Định luật chất khí Boyle

Ireland, 1662. Ở nhiệt độ không đổi, áp suất của một chất khí biến thiên tỉ lệ nghịch với thể tích của nó.

THAM KHẢO CHÉO: Robert Hooke, Định luật Chất khí Charles, Định luật Chất khí Avogadro, Định luật Áp suất Riêng phần Dalton, Định luật Khuếch tán Graham, và Định luật Khí lí tưởng

Năm 1662, Charles II bán thành phố cảng Dunkirk cho Pháp với giá 400.000 bảng, những đồng penny bằng bạc cuối cùng được đúc ở London. Nhà buôn Anh John Graunt xuất bản quyển sách đầu tiên về thống kê. Trong quyển sách có Bảng Tuổi thọ London, bảng biểu đầu tiên cho biết độ tuổi mà người ta có khả năng chết ở một thành phố. Công trình của Graunt là xuất phát điểm cho thống kê lẫn nhân khẩu học.

Năm 1662, Robert Boyle – nhà hóa học, nhà vật lí, và nhà phát minh Ireland – nghiên cứu mối liên hệ giữa áp suất P và thể tích V của một chất khí chứa trong bình được giữ ở một nhiệt độ không đổi. Boyle quan sát thấy tích của áp suất và thể tích gần như không đổi:

P ´ V = C

Mối liên hệ này giữa áp suất và thể tích được gọi là Định luật Boyle để tôn vinh ông. Lấy thí dụ, giả sử ta có một chất khí đựng trong một cái bình có piston ở trên. Trạng thái ban đầu của chất khí có thể tích 5 mét khối, và áp suất là 1,0 kilopascal. Trong khi giữ nhiệt độ và lượng khí (số mol) không đổi, ta thêm các vật nặng đặt lên piston để tăng áp suất. (Khái niệm mol được giải thích đầy đủ hơn trong mục Định luật Chất khí Avogadro.) Khi áp suất đạt tới 4 kilopascal, ta thấy thể tích giảm còn 1,25 mét khối. Tích của áp suất và thể tích giữ nguyên không đổi: 5 m³ ´ 1 kPa = 1,25 m³ ´ 4 kPa.

Lưu ý rằng Định luật Boyle thỉnh thoảng được gọi là Định luật Boyle-Mariotte vì nhà vật lí Pháp Edme Mariotte (1620-1684) đã tìm thấy định luật một cách độc lập với Boyle nhưng mãi đến năm 1676 mới công bố. Dưới đây là ngôn từ chính xác của Boyle nói về những thí nghiệm của ông với không khí đã đưa tới Định luật Boyle, trích từ bản in lần thứ hai của quyển Những thí nghiệm cơ lí mới, Chạm tới sức ép của không khí, và kết quả:

Áp suất và độ dãn nở tỉ lệ lẫn nhau... Không khí thường, khi giảm xuống còn một nửa dung tích bình thường của nó, thu được sức ép mạnh gần hai lần so với trước đó, cứ như vậy không khí nén tiếp tục bị ép còn một nửa dung tích chật hẹp này, từ đó thu được một lực ép mạnh gấp hai lần nữa, và như vậy là mạnh gấp bốn lần không khí bình thường.

Ống tiêm là một thí dụ khác của một ứng dụng thực tiễn của Định luật Boyle. Khi bác sĩ đẩy piston trên ống tiêm, ông làm giảm thể tích bên trong ống tiêm, làm tăng áp suất và làm cho thuốc phụt ra ngoài. Một quả bong bóng xẹp tại mực nước biển sẽ dãn nở khi nó bay lên trong không khí và gặp áp suất giảm dần. Tương tự, khi chúng ta hít vào, cơ hoành của chúng ta di chuyển xuống, làm tăng thể tích phổi và làm giảm áp suất để không khí tràn vào phổi. Hiểu theo nghĩa nào đó thì Định luật Boyle giúp chúng ta sống với mỗi nhịp thở mà chúng ta thực hiện.

