LUẬN văn sư PHẠM vật lý KHÁI NIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG vật lý học đại CƯƠNG

Những vấn đề đặt ra cho đề tài Đề tài đi sâu phân tích các khái niệm về nhiệt độ, công cơ học, nhiệt lượng và năng lượng trong các lĩnh vực vật lý đại cương, nhằm nắm được ý nghĩa vật l

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 4

I Lí do chọn đề tài 4

II Những phương pháp đặt ra cho đề tài 4

III Phương pháp và phương tiện nghiên cứu của đề tài 5

IV Các bước tiến hành 5

CHƯƠNG I : KHÁI NIỆM NHIỆT ĐỘ, NHIỆT LƯỢNG, CÔNG CƠ HỌC 6

I KHÁI NIỆM NHIỆT ĐỘ 6

1.1 Lịch sử ra đời của khái niệm nhiệt độ 6

1.1.1 Quan niệm về nhiệt độ trước thế kỷ XVII 6

1.1.2 Quan niệm về nhiệt độ sau thế kỷ XVII 6

1.2 Quá trình hình thành khái niệm nhiệt độ 7

1.2.1 Nhiệt độ trong vật lý phân tử và nhiệt học 7

1.2.2 Nhiệt độ trong vật lý học đại cương 9

1.2.3 Nhiệt độ trong nhiệt động lực học 16

1.2.4 Nhiệt độ trong động lực học kỹ thuật 22

II KHÁI NIỆM NHIỆT LƯỢNG 24

2.1 Khái niệm nhiệt lượng trong vật lý phân tử và nhiệt học 24

2.1.1 Khái niệm nhiệt lượng 24

2.1.2 Sự liên quan giữa nhiệt lượng và công cơ học Sự khác nhau giữa năng lượng với nhiệt lượng và công cơ học 24

2.2 Khái niệm nhiệt lượng trong vật lý đại cương 26

2.2.1 Nhiệt lượng, đơn vị đo nhiệt lượng 26

2.2.2 Liên hệ giữa công nhiệt 28

2.3 Khái niệm nhiệt lượng trong nhiệt động lực học kỹ thuật 30

2.3.1 Khái niệm nhiệt lượng 30

2.3.2 Các cách tính nhiệt lượng 30

III KHÁI NIỆM CÔNG CƠ HỌC 32

3.1 Công: chuyển động một chiều với một lực không đổi 32

3.2 Công thực hiện bởi một lực biến đổi 33

3.2.1 Phân tích một chiều 33

3.2.2 Phân tích ba chiều 34

3.3 Công thực hiện bởi lò xo 35

CHƯƠNG II NĂNG LƯỢNG TRONG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 37

I NĂNG LƯỢNG TRONG CƠ HỌC 37

1.1 Công 37

1.2 Thế năng 38

1.3 Tính đa trị của thế năng 40

1.4 Động năng 41

1.5 Biến thiên năng lượng của chất điểm 43

1.6 Nội năng 44

1.7 Năng lượng của sóng đàn hồi 45

II NĂNG LƯỢNG TRONG NHIỆT HỌC (NHIỆT NĂNG HAY NĂNG LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG NHIỆT CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG) 47

2.1 Năng lượng chuyển động nhiệt của khí lý tưởng 47

2.1.1 Năng lượng chuyển động nhiệt của khí lý tưởng (nhiệt năng) 47

2.1.2 Năng lượng chuyển động dao động 48

2.2 Nội năng của khí ly tưởng 49

III NĂNG LƯỢNG TRONG ĐIỆN HỌC 53

3.1 Năng lượng điện trường 53

3.1.1 Năng lượng trong tụ điện 53

3.1.2 Năng lượng trong trường tĩnh điện 54

3.2 Năng lượng từ trường 55

3.2.1 Năng lượng ống dây 55

3.2.2 Mật độ năng lượng từ trường 56

3.3 Năng lượng sóng điện từ 56

IV NĂNG LƯỢNG TRONG QUANG HỌC 59

4.1 Quang thông 59

4.2 Cường độ sáng 60

4.3 Độ trưng và độ rọi 60

4.3.2 Độ rọi 60

4.4 Độ chói 60

V NĂNG LƯỢNG TRONG VẬT LÝ HẠT NHÂN 61

5.1 Quá trình phát triển hệ thức năng lượng – khối lượng 61

5.2 Năng lượng liên kết 63

5.3 Năng lượng vỡ hạt nhân 65

5.4 Phản ứng nhiệt hạch và năng lượng nhiệt hạch 66

5.4.1 Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch 66

5.4.2 Phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ 66

5.4.3 Phản ứng nhiệt hạch không điều kiện 67

5.4.4 Phương pháp sử dụng thực tế năng lượng phản ứng nhiệt hạch 68

CHƯƠNG III KẾT LUẬN CHUNG 37

1 Lược sử sử dụng năng lượng 37

2 Sử dụng năng lượng 38

3 Năng lượng mới 40

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

“Năng lượng” – hiện đang là đề tài nóng bỏng nhất của các quốc gia, họ đang tìm kiếm các dạng năng lượng mới để thay thế năng lượng cũ – năng lượng sử dụng nhiên liệu: than đá, dầu mỏ, khí đốt…đã làm ô nhiễm môi trường và nhiên liệu cũng dần cạn kiệt

