Chất khí có thể tích không: bóng bay xẹp đêm lạnh, túi bánh phồng trên đèo

Chất khí có thể tích, nhưng không có thể tích riêng cố định: khí luôn tràn ra chiếm đầy bình chứa nó, và thể tích ấy co giãn rõ rệt theo nhiệt độ và áp suất. Quả bóng bay để qua đêm lạnh teo lại một phần, túi bánh kín miệng phồng căng khi xe leo đèo cao, chai nhựa đậy nắp trên núi mang xuống đồng bằng thì bẹp lại. Chất rắn và chất lỏng gần như không làm được những việc đó.

Chất khí có thể tích không?

Có. Khí là vật chất, nó chiếm chỗ. Úp ngược một chiếc cốc rồi ấn thẳng xuống chậu nước, nước không vào đầy cốc được vì không khí trong cốc đang giữ chỗ. Thổi vào một quả bóng, bóng to ra vì lượng khí bên trong cần chỗ.

Khác biệt nằm ở chỗ: một hòn đá có hình dạng và thể tích riêng của nó; một lít nước giữ nguyên một lít dù đổ sang bình nào. Còn khí thì lấy cả hình dạng lẫn thể tích của bình chứa. Cùng một lượng khí, cho vào bình 1 lít thì chiếm 1 lít, xả sang phòng thì tản ra khắp phòng. Vì vậy khi nói "thể tích của một lượng khí", luôn phải kèm theo điều kiện: ở nhiệt độ nào, áp suất nào.

Vì sao khí co giãn mạnh hơn chất lỏng và chất rắn?

Trong chất rắn và chất lỏng, các phân tử nằm sát nhau. Muốn ép chúng lại gần thêm rất khó. Trong chất khí, phân tử chỉ chiếm một phần rất nhỏ thể tích, phần còn lại là khoảng trống giữa chúng. Các phân tử bay tự do, va vào thành bình liên tục; tổng các cú va đó chính là áp suất.

Một ví dụ cho thấy khoảng trống ấy lớn tới mức nào: một lít nước lỏng khi hoá hết thành hơi ở 100 °C và áp suất thường chiếm khoảng 1.700 lít. Lượng phân tử không đổi, chỉ là chúng giãn ra xa nhau. Đó cũng là lý do hơi nước từ nồi luộc lan khắp gian bếp nhanh như vậy.

Nhiệt độ làm khí co giãn ra sao?

Khi khí nóng lên, phân tử chạy nhanh hơn, va mạnh hơn, đẩy thành bình ra. Nếu bình co giãn được (quả bóng, túi nilông), thể tích tăng. Khi khí nguội, điều ngược lại xảy ra.

Quy luật gần đúng ở áp suất không đổi: thể tích khí tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối (tính bằng kelvin, lấy độ C cộng 273). Ví dụ một quả bóng thổi trong nhà ở 32 °C (khoảng 305 K), đem để nơi 22 °C (khoảng 295 K) thì riêng phần do nhiệt độ, bóng nhỏ đi khoảng 3%. Mức đó chưa đủ để thấy bằng mắt.

Vậy vì sao bóng bay xẹp rõ sau một đêm?

Phần lớn là do khí lọt qua vỏ bóng. Cao su của bóng bay có những lỗ cực nhỏ ở cấp phân tử. Khí heli có phân tử rất nhỏ nên lọt ra nhanh; bóng heli bằng cao su thường mất sức bay chỉ sau khoảng một ngày. Bóng thổi bằng hơi người giữ lâu hơn nhưng vẫn xẹp dần. Đêm lạnh làm bóng co thêm một chút, cộng với khí đã thoát ra từ chiều, nên sáng ra trông bóng xẹp hẳn. Bóng làm bằng màng kim loại mỏng giữ khí lâu hơn nhiều vì màng ít lỗ hơn.