Định luật Boyle là chính xác nhất đối với chất khí lí tưởng, chất khí gồm những hạt y hệt nhau có thể tích không đáng kể, không có lực liên kết phân tử, và các nguyên tử và phân tử va chạm đàn hồi với thành bình. Các khí thực tuân theo Định luật Boyle ở áp suất đủ thấp, và sự gần đúng như thế thường là đủ chính xác cho các mục đích thực tế khi mô tả các khí thực.

Thợ lặn bình khí nén học về định luật Boyle vì nó giúp giải thích cái xảy ra khi trồi lên và lặn xuống đối với phổi, mặt nạ, và dụng cụ điều khiển nổi (BCD). Ví dụ, khi người lặn xuống, áp suất tăng, làm cho mọi thể tích không khí giảm. Người thợ lặn để ý thấy BCD của họ có vẻ xẹp, và áp suất trong hốc khí phía sau tai tăng lên. Để cân bằng lại hốc tai, không khí phải tràn từ ống Eustachian của người thợ lặn sang để bù cho sự giảm thể tích khí.

Các định luật chất khí khác trong quyển sách này mô tả mối liên hệ giữa nhiệt độ, áp suất, và thể tích của chất khí. Nếu ta xét Định luật Avogadro, ta có thể suy ra Định luật Chất khí Lí tưởng, PV = nRT, từ các định luật chất khí khác này. Ở đây, P là áp suất, V là thể tích, n là số mol khí, R là hằng số khí lí tưởng (thường đo theo đơn vị L-atm/mol-K hoặc Pa-m³/mol-K), và T là nhiệt độ đo theo kelvin.

Các định luật chất khí khác trình bày trong quyển sách này bao gồm Định luật Chất khí Charles, Định luật Áp suất Riêng phần Dalton, và Định luật Khuếch tán Graham. Không có chất khí thực nào tuân theo những định luật chất khí này một cách chính xác, bởi vì, chẳng hạn, những định luật này giả định rằng các hạt chất khí nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa các hạt, và thể tích chất khí được cho là chủ yếu không gian trống rỗng và thể tích của chính các phân tử khí là không đáng kể. Những định luật này còn giả định rằng không có lực hút giữa các phân tử chất khí hoặc giữa các phân tử và thành bình chứa. Để lí giải một số nét phức tạp của khí thực, công thức PV = nRT có thể được viết lại dưới dạng Phương trình Van der Waals thực tiễn hơn: (P + an²/V²)(V - nb) = nRT, trong đó a là hằng số dùng để hiệu chỉnh cho lực hút liên phân tử có thể tồn tại, và b là hằng số hiệu chỉnh cho thể tích của từng phân tử khí. Ví dụ, đối với helium, a = 0,034 L²-atm/mol² và b = 0,024 L/mol. Với ammonia (NH₃), a = 4,17 L²-atm/mol² và b = 0,037 L/mol. Sai lệch với chất khí lí tưởng là lớn nhất khi lực hút liên phân tử của các phân tử khí là lớn nhất và/hoặc khi khối lượng (và do đó thể tích) của các phân tử khí là lớn.

Robert Boyle (1626-1691), nhà triết học tự nhiên Ireland, nổi tiếng với nghiên cứu về tính chất của chất khí và ủng hộ quan niệm “tiểu thể” của vật chất – tiền thân cho lí thuyết hiện đại của các nguyên tố hóa học.

KHÊU GỢI HIẾU KÌ. Boyle nghiên cứu về giả kim thuật – mục tiêu của ông không những là biến tố các kim loại gốc thành vàng mà còn để thu hút thiên thần. Đối với Boyle, giả kim thuật vừa là khoa học thuần túy, vừa là một phòng vệ trước số lượng người vô thần đang tăng dần. · Boyle chứng minh rằng sự truyền âm là không thể trong chân không.

Boyle là người hào phóng đến tài tình, các nhà hóa học ngoại quốc thích gì là ông tặng nấy, ông không rỗi hơi mà tính toán so đo hay giữ bí mật. Ông bỏ tiền riêng để dịch và in kinh Tân Ước sang tiếng Arab, rồi gửi sang các nước Hồi giáo.