“Năng lượng” là từ ngữ rất quen thuộc đối với chúng ta nhưng ai có thể cho rằng mình đã hiểu biết về cội rễ của nó Có rất nhiều sách viết về đề tài này, nhưng vẫn chưa có quyển sách nào viết một cách đầy đủ chi tiết để chúng ta tham khảo Và vấn đề năng lượng vẫn còn là vấn đề để chúng ta quan tâm đến

Nhiều nhà khoa học, nhà bác học đã đưa ra khái niệm về năng lượng theo nhiều quan điểm: có thể là năng lượng sống, năng lượng trong vật lý, năng lượng trong hóa học…ở đây ta chỉ nghiên cứu năng lượng trong vật lý học nói chung và trong vật lý học đại cương nói riêng

Trong luận văn này tôi sắp xếp một cách trình tự từ khởi điểm của nó đến các vấn đề có liên quan Để hiểu rõ về nó ta phải tìm hiểu các khái niệm về “nhiệt

độ, công cơ học, nhiệt lượng” trong các lĩnh vực vật lý phân tử và nhiệt học, vật lý học đại cương, nhiệt động lực học kỹ thuật Bên cạnh đó, ta còn phải tìm hiểu nó trong vật lý học đại cương thể hiện qua các lĩnh vực cơ, nhiệt, điện, quang và vật lý hiện đại

Ngoài ra trong vấn đề năng lượng còn nhiều điều hứa hẹn cho tương lai đang chờ chúng ta khám phá Tứ đó, thúc đẩy chúng ta đi khám phá “các hạt mới”

và tạo những vật liệu mới, để phục vụ lợi ích cho con người

Tóm lại muốn tìm hiểu cặn kẽ về “vật lý học” thì không thể bỏ qua vấn đề năng lượng Cho nên tôi thực hiện luộn văn này mong rằng nó mang lại nhiều bỏ íchcho tất cả chúng ta nói chung và cho các bạn sinh viên sư phạm vật lý nói riêng

II Những vấn đề đặt ra cho đề tài

Đề tài đi sâu phân tích các khái niệm về nhiệt độ, công cơ học, nhiệt lượng

và năng lượng trong các lĩnh vực vật lý đại cương, nhằm nắm được ý nghĩa vật lý của những khái niệm đó Cách trình bày của luận văn này được thực hiện với yêu cầu như vậy Đây cũng là mục tiêu thứ hai mà đề tài cần hướng tới

Đối với giáo viên vật lý, việc đi sâu nghiên cứu vật lý học nói chung, phần

“KHÁI NIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG VẬT LÝ HỌC ĐẠI CƯƠNG” nói

riêng sẽ giúp ích rất nhiều cho việc giảng dạy sau này được sâu sắc và chính xác

III Phương pháp và phương tiện nghiên cứu của đề tài

Do đề tài của tôi thuần túy là lý thuyết nên công việc chủ yếu là sưu tầm tài liệu ở thư viện trường, thư viện khoa, thư viện tỉnh và hỏi mượn các thầy cô trong

bộ môn, giáo viên hướng dẫn, đọc nhiều tài liệu, phân tích tài liệu và những thông tin có liên quan để chọn lọc ra những kiến thức cơ bản và đầy đủ ý nghĩa Mặc khác, phải thường xuyên trao đổi, lắng nghe những lời chỉ dẫn của giáo viên hướng dẫn

để luận văn hoàn thành một cách hoàn chỉnh

IV Các bước tiến hành

Bước 1: Nhận đề tài

Bước 2: Trao đổi nội dung và nhận định

Bước 3: Tìm và sưu tầm tài liệu, chọn các phần cần thiết để thực hiện đề tài Bước 4: Viết đề cương

Bước 5: Viết báo cáo

Bước 6: Xin ý kiến đánh giá của giáo viên hướng dẫn và giáo viên phản biện

Bước 7: Điều chỉnh và nộp đề tài

Bước 8: Bảo vệ luận văn

CHƯƠNG I

KHÁI NIỆM NHIỆT ĐỘ, NHIỆT LƯỢNG, CÔNG CƠ HỌC

I KHÁI NIỆM NHIỆT ĐỘ

1.1 Lịch sử ra đời của khái niệm nhiệt độ

1.1.1 Quan niệm về nhiệt độ trước thế kỷ XVII

Trước thế kỷ XVII, việc đi sâu nghiên cứu các hiện tượng “nhiệt” không phải là chuyện dễ dàng Khái niệm “nhiệt độ” được hình thành qua nhiều thế kỷ Những khái niệm: “nóng”, “ấm”, “lạnh” đã từ lâu rất quen thuộc đối với loài người

Tổ tiên xưa kia của chúng ta đã đưa vào một dụng cụ vật lý không hoàn hảo là than thể của mình để dựng nên một nhiệt giai phổ biến, trên đó chỉ ghi ba móc đơn giản: nóng, ấm, lạnh Nhiệt giai đơn giản đó đã được loài người sử dụng trong khoảng hàng nghìn năm

