TT&HĐ V - 47/e

 

Tại Sao Có Bức Xạ Nhiệt Bên Ngoài Hố Đen Và Cuối Cùng Nó Phát Nổ

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)

Quan niệm như trên về sự truyền nhiệt của nhiệt học đã thật sự đích đáng chưa? Chúng ta nói dứt khoát là chưa, một khi nhận  thức về năng lượng chưa rõ ràng! Quan niệm như vậy dẫn đến trước tiên phải quan niệm năng lượng, do đó mà cả nhiệt lượng, có thể thoát ly vật chất và thực sự có khả năng tồn tại một cách độc lập. Nhưng theo chúng ta thì năng lượng nói chung và nhiệt lượng nói riêng không những không thể tách rời vật chất mà còn chính là vật chất vận động. Truyền năng lượng là khái niệm để chỉ chuyển hóa năng lượng. Truyền nhiệt là một dạng đặc biệt của truyền năng lượng mà thôi.

Theo chúng ta, cần phải hiểu thuật ngữ “truyền năng lượng” một cách linh động. Một vật thực sự truyền năng lượng cho một vật khác thì vật truyền phải tổn hao khối lượng mà vật được truyền sẽ nhận thêm khối lượng đúng bằng lượng khối lượng mà vật truyền bị tổn hao. Còn hai vật sau khi va chạm nhau mà khối lượng của chúng không đổi thì về mặt hình thức và tùy theo quan điểm chủ quan của hệ quan sát mà có thể cho rằng vật nào truyền động năng cho vật nào, nhưng thực chất chúng chỉ làm “biến dạng” năng lượng toàn phần của nhau mà thôi. (Cần hiểu thuật ngữ “biến dạng năng lượng toàn phần” theo nghĩa rất rộng, gồm cả biến dạng vật chất lẫn vận động, biến dạng đến tận cùng khả năng có thể, miễn năng lượng toàn phần không đổi - tương tự như biến đổi tôpô trong toán học).

Như vậy, có thể cho rằng, trong Vũ Trụ, có hai phương thức truyền năng lượng cơ bản, tạm gọi là phương thức “thực” và phương thức “ảo”. Truyền năng lượng theo phương thức “ảo” là làm chuyển hóa năng lượng toàn phần mà không làm biến đổi khối lượng đối với các thực thể tham gia và trái lại, truyền năng lượng theo phương thức “thực” là làm tăng giảm năng lượng toàn phần luôn kèm theo biến đổi khối lượng của các thực thể tham gia vào quá trình truyền. Điều cần nhấn mạnh ở đây là dù truyền năng lượng theo phương thức nào thì cũng kèm theo quá trình làm biến dạng năng lượng toàn phần của các thực thể tham gia, và dễ thấy được: với mức độ biến dạng nào đó, năng lượng toàn phần có thể phục hồi lại được như cũ, vượt qua mức độ biến dạng đó, sẽ không thể hổi phục được. Tuân theo nguyên lý tác dụng tương hỗ mà phương thức nào cũng có tính trao đổi dù trực tiếp hay gián tiếp. Năng lượng là một đại lượng vô hướng nhưng sự truyền năng lượng thì phải có phương hướng (tính véctơ). Điều đó cho thấy, bản thân năng lượng có tác dụng làm biến đổi (“biến đổi” là khái niệm bao hàm cả sự biến dạng lẫn sự tăng - giảm về mặt lượng) năng lượng toàn phần và muốn thế, phải thông qua, phải nhờ đến sự truyền năng lượng. Chính sự truyền năng lượng đã làm cho các thực thể được truyền năng lượng bị biến đổi năng lượng toàn phần và tuân theo nguyên lý tác dụng tương hỗ mà các thực thể truyền năng lượng cũng bị biến đổi năng lượng toàn phần nhưng theo chiều ngược lại.

Theo nguyên lý ưu tiên lan truyền KG thì các hạt KG luôn “lựa chọn” truyền theo hướng có mật độ KG thấp nhất, hay nói cách khác, hướng ưu tiên lan truyền KG luôn là từ nơi có mật độ KG (kích thích) cao đến nơi có mật độ KG thấp nhất. Mật độ KG có ảnh hưởng trái chiều đến khả năng đáp ứng chuyển hóa KG, nghĩa là mật độ KG càng cao thì càng cản trở chuyển hóa KG và ngược lại. Nhưng chuyển hóa KG là không thể ngừng được và hơn nữa, không thể bị chậm trễ được, cho nên khi mật độ năng lượng tăng, năng lượng ở đó phải chuyển hóa để đáp ứng chuyển hóa KG trong điều kiện mới theo hướng tăng cường vận động đối với các phần tử vật chất hợp thành. Vì mức độ vận động của một thực thể cao hay thấp không phụ thuộc vào khối lượng của nó mà chỉ phụ thuộc vào thành phần vận tốc bình phương (v²) nên muốn tăng cường vận động cho thực thể thì phải làm năng lượng toàn phần của nó chuyển hóa sao cho v² tăng lên. Mức độ vận động của các phần tử vật chất tăng làm xuất hiện xu thế chuyển động hướng ra ngoài vùng mật độ năng lượng cao của các phần tử vật chất. Như vậy, phải cho rằng nói chung, hướng của sự truyền năng lượng, một cách tự nhiên, bao giờ cũng từ thực thể có mức vận động nội tại cao hơn đến thực thể có mức vận động nội tại thấp hơn. (Trong trường hợp truyền năng lượng hình thức, hay ảo, thì cũng hình thức, ở một phương nào đó, mức vận động (vận tốc) của thực thể truyền năng lượng cao hơn mức vận động của thực thể được truyền). Trong trường hợp việc truyền năng lượng ra môi trường bị chậm lại hoặc ngừng do bị cản trở thì vật sẽ bị nóng lên (do mức hỗn loạn trong chuyển động phân tử tăng!) đến mức có thể bị phá hủy!

