1. Trạng thái khí và thông số trạng thái

Một lượng khí xác định không phải là một thực thể cố định mà luôn tồn tại trong một "trạng thái" nhất định.

- Trạng thái khí: Là tập hợp các tính chất vật lí vĩ mô của một khối khí tại một thời điểm.

- Thông số trạng thái: Để xác định trạng thái của một khối khí, ta dùng 3 đại lượng thay đổi được gọi là thông số trạng thái:

Áp suất ($p$): Lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích thành bình (Pa, atm, mmHg).

Thể tích ($V$): Không gian mà khối khí chiếm chỗ (m³, lít, cm³).

Nhiệt độ tuyệt đối ($T$): Thước đo mức độ chuyển động nhiệt của phân tử, tính bằng Kelvin (K).

2. Quá trình biến đổi trạng thái

Định nghĩa: Quá trình biến đổi trạng thái (gọi tắt là quá trình) là sự chuyển dịch của khối khí từ trạng thái này sang trạng thái khác, làm thay đổi tối thiểu hai trong ba thông số trạng thái.

Ví dụ: Khi bạn bơm xe đạp, lượng khí bị nén từ trạng thái 1 $(p_1, V_1, T_1)$ sang trạng thái 2 $(p_2, V_2, T_2)$ làm cả áp suất tăng, thể tích giảm và nhiệt độ tăng lên.

3. Đẳng quá trình

Trong thực tế, rất khó để theo dõi cả 3 thông số thay đổi cùng lúc. Do đó, người ta giữ cố định một thông số và chỉ khảo sát sự phụ thuộc lẫn nhau của hai thông số còn lại.

Đẳng quá trình: Là quá trình biến đổi trạng thái của một lượng khí xác định trong đó có một thông số trạng thái được giữ không đổi.

4. Xây dựng thực nghiệm khảo sát các đẳng quá trình

Dưới đây là cách thiết lập thực nghiệm tư duy (và trong phòng thí nghiệm) để tìm ra quy luật của các đẳng quá trình.

4.1. Quá trình đẳng nhiệt ($T = \text{const}$)

- Mục tiêu: Khảo sát mối quan hệ giữa áp suất ($p$) và thể tích ($V$) khi nhiệt độ không đổi.

- Thiết kế thực nghiệm: Dùng một xi-lanh bằng thủy tinh (hoặc nhựa trong suốt) có vạch chia thể tích ($V$), bên trong chứa một lượng khí xác định bị chặn bởi pit-tông.

+ Đầu xi-lanh nối với một áp kế để đo áp suất ($p$).

+ Toàn bộ thiết bị đặt trong phòng có nhiệt độ ổn định.

- Tiến hành: Ấn pit-tông từ từ từng chút một để giảm thể tích $V$. Việc ấn từ từ giúp nhiệt độ sinh ra kịp tỏa ra môi trường, đảm bảo nhiệt độ khí bên trong không đổi ($T = \text{const}$). Ghi lại giá trị áp suất $p$ tương ứng với từng vạch thể tích $V$.

- Kết quả thu được: Khi thể tích $V$ giảm ($40 \rightarrow 20 \rightarrow 10\text{ cm}^3$), số chỉ áp kế $p$ tăng theo tỉ lệ nghịch tương ứng ($1 \rightarrow 2 \rightarrow 4\text{ atm}$).

- Kết luận (Định luật Boyle): Ở nhiệt độ không đổi, áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích.

$p \sim \frac{1}{V} \implies pV = \text{const} \implies p_1V_1 = p_2V_2$

4.2. Quá trình đẳng áp ($p = \text{const}$)

- Mục tiêu: Khảo sát mối quan hệ giữa thể tích ($V$) và nhiệt độ ($T$) khi áp suất không đổi.

- Thiết kế thực nghiệm:

+ Dùng một ống thủy tinh nhỏ, dài, đặt nằm ngang. Một giọt thủy ngân (hoặc giọt dầu) nằm trong ống ngăn một lượng khí bên trong với không khí bên ngoài.

+ Vì giọt thủy ngân di chuyển tự do, áp suất khí bên trong luôn bằng áp suất khí quyển bên ngoài ($p = \text{const}$).

+ Đặt ống vào một khay nước điều nhiệt để thay đổi nhiệt độ.

- Tiến hành: Thay đổi nhiệt độ của nước, giọt thủy ngân sẽ dịch chuyển làm chiều dài cột khí thay đổi (đại diện cho thể tích $V$). Ghi lại $V$ và $T$.

- Kết quả thu được: Khi nhiệt độ tuyệt đối $T$ tăng, thể tích $V$ của khối khí tăng theo tỉ lệ thuận (khí nở ra khi nóng lên).

- Kết luận (Định luật Charles): Ở áp suất không đổi, thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.

$\frac{V}{T} = \text{const} \implies \frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}$

4.3. Quá trình đẳng tích ($V = \text{const}$)

- Mục tiêu: Khảo sát mối quan hệ giữa áp suất ($p$) và nhiệt độ ($T$) khi thể tích không đổi.

- Thiết kế thực nghiệm:

+ Dùng một bình thủy tinh kín, cứng (thể tích $V$ cố định) chứa một lượng khí.

+ Bình nối với một áp kế và được ngâm vào một bình nước điều nhiệt (có thể đun nóng hoặc thả đá để thay đổi nhiệt độ).

+ Cắm một nhiệt kế vào bình nước để đo nhiệt độ chất lỏng (cũng là nhiệt độ của khối khí bên trong khi đạt cân bằng).

- Tiến hành: Đun nóng nước từ từ. Tại mỗi vạch nhiệt độ $t$ ($^\circ\text{C}$), ta ghi lại áp suất $p$. Sau đó đổi nhiệt độ sang độ K ($T = t + 273$).

- Kết quả thu được: Khi nhiệt độ tuyệt đối $T$ tăng, áp suất $p$ tăng theo tỉ lệ thuận. Đồ thị biểu diễn $p$ theo $T$ là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ.

- Kết luận: Ở thể tích không đổi, áp suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.

$\frac{p}{T} = \text{const} \implies \frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2}$