Để đáp ứng được sự phát triển của kỷ nghệ, để có các thành tựu khoa học

và kỹ thuật như ngày nay, bắt buộc loài người phải nghiên cứu sâu vào bản chất nhiệt Chẳng hạn, vật nóng khác vật lạnh ở chổ nào? Người ta đã trả lời như sau: vật nóng có chứa nhiều “chất nhiệt” hơn vật lạnh; tương tự như là canh mặn hơn nếu ta cho nhiều muối hơn Thế tại sao người ta không nói là vật lạnh mà lại nói là vật nóng? Vì vật nóng luôn gắn bó chặt chẽ với một chuyển động nào đó mà mắt ta không thấy được, hay nói khác đi vật nóng sẽ biến đổi chuyển động cơ học thành nhiệt, như lấy lửa bằng cách đập hai hòn đá,… Bấy giờ ta xem người ta định nghĩa khái niệm “nhiệt độ” như thế nào

Ở thời cổ đại và trung đại, “nóng” và “lạnh”, theo Arixtốt là hai tính chất nguyên thủy của vật chất, vì vậy không ai đặt vấn đề nghiên cứu những tính chất của “nóng” và “lạnh”, mặc dù người ta cũng đã phân biệt được bằng cảm giác mức

độ nóng, lạnh khác nhau

1.1.2 Quan niệm về nhiệt độ sau thế kỷ XVII

Sang thế kỷ XVII, sự phát triển của khoa học và kỷ thuật đã yêu cầu phải tìm ra cách xác định mức độ nóng, lạnh bằng những chỉ tiêu khách quan Galilê đã phát minh ra ống nhiệt nghiệm, dựa vào sự nở của không khí, để xác định một cách định tính mức độ tăng giãm nhiều hay ít của sự nóng, lạnh Một số nhà khoa học khác, dựa vào mẫu trên, đã đưa thêm một thang chia độ kèm vào cạnh ống để có thể đạt tới những phép đo định lượng, và như vậy “nhiệt kế” đã ra đời Cách chịa độ nhiệt kế ban đầu là hoàn toàn tùy tiện; không dựa trên một chuẩn nào cả Vì vậy các nhà khoa học chỉ sử dụng lực kế do mình chế tạo, và khi trao đổi thông báo với nhau thì không thể hiểu được những số chỉ của các nhiệt kế do người khác chế tạo Năm 1709, Pharenhai là người đầu tiên chế tạo ra những nhiệt kế dùng

Pharenhai chọn nhiệt độ của một hỗn hợp nước,nước đá và muối ăn làm điểm 00; nhiệt độ của một hỗn hợp nước, nước đá làm điểm 320; và thân nhiệt của người làm điểm 960.Theo thang đó, nhiệt độ sôi của nước là 2120 Hiện nay thang nhiệt độ với điểm 320F là nhiệt độ tan của nước đá và 2120F là nhiệt độ sôi của nước được goi là

“thang nhiệt độ Pharenhai ” Trong thang nhiệt đó, thang nhiệt là 98,60F

Năm 1730, nhà động vật học kiêm luyện kim Rêômuya đã đưa ra một thang nhiệt độ khác Ông lấy nhiệt độ nóng chảy của nước đá làm điểm 00, và lấy giá trị của một độ trên thang chia là nhiệt độ ứng với sự dãn nở của rượu thêm 1/1000 thể tích của nó Với giá trị của một độ như vậy, ông đã xác định nhiệt độ sôi của nước

là 800 Thang nhiệt độ với điểm 00 là nhiệt độ tan của nước đá và 800 là nhiệt độ sôi của nước được gọi là “thang nhiệt độ Rêômuya”

Năm 1742, bằng kết quả của nhiều thí nghiệm được tiến hành trong những thời tiết khác nhau và với những áp suất khí quyển khác nhau, Xenxiut đã đưa ra một thang nhiệt độ mới với 2 điểm cố định: điểm 1000 là nhiệt độ nóng chảy của nước đá và điểm 00 là nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 760mmHg Theo cách nói hiện nay, nhà thực vật học Linnê đã dùng thang nhiệt độ đó nhưng đảo lại lấy điểm

00 là nhiệt độ nóng chảy của nước đá và điểm 1000 là nhiệt độ sôi của nước ở áp suất 760mmHg Thang nhiệt độ như vậy hiện nay gọi là “thang nhiệt độ Xenxiut”,

và đơn vị nhiệt độ được kí hiệu là 0C

Một số nhà khoa học khác cũng đề nghị một số thang nhiệt độ khác; nhưng chúng không được sử dụng Nhiệt kế ban đầu dùng chủ yếu trong ngành khí tượng,

đã dần dần được sử dụng rộng rãi trong các ngành khoa học khác và trong đời sống hằng ngày; thúc đẩy sự nghiên cứu các hiện tượng nhiệt