- John Aubrey, Brief Lives

Niềm đam mê của Boyle dường như được tiếp sức bởi khát vọng không ngừng của ông là nắm bắt kiến thức của Chúa.

- J.J. McIntosh, “Robert Boyle”, Bách khoa thư Triết học Stanford

Robert Boyle sinh ra trong Lâu đài Lismore ở Munster, Ireland – là con thứ mười bốn trong gia đình giàu có Richard Boyle, Đệ nhất Bá tước xứ Cork. Boyle viết về bố mình, người có lẽ là người giàu nhất Anh quốc, “Nhờ Chúa ban phúc cho công nghiệp thịnh vượng mà từ khởi đầu rất khiêm tốn ông đã xây dựng cho mình một cơ ngơi đồ sộ và xuất chúng khiến nhiều người nể phục và chỉ vài người sánh nổi.” Bố Boyle đã xây dựng các nhà xưởng, thành lập các thị trấn, đầu tư cho nghề làm đồ sắt và các ngành công nghiệp khác.

Lúc nhỏ, Boyle học nói tiếng Latin và tiếng Pháp, và năm lên 8 ông được gửi vào trường Eton College. Sau vài năm học tại trường, ông ra nước ngoài cùng một người giám hộ người Pháp. Ở Italy, Boyle có vinh dự gặp gỡ nhà thiên văn lão thành Galileo. Boyle yêu thích cuộc gặp này, và nó đã đem lại động lực cho Boyle khám phá nhiều hơn về sự vận hành của thế giới.

Boyle được gia sư riêng về toán học thực hành và các lĩnh vực giáo dục tự do khác. Ông cũng bắt đầu yêu thích y khoa và hóa học.

Năm 1654, Boyle tham gia một nhóm nhỏ các nhà khoa học Anh xuất sắc, các nhà toán học và nhà triết học tổ chức gặp mặt hàng tuần ở London và ở Oxford kể từ năm 1645. Năm 1662, nhóm trở thành Hội Hoàng gia, tổ chức vẫn tồn tại ngày nay với tư cách hội khoa học hoạt động liên tục xưa nhất thế giới. Câu khẩu hiệu của Hội, Nullius in Verba, nghĩa là “Ý ở ngoài lời”, cho thấy khoa học phải được xây dựng trên cơ sở thực nghiệm.

Boyle có nhiều sở thích. Một thí dụ là năm 1654, ông biểu hiện sự say mê của mình với hệ thống cơ quan của cá khi ông viết thư cho một người bạn:

Tôi tự thực hành với việc mổ xẻ động vật sống: ở đây tôi tự thỏa mãn với sự tuần hoàn máu... và đã thấy (đặc biệt trong giải phẫu cá) nhiều biến thể và xếp đặt của tự nhiên, cùng với sự uy nghi và thông thái của đấng sáng thế, hơn mọi quyển sách mà tôi từng đọc trong đời mình có thể đem đến cho tôi những quan niệm có sức thuyết phục.

Tuy nhiên, ông có chút câu nệ về giải phẫu học, và các nghiên cứu sinh lí học của ông bị kìm hãm bởi “bản tính mềm yếu của ông”, cái ngăn ông tiến hành nhiều phép giải phẫu, đặc biệt với động vật sống, mặc dù ông biết loại công việc này sẽ “mang lại nhiều kiến thức nhất”.

