Nhiệt động học

Thuật ngữ nhiệt động học (hay còn gọi là nhiệt động lực học) có hai ý nghĩa chính:

1. Khoa học nghiên cứu về nhiệt và các máy móc sử dụng nhiệt (nhiệt động học cổ điển)
2. Khoa học nghiên cứu các hệ thống ở trạng thái cân bằng (nhiệt động học cân bằng)

Ban đầu, nhiệt động học chỉ đề cập đến ý nghĩa đầu tiên. Sau này, nhờ các nghiên cứu của Ludwig Boltzmann, ý nghĩa thứ hai cũng được đưa vào.

Các định lý của nhiệt động học có thể được áp dụng cho nhiều loại hệ vật lý, chỉ cần hiểu cách thức trao đổi năng lượng với môi trường mà không cần biết chi tiết các tương tác trong các hệ đó. Albert Einstein đã dựa vào lý thuyết này để dự đoán hiện tượng phát xạ tự nhiên. Gần đây, nhiệt động học cũng đã được nghiên cứu trong bối cảnh hố đen.

Nhiệt động học là lý thuyết vật lý tổng quát duy nhất mà tôi tin tưởng sẽ không bao giờ bị thay đổi, cả về mặt ứng dụng lẫn lý thuyết cơ bản của nó. — Albert Einstein

Nhiệt động học thường được xem là một phần của vật lý thống kê, thuộc vào một trong những lý thuyết chính làm nền tảng cho hiểu biết hiện đại về vật chất.

Lịch sử

Các nghiên cứu đầu tiên về nhiệt động học có thể được truy nguyên từ các công trình về việc đo lường và so sánh nhiệt độ, như việc phát minh các thang đo nhiệt, được thực hiện bởi nhà khoa học người Đức Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), người đã sáng tạo ra thang đo nhiệt độ đầu tiên mang tên ông. Trong thang đo này, 32 độ F và 212 độ F tương ứng với điểm nóng chảy của nước đá và điểm sôi của nước. Vào năm 1742, nhà bác học Thụy Sĩ Anders Celsius (1701-1744) cũng đã xây dựng một thang đo nhiệt độ đánh số từ 0 đến 100 dựa trên sự giãn nở của thủy ngân, và thang đo này cũng mang tên ông.

Các nghiên cứu tiếp theo tập trung vào quá trình truyền nhiệt giữa các vật thể. Trong khi nhà bác học Daniel Bernoulli (1700-1782) nghiên cứu động học của khí và liên hệ nhiệt độ với chuyển động vi mô của các phân tử, thì nhà bác học Antoine Lavoisier (1743-1794) lại nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và kết luận rằng nó liên quan mật thiết đến khái niệm dòng nhiệt như một dạng chất lỏng.

Sự ra đời chính thức của nhiệt động học phải đợi đến thế kỷ 19 với nhà vật lý Pháp Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) và cuốn sách 'Ý nghĩa của nhiệt động năng và các động cơ ứng dụng loại năng lượng này'. Ông đã nghiên cứu các động cơ nhiệt, hệ thống nhận nhiệt từ nguồn nóng để thực hiện công cơ học và truyền một phần nhiệt cho nguồn lạnh. Từ đây xuất hiện định luật bảo toàn năng lượng (tiền đề cho nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học) và khái niệm quá trình thuận nghịch, liên quan đến nguyên lý thứ hai. Ông cũng ủng hộ quan điểm của Lavoisier rằng nhiệt được truyền qua dòng nhiệt như một dòng chất lưu.

Những khái niệm về công và nhiệt được nghiên cứu sâu sắc bởi nhà vật lý Anh James Prescott Joule (1818-1889) qua thí nghiệm và nhà vật lý Đức Robert von Mayer (1814-1878) qua lý thuyết khí. Cả hai đều đạt được kết quả tương đồng về công và nhiệt trong những năm 1840, dẫn đến định nghĩa quá trình chuyển hóa năng lượng. Công lao lớn của Mayer đã góp phần vào sự ra đời của nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học.

Nhà vật lý Pháp Émile Clapeyron (1799-1864) đã giới thiệu phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng vào năm 1843.