Năm 1759, với những điều kiện thiên nhiên của mùa đông, Viện hàn lâm khoa học Pêtecbua đã làm hóa rắn được thủy ngân, và đạt được nhiệt độ thấp nhất lúc đó Năm 1772, Viện hàn lâm khoa học Pari dùng một thấu kính chế tạo đặc biệt, đường kính 120cm, để tụ tiêu sáng Mặt Trời làm chảy kẽm, vàng và đốt cháy kim cương, đạt được nhiệt cao nhất lúc đó Năm 1782, Lavoadiê và Laplaxơ đã thực hiện những thí nghiệm để nghiên cứu một cách chính xác sự nở vì nhiệt của các loại thủy tinh, các loại sắt, thép, thiếc, chì, đồng thau Vật thí nghiệm được đặt vào nước

đá đang chảy, sau đó đặt vào nước đang sôi, để đo sự nở khi nhiệt độ tăng 1000 Các ông còn tìm ra độ nở của thép chưa tôi là 0,001079, của thép đã tôi là 0,001239, của sắt đã rèn là 0,001220,……Đó là những số liệu rất chính xác

1.2 Quá trình hình thành khái niệm nhiệt độ

1.2.1 Nhiệt độ trong vật lý phân tử và nhiệt học

Nhiệt độ là một trong những khái niệm cơ bản của vật lý phân tử và nhiệt học Sau đây ta sẽ tìm hiểu ý nghĩa vật lý của khái niệm này

Để đặc trưng cho độ nóng lạnh của vật, người ta đưa ra khái niệm “nhiệt độ” Thông thường ta vẫn hiểu rằng vật nóng hơn thì có nhiệt độ cao hơn, còn vật lạnh hơn thì có nhiệt độ thấp hơn Vật càng nóng thì nhiệt độ của nó càng cao, vật càng lạnh thì nhiệt độ của nó càng thấp Vậy khi để hai vật (có nhiệt độ khác nhau) tiếp xúc với nhau thì có sự truyền năng lượng từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có

nhiệt độ thấp hơn Sự truyền năng lượng này chỉ dừng lại khi hai vật cùng ở trạng thái cân bằng nhiệt, nghĩa là chúng có nhiệt độ bằng nhau hay nói cách khác là có động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử trong mỗi vật bằng nhau Vì lý do này, người ta có thể chọn động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử trong mỗi vật làm thước đo nhiệt của vật đó

Để đơn giản công thức tính áp suất p n W

Vậy các phân tử chuyển động càng nhanh(hoặc càng chậm) thì động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử, càng lớn (hoặc càng nhỏ) và do

đó nhiệt độ của vật càng cao (hoặc càng thấp) Nhiệt độ cũng như “động năng trung bình” của chuyển động tịnh tiến của phân tử là đại lượng có liên quan chặt chẽ với mức độ nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử

Định nghĩa nhiệt độ: Vậy theo quan điểm động học phân tử, nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho tính chất vĩ mô của vật, thể hiện mức độ nhanh hay chậm của chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật đó

Với quan niệm trên, nhiệt độ  phải đo bằng đơn vị năng lượng; nhưng thực tế thì nhiệt độ không đo bằng đơn vị năng lượng vì lý do sau:

- Việc đo trực tiếp W khó khăn

- Mặc dù đơn vị năng lượng có thể lấy khá nhỏ (ví dụ là erg) nhưng nó vẫn rất lớn khi dùng làm đơn vị nhiệt độ Ví dụ nhiệt độ nước đá chỉ nhỏ vào bậc 10-

14

erg

Ngoài hai lý do trên thì thật ra từ lâu trong thực tế người ta đã quen dùng đơn vị “độ” để đo nhiệt độ (mặc dù đơn vị độ chỉ là quy ước không xuất phát từ bản chất vật lý của khái niệm nhiệt độ)

Thông thường người ta lấy khoảng nhiệt độ giữa nhiệt độ của nước đá đang tan và nhiệt độ của hơi nước đang sôi(ở áp suất bằng áp suất bình thường của khí quyển là 760mmHg) để thành lập thang nhiệt độ và được gọi là “nhiệt giai bách phân” (hoặc nhiệt giai Xenxiut) Đối với nhiệt giai này người ta quy ước nước đá đang tan ở nhiệt độ 00C và hơi nước đang sôi ở áp suất 760mmHg có nhiệt độ

1000C; khoảng cách giữa hai vật biểu thị hai nhiệt độ này ở trên bảng chia độ người

ta chia thành 100 phần bằng nhau và mỗi phần là 10C Ngày nay, ngoài nhiệt giai Xenxiut còn dùng nhiệt giai Rêômuya (ký hiệu đơn vị nhiệt độ là 10R) và nhiệt giai Farenhai (ký hiệu đơn vị nhiệt độ là 10F) Đối với các nhiệt giai này thì hai nhiệt độ

Trong vật lý để thuận tiện cho việc nghiên cứu và tính toán người ta dùng nhiệt giai Kenvin có đơn vị nhiệt độ ký hiệu là 0K Mỗi thang độ trong nhiệt giai Kenvin bằng mỗi thang độ trong nhiệt giai Xenxiut ta có hệ thức:

Nhiệt độ thấp nhất đạt được hiện nay sấp xỉ bằng 1,3.10-6 0K = 1,8.10-29 J Nhiệt độ cao nhất vào bậc 100 triệu độ (bom nguyên tử) và xấp xỉ bằng 2.10-15J Cũng từ công thức (1.1) ta thấy không thể có nhiệt độ tuyệt đối có giá trị âm

vì động năng trung bình chỉ có thể có giá trị dương Nếu sau này ta gặp khái niệm nhiệt độ tuyệt đối âm thì không nên hiểu rằng đó là nhiệt độ có giá trị thấp hơn không độ tuyệt đối

1.2.2 Nhiệt độ trong vật lý học đại cương

1.2.2.1 Nhiệt độ và phép đo nhiệt độ:

1.2.2.1.1 Khái niệm về nhiệt độ:

Nói tới nhiệt độ, ta thường nghĩ đó là vấn đề đơn giản vì nhiệt độ là một khái niệm quen thuộc, gặp hàng ngày Ai cũng hiểu rằng mùa hè nhiệt độ cao hơn mùa đông, nhiệt độ trong bóng râm thấp hơn nhiệt độ ngoài trời nắng; điều đó trực tiếp liên quan đến đều là ở nhiệt độ cao nóng hơn và nhiệt độ thấp Hiểu nhiệt độ như vậy tức là gắn khái niệm nhiệt độ với cảm giác nóng lạnh của chúng ta, và như vậy trong nhiều trường hợp không chính xác, thậm chí còn sai lệch

Điểm thứ hai cần nêu rõ là khái niệm nhiệt độ có tính chất độc đáo mà không một khái niệm nào như độ dài, khối lượng, thời gian…có, nó là đại lượng không cộng được Thí dụ: muốn có vật dài 1m ta có thể gồm hai vật dài 0,5m hoặc gồm 5 vật 0,2m; muốn có một vật có khối lượng 1kg, ta có thể gồm hai vật có khối lượng 0,5kg hoặc 4 vật có khối lượng 0,25kg…Nhưng muốn có một vật ở nhiệt độ

1000C chẳng hạn, ta không thể gộp hai vật, mỗi vật có nhiệt độ 500C; hoặc 5 vật, mỗi vật có nhiệt độ 200C Tính chất quan trọng này của nhiệt độ là do cách đo của nhiệt độ tạo nên

vậy, muốn đo nhiệt độ cần phải có “nhiệt kế”

Trong lịch sử người ta phải trãi qua một quá trình

dài, mới có nhiệt kế như ngày nay

Năm 1592, Galileo Galile chế tạo một

dụng cụ để đo nhiệt độ, lần đầu tiên trên thế giới

Nó gồm một bình cầu thủy tinh có gắn một vòi nhỏ

hở, để có thể nhúng vòi này vào nước (hình 1.1)

Muốn đo nhiệt độ vật nào thì cho tiếp xúc vật đó

với bình cầu Không khí trong bình sẽ nóng lên và

dãn nở; thoát một phần ra ngoài Sau đó cấm vòi

nhỏ vào nước; không cho bình cầu tiếp xúc với vật

muốn đo nữa Khi đó nó sẽ lạnh đi; thể tích khí co

lại; nước dâng lên Tùy theo mức nước dâng lên

nhiều hay ít, ta biết nhiệt độ của vật muốn đo cao

hơn nhiệt độ môi trường nhiều hay ít Vậy với dụng

cụ đơn giãn như vậy, ta có biết nhiệt độ là bao nhiêu hay không Vì vậy, dụng cụ đo nhiệt như trên thực chất là một “nhiệt nghiệm” thôi, tức là dụng cụ để so sánh sự nóng lạnh giữa hai vật, nhưng chưa cho biết nhiệt độ một cách định lượng

Muốn biến nhiệt nghiệm thành nhiệt kế, ta cần có thang đo nhiệt độ gọi là

“nhiệt giai”, tức là cần quy ước nhiệt độ cố định làm các điểm chuẩn (một điểm ứng với nhiệt độ cao và một điểm ứng với nhiệt độ thấp) và giữa hai điểm này lại quy ước chia làm bao nhiêu phần Tùy theo các cách chọn điểm chuẩn và chia khoảng cách giữa các điểm chuẩn, ta có thang chia nhiệt độ khác nhau, tức là có “nhiệt giai” khác nhau Các điểm chuẩn là điểm gì? Về nguyên tắc, ta có thể chọn nhiệt độ nào làm điểm chuẩn cũng được Tuy nhiên, trong thực tế, điểm chẩn ta chọn là nhiệt độ nàomà ta tin chắc là không thay đổi, có thể lập lại bao nhiêu lần tùy ý, nghĩa là ổn định trong các điều kiện vật lý xác định

Người ta đã chọn điểm chuẩn là điểm nóng chảy của nước đá, tức điểm ba của nước là điểm có tồn tại một lúc ba trạng thái hơi, lỏng, rắn(còn gọi là ba pha, hơi nước, nước, nước đá) ứng với nhiệt độ thứ nhất Còn điểm chuẩn ứng với nhiệt

