Phương trình trạng thái khí lý tưởng và các định luật chất khí (PV = nRT)

Mục tiêu: Khảo sát định lượng phương trình trạng thái khí lý tưởng P·V = n·R·T, các đẳng quá trình Boyle – Charles – Gay-Lussac và thể tích mol chất khí ở điều kiện chuẩn IUPAC (24,79 L/mol ở 25 °C, 1 bar).

Lý thuyết: Trong mô hình khí lý tưởng, kích thước riêng của các phân tử khí rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng và các phân tử chỉ tương tác khi va chạm đàn hồi. Áp suất chất khí P (kPa), thể tích bình V (L), số mol khí n (mol) và nhiệt độ tuyệt đối T (K = t°C + 273,15) liên hệ với nhau qua phương trình P·V = n·R·T với hằng số khí R = 8,314462618 L·kPa/(mol·K). Ở điều kiện chuẩn GDPT 2018 / IUPAC (25 °C = 298,15 K, 1 bar = 100 kPa), 1 mol khí lý tưởng bất kỳ có thể tích V_m = RT/P ≈ 24,79 L/mol.

Giả thuyết: Nếu giữ cố định nhiệt độ tuyệt đối T và lượng khí n, khi giảm thể tích bình chứa V đi một nửa thì mật độ va chạm phân tử lên thành bình tăng gấp đôi làm áp suất P tăng đúng gấp đôi (tích số P·V không đổi).

Biến độc lập: Số mol chất khí n (mol), nhiệt độ tuyệt đối T (K) và thể tích bình chứa V (L)

Biến phụ thuộc: Áp suất chất khí P (kPa, bar), tích số đẳng nhiệt P·V (J), thể tích mol V_m (L/mol) và động năng phân tử E_k (kJ/mol)

Biến kiểm soát: Hằng số khí lý tưởng chuẩn CODATA R = 8,31446 J/(mol·K) và bình kín không rò rỉ khí

Dụng cụ: Xi-lanh chứa khí lý tưởng có pít-tông thay đổi thể tích V (5–60 L); Áp kế kỹ thuật số đo áp suất P (kPa và bar); Bộ điều nhiệt nhiệt độ tuyệt đối T (200–600 K) và van nạp định lượng số mol khí n (mol)

1. Bước 1: Thiết lập n = 1,0 mol, T = 298 K và V = 24,8 L để kiểm chứng áp suất chuẩn P ≈ 100 kPa (1,0 bar) và V_m ≈ 24,8 L/mol.
2. Bước 2: Giữ n = 1,0 mol và T = 298 K cố định, giảm thể tích V từ 40 L xuống 20 L và 10 L để kiểm chứng định luật đẳng nhiệt Boyle (P·V = hằng số).
3. Bước 3: Giữ V = 24,8 L cố định, tăng nhiệt độ T từ 250 K lên 500 K để kiểm chứng áp suất P tăng tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối Kelvin.

Hướng dẫn quan sát: Quan sát sự thay đổi vị trí pít-tông theo thể tích V, mật độ hạt phân tử khí chuyển động trong buồng và chỉ số áp kế P (kPa) khi thay đổi n, T, V.

Giải thích kết quả: Dữ liệu thực nghiệm xác nhận P tỉ lệ thuận với n và T, đồng thời tỉ lệ nghịch với V theo đúng biểu thức P = nRT/V. Ở cùng T và P, thể tích V chỉ phụ thuộc vào số mol n (Định luật Avogadro).