Chỉ đến năm 1848, khái niệm nhiệt độ của nhiệt động học mới được định nghĩa thực nghiệm bằng Kelvin bởi nhà vật lý Anh Sir William Thomson, hay còn gọi là Lord Kelvin (1824-1907). Đừng nhầm lẫn ông với nhà vật lý cùng họ Joseph John Thompson (1856-1940), người đã khám phá ra electron và phát triển lý thuyết hạt nhân.

Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học được gián tiếp giới thiệu qua kết quả của Sadi Carnot và được công thức hóa chính xác bởi nhà vật lý Đức Rudolf Clausius (1822-1888), người đã đưa ra khái niệm entropy vào những năm 1860.

Những nghiên cứu này đã cho phép nhà phát minh người Scotland James Watt (1736-1819) cải tiến máy hơi nước, khởi đầu cho cuộc cách mạng công nghiệp thế kỷ 19.

Nhà vật lý người Áo Ludwig Boltzmann (1844-1906) cũng đáng được nhắc đến với những đóng góp to lớn trong việc tiếp nhận entropy theo quan điểm thống kê và phát triển lý thuyết chất khí vào năm 1877. Đáng tiếc, do không được thời đại của ông công nhận, Boltzmann đã tự tử khi sự nghiệp vẫn đang đỉnh cao. Sau này, tên tuổi của ông mới được công nhận, và công thức nổi tiếng W = k.logO được khắc trên mộ ông ở Vienna.

Trong lĩnh vực hóa nhiệt động, chúng ta không thể không nhắc đến nhà vật lý Đức Hermann von Helmholtz (1821-1894) và nhà vật lý Mỹ Willard Gibbs (1839-1903). Đặc biệt, Gibbs đã có những đóng góp lớn lao cho sự phát triển của vật lý thống kê.

Kết thúc lược sử về nhiệt động học, xin nhắc đến nhà vật lý người Bỉ gốc Nga Ilya Prigogine (sinh năm 1917), người nhận giải Nobel năm 1977 vì những phát triển trong nhiệt động học không cân bằng.

Phương pháp

Nhiệt động học cổ điển

Nhiệt và nhiệt độ là những khái niệm cơ bản trong nhiệt động học. Nhiệt động học cổ điển nghiên cứu tất cả các hiện tượng bị chi phối bởi:

• Nhiệt
• Sự thay đổi của nhiệt

Nhiệt và nhiệt độ

Bằng trực giác, chúng ta đều quen thuộc với khái niệm nhiệt độ. Một vật được coi là nóng hay lạnh tùy theo nhiệt độ của nó cao hay thấp. Tuy nhiên, việc đưa ra một định nghĩa chính xác về nhiệt độ là rất khó. Một trong những thành tựu của nhiệt động học thế kỷ 19 là định nghĩa được nhiệt độ tuyệt đối của vật, đo bằng đơn vị Kelvin, trong đó độ không tuyệt đối = không độ Kelvin ≈ -273.15 độ C.

Khái niệm nhiệt còn khó định nghĩa hơn. Một lý thuyết cổ do Antoine Lavoisier bảo vệ cho rằng nhiệt là một dịch thể đặc biệt (không màu, không khối lượng) gọi là chất nhiệt, chảy từ vật này sang vật khác. Vật chứa nhiều chất nhiệt thì nóng hơn. Tuy nhiên, thuyết này sai vì chất nhiệt không thể được coi là một đại lượng vật lý bảo toàn. Sau này, nhiệt động học đã làm sáng tỏ khái niệm nhiệt lượng trao đổi.

Các động cơ nhiệt

Nhiệt động học cổ điển đã phát triển như một ngành khoa học về các động cơ nhiệt, hay còn gọi là khoa học về nhiệt động năng.

Nicolas Léonard Sadi Carnot đã khởi đầu cho nghiên cứu hiện đại về các động cơ nhiệt với tiểu luận nền tảng: 'Ý nghĩa của nhiệt động năng và các động cơ ứng dụng loại năng lượng này' (1823). Chu trình Carnot, được trình bày trong tiểu luận này, vẫn là một ví dụ lý thuyết điển hình trong nghiên cứu động cơ nhiệt. Ngày nay, người ta nói rằng các động cơ nhiệt có khả năng sinh công cơ học, và nghiên cứu cách sử dụng nhiệt để tạo ra công.

