Những con số làm nên vũ trụ - Phần 15

Hai nhà khí cầu học người Pháp

Dạng thức chính xác của định luật chi phối sự giãn nở chất khí trong khi áp suất giữ nguyên không đổi do hai người Pháp thiết lập: Jacques Alexandre César Charles và Joseph Louis Gay-Lussac. Cả hai đều là nhà khoa học, nhưng mỗi người còn quan tâm đến sự giãn nở chất khí vì niềm đam mê của họ đối với một công nghệ tiên tiến hồi cuối thế kỉ 18: khí cầu không khí nóng. Nhiệt làm cho chất khí giãn nở, và sự giãn nở quá mức của chất khí trong một khí cầu không khí nóng làm cho khí cầu vỡ ra, với những kết quả thảm khốc thấy rõ. Việc biết chất khí nóng lên bao nhiêu sẽ giãn nở rõ ràng giúp tránh được những tai họa như thế. Gay-Lussac không chỉ quan tâm khí cầu vì lợi ích riêng của nó, mà ông còn nghiên cứu bản chất của không khí ở những độ cao lớn. Vào năm 1804, ông và nhà một nhà khoa học đồng chí đã đạt tới độ cao khoảng 7000 mét để thu được những phép đo nhiệt độ và độ ẩm ở những độ cao khác nhau – có lẽ là một kỉ lục thế giới về độ cao trong thời kì ấy. Mặc dù lúc ấy chẳng có Sách Kỉ lục Guinness để xác thực độ cao đó, nhưng dường như nó là độ cao chưa từng bị vượt qua trong gần năm mươi năm trời.

Cái mà Charles lẫn Gay-Lussac đều phát hiện ra là tự nhiên không tiếp sức cho sự giãn nở nhiệt; thay vậy nó nghiêng về kết quả chất khí nóng lên ở một áp suất không đổi. Kết luận của họ nhìn có thể trái với kết luận của Dalton. Điểm mấu chốt trong cả hai trường hợp là thể tích của chất khí ở 0 độ C. Nếu hằng số tỉ lệ là 1% trên độ C, thì cả hai lí thuyết tiên đoán sự giãn nở của chất khí đến 10.100 cm³ khi chất khí nóng lên từ 0 độ C đến 1 độ C. Tuy nhiên, Charles và Gay-Lussac phát biểu rằng khi chất khí nóng lên từ 1 độ C đến 2 độ C, chất khí sẽ giãn nở thêm 1% thể tích ở 0 độ C – từ 10.100 cm³ lên 10.200 cm³.

Vâng, chưa hết: Tôi vừa sử dụng 1% trên độ C làm ví dụ vì nó làm cho tính toán dễ thực hiện hơn, nhưng con số mà Gay-Lussac suy ra là chất khí giãn nở 1/266,67 của thể tích của nó ở 0 độ C trên mỗi độ C nóng lên. Hệ số giãn nở của Gay-Lussac rất gần với hệ số được chấp nhận hiện nay là 1/273,15; đó là một biểu hiện của khả năng thực nghiệm của ông.

Kết quả này đôi khi gọi là định luật Gay-Lussac, nhưng thường được biết tới hơn là định luật Charles – và người ta biết tới định luật Charles là nhờ những nỗ lực của Gay-Lussac! Charles thu được những kết quả của ông trước Gay-Lussac những 15 năm, nhưng Gay-Lussac tiến hành công việc ghi chép chính xác hơn, và ông đã làm cái việc mà các nhà khoa học và nhà toán học thường làm (nhưng Charles thì không): ông công bố những kết quả của mình. Ông cũng ghi nhận Charles đã làm những thí nghiệm như thế. Hệ quả là kết quả về sự giãn nở nhiệt của một chất khí ở áp suất không đổi được biết tới có phần nhập nhằng là định luật Charles và Gay-Lussac.