TT&HĐ V - 48/b

Cơ sở nhiệt động lực học 

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

(Tiếp theo)

Trong trường hợp đang xét, sự chuyển hóa năng lượng xảy ra như thế nào? Rõ ràng, vật có hai chuyển hóa: về động lượng (mv) và nhiệt (Q) hoặc cả hai. Khi vật từ v₁ giảm xuống v₂ thì nó có một động lượng có thể biến đổi chuyển động của một vật nào đó bằng con đường tương tác, hoặc cưỡng lại ma sát. Quá trình đó ở tầng vi mô không thể không làm rối loạn đến mức nào đó về bức xạ điện từ (một vật, xét cho cùng là một khối bức xạ điện từ), và như vậy phát sinh ra nhiệt.

Nếu ta gọi công mà vật thực hiện được là A và nhiệt lượng mà vật tạo ra được là Q, thì nguyên lý thứ nhất nhiệt động học phát biểu rằng: Độ biến thiên năng lượng của một hệ (trường hợp cụ thể ở đây là vật) trong một qui trình biến đổi bằng tổng công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đó. Đây là một phát biểu đúng về hình thức suy ra từ “thực chứng” nhưng sai lầm về bản chất hiện tượng. Cần nhận thức lại nguyên lý thứ nhất!

Từ (1) có thể viết:

Vì:

Và:

Nên:

Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học thực ra chỉ là trường hợp riêng của nguyên lý bảo toàn năng lượng. Chính do việc khám phá ra nguyên lý tương đương mà “chất nhiệt” không còn đóng vai trò là “chất lỏng bền vững” nữa, và được xếp vào một trong những dạng năng lượng. Các công trình của Clausius đã góp phần vào việc làm thay đổi các quan niệm chung về bản chất của nhiệt. Ông đã chỉ rằng về nguyên tắc, nhiệt không khác gì cơ năng, bởi vì nó được biểu diễn dưới dạng động năng của các hạt cấu tạo nên thực thể vật lý đang xét! Khi vật chuyển hóa hoàn toàn thành một công A thì nguyên lý thứ nhất có biểu thức dưới dạng đã viết.

Năng lượng xét đến cùng là “hàm chứa” khả năng sinh công của vạn vật. Trước một quan sát, khi thấy một vật có khả năng sinh công hoặc có khả năng làm tốn công của một vật khác thì ta nói vật đó hàm chứa một động năng. Vì nhiệt là dạng năng lượng biểu thị mức độ vận động rối loạn của bức xạ điện từ nên tất yếu một vật phát công hay nhận công đều ảnh hưởng đến vận động ấy, tức là đều kèm theo biến đổi nhiệt. Một cách tổng quát có thể viết:

W=A+Q

Có sách viết: W = A + JQ, hàm ý qui đổi nhiệt lượng Q ra cơ năng theo:

với : J là hệ số chuyển hóa theo Jule và Mager, nếu biểu diễn nhiệt lượng thu được theo calo thì 1 calo tương đương: 4.268.10¹⁰ gcm. Từ đây, định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng được phát biểu tổng quát như sau: năng lượng không tự nhiên sinh ra mà cũng không tự nhiên mất đi, nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác. Muốn cho một vật có thêm năng lượng, chỉ có cách là làm tăng khối lượng của nó, muốn nó sinh công thì trước hết phải “cấp” công cho nó. Vậy muốn cho vật có khả năng sinh công thì trước hết phải “tạo dựng” cho hệ một năng lượng từ bên ngoài. Nếu sau khi sinh công vật đó trở về trạng thái cũ (ban đầu) thì ta có thể (tạm) gọi vật đó là hệ cô lập “tương đối”,chuẩn bị thực hiện một chu trình mới, tương tự chu trình cũ.

