TT&HĐ V - 48/a

 

Bài tập nhiệt lượng- phương trình cân bằng nhiệt

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 IX(XXXXVIII): TƯƠNG LAI VŨ TRỤ

“Có một vật hỗn độn mà thành trước cả trời đất. Nó yên lặng, vô hình, đứng một mình mà không thay đổi vĩnh cửu, vân hành khắp vũ trụ không ngừng, có thể coi nó là mẹ của vạn vật trong thiên hạ. Ta không biết tên nó là gì, tạm đặt tên cho nó là đạo. Đạo mà diễn tả được thì đó không còn là đạo bất biến nữa, tên mà gọi ra được thì đó không còn là tên bất biến nữa." 

Lão Tử

 

“… Chúng ta vẫn còn là những người mới bắt đầu hết sức lúng túng với những hình ảnh trí tuệ đúng – sai lầm và thực tại tối hậu vẫn còn nằm ngoài xa tầm nắm bắt của chúng ta”

Susskind

 

"Ngôn ngữ của vật lí là toán học, và không thể hiểu được vật lí nếu không có toán học. Đây là cái khiến nó khó nuốt. Ngôn ngữ của văn học là tiếng Anh hay tiếng Trung hay thứ tiếng nào đó, và đó là cái khiến nó dễ tiêu hóa. Và văn học thì nói về con người. Vật lí học thì nói về cái phi con người. Nó không phải là một hương vị mà mọi con người đều nếm được". 

 Susskind

 

"Thay đổi là bản chất của Vũ Trụ chúng ta"

Frank Herbert

 

"Người thuận theo đất, đất thuận theo trời, trời thuận theo Đạo, Đạo thuận theo tự nhiên". Lão Tử

"Các hằng số Vũ Trụ là hữu hạn (không vô tỷ!). Chỉ khi nào thừa nhận điều đó, vật lý học mới có khả năng hiểu thấu đáo Vũ Trụ. 

NTT

 

"Chỉ có một cách tuyệt đối và duy nhất đúng giải thích sự tồn tại Vũ Trụ. Nhưng vì Tự Nhiên Tồn Tại là đầy đủ nên cũng có nhiều cách tương đối và gần đúng. Tưởng tượng là món quà vô giá mà Tạo Hóa ban cho loài người. Nhờ có nó mà loài người xây dựng được lâu đài toán học nguy nga, tráng lệ và vĩ đại. Từ tưởng tượng và lâu đài toán học phản ánh thực tại và cả phi thực tại đó, loài người đã vẽ vời nên nhiều hình ảnh sai trái, đầy huyễn hoặc và cả thần thánh hóa về Tự Nhiên Tồn Tại"

NTT

 

 

 

 

 Nói ngay, theo triết học duy tồn, tuyệt đối không có Hư Vô trong thực tại, chỉ có Tự Nhiên Tồn Tại. Nếu Tự Nhiên Tồn Tại là bao gồm Hiện Hữu và không Hiện Hữu thì có thể gọi nó là Vũ Trụ. Vũ Trụ, như ngày nay quan sát thấy, là không gian, vạn vật-hiện tượng, gồm cả những hiện hữu có nguồn gốc vật chất. Nói ngắn gọn: gồm không gian và vật chất, mà xét cho đến cùng, vì vật chất suất sinh từ không gian, nên có thể nói ngắn gọn, Tự Nhiên Tồn Tại là không gian. Vì không gian tồn tại (biến đổi không ngừng) trong bảo toàn tuyệt đối nên nó không thể bị tiêu diệt. Vì thời gian chỉ là một mặt thể hiện của các quá trình vận động không gian chứ không phải là tồn tại thực, nghĩa là Vũ Trụ tồn tại không ở trong thời gian cũng không ở ngoài thời gian, nên không thể nói Vũ Trụ tồn tại vĩnh viễn hay không vĩnh viễn, mà chỉ có thể nói Vũ Trụ tồn tại là một Hiện Tại vĩ đại, là vốn dĩ thế, là luôn luôn như thế, là tự nhiên.
Trong nhiệt động học có khái niệm  Entrôpi (ΔS). Theo nguyên lý thứ II nhiệt động học thì đối với một hệ cô lập, Entrôpi của vật luôn lớn hơn hoặc bằng không:

 

Khái niệm entrôpi làm nảy sinh thuyết chết nhiệt Vũ Trụ. Thuyết này chỉ ra rằng Vũ Trụ là một hệ cô lập, đo đó ΔS sẽ có lúc tăng lên cực đại, nghĩa là lúc đó Vũ Trụ sẽ chết, không vận động nữa (!) Đến nay nhiều bằng chứng đã chỉ ra quan niệm sai trái của học thuyết này.

