Định luật Charles, quá trình đẳng áp, đẳng tích và đồ thị

Nhiệt độ $T$ (kenvin) tính từ $T=t+273$. Mốc $0\,\text{K}$ là nhiệt độ thấp nhất lí thuyết, tại đó chuyển động nhiệt của phân tử (trong mô hình) dừng. Các định luật dưới đây đều chỉ đúng với $T$ tuyệt đối.

Quá trình biến đổi trạng thái ở áp suất không đổi (khối lượng khí không đổi) gọi là quá trình đẳng áp.

Nhiệt độ tuyệt đối tăng gấp đôi thì thể tích gấp đôi. Điều này đúng với $T$ chứ không đúng với $t$: nung từ $27\,^\circ\text{C}$ lên $54\,^\circ\text{C}$ ($t$ gấp đôi) thì $T$ chỉ từ $300$ K lên $327$ K, thể tích tăng $9\%$.

Quá trình ở thể tích không đổi (bình kín, cứng) gọi là quá trình đẳng tích.

Sách giáo khoa Việt Nam xếp cả hai quan hệ này dưới tên định luật Charles; nhiều tài liệu gọi riêng quan hệ $p\sim T$ là định luật Gay-Lussac. Dù gọi tên nào, công thức vẫn như trên. Giải thích bằng mô hình: ở thể tích không đổi, nhiệt độ tăng làm phân tử nhanh hơn nên va chạm nhiều hơn và mạnh hơn, $p$ tăng; ở áp suất không đổi, khí phải giãn ra để mật độ phân tử giảm, đủ bù lại sự nhanh hơn của phân tử.

Trong hệ trục $T$ (kenvin), đường thẳng của đẳng tích và đẳng áp đi qua gốc $O$; khi vẽ theo $t$ ($^\circ$C) thì đường thẳng cắt trục $t$ tại $-273\,^\circ\text{C}$, không đi qua gốc của trục $t$ (do đó không tỉ lệ thuận với $t$). Đoạn gần gốc thường vẽ nét đứt vì khí thật hoá lỏng trước khi tới đó.

Dùng đồ thị để so sánh: đường đẳng tích dốc hơn trên $p$–$T$ ứng với thể tích nhỏ hơn (cùng lượng khí); đường đẳng áp dốc hơn trên $V$–$T$ ứng với áp suất nhỏ hơn.

• Đẳng áp: $V/T=\text{hằng số}$; đẳng tích: $p/T=\text{hằng số}$; $T=t+273$.
• Hằng số "tỉ lệ thuận" chỉ với $T$ tuyệt đối; đồ thị theo $t$ cắt trục tại $-273\,^\circ\text{C}$.
• Đồ thị: đẳng nhiệt hypebol ở $p$–$V$; đẳng tích và đẳng áp là nửa đường thẳng qua $O$ ở $p$–$T$ và $V$–$T$.
• Lập bảng $(p,V,T)$ tại các điểm mốc để chuyển hệ trục.