Boyle viết về nhiều chủ đề, bao gồm thần học, thủy tĩnh học, triết học và các lĩnh vực khoa học khác. Mặc dù yêu thích số một của ông là hóa học, nhưng quyển sách khoa học đầu tiên được xuất bản của ông, Các thí nghiệm Cơ Lí mới, Chạm tới Sức ép Không khí và Các hệ quả (1660), là về khí lực hóa (sử dụng khí nén để thực hiện công). Quyển Các thí nghiệm mới là kết quả của ba năm làm thí nghiệm sử dụng bơm không khí, với sự hỗ trợ của Robert Hooke, nhà triết học thực nghiệm Anh. Hooke thiết kế dụng cụ, và Boyle sử dụng nó thực hiện vài khám phá – thí dụ, lửa cháy cần không khí và âm thanh không truyền trong chân không. Đặc biệt, ông chứng minh rằng tiếng đồng hồ chạy đặt trong cái chuông úp trở nên yếu đi khi không khí bị bơm ra ngoài. Bản in lần thứ hai của quyển Các thí nghiệm mới, xuất bản năm 1662, có chứa mối liên hệ nghịch đảo áp suất-thể tích mà ngày nay chúng ta gọi là Định luật Boyle.

Ông còn tiến hành nhiều thí nghiệm đa dạng khác:

• Ông chứng minh rằng nhiều trái cây và rau củ chứa không khí và carbon dioxide.
• Ông khám phá các phản ứng hóa học mới và hóa chất mới. Ví dụ, ông đã điều chế hydrogen từ mạt thép và một acid khoáng mạnh.
• Ông tìm thấy những chiết suất thực vật nhất định có thể phân biệt acid với base. Ví dụ, ông quan sát thấy mọi acid làm si rô tím hóa đỏ, còn mọi kim loại kiềm làm si rô tím hóa xanh.
• Ông nghiên cứu lực mà nước đóng băng tạo ra khi nó dãn nở.

Boyle nhấn mạnh việc ứng dụng toán học cho nghiên cứu hóa học, một lĩnh vực mà ông tin rằng chỉ biểu hiện sự phức tạp do áp dụng các quy luật toán học đơn giản cho các hạt cơ bản. Ngày nay, Boyle được biết tới nhất với định luật mang tên ông phát biểu rằng nếu thể tích của một chất khí giảm, thì áp suất của nó tăng lên tương ứng. Nhận thấy các kết quả của ông có thể giải thích được nếu tất cả các chất khí được làm từ những hạt nhỏ xíu, Boyle đã cố gắng xây dựng một lí thuyết tiểu thể chung của hóa học. Trong quyển Nhà hóa học Đa nghi năm 1661 của ông, Boyle phản bác lí thuyết Aristotle gồm bốn nguyên tố (đất, không khí, lửa, và nước) và phát triển khái niệm hạt sơ cấp cùng kết hợp thành các tiểu thể.

Mặc dù Boyle tin rằng có thể hiểu được vũ trụ bằng các nguyên lí cơ học, nhưng ông cũng tin rằng mô hình cơ học này không chống lại niềm tin vào Chúa hay bằng cách nào đó giáng cấp Chúa xuống thành một bộ máy cơ giới. Theo Boyle, một vị Chúa sáng tạo ra vũ trụ tuân theo các định luật thì đáng tôn kính hơn một vị Chúa sáng tạo ra thế giới mà không có các định luật khoa học. Boyle còn tin rằng các thiên thần đã được tạo ra “trước khi Thế giới khả kiến... đã hoàn thành một nửa” nhưng, trái lại, Chúa tạo ra linh hồn con người mới mỗi ngày và chế ra “chất thần kì” để gắn kết họ vào cơ thể tương ứng của họ.

Boyle chưa từng kết hơn, và từ năm 41 tuổi ông sống trong nhà bà chị Katherine, nơi ông thường xuyên có khách viếng. Trước khi qua đời, ông quyết định dành toàn bộ tiền bạc để lập các bài giảng Boyle nhằm phản bác thuyết vô thần và các tôn giáo cạnh tranh với Cơ đốc giáo.

Vững niềm tin Cơ đốc giáo, Boyle muốn lời Kinh Thánh được truyền bá khắp thế giới; ông muốn Kinh Thánh được dịch sang nhiều ngôn ngữ khác, ví dụ tiếng Thổ Nhĩ Kì và tiếng châu Mĩ bản địa. Ông viết, “Cảm hóa kẻ vô thần thành tín đồ Cơ đốc là công việc của người Đại Từ bi và khoan dung với nhân loại.”

