CON ĐƯỜNG ĐI ĐẾN KHÁI NIỆM ÁP SUẤT
Để xét một hệ thống nhiệt động lực học đơn giản và rõ rệt hơn cả ta chọn chất khí lý tưởng đựng trong một bình dạng xilanh có thể tích có thể thay đổi dễ dàng (bằng chuyển động không có ma sát của pittông).
Các hạt khí khi va đập vào thành bình, truyền xung lượng của chúng nhưng thành bình vẫn đứng yên. Nếu hạt va đập lên pittông thì pittông thu được một xung lượng; nó bắt đầu chuyển động và với vận tốc càng lớn nếu va đập càng mạnh. Để cho pittông đứng yên ta phải đặt lên nó một lực F. Nó bằng lực do chất khí gây ra trên pittông và trên thành xilanh. Lực của áp suất phụ thuộc vào số hạt va đập lên đơn vị diện tích của mặt pittông (mặt pittông có diện tích S). Lực ấy được gọi là áp suất p:
P = F/S
Vậy nên khi quan sát từ bên ngoài chúng ta sẽ thấy chất khí sinh ra áp suất p. Còn gì đáng nói về khí lý tưởng nếu không quan tâm cái gì xảy ra bên trong bình? Thứ nhất, khí chiếm thể tích V, và thứ hai, khi nén nó bị nóng lên và được đặc trưng bởi nhiệt độ t nào đó. Tạm như thế đã nhưng thế cũng đủ để thu được các định luật nhiệt động lực học theo sự quan sát hành trạng của hệ.
Có gì quan sát được ở đây? Ấy là ba đại lượng: thể tích, áp suất và nhiệt độ. Ta sẽ cố định một cái trong chúng và theo dõi quan hệ lẫn nhau của hai cái còn lại. Ví dụ giữ nhiệt độ không đổi trong suốt cả quá trình. Khi đó quá trình được gọi là đẳng nhiệt. Nếu cho thể tích V biến thiên, và theo dõi sự biến đổi của áp suất p người ta tìm được quy luật bảo toàn tích số:
p.V = const (1)
Đó chính là đinh luật Boyle - Mariotte, được nhà vật lý Anh Robert Boyle phát minh năm l962, nhưng thực ra đã được thiết lập từ 1653 bởi hai người Anh khác là Richard Townley và Henry Power. Robert Hooke cũng được kể là đã phát minh ra định luật ấy. Song hậu thế không làm thay đổi được tên gọi để khôi phục lẽ phải lịch sử.
Hoàn toàn độc lập với Boyle, 14 năm sau, nhà vật lý Pháp Edme Mariotte (1620 - 1684) đã cung cấp những khẳng định tin cậy và đầy đủ hơn nhiều về định luật ấy. Ở các nước nói tiếng Pháp, cho đến ngày nay người ta gọi tên định luật trên theo tác giả Mariotte, còn ở các quốc gia sử dụng Anh ngữ, thì gọi theo tên Boyle.
Phải nhận rằng, các lập luận đơn giản của chúng ta ''dựa trên vai những người không lồ'', còn vào giữa thế kỷ XVII khi còn chưa có cơ học (Newton viết “những nguyên lý ...” năm 1687, tức là cuối thế kỷ XVII), cũng chưa có mẫu chất khí mà ta đang khảo sát và người ta chỉ ''vừa mới'' thiết lập được sự tồn tại áp suất khí quyển. Đoán nhận rằng có khí quyển bao quanh chúng ta và gây nên sức ép, là điều Galilei vĩ đại đưa ra (năm 1638) khi đã cuối đời. Người học trò Evangelista Torricelli (1608 - 1647) của ông đã chứng minh được ý tưởng đó của Galilei vào ít năm sau đó (năm 1643).
Torricelli đã lấy một ống dài (cỡ một mét) một đầu hàn kín, đựng đầy thủy ngân đặt úp ngược, phía hở cắm vào một chậu hở rộng cũng chứa đầy thủy ngân. Thủy ngân trong ống không bị chảy ra hết, mà chỉ tụt bớt gần 1/4 chiều dài ống. Không gian trống rỗng còn lại trên cột thủy ngân được gọi là khoảng rỗng Torricelli. Nhà bác học giải thích rằng cột thủy ngân trong ống được giữ bởi áp suất của khí quyển tác dụng lên mặt thủy ngân trong chậu.
Về sau người ta còn nhận ra rằng không khí của khí quyển, cũng như bất kỳ một khí nào khác; không chỉ ''gây áp lực'', mà còn sinh lực chống trả, cản trở khi bị nén, gọi là tính đàn hồi, Boyle là người đã chứng minh tính đàn hồi của không khí trên thí nghiệm của mình. Ông xác nhận một cách đơn giản là thể tích bị thay đổi theo biến thiên của áp suất. Còn mối quan hệ tỷ lệ nghịch giữa thể tích V và áp suất p thì là do người học trò của ông Richard Townley chứng minh.
Bấy giờ áp suất được giải thích không giống nhau, về cơ bản là viện đến các lực đẩy giữa các hạt khí theo mô hình Newton-Boyle thì cho rằng khí gồm các hạt là ''những lò xo tí hon'' có thể bị nén lại hoặc căng giãn. Vào đó thế kỷ XVIII nhà bác học Thụy Sĩ Daniel Bernoulli đưa ra cách giải thích giống như hiện nay. Song uy tín của Newton đã ngăn trở công nhận mô hình phân tử tiến bộ ấy suốt 100 năm trời.