Áp suất làm khí co giãn ra sao: chuyện túi bánh trên đèo

Không khí bao quanh Trái Đất đè lên mọi thứ một áp suất. Càng lên cao, lớp khí phía trên càng mỏng, áp suất càng giảm. Ở độ cao khoảng 1.500 m, áp suất không khí chỉ còn khoảng 83–84% so với ngang mặt biển. Ở khoảng 3.000 m, còn chừng 70%.

Một gói bánh, gói hạt đóng kín ở vùng đồng bằng có chút không khí trong túi ở áp suất đồng bằng. Mang lên đèo cao, áp suất bên ngoài giảm, khí trong túi đẩy ra, túi phồng căng. Nếu túi đủ mềm để phồng tự do, thể tích khí trong túi tăng ngược với áp suất: áp suất còn khoảng 83% thì khí chiếm khoảng 1,2 lần; còn khoảng 70% thì gần 1,45 lần.

Chiều ngược lại: chai nước rỗng vặn chặt nắp trên đỉnh núi, mang xuống đồng bằng sẽ bị bóp méo vào, vì không khí bên ngoài lúc này đè mạnh hơn khí loãng trong chai. Đây là thí nghiệm đơn giản nhất để thấy áp suất không khí là có thật.

Số trong bảng là gần đúng cho khí quyển tiêu chuẩn, chưa tính nhiệt độ. Trên đèo thường lạnh hơn, khí co lại một chút, nên túi phồng ít hơn bảng một ít.

Những ví dụ quanh nhà và khi đi đường

• Lốp xe: áp suất lốp tăng khi lốp nóng lên sau một quãng đường dài hoặc khi phơi nắng. Vì vậy hướng dẫn thường là kiểm tra áp suất lúc lốp nguội. Đừng xả bớt hơi lốp đang nóng chỉ vì thấy số đo cao.
• Hộp nhựa kín trong lò vi sóng: khí và hơi nước trong hộp nóng lên, giãn ra, làm bung nắp. Luôn hé nắp hoặc mở lỗ thoát hơi trước khi hâm.
• Chai, lọ đậy kín để trong xe ô tô ngoài nắng: khí trong chai nóng lên có thể làm phồng chai, bật nắp. Không để bình xịt, bình ga mini trong xe giữa trưa nắng.
• Nắp hũ thuỷ tinh bị hút chặt: hũ đóng khi còn nóng, nguội đi khí bên trong co lại, áp suất trong hũ thấp hơn bên ngoài nên nắp bị ép chặt. Ngâm nắp vào nước ấm hoặc nạy nhẹ cho khí lọt vào là mở được.
• Tai ù khi đi đèo, đi máy bay: khí trong tai giữa chưa kịp cân bằng với áp suất bên ngoài. Nuốt, ngáp, nhai giúp cân bằng.

Đo thể tích khí bằng cách nào?

Ở nhà có thể "bắt" khí bằng nước. Úp ngược một chai nhựa có vạch đầy nước trong chậu nước, rồi luồn ống hút vào miệng chai và thổi khí vào. Khí đẩy nước ra, mực nước trong chai hạ xuống; số ml nước bị đẩy ra là thể tích khí. Đây cũng là nguyên lý của cách đo lượng khí thở ra trong các bài thực hành sinh học.

Trong kỹ thuật, người ta hay quy về điều kiện chuẩn để so: một lượng khí xác định chiếm khoảng 22,4 lít ở 0 °C và áp suất chuẩn, khoảng 24,5 lít ở 25 °C. Bình khí, bình gas công nghiệp thường ghi dung tích bình bằng lít nước và áp suất nạp, từ đó tính ra lượng khí bên trong.

Điều mang về: khi nào cần để ý khí co giãn

1. Đóng gói đồ đi đèo, đi máy bay: chai lọ chất lỏng nên vặn chặt, bọc túi riêng; khí trong chai giãn ra có thể đẩy chất lỏng rỉ qua nắp.
2. Hâm đồ trong hộp kín: luôn hé nắp.
3. Bơm lốp: kiểm tra khi nguội.
4. Bóng bay trang trí: thổi gần giờ dùng, để nơi mát, tránh nắng trực tiếp làm bóng căng quá mà nổ.