Rõ ràng hệ H chỉ đóng vai trò như là vật trung gian tương tác bằng chuyển hóa năng lượng của bản thân nó. Như vậy có thể nói khi khối lượng vật không biến đổi thì vật không sản sinh ra năng lượng mà chỉ có thể chuyển hóa năng lượng. Nói chung, chỉ có thể làm xuất hiện khả năng sinh công của một vật thể đối với môi trường ngoài nếu trước đó có sự tương tác cơ học hoặc truyền nhiệt giữa nó với môi trường làm xuất hiện trong lòng nó một cơ năng hoặc một nhiệt lượng.  

Trong một hệ cô lập gồm hai vật trao đổi nhiệt, nhiệt lượng do vật này tạo ra bằng nhiệt lượng mà vật kia thu vào.

Trong lý thuyết nhiệt động học người ta đã thiết lập công thức:

với: W là công toàn phần thực hiện bởi một khối lượng khí trong đông cơ pittông không trao đổi nhiệt với bên ngoài.

J: đương lượng nhiệt, ở đây cho J=1

: nội năng ở trạng thái 1 và 2 của hệ.

: áp suất và thể tích ở trạng thái 1, 2 của hệ

Đại lượng u + PV = H  được gọi là Entanpi của hệ và chính bằng khả năng sinh công. Theo quan niệm của triết học duy tồn và theo ký hiệu của chúng ta, có thể viết biểu thức trên thành:

Suy ra từ biểu thức tổng quát  ta có:

   (2)

Và phát biểu: trong một hệ kín, khả năng sinh công và nhiệt lượng chỉ có thể biến đổi sao cho năng lượng toàn phần không đổi.

Cũng từ (1), ta suy ra được:

Gọi  là độ biến thiên nội năng của hệ

        là nhiệt lượng mà hệ thu nhận được

và:  là công mà hệ thu nhận được

thì:

Đây chính là biểu thức toán học của nguyên lý thứ nhất nhiệt động học của vật lý.

Vậy: Trong Vũ Trụ, một cách tổng quát, một vật chỉ có thể tương tác với vật khác khi nó có một động năng và động năng ấy phải là kết quả chuyển hóa năng lượng trong vật nhờ kích thích nhận được từ môi trường .

Chính do tính tương đối chủ động hoặc bị động trong sinh công mà nảy sinh một câu hỏi ở đây là: khả năng xảy ra chuyển hóa nhiệt theo hướng nào?

Xét một viên đạn có khối lượng m chuyển động với vận tốc v. Nghĩa là trước khi xiên vào bức tường động năng của nó là mv² (không phải là như hiện nay quan niệm!). Khi xuyên vào tường, do ma sát, viên đạn dừng lại và động năng của nó biến thành nhiệt lượng (Q) (làm rối loạn bức xạ điện từ cho cả bức tường và viên đạn). Quá trình này tuân theo nguyên lý thứ nhất và xảy ra trong thực tế. Hãy tưởng tượng quá trình ngược lại! Viên đạn đang nằm trong tường, lấy lại toàn bộ nhiệt lượng Q và chuyển động trở lại với vận tốc v. Quá trình này không mâu thuẫn với nguyên lý thứ nhất. Tuy nhiên nó không xảy ra trong thực tế. Đây chính là thiếu sót của nguyên lý thứ nhất, nó không cho biết chiều diễn biến của quá trình xảy ra trong một hệ cô lập. Vì sao như vậy? Có lẽ vì phải tuân theo qui luật phổ biến này: chuyển hóa KG luôn được ưu tiên lựa chọn theo hướng từ nơi có mật độ không gian kích thích cao đến nơi có mật độ không gian kích thích thấp, hoặc từ trạng thái có khả năng sinh công cao hơn sang trạng thái có khả năng sinh công thấp hơn.

Ngoài ra nguyên lý thứ nhất không nêu lên sự khác nhau giữa công và nhiệt. Theo nguyên lý thứ nhất, công và nhiệt tương đương nhau và có thể chuyển hóa lẫn nhau, nhưng như nguyên lý thứ hai nhiệt động học mà ta biết được, công có thể biến hoàn toàn thành nhiệt, ngược lại nhiệt chỉ có thể biến một phần mà không thể biến hoàn toàn thành công được.
(Còn tiếp)
--------------------------------------------------------------------