TT&HĐ V - 47/d

 

Cơ sở nhiệt động lực học phần 1

  

Cơ sở nhiệt động lực học phần 2

  

Nhiệt Động Lực Học: Entropi

PHẦN V:     THỐNG NHẤT 

"Khoa học là một sức mạnh trí tuệ lớn nhất, nó dốc hết sức vào việc phá vỡ xiềng xích thần bí đang cầm cố chúng ta."
Gorky 

 

"Mỗi một thành tựu lớn của nhà khoa học chính là xuất phát từ những ảo tưởng táo bạo". 
JohnDewey

"Chân lý chỉ có một, nó không nằm trong tôn giáo, mà nằm trong khoa học."
Leonardo da Vinci
 

"Cái khó hiểu nhất chính là hiểu được thế giới" 

Albert Einstein

 "Có hai cách để sống trên đời: một là xem như không có phép lạ nào cả, hai là xem tất cả đều là phép lạ".

Albert Einstein

      

“Chính qua cuộc đấu tranh nhằm thống nhất một cách hợp lý cái đa dạng mà đã đạt được những thành công lớn nhất, dù rằng chính ý đồ đó có thể gây ra những nguy cơ lớn nhất để trở thành con mồi của ảo vọng”.

Albert Einstein

“Người nhìn thấy cái đa dạng mà không thấy cái đồng nhất thì cứ trôi lăn trong cõi chết”.

Upanishad       

CHƯƠNG VIII (XXXXVII): NÓNG – LẠNH

“Nhiệt thể hiện ở chuyển động của các hạt vật chất.”

M.V. Lômônôxốp

 

“Tính chất kỳ lạ nhất của năng lượng là khả năng biến đổi của nó. Một trong những dạng phổ biến nhất của năng lượng trong tự nhiên là năng lượng chuyển động hay động năng. Năng lượng nhiệt là nguồn dự trữ động năng của các phân tử hoặc nguyên tử chuyển động hỗn loạn và liên tục.”

K.A Gladkov

 

"Tôi thích sự ngu dốt nhiệt tình hơn là sự thông thái thờ ơ".

Anatole France

 

"Trong sâu thẳm mùa đông, cuối cùng tôi cũng hiểu được trong tôi có mùa hè bất diệt".

Albert Camus

 

" Phần lớn con người sống cuộc đời tuyệt vọng trong im lặng, và rồi xuống mồ khi trong mình vẫn còn vang điệu nhạc".

Henry David Thoreau

 

"Không có đam mê, bạn không có năng lượng; không có năng lượng, bạn không có cái gì. Không có gì tuyệt vời trên thế giới được làm xong mà không có đam mê trong đó".

Donald Trump

 

"Hãy nuôi dưỡng hy vọng vì không có hy vọng sẽ không có nhiệt huyết. Nhiều khi chỉ cần một tia hy vọng cũng làm rực sáng cả bầu nhiệt huyết trong lòng người, soi rọi những thành quả lớn lao".

NTT

 

"Không thể tưởng tượng ra một Vũ Trụ vô tỉ! Chỉ khi nào vật lý học thừa nhận rằng các hằng số Vũ Trụ phải là những con số xác định (không vô tỉ), thì lúc đó nó mới có khả năng nhận thức được chân xác Vũ Trụ".

NTT

  

 

(Còn tiếp)

Khi nói về công lao của Lavoaziê trong việc khám phá ra ôxy và giải thích đúng đắn bản chất của sự cháy, Angghen viết: “Pristly và Sile đã mô tả ôxy nhưng không hiểu được rằng cái gì trong tay họ. Họ vẫn là “tù nhân” của phạm trù Phlôgistôn mà họ kế thừa từ những người đi trước. Nhân tố để lật nhào toàn bộ các quan điểm của thuyết phlôgistôn và để tiến hành cuộc cách mạng hóa học đã lọt vào tay họ một cách vô ích. Nhưng chẳng bao lâu sau Pristly, ở Pari, Lavoaziê đã thông báo về khám phá của mình. Chính Lavoaziê, được dẫn dắt  bởi các sự kiện mới, đã xem xét lại toàn bộ hóa học Phlôgistôn và lần đầu tiên khám phá ra rằng dạng không khí mới đó (ôxy) là một nguyên tố hóa học mới. Khi đó, không phải thứ Phlôgistôn thần bí được giải phóng khỏi vật thể cháy mà chính là nguyên tố mới đó đã kết hợp với vật thể. Như vậy, lần đầu tiên ông đã đảo ngược toàn bộ lý thuyết hóa học Phlôgistôn. Và thậm chí, nếu như Lavoaziê không cần mô tả ôxy như ông đã khẳng định là một khám phá đồng thời và độc lập với những người khác thì thực chất vấn đề, vẫn là chính. Lavoaziê khám phá ra ôxy chứ không phải hai người đã mô tả ôxy mà không biết cái họ đã mô tả là gì”.

