp: ${V}_{2}=\frac{12}{1{,}2}=10$ lít

Áp dụng quá trình đẳng áp: $\frac{{V}_{1}}{{T}_{1}}=\frac{{V}_{2}}{{T}_{2}}\Leftrightarrow \frac{4}{7+273}=\frac{10}{{T}_{2}}\Leftrightarrow {T}_{2}=\ 700K=\ 427^{\circ}C$

- Bơm xe đạp: Khi bơm xe đạp, ta nén khí trong bình chứa. Theo định luật Charles, khi thể tích khí giảm (do bị nén), áp suất khí tăng. Nhờ vậy, áp suất khí trong bình đủ lớn để đẩy lốp xe phồng lên.

- Nấu ăn: Khi nấu ăn, ta thường đun nóng thức ăn trong nồi. Khi nhiệt độ tăng, áp suất khí trong nồi cũng tăng theo. Do đó, nếu nồi kín, áp suất cao có thể khiến nắp nồi bật ra. Để tránh tình trạng này, người ta thường thiết kế nồi có van an toàn để thoát khí khi áp suất quá cao.