Mô hình động học phân tử chất khí, đại lượng trạng thái và đổi đơn vị

Hạt phấn hoa trong nước (chuyển động Brown) nhảy ngẫu nhiên vì bị vô số phân tử nước xô đẩy không đều từ mọi phía. Chất khí cũng vậy: các phân tử luôn chuyển động hỗn loạn (hướng bất kì, tốc độ khác nhau) và không ngừng. Nhiệt độ càng cao, các phân tử chuyển động càng nhanh; vì thế nhiệt độ liên quan tới mức "nhanh" của chuyển động nhiệt (bài 5 sẽ làm rõ bằng công thức).

Chất khí thoả các giả thiết đó gọi là khí lí tưởng. Khí thật ở áp suất không quá lớn và nhiệt độ không quá thấp có thể coi gần đúng là khí lí tưởng; các định luật trong chương này vì thế đều là gần đúng, rất tốt với không khí ở điều kiện thường.

Trạng thái của một lượng khí (khối lượng xác định) được mô tả bằng ba đại lượng:

Nhiệt độ tuyệt đối liên hệ với nhiệt độ Celsius $t$ theo $T=t+273$ (khi cần chính xác hơn dùng $273{,}15$; đề sẽ nói rõ). Một độ chia trên thang kenvin bằng một độ chia trên thang Celsius, nhưng $T=0\,\text{K}$ ứng với $-273\,^\circ\text{C}$ là giới hạn thấp nhất không đạt được.

Khi một trong ba đại lượng thay đổi, thường kéo theo ít nhất một đại lượng khác thay đổi: đó là nội dung của các định luật ở các bài sau.

Mỗi lần một phân tử đập vào thành bình rồi nảy ngược lại, thành bình nhận một lực đẩy rất ngắn. Hàng tỉ tỉ va chạm mỗi giây hoà thành một lực đều đặn; lực đó chia cho diện tích chính là áp suất. Từ đó:

• Nén khí ở nhiệt độ không đổi (thể tích giảm): cùng số phân tử dồn vào chỗ hẹp hơn nên gặp thành bình thường xuyên hơn, số va chạm trên mỗi đơn vị diện tích mỗi giây tăng, nên $p$ tăng.
• Nung khí ở thể tích không đổi: phân tử chạy nhanh hơn, va chạm nhiều hơn và mạnh hơn nên $p$ tăng.
• Nung khí ở áp suất không đổi (pít-tông tự do): để va chạm không mạnh thêm quá mức, thể tích phải tăng (phân tử thưa ra) nên khí giãn nở.

• Mô hình khí lí tưởng: phân tử rất nhỏ, chuyển động hỗn loạn không ngừng, không tương tác (trừ va chạm đàn hồi); áp suất do va chạm vào thành bình.
• Ba đại lượng trạng thái: $p$ (Pa), $V$ (m³), $T$ (K), $T=t+273$.
• Nén khí: nhiều va chạm hơn; nung khí: va chạm nhiều và mạnh hơn.
• $1\,\text{atm}=1{,}013\cdot10^5\,\text{Pa}$; $1\,\text{L}=10^{-3}\,\text{m}^3$; luôn dùng áp suất tuyệt đối.