Lavoaziê cũng rất quan tâm tới vấn đề giải thích bản chất của “chất lửa”, tức bản chất của nhiệt. Ngay từ những công trình nghiên cứu đầu tiên Lavoaziê đã đề cập đến và sau này, vào những năm 80 của thế kỷ XVIII, ông đã cùng với Laplaxơ tiến hành nhiều khảo cứu về nhiệt. Khi thuyết ôxy đã bắt đầu hình thành rõ nét thì đồng thời nhiều công trình nghiên cứu về bản chất nhiệt của Lavoaziê cũng được công bố.

Nếu quan niệm về bản chất sự cháy của Lavoaziê là đúng đắn mang tính cách mạng thì quan niệm về bản chất nhiệt của ông có tính “lưỡng lự” giữa quan niệm vượt thời đại của Lômônôxốp trước đây và quan niệm lạc hậu có từ thời cổ đại. Trong “luận văn về nhiệt”, ông viết: “Các nhà vật lý học có quan điểm khác nhau về bản chất nhiệt… Nhiều người ủng hộ thuyết chất lỏng nhiệt, một số người khác cho rằng nhiệt chính là kết quả chuyển động của các phần tử vật chất mà ta không nhận biết được”, hay: “Mọi người đều biết rằng các vật thể, thậm chí cả những vật thể chặt chẽ nhất cũng có chứa vô số các lỗ nhỏ mà thể tích của chúng lớn hơn rất nhiều so với phần thể tích vật chất chiếm. Chính nhờ có những không gian trống này mà các hạt vật chất cực kỳ bé nhỏ đó có thể tự do giao động theo mọi phương, và tất nhiên ta có thể nghĩ rằng các hạt nằm trong trạng thái dao động liên tục. Nếu dao động tăng lên đến một mức giới hạn nào đó thì vật thể sẽ bị phân hủy. Chuyển động nội tại này chính là nhiệt theo quan điểm của các nhà vật lý mà chúng tôi nhắc đến”.

Trên cơ sở quan niệm cơ học về nhiệt đó, Lavoaziê và Laplaxơ đã giải thích hiện tượng truyền nhiệt và đưa ra kết luận: “Theo quan điểm này, nhiệt tức là lực sống bắt nguồn từ những chuyển động không thấy được của các phân tử vật thể: nó là tổng các tích số giữa khối lượng của mỗi phân tử với bình phương vận tốc của phân tử”. Tuy nhiên, về sau Lavoaziê và Laplaxơ lại nhận xét rằng thuyết chất lỏng nhiệt cũng giải thích đúng được nhiều hiện tượng như thuyết động học phân tử về nhiệt. Từ đó Lavoaziê hoàn toàn từ bỏ quan niệm động học phân tử về nhiệt và chuyển hẳn sang quan niệm chất lỏng nhiệt. Theo ông: “Chất lỏng này hết sức đặc biệt, rất tinh tế, rất đàn hồi, khối lượng của nó nhỏ đến mức không thể dùng dụng cụ để xác định, nó có thể xâm nhập vào các vật thể kể cả những vật thể đặc khít nhất, và được các nhà vật ký học hiện đại gọi là chất nhiệt (calorique)”.

Kể ra thì cũng rất khó hình dung nhiệt lại là do tổng hợp những chuyển động của các hạt tế vi hợp thành vật thể tạo ra và gây cảm giác nóng - lạnh ở con người, nhất là vào khoảng thời gian cuối thế kỷ XVIII, khi mà nhận thức khoa học về cấu tạo vật chất còn rất mơ hồ. Năm 1869, nhà bác học xuất chúng người Nga, D. I. Menđêlêép (1834 - 1907) khám phá ra qui luật biến đổi tuần hoàn về tính chất hóa học của vật chất (định luật tuần hoàn) thì nhận thức khoa học về cấu tạo vật chất vẫn rất hời hợt và chủ yếu là do suy đoán. Thậm chí có thể cho rằng mãi đến năm 1897 mới thực sự bắt đầu cuộc khám phá cấu trúc vật chất trong thực tiễn, khi mà nhà vật lý học người Anh, J. J. Thomson, phát hiện ra hạt điện tử bằng con đường thực nghiệm.