       Triết học duy tồn cũng cho rằng thuyết này là sai lầm, vi phạm đến chuyển hóa không gian.
       Theo hiểu biết truyền thống thì nhiệt động học được xây dựng cơ bản trên hai nguyên lý: thứ nhất (còn gọi là nguyên lý tương đương) và thứ hai (còn gọi là nguyên lý tăng Entrôpi). Hai nguyên lý này được rút ra từ thực nghiệm.
       Nhiệt động học ngày nay có nội dung rất rộng. Nhưng vào thời kỳ đầu, môn khoa học này giới hạn trong việc nghiên cứu những mối liên hệ giữa các hiện tượng cơ học và nhiệt học, những đại lượng vĩ mô liên quan đến sự chuyển hóa qua lại giữa hai dạng năng lượng cơ năng và nhiệt năng.
       Bản chất của Tự Nhiên Tồn Tại là vận động và chuyển hóa. Không thể nói đến Tồn Tại nếu không nói đến vận động,  mà đã nói đến vận động thì phải nói đến quá trình trước -sau, tức là thời gian. Mặt khác, nói đến Tồn Tại là phải nói đến không gian và vật chất. Theo chúng ta hiểu, đặc trưng cơ bản của vật chất là khối lượng (m), đặc trưng cơ bản của vận động vật chất là năng lượng (E) và chuyển hóa năng lượng. Việc khám phá ra năng lượng và chuyển hóa của nó gắn liền với vận động và biến đổi trạng thái vận động là một bước tiến dài trên con đường nhận thức khoa học. Vậy năng lượng là gì? Có thể nói nôm na, năng lượng là nguyên nhân trực tiếp của vận động, đồng thời là khả năng sinh công, khả năng thực hiện một công việc gì đó của vạn vật trong hiện thực. Ví dụ một chiếc xe, muốn đi một quãng đường nào đó, thì phải tốn công, nghĩa là cần đến một lượng năng lượng nhất định. Nhưng một vật muốn sinh công, điều kiện tiên quyết là nó phải tích lũy được một lượng cơ năng được chuyển hóa thành từ năng lượng toàn phần (mc²), và điều kiện thứ hai là vật đó phải hàm chứa một xung lực nổi trội trong môi trường chứa nó.  
       Ngay từ thế kỷ XIII, người ta đã biết rằng khi tiện nòng súng đại bác, nòng súng nóng lên. Bá tước Rumford (ở Munich) đã đi đến kết luận rằng nhiệt sinh ra là do công ma sát. Tuy nhiên kết luận này đã bị người đương thời bác bỏ vì nó chống lại quan niệm của họ về chất nhiệt – đó là một chất không có khối lượng, dường như không tự sinh ra cũng không tự mất đi. Mãi đến thế kỷ XIX, người ta mới thừa nhận dứt khoát khả năng biến đổi nhiệt thành công (ngay từ năm 1750, trong tác phẩm “Suy nghĩ về sự nóng lạnh” của mình, M. V. Lômônôxốp đã phát biểu ý kiến chống lại học thuyết chất nhiệt và chứng minh rằng nhiệt là sự chuyển động của các hạt trong vật chất).
      Nhờ vào nghiên cứu động cơ hơi nước, người ta đã khám phá ra hai nguyên lý nhiệt động. Theo nguyên lý thứ nhất nhiệt động, một động cơ muốn sinh công thì phải nhận nhiệt từ bên ngoài. Không thể có một động cơ sinh công mà không cần năng lượng. 

Rõ ràng, một chiếc xe máy, phải có xăng (trộn với oxy, còn gọi là hỗn hợp khí) mới chạy được. Nhờ tác động từ bên ngoài, trong điều kiện thỏa mãn về áp xuất và thể tích, hỗn hợp cháy trong xi lanh, tạo áp lực lên piston, rồi thông qua bộ máy truyền động, truyền chuyển động quay đến bánh xe, làm cho xe chạy. Giả sử lượng hỗn hợp khí cần thiết cho một lần xe máy sinh công là m, thì năng lượng toàn phần của nó theo Anhxtanh phải là mc². Nếu cho nó bốc cháy trong điều kiện thường, thì xe máy vẫn không chạy. Muốn cho xe máy đó chạy, phải dùng ngoại lực kích nổ lượng hỗn hợp ấy, nghĩa là “bắt” lượng hỗn hợp ấy cháy nổ trong một điều kiện thể tích và áp suất nhất định, tạo ra một nhiệt lượng và một khả năng sinh công. Trạng thái năng lượng của hỗn hợp lúc này (trước khi xe chạy) là:

: là nội năng chưa biểu hiện của hỗn hợp

: là nội năng đã thể hiện thành nhiệt lượng của hỗn hợp

: là khả năng sinh công của vật, chính là động năng của vật

Nói chung, mọi vật đều có năng lượng nhưng không phải vật nào cũng có khả năng sinh công mà phải có một cơ năng (động năng hay thế năng) trong môi trường chứa nó.