Mọi chuyển động của các vật trong thế giới vĩ mô (khoảng gần 1 milimét trở lên) đều có thể sinh nhiệt, nghĩa là làm vật nóng lên. Bạn có thể thử nghiệm bằng cách xoa hai bàn tay vào nhau.

Ngược lại, nhiệt cũng có thể làm cho các vật thể vĩ mô chuyển động. Ví dụ, có thể thấy nước chuyển động khi được đun sôi. Đây là cơ sở để chế tạo các động cơ nhiệt, những hệ vĩ mô mà chuyển động được duy trì nhờ sự chênh lệch nhiệt độ giữa phần 'nóng' và phần 'lạnh'.

Nhiệt động học cân bằng

Định nghĩa nhiệt động học như là một khoa học về các hệ ở trạng thái cân bằng là một cách tiếp cận tổng quát và chặt chẽ. Nhiệt động học cân bằng nghiên cứu các quá trình trao đổi năng lượng (và vật chất) ở trạng thái gần cân bằng. Các quá trình nhiệt động học không cân bằng được nghiên cứu bởi nhiệt động học phi cân bằng.

Cân bằng tĩnh và quy luật của các số lớn

Khi ta tung rất nhiều lần một con xúc xắc cân đối, ta có thể chắc chắn rằng tần số xuất hiện của mỗi mặt xấp xỉ 1/6. Số lần tung càng nhiều thì tần số xuất hiện của từng mặt càng gần nhau vì con xúc xắc đã khai thác hết các khả năng. Tương tự, khi ta nhỏ một giọt chất màu vào cốc nước, chờ càng lâu thì nước trong cốc càng được nhuộm màu đều do các phân tử màu đã lan tỏa khắp cốc.

Các quan sát này có thể được tổng quát hóa. Trong một hệ rất lớn và khi trạng thái cân bằng của nó có thể đạt được, ta có thể dự đoán chính xác 'số phận' của hệ ngay cả khi 'số phận' của nhiều bộ phận không thể xác định được.

Ngày nay, chúng ta biết rằng nguyên tử tồn tại và chúng rất nhỏ. Trong bất cứ mẫu vật chất nào cũng chứa rất nhiều nguyên tử, ví dụ trong một hạt cát có hàng tỉ tỉ nguyên tử. Nhiều định luật vật lý của thế giới vĩ mô không áp dụng được cho các nguyên tử.

Nghiên cứu về cân bằng nhiệt có tầm quan trọng đặc biệt. Tất cả các thể của vật chất (khí, lỏng, rắn, bán lỏng,...) và tất cả các hiện tượng vật lý (cơ, điện - từ, quang,...) đều có thể được nghiên cứu thông qua lý luận về sự cân bằng của các hệ lớn. Nhiệt động học, thường được đồng nhất với vật lý thống kê, là một trong những nền tảng vững chắc nhất trên đó các kiến thức hiện đại về vật chất được xây dựng.

Các định luật

Các định luật của nhiệt động lực học còn được gọi là các nguyên lý nhiệt động lực học.

Định luật 0

Định luật 0, hay nguyên lý cân bằng nhiệt động, liên quan đến cân bằng nhiệt động. Hai hệ nhiệt động được xem là ở trạng thái cân bằng nhiệt động khi chúng tiếp xúc với nhau nhưng không trao đổi năng lượng. Định luật này được phát biểu như sau: 'Nếu hai hệ đều ở trạng thái cân bằng nhiệt động với một hệ thứ ba thì chúng cũng cân bằng nhiệt động với nhau.'

Định luật 0 được phát biểu muộn hơn ba định luật còn lại nhưng rất quan trọng nên được đánh số 0. Cân bằng nhiệt động bao gồm cả cân bằng nhiệt, cân bằng cơ học và cân bằng hóa học. Đây cũng là cơ sở cho các phép đo nhiệt.