Điều đó giải thích vì sao quan niệm “chất nhiệt” vẫn là quan niệm chính thống về bản chất nhiệt đến tận giữa thế kỷ XIX, trong khoảng thời gian mà nhiều bằng chứng ám chỉ về “nguồn gốc” cơ học của nhiệt đã xuất hiện. Ngay từ năm 1790, một bá tước tên là Rumford (ở Munich) đã thực hiện thí nghiệm là ngâm một nòng súng vào trong một bình nước, dùng chiếc khoan cùn khoan nó trong 2 giờ thì nước sôi, rồi đi đến kết luận: nhiệt là một dạng của chuyển động. Nhưng đa số các ngành nghiên cứu khoa học vẫn cho rằng ma sát đã làm “chất nhiệt” chảy ra khỏi vật…

Khái niệm “công” được hình thành trước tiên trong kỹ thuật, do đòi hỏi của thực tiễn chế tạo và sử dụng máy móc thiết bị trong sản xuất. Và giữa thế kỷ XVIII, để nói về khả năng hoạt động của máy hơi nước, người ta nêu rõ trong một giờ nó nâng được bao nhiêu thùng nước lên độ cao nào.

Mikhail Vasilyevich Lomonosov (8 tháng 11 năm 1711 - 4 tháng 4 năm 1765, Sankt-Peterburg) là một nhà khoa học thực nghiệm tự nhiên nổi tiếng thế giới, nhà thơ, người đặt ra cơ sở cho tiếng Nga văn học hiện đại, họa sĩ, sử gia, người đóng góp cho sự phát triển của giáo dục, khoa học và kinh tế Nga, người khởi đầu của thuyết động học phân tử. Đại học Quốc gia Moskva mang tên ông.

Pierre-Simon Laplace
Chân dung sau khi ông mất do Bà Feytaud vẽ, 1842
Sinh	23 tháng 3 năm 1749 Beaumont-en-Auge, Normandy, Pháp
Mất	5 tháng 3, 1827 (77 tuổi) Paris, Pháp
Nơi cư trú	Pháp
Quốc tịch	Pháp
Ngành	Thiên văn học Toán học
Nơi công tác	École Militaire (1769-1776)
Nổi tiếng vì	Công trình trong Cơ học thiên thể phương trình Laplace toán tử Laplace Biến đổi Laplace Tính thủy triều

Dmitri Mendeleev
Dmitri Mendeleev năm 1897
Sinh	8 tháng 2, 1834 Verhnie Aremzyani, Đế quốc Nga
Mất	2 tháng 2, 1907 (72 tuổi) St. Petersburg, Đế quốc Nga
Tôn giáo	Chính thống giáo Đông phương
Ngành	Nhà hoá học, vật lý và các lĩnh vực liên quan
Nổi tiếng vì	Phát minh Bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học
Giải thưởng	Giải Demidov (1862)
Chữ ký

Joseph John Thomson
Sinh	18 tháng 12 năm 1856 Đồi Cheetham, Manchester, Anh Quốc
Mất	30 tháng 8, 1940 (83 tuổi) Cambridge, Anh
Nơi cư trú	Anh
Tôn giáo	Anglican
Ngành	Vật lý học
Nổi tiếng vì	Plum pudding model Phát hiện ra electron Phát hiện chất đồng vị Phát minh phương pháp phổ khối lượng
Giải thưởng	Giải thưởng Nobel vật lý (1906)

Sadi Carnot
Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) trong đồng phục sinh viên École Polytechnique.
Sinh	1 tháng 6, 1796 Palais du Petit-Luxembourg, Paris, Pháp
Mất	24 tháng 8, 1832 (36 tuổi) Paris, Pháp
Nơi cư trú	France
Ngành	nhà vật lý và kỹ sư
Nơi công tác	quân đội Pháp
Ghi chú Ông là anh trai của Hippolyte Carnot, bố ông là nhà toán học Lazare Carnot, còn cháu họ ông là Marie François Sadi Carnot và Marie Adolphe Carnot.

Máy hơi nước được dùng ngày càng rộng rãi làm này sinh yêu cầu nghiên cứu một cách có hệ thống và sâu sắc hơn quá trình tạo sinh công từ nhiệt để nâng cao hiệu suất máy. Xađi Cácnô (1793 - 1832) là người được sinh ra để lãnh sứ mạng thực hiện bước đầu tiên cho công cuộc nghiên cứu ấy.