Boyle tin rằng có thiên thần và họ thường thông minh hơn con người, và có khả năng mục tiêu ban đầu của Chúa là sáng tạo ra vũ trụ sống cho các thiên thần. Sự sáng thế phục vụ thiên thần này cho thấy có khả năng vũ trụ mãi mãi quá phức tạp để con người lĩnh hội. Ông viết vào năm 1680, “Chúng ta lạm dụng quá nhiều năng lực riêng của mình, cứ như thể Chúa toàn năng không thể có những Kết thúc khác trong việc nhào nặn và điều chỉnh Vạn vật Cụ thể, hơn là cái Con Người chúng ta có thể khám phá.”

Trong quãng đời mình, ông liên tục tìm cách cải thiện sức khỏe của nhân loại. Ví dụ, ông phát minh các cách cải tạo nông nghiệp và y họa và quan tâm đến các khả năng sản xuất nước ngọt từ nước biển và bảo quản thực phẩm bằng cách đóng gói chân không.

Sau đây là một số tác phẩm của ông. Tôi chọn lựa tựa sách từ một danh sách dài để làm thí dụ cho sự đa dạng đam mê của ông:

• 1660, Những thí nghiệm Cơ Lí mới: Chạm tới Sức ép của Không khí và Các hệ quả
• 1661, Nhà hóa học Đa nghi
• 1663, Các thí nghiệm và Suy xét về Màu sắc, với Các quan sát trên Kim cương Lấp lánh trong Tối
• 1666, Các nghịch lí thủy tĩnh
• 1670, Chất Hài hòa của Vạn vật
• 1664, Sự tuyệt vời của Thần học so với Triết học tự nhiên
• 1675, Một số Suy xét về Khả năng Dung hòa Luận giải và Tôn giáo, với một Thuyết trình về Khả năng Hồi sinh

Một miệng hố trên mặt trăng với đường kính 57 km được đặt tên Boyle và được Tổng Liên đoàn Thiên văn Quốc tế phê chuẩn năm 1970. Gilbert Burnet, Giám mục Salisbury, đọc điếu văn tại lễ tang Boyle nhấn mạnh tình yêu của Boyle dành cho tôn giáo lẫn khoa học. Theo Burnet, Boyle, giống như một số nhà khoa học khác thuộc thời đại của ông,

hướng toàn bộ nghiên cứu của họ về tự nhiên cho Vị thế toàn năng của Đấng sáng thế vĩ đại: Và đã kết hợp hai thứ, mà cho dù trông chúng có liên quan bao nhiêu chăng nữa, chúng vẫn ít khi ở cùng nhau, mà Thế giới bị cám dỗ nghĩ rằng chúng không tương thích; Một cái nhìn liên tục vào Tự nhiên, và một nghiên cứu còn liên tục hơn của Tôn giáo, và một sự Lèo lái và cải tạo lẫn nhau.

Michael Hunter tóm tắt cuộc đời của Boyle trong quyển Xét lại Robert Boyle:

Dù xét theo tiêu chuẩn nào, Robert Boyle vẫn là một trong những nhân vật uy nghi của hệ tư tưởng thế kỉ mười bảy. Các tác phẩm của ông đáng chú ý vì tầm bao quát của chúng, ý nghĩa của chúng, và chất lượng tuyệt đối của chúng: trong quãng đời mình, ông đã xuất bản hơn bốn mươi tập sách... Trong sự hòa hợp của ông giữa nghiên cứu khoa học và lòng mộ đạo sâu sắc, Boyle thể hiện hầu như một loại tiêu biểu của “nghệ sĩ bậc thầy Cơ đốc giáo”,... một nhà cách tân trí tuệ vĩ đại, một người đồng thời là sự mẫu mực của sự ngoan đạo và sự liêm khiết.

Anstey, Peter, The Philosophy of Robert Boyle (London: Routledge, 2000).