Muốn cho một vật từ không có khả năng sinh công sang trạng thái có khả năng sinh công, phải có ngoại lực tác dụng vào nó, làm tăng chuyển hóa năng lượng toàn phần của nó sang động lượng, chứ không phải chỉ truyền thêm năng lượng cho nó. Nghĩa là làm xuất hiện hay tăng vận tốc của nó. Nói cách khác, ngoại lực tác động chỉ có thể làm chuyển hóa năng lượng toàn phần của một vật, tạo ra khả năng sinh công cho nó, chứ không thể truyền thêm hay lấy bớt đi năng lượng của nó.

Cũng vì lý do đó mà sau khi sinh công, khả năng sinh công của hỗn hợp là (với ). Trạng thái năng lượng của hỗn hợp lúc này (sau khi xe chạy và hỗn hợp đã sinh công) là:

Ở trạng thái này, tuy năng lượng toàn phần của hỗn hợp vẫn không đổi (thực ra là đã giảm), nhưng khả năng sinh công đã coi như không còn (yếu). Vì phải tuân thủ nguyên lý cơ bản này của tự nhiên: mọi quá trình trong Vũ Trụ, một cách tự nhiên, chỉ có thể xảy ra theo chiều từ trạng thái kích thích cao hơn sang trạng thái kích thích thấp hơn. Muốn sinh công lại, phải bỏ lượng hỗn hợp đã “xài” ấy đi (xả), cho một lượng m hỗn hợp khác vào xilanh, trích một phần khả năng sinh công cũ để kích hoạt sự cháy nổ của lượng hỗn hợp mới, nghĩa là thực hiện một quá trình tương tự quá trình cũ (làm tăng trạng thái vận động của vật sinh công cao hơn môi trường).

Hiện tượng:

        (1)

được phát biểu: một vật sau khi sinh công thì không mất năng lượng (nếu khối lượng còn nguyên!)! Đây là hiện tượng tưởng lạ lùng nhưng thực ra là rất phổ biến trong thực tế. Thí dụ một viên bi sắt có năng lượng toàn phần là mc², sau khi rơi xuống mặt đất (đã sinh công), nếu khối lượng m của nó không suy suyển gì thì năng lượng của nó vẫn bảo toàn, bằng mc². Hoặc một hành khách trước khi lên máy bay có năng lượng toàn phần nào đó, khi lên máy bay bay với tốc độ v, theo quan niệm hiện nay, hành khách đó đã được máy bay truyền thêm cho một năng lượng là ½ mv² (thực ra là mv², với m là khối lượng hành khách), nếu không "sài" năng lượng đó vào đâu cả, thì thử hỏi khi xuống sân bay,năng lượng của hành khách đó có lớn hơn so với trước khi lên máy bay không? Rõ ràng là không rồi (vì động năng trước và sau khi bay đều bằng O)! Vậy, có thể nêu thành nguyên lý: vạn vật không thể truyền năng lượng cho nhau nếu không đồng thời "truyền" khối lượng cho nhau (như xưa nay quan niệm!), mà chỉ có thể chuyển hóa.

Xưa nay chúng ta quan niệm một vật sẽ mất năng lượng khi nó tác động làm thay đổi chuyển động nói riêng và vận động nói chung của một vật khác (truyền năng lượng). Giờ đây chúng ta biết rằng một vật dù phải bị “đày đọa qua muôn vàn bể dâu” nhưng nếu khối lượng của nó không đổi thì năng lượng toàn phần của nó còn nguyên:

Và đây là yếu tố cơ bản để xét sự tồn tại “nguyên vẹn” của một thực thể: một vật vẫn được cho là chính nó khi giá trị năng lượng toàn phần (hay khối lượng) của nó không đổi!

Vậy hỏi lại lần nữa: năng lượng là gì? Tương tự như khối lượng, năng lượng là đặc trưng cơ bản của vận động vật chất, là khả năng của vật làm biến đổi trạng thái vận động của vật chất. Không thể có vật chất không có năng lượng! Mà một vật có năng lượng thì phải có khả năng sinh công nhưng không phải với bất cứ điều kiện nào! Và nhiệt lượng cũng là một dạng năng lượng, vì nó được chuyển hóa thành từ năng lượng toàn phần, vì nó cũng có thể chuyển hóa qua lại với cơ năng, do đó nó cũng có thể chuyển hóa được thành công. Cuối cùng, có thể nói, nhiệt độ hay nhiệt lượng là hiện tượng vận động vật chất trong thế giới vi mô thể hiện ra trong thế giới vĩ mô và được khoa học nghiên cứu dưới cái tên "nhiệt động lực học".
(Còn tiếp)
---------------------------------------------------------------