Năm 1824, Cácnô công bố tác phẩm khoa học: “Những suy nghĩ về chuyển động lực của lửa”. Trong đó, ông đề ra định hướng cho nghiên cứu hiện tượng biến đổi từ nhiệt ra công: “Muốn nghiên cứu nguyên tắc tạo ra chuyển động từ nhiệt một cách đầy đủ… cần phải lập luận không những đối với máy hơi nước, mà còn đối với mọi loại động cơ nhiệt có thể nghĩ ra được, mặc dù chất được sử dụng là chất nào và cách thực hiện tác dụng là cách nào”. Nghĩa là cần phải nghiên cứu hiện tượng một cách chung nhất, tổng quát nhất để rút ra được những nguyên lý, định luật áp dụng đúng cho tất cả các trường hợp cụ thể trong thực tiễn tạo ra công từ nhiệt.

Trong tác phẩm đó, Cácnô vẫn là người theo quan niệm chất nhiệt, và cho rằng chất nhiệt là một thực thể không thể phá hủy được, bởi thế những biết đổi nhiệt độ của các vật đều gắn liền với việc chuyển nhiệt từ vật này sang vật khác. Hơn nữa, ông còn viết: “Sự xuất hiện lực chuyển động trong máy hơi nước không phải do thực sự đã tiêu hao chất nhiệt, mà là do sự vận chuyển của chất nhiệt từ vật nóng đến vật lạnh… Động lượng của nó chỉ phụ thuộc vào tác nhân dùng để gây ra nó, số lượng của nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của các vật mà suy đến cùng, giữa chúng đã diễn ra sự di chuyển chất nhiệt”.

Điều lạ lùng lý thú là dù trên cơ sở quan niệm chất nhiệt, Cácnô vẫn đánh giá đúng đắn vai trò nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh, quan trọng hơn, đã khám phá ra dưới dạng tiềm ẩn một trong ba nguyên lý cơ bản nhất của nhiệt động học (nguyên lý thứ 2).

Tuy nhiên về sau, Cácnô đã có những nghi ngờ đối với quan niệm chất nhiệt và có lẽ cuối cùng, ông đã rời bỏ nó song chưa kịp chỉnh sửa lại tác phẩm nổi tiếng đã công bố của mình thì ông đã qua đời vì bệnh tả (lúc đó ông mới 36 tuổi!). Trong di cảo của Cácnô được công bố sau khi ông mất, người ta đọc được những dòng này: “Những luận điểm cơ bản mà lý thuyết nhiệt dựa vào cần phải được nghiên cứu kỹ lưỡng. Một vài dữ kiện của thí nghiệm không thể giải thích được trong tình hình hiện nay của lý thuyết”. “Nếu như một giả thuyết nào đó đã không còn đủ khả năng giải thích các hiện tượng, thì cần phải vứt bỏ nó đi. Giả thuyết về chất nhiệt như là thực thể vật chất, chính là đang ở trong tình trạng đó”. “Nhiệt… là chuyển động đã thay đổi hình dạng. Nơi nào mà lực chuyển động bị hủy diệt thì đồng thời xuất hiện nhiệt với một lượng tỷ lệ chính xác với lượng lực chuyển động đã mất đi. Ngược lại: khi nhiệt biến đi, bao giờ cũng xuất hiện lực chuyển động… Nói đúng ra, lực chuyển động không bao giờ được tạo ra, không bao giờ bị hủy diệt: thực ra thì nó thay đổi hình dạng, tức là lúc thì gây ra loại chuyển động này, lúc thì gây ra loại chuyển động khác, nhưng không bao giờ biến mất”.

Có thể thấy Cácnô là người đã tạo nền móng của nhiệt động lực học và đồng thời là người trong thực tế bổ những nhát cuốc đầu tiên đào hố chôn quan niệm chất nhiệt. Ngày nay trong khoa học, nhiệt được quan niệm là một dạng của năng lượng và có tên gọi là “nhiệt lượng”.

                                                          
                                                   ***

Toàn bộ những hiểu biết về nhiệt và về những thể hiện của nó mà loài người tích lũy được từ trước đến nay, đã được đúc kết, hệ thống hóa lại thành một khối kiến thức tương đối độc lập để phục vụ cho việc truyền thụ cũng như nghiên cứu, mang tên: “Nhiệt học”. Trong đó nhiệt động học là một bộ phận của nó, cũng là bộ phận mang tính nền tảng, nòng cốt.