Boyle, Robert, New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air, and Its Effects, bản in lần thứ hai (Oxford, 1662).

Hall, Marie, “Boyle,” trong Dictionary of Scientific Biography, Charles Gillispie, chủ biên (New York: Charles Scribner’s Sons, 1970).

Hunter, Michael, Robert Boyle Reconsidered (Cambridge, U.K.: Cambridge University Press, 2003).

MacIntosh, J. J., “Robert Boyle,” Stanford Encyclopedia of Philosophy; xem plato.stanford.edu/entries/boyle/.

Principe, Lawrence, The Aspiring Adept: Robert Boyle and His Alchemical Quest (Princeton, N.J.: Princeton University Press, 2000).

Wojcik, Jan, Robert Boyle and the Limits of Reason (Cambridge, U.K.: Cambridge University Press, 2002); điếu văn của Gilbert Burnet đọc tại lễ tang Boyle được trích từ sách này.

GIẢI LAO: KHỞI ĐẦU CÂU CHUYỆN

Sẽ hết sức sai lầm nếu cho rằng khoa học là cái đã biết rõ mọi thứ. Khoa học tiến bộ bởi việc có linh cảm, bởi việc đưa ra dự đoán, bởi việc có giả thuyết, thỉnh thoảng được truyền cảm hứng bởi những ý tưởng lãng mạn, bởi những ý tưởng thẩm mĩ, và rồi khoa học tiến tới cố gắng chứng minh trên thực nghiệm hoặc bằng quan sát. Và đó là nét đẹp của khoa học, khoa học có giai đoạn tưởng tượng này rồi tiến sang giai đoạn chứng minh, giai đoạn trình diễn.

- Richard Dawkins, trong Cái chúng ta tin nhưng không thể chứng minh của John Brockman

Nếu ta trở lại với trò chơi cờ đam, thì các định luật cơ bản là các quy tắc di chuyển các quân cờ. Có thể ứng dụng toán học trong tình huống phức tạp trên để tính xem những tình huống nhất định nào là tình huống tốt để di chuyển. Nhưng ta cần rất ít toán học cho tính chất căn bản đơn giản của các định luật cơ bản. Chúng có thể được phát biểu đơn giản bằng tiếng Anh cho cờ đam.

- Richard Feynman, Tính chất của các định luật vật lí

Sinh học giữ một vai trò nhất định trong các ngành khoa học, nó vừa nằm ở rìa vừa nằm ở trọng tâm. Ở rìa bởi vì – thế giới sống cấu thành một bộ phận rất nhỏ và rất “đặc biệt” của vũ trụ – dường như không có khả năng việc nghiên cứu sinh vật sống sẽ vén màn các định luật tổng quát có thể áp dụng ngoài phạm vi sinh quyển. Nhưng nếu mục tiêu tối hậu của toàn bộ khoa học, thật sự như tôi tin tưởng, là làm sáng tỏ mối liên hệ của con người với vũ trụ, thì sinh học phải được đặt ở vị trí trung tâm...

- Jacques Monos, Cơ hội và Cấp thiết

Chúng ta được biết, Chúa không phải là con rối quan tâm đến hoạt động con người hay các quá trình của thế giới. Nếu chúng ta tồn tại trong một môi trường mà chúng ta có thể sống cuộc đời lao động hăng say và hiểu biết... thì thế giới phải có một trật tự đều đặn và khuôn mẫu của riêng nó. Cái quả đi sau cái nhân theo kiểu chúng ta có thể báo trước, và vì thế có thể thực hiện một số nỗ lực bắt chước. Vì thế, có cái lạ là người ta trông chờ Chúa sẽ liên tục nhúng tay vào nếu mọi thứ trở nên bất ổn.

- Rowan Williams, “Tất nhiên điều này khiến chúng ta nghi ngờ sự tồn tại của Chúa,” Sunday Telegraph, ngày 02/01/2005

Trích Từ Archimedes đến Hawking (Clifford Pickover) - Trần Nghiêm dịch