Định luật đầu tiên

Định luật đầu tiên, hay còn gọi là nguyên lý bảo toàn năng lượng, khẳng định rằng năng lượng trong một hệ kín luôn được bảo toàn. Nói cách khác, tổng năng lượng của hệ không thay đổi, chỉ chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác. Trong nhiệt động lực học, động cơ nhiệt là trọng tâm, và nguyên lý này thường được biểu diễn bằng công thức:

$Q=\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}U-<!--\; -\; -->A$

Tương đương với: $\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}U=Q+A$

Công thức này thể hiện một quá trình cơ bản của động cơ nhiệt: nhận nhiệt Q để tăng nội năng $\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}U$ và thực hiện công A:

Q > 0: Hệ hấp thụ nhiệt

Q < 0: Hệ tỏa nhiệt

A < 0: Hệ thực hiện công

A > 0: Hệ nhận công từ bên ngoài

Định luật thứ hai

Định luật thứ hai, hay nguyên lý về entropy, liên quan đến sự không thể đảo ngược của các quá trình nhiệt động lực học và khái niệm entropy. Nguyên lý này cho rằng entropy của một hệ kín chỉ có thể tăng lên hoặc giữ nguyên, không thể giảm trừ khi có sự can thiệp từ bên ngoài.

Một cách khác để phát biểu là:

Trong một hệ lớn không trao đổi năng lượng với môi trường, entropy sẽ luôn tăng hoặc không thay đổi theo thời gian.

$\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}S\ge <!--\; \ge \; -->0$

Vì entropy đo mức độ hỗn loạn của hệ, định luật này chỉ ra rằng vũ trụ sẽ ngày càng trở nên 'hỗn loạn' hơn. Cơ học thống kê đã chứng minh rằng định luật này là một định lý chính xác cho các hệ lớn trong khoảng thời gian dài. Đối với các hệ nhỏ và thời gian ngắn, có thể có sự biến động ngẫu nhiên không tuân theo định luật này. Ngược lại với định luật 1, các định luật vật lý điều chỉnh thế giới vi mô chỉ tuân theo định luật 2 một cách gián tiếp và mang tính thống kê. Định luật 2, trong khi đó, tồn tại độc lập với các tính chất của các định luật vi mô vì nó chỉ thể hiện trong các mô hình giản lược và ở quy mô nhỏ.

Định luật thứ ba

Nguyên lý thứ ba, hay nguyên lý Nernst, còn được gọi là nguyên lý về độ không tuyệt đối, liên quan đến việc hệ tiến về trạng thái cơ bản lượng tử khi nhiệt độ tiếp cận giới hạn của độ không tuyệt đối. Định luật này được diễn đạt như sau.

Trạng thái của bất kỳ hệ nào không thay đổi khi đạt nhiệt độ không tuyệt đối (0K).

$\underset{T\to <!--\; \to \; -->0}{lim}S=0$

Các đại lượng mở rộng và đại lượng bổ sung

Các đại lượng vật lý liên quan đến trạng thái nhiệt động của hệ được phân loại thành hai nhóm: đại lượng mở rộng và đại lượng bổ sung.

Một hệ có thể được phân chia tưởng tượng thành các phần riêng biệt trong không gian.

Một đại lượng được gọi là đại lượng mở rộng nếu giá trị của nó trong toàn hệ bằng tổng giá trị của nó trong từng phần của hệ. Ví dụ:

• Thể tích
• Khối lượng
• Số lượng hạt cùng loại
• Năng lượng và entropy - trong nhiều tình huống
• Điện tích (trong trường hợp này, tổng cần hiểu là tổng đại số, bao gồm cả điện tích âm và dương)

Đại lượng được gọi là đại lượng bổ sung khi trong một hệ đồng nhất, giá trị của nó ở toàn hệ là như nhau so với từng phần của hệ. Ví dụ:

• Áp suất
• Nhiệt độ
• Khối lượng riêng

cũng như tỷ lệ giữa hai đại lượng mở rộng bất kỳ.

Có những đại lượng không thuộc loại đại lượng mở rộng hay đại lượng bổ sung, ví dụ như 'bình phương thể tích'.

Bằng tiếng Anh

• Sách giáo khoa về Nhiệt động lực học Kỹ thuật trên Wikibooks tiếng Anh

Liên kết ngoài