“Thế giới” nhiệt học mà loài người tạo dựng được từ quá trình nhận thức tự nhiên khách quan theo khả năng chủ quan của mình, dù không vĩ đại bằng toán học hay vật lý học, nhưng cũng thực sự rộng lớn và cũng muôn hình vạn trạng cảnh sắc, cũng phong phú kỳ hoa dị thảo. Sau đây, chúng ta sẽ “du lịch” đây đó trong thế giới ấy, nhưng chỉ đến những nơi mình thích, để quan chiêm một phen theo cách “cưỡi ngựa xem hoa”, rồi nếu lúc nào cảm thấy cần thiết, sẽ đưa ra những lời “bình loạn” kiểu “ngây thơ cụ”, nghĩa là già đầu mà nghĩ ngợi ngớ ngẩn như con nít hoang tưởng.

Nhiệt học định nghĩa: nhiệt độ là một đại lượng đặc trưng cho mức độ nóng lạnh của một thực thể (một hệ). Có bốn loại thang dùng để đo nhiệt độ: thang Kelvin (^oK), thang Celsi (^oC), thang Fahrenheit (^oF), thang Rankine (^oR). Nhưng thông dụng nhất là hai thang ^oK và ^oC. Theo qui ước, hơi nước sôi ở áp suất tiêu chuẩn (1,033 átmốtphe) có nhiệt độ 100 ^oC và nước đá đang tan ở cùng cám áp suất là 0 ^oC. Thang ^oK được dùng làm thang đo nhiệt độ Quốc tế, sử dụng trong khoa học cơ bản. Mối quan hệ giữa ^oK và ^oC là:

               T^oK=t^oC+173,16

Theo quan niệm của nhiệt học, giới hạn dưới tuyệt đối của nhiệt độ là 0 ^oK và không có giới hạn trên ). Tuy nhiên, theo một số tài liệu hiện nay đã công bố thì nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được trong thực tế là T_min=2.10^{-9 o}K và nhiệt độ cao nhất (tại thời điểm vụ nổ Big Bang) ước tính cỡ T_max=2.10^{30 o}K.

Nhiệt học cho rằng có 3 cách truyền nhiệt từ nơi này sang nơi khác, từ vật này sang vật khác, đó là dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt.

Dẫn nhiệt là phương thức truyền nhiệt chủ yếu trong các vật rắn. Hiện tượng được giải thích như sau. Các nguyên tử cấu tạo nên vật, nhận năng lượng từ ngọn lửa và dao động mạnh lên. Các dao động này truyền được từ nguyên tử này sang nguyên tử khác thông qua va chạm. Các va chạm này truyền liên tiếp năng lượng từ nguyên tử đầu cho đến nguyên tử cuối cùng. Bằng cách đó, vùng có nhiệt độ cao mở rộng dần dọc theo thanh kim loại, nghĩa là đã có sự truyền nhiệt lượng từ nơi có nhiệt độ cao hơn đến nơi có nhiệt độ thấp hơn.

Còn dẫn nhiệt trong chất khí được giải thích là do chuyển động nhiệt của các phân tử ở nơi có nhiệt độ cao hơn dịch chuyển đến nơi có nhiệt độ thấp hơn và ngược lại Các phân tử ở nơi có nhiệt độ cao truyền năng lượng cho các phân tử ở nơi có nhiệt độ thấp thông qua va chạm, làm cho phân tử có nhiệt độ thấp nóng lên còn phân tử có nhiệt độ cao thì lạnh đi.

Đối lưu nhiệt thường xảy ra với chất lỏng và chất khí. Các phần chất lưu (lỏng và khí) khi bị nung sẽ nhận được nhiệt lượng và bị giãn nở, khối lượng riêng của chúng khi đó trở nên nhỏ hơn nên phải di dời lên trên và các phần mạnh hơn phải di dời xuống dưới. Quá trình liên tục như vậy tạo thành dòng gọi là dòng đối lưu. Dòng đối lưu mang nhiệt lượng từ vùng này sang vùng khác. Dễ thấy: đối lưu là sự vận chuyển khối lượng vật chất mang năng lượng khác nhau giữa vùng nhiệt độ cao và vùng nhiệt độ thấp.

Phương thức truyền nhiệt cuối cùng là bức xạ nhiệt. Bức xạ là một dạng năng lượng nên vật bức xạ phải tiêu hao nội năng. Quá trình bức xạ nhiệt là quá trình một vật bị nung nóng lên nhiệt độ cao thì bức xạ ra nhiệt mà nó nhận từ môi trường trở lại môi trường.

Trong thực tế, sự truyền nhiệt thường đồng thời theo cả ba phương thức đó.
(Còn tiếp)
----------------------------------------------------------------