độ thứ hai là điểm sôi của nước ở áp suất khí quyển

Nhiệt giai bách phân, còn gọi là nhiệt giai Celsius được nhà thiên văn học Thụy Điển đề nghị lần đầu tiên lấy điểm chuẩn một là 1000C và điểm chuẩn hai là

00C Giữa chúng chia 100 phần bằng nhau, gọi là 10C (năm 1742) Mãi đến năm

1750 người ta mới đảo ngược lại điểm chuẩn một là 00C và điểm chuẩn hai là 1000C , và dùng cho đến ngày nay

Một câu hỏi đặt ra, có tồn tại các nhiệt giai khác không ? Có, có nhiều Đến

Hình 1.1 Nhiệt nghiệm của Galile

với điểm chuẩn một là 320F và điểm chuẩn hai là 2120F chia 180 khoảng đều nhau)

và nhiệt giai Reaumur ở Pháp (với điểm chuẩn một là 00R và điểm chuẩn hai là

800R)

1.2.2.2 Định luật (nguyên lý)số không của nhiệt động lực học:

Như trên đã nói, muốn đo nhiệt độ, ta phải cho vật muốn đo và nhiệt kế tiếp xúc với nhau, tới lúc, số đọc của nhiệt kế không thay đổi, ta có sự cân bằng nhiệt giữa vật muốn đo và nhiệt kế

Giả thiết ta có vật A nào đó, cho tiếp xúc nhiệt với nhiệt kế khi nó cân bằng nhiệt với nhiệt kế Lúc đó nhiệt kế chỉ một giá trị nào đó x (hình 1.2a) Bây giờ cho nhiệt kế tiếp xúc nhiệt với vật B, khi vật B và nhiệt kế đã cân bằng nhiệt, giả sử nó cũng chỉ giá trị x (hình 1.2b) Một câu hỏi đặt ra là khi đó A và B có cân bằng nhiệt với nhau không? Trả lời câu hỏi này chỉ có thể bằng thực nghiệm Quả thật bằng thực nghiệm, ta thấy nếu A và B tiếp xúc với nhau, sau đó cho nhiệt kế tiếp xúc nhiệt với hệ hai vật A+B, ta thấy nó cũng chỉ cùng một số x (hình 1.2c) nghĩa là hai vật A và B cân bằng nhiệt với nhau (nhiệt độ hai vật A và B được giữ không đổi, trong quá trình thí nghiệm)

Hình 1.2 Dẫn đến định luật số không

Từ những kết quả thực nghiệm, người ta có thể khái quát và nêu lên thành định luật gọi là “định luật số không” phát biểu như sau: “Nếu các vật A và B cùng cân bằng nhiệt với vật thứ ba ở nhiệt độ T thì chúng cân bằng nhiệt với nhau” Từ định luật số không, ta có thể nói: “Mỗi vật có một tính chất gọi là nhiệt độ; khi hai vật cân bằng nhiệt với nhau, chúng có cùng nhiệt độ” Như vậy, muốn biết hai bình nước chẳng hạn, có cân bằng nhiệt với nhau hay không, ta chỉ cần đo nhiệt độ của chúng mà không cần cho chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau

Điểm cuối cùng ta muốn nêu ở đây là tại sao ta gọi là định luật số không, mặc dù định luật này chỉ được nêu lên vào năm 1930, sau rất lâu so với định luật số

1 và số 2 của nhiệt động lực học Sở dĩ như vậy là vì, khái niệm của nhiệt độ là khái niệm cơ bản của định luật 1 và 2, vì thế định luật thiết lập nên khái niệm nhiệt độ phải có số thấp hơn 1 và 2, đó chính là số 0

1.2.2.3 Thang nhiệt độ quốc tế:

1.2.2.3.1 Nhiệt giai Kelvin:

Năm 1967, Hội nghị cân đo quốc tế đã thỏa thuận lấy nhiệt độ của điểm chuẩn thứ nhất, điểm ba của nước là 273,16K là điểm chuẩn của nhiệt kế

T3 = 273,16 K

Chữ ba: điểm ba, K đọc là Kelvin, chú ý không ghi 273,160K (không có độ) Cũng giống như các đơn vị trong hệ SI, chẳng hạn như kg, mg, đơn vị đo nhiệt

độ là Kelvin cũng có tiền tố chẳng hạn 0,0035K là 3,5mK Một điểm nữa cần chú ý

là, đơn vị đo nhiệt độ cũng là đơn vị đo hiệu nhiệt độ : thí dụ nhiệt độ sôi của lưu huỳnh là 717,8K hay nhiệt độ của bình nước này tăng thêm 8,5K Nhiệt giai lấy điểm chuẩn T3 = 273,16K là nhiệt giai Kelvin

Các nhiệt độ khác được xác định theo nhiệt độ khí lý tưởng, ta sẽ nói ngay sau đây