Truyền năng lượng một cách tự nhiên hay cưỡng bức đều phải có tác động từ bên ngoài, xuất hiện trước hoặc đồng thời với quá trình truyền năng lượng. Hay nói cách khác muốn truyền năng lượng thì phải “tốn công”. “Công” hay “công sức” là khái niệm đã xuất hiện từ lâu trong đời sống hàng ngày và trở thành một khái niệm vật lý vào khoảng giữa thế kỷ XVIII ở châu Âu. Theo chúng ta, công là đại lượng đặc trưng cho sự truyền năng lượng.

Giả sử có một thực thể truyền đi một năng lượng theo phương thức kèm theo sự biến đổi khối lượng với một vận tốc là v và một khối lượng là m thì coi như nó phải “tốn” một động năng đúng bằng động năng nó truyền đi là mv² (xét về mặt năng lượng thì lượng mất đi phải là: mc²=m_oc²+mv². Tuy nhiên, vì chỉ chú ý tới khối lượng như thói quen trong đời sống hàng ngày, hay chính xác là vì nên , làm cho năng lượng toàn phần “lặn” đi, chỉ “còn lại” mv²!). Lượng động năng ấy, nếu qui đổi ra công (ký hiệu là A) thì phải bằng công A. Một cách hình thức, có thể nói thực thể đã tốn một công A để truyền đi một năng lượng dưới dạng động năng là mv².

Từ biểu thức mv=F.t quen thuộc, chúng ta có thể viết:

với S là quãng đường tác dụng của lực F.

Theo định nghĩa của vật lý về công thì:

A=F.S

Trong trường hợp sự truyền năng lượng trên không kèm theo biến đổi khối lượng thì thực thể truyền năng lượng, một cách hình thức cũng phải tốn công để chuyển hóa năng lượng giữa động năng và nội năng. Nếu năng lượng nó “truyền” đi là mv² thì cũng tốn một công là A=F.S. (Tùy theo quan điểm chủ quan của quan sát mà trong trường hợp này, thực thể được truyền lại đóng vai trò là thực thể chủ động truyền năng lượng và do đó nó phải tốn một công đúng bằng A).

Dạng có tính phổ biến và có vai trò quyết định đến tồn tại và vận động trong tự nhiên, của phương thức truyền năng lượng kèm theo biến đổi khối lượng chính là bức xạ điện từ.

Động năng là dạng năng lượng dễ nhận thức được, thậm chí thế năng, dù khó khăn hơn, cũng có thể hình dung được như một dạng tiềm ẩn của năng lượng. Còn đối với nhiệt thì vô cùng khó nhận thức. Ngày nay, nếu không là tất cả mọi người thì cũng đại đa số cho rằng nhiệt đã được nhận thức đến tận tường. Theo thiển ý của chúng ta, cho đến nay, nhận thức về nhiệt của loài người vẫn chưa đầy đủ và hơn nữa có thể còn phạm không nhiều thì ít sai lầm.

 Như đã biết, nhiệt là một dạng của năng lượng? Nếu thế, theo quan niệm của chúng ta về năng lượng, ở một góc độ khác, phải thấy nó có liên quan tới năng lượng toàn phần (mc²) và vật chất (m), nghĩa là có thể phải quay lại với quan niệm về sự tồn tại thực sự của “chất nhiệt” có khối lượng. Hơn nữa, nó cũng phải được truyền đi ít ra là theo một trong hai phương thức truyền mà chúng ta hình dung ở trên. Truyền theo cách thứ nhất là không thể được rồi vì trong hiện thực có “tìm mỏi mắt” cũng đố hề thấy một vật được cấu thành thuần túy từ “chất nhiệt”. Vậy thì chỉ còn cách truyền thứ hai, tức là một thực thể mang nhiệt (có nhiệt độ lớn hơn hay có mức vận động cao hơn) truyền một luồng các phần tử chất nhiệt (với tổng số nhiệt qui ra động năng là n.mv² , với n là số lượng các phần tử) cho một thực thể khác (có nhiệt độ thấp hơn hay có mức vận động thấp hơn). Nhưng từ đâu xuất hiện các phần tử nhiệt trong thực thể mang nhiệt khi trước đó, lúc chưa bị nung nóng, thực thể không có hoặc có thì cũng rất ít? Hay trong quá trình thực thể bị nung nóng, các phần tử nhiệt đã “thẩm thấu” vào ngày một nhiều và do đó cũng làm cho thực thể tăng dần nhiệt độ? Đã là phần tử chất có khối lượng thì phải có cấu trúc nội tại, nhưng lại không phải chất thông thường để được xếp vào bảng tuần hoàn Menđêlêép, vậy thì phần tử nhiệt có phải là bức xạ tương tự như bức xạ điện từ hoặc chính là bức xạ điện từ không? Không! Vì nếu là thế thì làm sao giải thích được những hiện tượng truyền nhiệt trong khí quyển?
Theo nhiệt học công thức tính nhiệt lượng của một vật là:

m, khối lượng vật, đo bằng đơn vị kg

c là nhiệt dung riêng của chất làm vật (J/kg.K).

Δt, Thay đổi nhiệt độ, đo bằng đơn vị ^o

Q, Nhiệt lượng, đo bằng đơn vị J 

Hay một cách định tính: Muốn làm thay đổi nhiệt độ của một vật, có thể bằng cách truyền nhiệt, hoặc bằng cách thực hiện công (chuyển hóa công cơ học thành nhiệt năng), hoặc bằng cả hai cách ấy.
Rốt cuộc lại thì nhiệt, một cách rõ ràng, hình thành như thế nào?

Thực nghiệm chỉ ra rằng, chất khí là một tập hợp các phân tử chuyển động hỗn loạn, không ngừng (gọi là chuyển động Brao hay chuyển động nhiệt). Theo qui ước của nhiệt học, khí lý tưởng là khí được hợp thành từ các phân tử được qui về thành các chất điểm, chuyển động không ngừng va chạm lẫn nhau gây ra sự hỗn loạn gọi là chuyển động nhiệt, ngoài ra, giữa các phân tử ấy không còn tương tác hút - đẩy nào khác. Chung qui lại, theo hiểu biết hiện nay, hiện tượng nhiệt là do chuyển động Brao gây ra, mức độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử tạo ra mức độ khác nhau về nhiệt độ.

Suy ra từ các kết quả thực nghiệm, nhiệt học thiết lập được một phương trình gọi là phương trình trạng thái của khí lý tưởng.

Trong hóa học, để đo khối lượng các nguyên tử, phân tử, người ta thường dùng một đơn vị qui ước gọi là “đơn vị cácbon”, viết tắt: đvc. Đơn vị các bon bằng 1/12 khối lượng của nguyên tử C¹², tức là khoảng 1,662.10^-24 g. Ngoài đơn vị đo khối lượng đó, người ta còn dùng đơn vị nguyên tử gam (hay phân tử gam). Nguyên tử gam (hay phân tử gam) của một nguyên tố là lượng nguyên tố đó tính ra gam, có số chỉ gam bằng số chỉ khối lượng (đvc), nguyên tử (hay số chỉ khối lượng phân tử). Số nguyên tử (hay phân tử) trong một nguyên tử gam (hay phân tử gam) của các chất đều bằng nhau. Các nhà hóa học đã xác định được trong một nguyên tử gam (12g) chất đồng vị cácbon C¹² có chứa N=6,0221.10²³ hạt nguyên tử C¹². Số N được gọi là số Avôgadrô. Việc xác định được số N là một thành tựu đáng nể của hóa học.

Khái niệm nguyên tử gam (và phân tử gam) được mở rộng và ngày nay trong hóa học, người ta thường dùng khái niệm “mol”. “Mol” là lượng chất có chứa số nguyên tử hay phân tử, hay số ion, số điện tử… (gọi chung là vi hạt) bằng số N. Như vậy, khối lượng một mol chất bằng tổng khối lượng của N vi hạt của mol chất đó. Thực nghiệm đã xác nhận rằng, ở cùng điều kiện áp suất và nhiệt độ, một mol phân tử của các chất khí khác nhau đều chiếm một thể tích như nhau.

Đối với một mol khí bất kỳ, thì trong điều kiện áp suất p, nhiệt độ T, luôn chiếm đúng một thể tích là v, nghĩa là:

với R được gọi là hằng số khí lý tưởng.

Đó cũng chính là phương trình trạng thái khí lý tưởng viết cho một mol khí.

Điều kiện gọi là tiêu chuẩn khi:

T=T_o=273 (^oK)

Trong điều kiện đó, thể tích của một mol khí đúng bằng 22,4.10³ cm³. Như vậy:

Giả sử khối lượng mol của mol khí đó là  thì với một khối lượng m bất kỳ của nó, nó sẽ chiếm một thể tích:

Vậy, dạng tổng quát của phương trình trạng thái khí lý tưởng là:

Phương trình trạng thái khí lý tưởng nói lên mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau một cách có qui luật của ba đại lượng: áp suất, thể tích và nhiệt độ. Song, điều cũng rất quan trọng là nó ám chỉ đến một năng lượng nào đó (vế trái của phương trình) và có thể làm tăng giảm năng lượng đó bằng cách tăng giảm nhiệt độ.
(Còn tiếp)
----------------------------------------------