1.2.2.3.2 Nhiệt kế khí thể tích không đổi:

Để chế tạo nhiệt kế ta phải dùng một chất nào đó có tính chất vật lý thay đổi theo nhiệt độ Chẳng hạn, ta có thể dùng một dây điện trở, giá trị của nó thay đổi theo công thức:

Rt = R0 (1 + αt) α là hệ số tỉ lệ

hoặc cũng có thể dùng một chất khí: nếu có thể tích không đổi thì áp suất của

nó cũng phụ thuộc theo nhiệt độ

pt = p0 (1 + t)  là hệ số tỉ lệ

hoặc một chất nào khác … về nguyên tắc đều được cả Vấn đề đặt ra ở đây

là chọn chất nào làm chuẩn, vì nhiệt kế làm với các chất khác nhau thì có thể có các nhiệt độ khác nhau (chẳng hạn điểm sôi của nước sẽ có giá trị khác nhau… ) Người ta chọn nhiệt kế khí thể tích không đổi làm nhiệt kế chuẩn Nó cấu tạo như hình 1.3 gồm:

A: hình cầu bằng thủy tinh, thạch anh hoặc platin tùy theo vùng nhiệt độ cần đo

B: bình đựng thủy ngân có thể nâng lên hoặc hạ xuống

C: ống thủy tinh nhỏ hình chữ U một đầu nối với A một đầu nối với B qua ống cao

D: thang chia độ

B, C, D: tạo thành áp kế chữ U

Hình 1.3: Nhiệt kế thể tích không đổi.

Giả sử ta muốn đo nhiệt độ T của vật Đặt A vào nơi có nhiệt độ T Như vậy

: khối lượng riêng của thủy ngân trong áp kế

h: độ chênh lệch của mức thủy ngân trong ống chữ U

Bây giờ ta đặt hình cầu A của nhiệt kế vào nơi có nhiệt độ điểm ba, khi đó

p

p K p

p T T

Một vấn đề đặt ra ở đây là dùng loại khí nào và lượng khí trong bình cầu là bao nhiêu; vì các loại khí và lượng khí khác nhau có thể cho ta kết quả khác nhau May mắn thay là nếu ta dùng một khối lượng khí đủ nhỏ, nghĩa là khí khá loãng, dể coi nó là khí lý tưởng, thì các kết quả đo sẽ hoàn toàn trùng nhau, không phụ thuộc loại khí sử dụng Như vậy, nhiệt độ của ta bây giờ sẽ là:

3 0lim)16,273(

p

p K T

m

với m: lượng khí sử dụng

Cách định nghĩa nhiệt độ này gọi là nhiệt độ khí lý tưởng

1.2.2.3.3 Thang nhiệt độ quốc tế:

Việc đo nhiệt độ chính xác với nhiệt kế khí là một công việc vất vả, đòi hỏi hàng tháng trời làm việc thận trọng Trong thực tế nó chỉ dùng để xác định một số điểm chuẩn cố định sơ cấp Các điểm chuẩn này dùng để chuẩn các nhiệt kế thứ cấp như loại chất lỏng trong thủy tinh, dựa trên nguyên tắc về sự dãn nở của chất lỏng theo nhiệt độ, là loại nhiệt kế thường dùng trong đời sống

Trong thực tế, để chuẩn các nhiệt kế dùng trong công nghiệp và khoa học,

ta phải dùng nhiều điểm chuẩn sơ cấp khác nhau gọi là thang nhiệt độ quốc tế Thí dụ: các nhiệt độ chuẩn sơ cấp từ thấp lên cao:

Chất Điểm chuẩn

(trạng thái cố định)

Nhiệt độ (K)

Hidrô Hidrô Neon Oxy Oxy Nước Bạc Vàng

Điểm ba Điểm sôi Điểm sôi Điểm ba Điểm sôi Điểm sôi Điểm nóng chảy Điểm nóng chảy

13,81 20,28 27,102 54,361 90,108 373,125 1235,08 1337,58

1.2.2.4 Nhiệt độ theo quan điểm của thuyết động học phân tử:

1.2.2.4.1 Áp suất khí lý tưởng:

Một chất khí, khi bị giam trong một bình, sẽ tác dụng lên thành bình chứa

nó một “áp suất” nào đó Áp suất

này phải do các phân tử trong khi

chuyển động nhiệt va chạm vào

thành bình gây nên Thật vậy, khi

va chạm vào thành bình, động

lượng của phân tử khí biến thiên

gây nên một xung lực tác dụng lên

thành bình Xung lực của các

phân tử tính trung bình tác dụng

lên một đơn vị diện tích của thành

bình, gây ra áp suất chất khí Hình 1.4: Suy ra áp suất chất khí

Áp suất này có thể tính được theo mô hình va chạm nêu trên Để đơn giản

ta xét một bình chứa khí hình lập phương, cạnh ∆l (hình 1.4)

Do tính chất hỗn độn không có phương ưu tiên, nên chỉ có 1/3 số phân tử trong bình đập với thành bình theo phương phải trái chẳng hạn Gọi m là khối lượng của một phân tử khí, v là vận tốc chuyển động theo phương vuông góc với thành bình ta xét Giả thiết va chạm là hoàn toàn đàn hồi, do đó biến thiên động lượng theo phương vuông góc với thành bình là:

Giả sử ta xét n phân tử có vận tốc v1, v2,….,vn’ , mỗi phân tử gây nên một lực ∆f1,… , ∆fn’, lực tổng cộng tác dụng vào thành bình sẽ là:

∆f =

n'

)v

vv(.l

n'l

v

l

vl

n' 2

2 2 1 2

n' 2

2 2

m

2 n' 2

2 2

n'

)v

vv(

n.3

l)(3

1l

n

= n0 là số phân tử trong một đơn vị thể tích, ta có:

Đây là phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử

1.2.2.4.2 Nhiệt độ của khí lý tưởng:

Xuất phát từ phương trình trạng thái khí lý tưởng cho 1 mol khí ta có:

V

RT

với R là hằng số chung của khí

Mặc khác từ phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử, cho trường hợp 1 mol khí ta có:

tv3

1

m V

3

1v3

với : khối lượng 1 mol chất khí

R T

2 tv3

1.2.3 Nhiệt độ trong nhiệt động lực học

Chúng ta đã biết rằng: Nếu cho hai vật được đốt nóng khác nhau, tiếp xúc với nhau, thì vật nóng hơn sẽ lạnh đi, còn vật lạnh sẽ nóng lên Khi đó chúng ta nói rằng hai vật trao đổi nhiệt với nhau Trao đổi nhiệt là một dạng truyền năng lượng

Ta cảm thấy một vật là nóng nếu nó làm nóng tay ta nghĩa là truyền cho tay ta năng lượng Ngược lại nếu ta cảm thấy một vật là lạnh thì điều đó có nghĩa là nó đã lấy bớt mất năng lượng ở tay ta

Đối với vật cho bớt nhiệt (tức là cho bớt năng lượng bằng cách trao đổi nhiệt) chúng ta nói rằng nhiệt độ của nó cao hơn nhiệt độ của vật lấy được nhiệt đó

Để xét một vật lạnh đi hay nóng lên trong quá trình tiếp xúc với vật này hay vật khác, người ta dùng khái niệm nhiệt độ Nhiệt độ – đó là một loại “mốc” để chỉ

rõ đối với những loại vật nào thì vật của ta sẽ là vật cho nhiệt, còn đối với những vật nào thì nó lại là vật nhận nhiệt Người ta đo nhiệt độ bằng nhiệt kế

Để làm cơ sở hoạt động của các nhiệt biểu ta có thể dùng các tính chất khác

nhau của các vật nhạy cảm với nhiệt độ Người ta thường dùng các vật giãn nở khi

nhiệt độ tăng lên

Nếu khi tiếp xúc với các vật khác nhau vật nhiệt biểu thay đổi thể tích của mình thì điều đó có nghĩa là các vật có nhiệt độ khác nhau Khi thể tích của vật nhiệt biểu lớn hơn thì có nghĩa là nhiệt độ cao hơn, còn khi nhiệt biểu nhỏ hơn thì nhiệt độ thấp hơn (tất nhiên chúng ta cũng có thể quan niệm ngược lại)

Do đó ta cần phải lựa chọn một nhiệt biểu đúng đắn Đối với chúng ta vật nào đạt yêu cầu đó cao nhất?

Đó là chất khí lý tưởng – chất khí rất loãng đến nỗi ta có thể coi như các hạt

của nó không tương tác với nhau và không có thể tích riêng Thật vậy nước giãn nở khác rượu, rượu giãn nở khác thủy tinh, thủy tinh giãn nở khác sắt Thế nhưng hidro, oxi, nitơ hay bất kỳ chất khí nào khác ở trạng thái loãng (đủ để coi nó là lý tưởng) sẽ giãn nở một cách hoàn toàn như nhau khi ta đốt nóng chúng

Như vậy cơ sở để xác định nhiệt độ trong vật lý là sự biến thiên thể tích của một lượng nhất định khí lý tưởng Có điều là: do tính nén được rất dễ của các chất khí, cho nên ta cần phải giữ cho chất khí nằm ở áp suất không đổi

Để chia độ nhiệt biểu khí ta cần phải đo chính xác thể tích của chất khí mà

ta lựa chọn các nhiệt độ 00 và 1000, sau đó ta đem chia hiệu các thể tích V100 và V0

ra làm 100 phần bằng nhau Nói cách khác, mỗi sự biến thiên của một lượng thể tích chất khí: ( )

0 100

0 0

V V

V V C t

V V C t

Khi tăng nhiệt độ, thể tích của chất khí tăng lên một cách vô hạn – không có

một giới hạn lý thuyết nào đối với sự tăng nhiệt độ Trái lại các nhiệt độ thấp (nhiệt

độ âm trong nhiệt giai Xenxiut) có một giới hạn dưới

Khi hạ thấp nhiệt độ thì xảy ra điều gì? Khi đó các chất khí thực biến thành

chất nước và khi tiếp tục hạ nhiệt độ xuống nữa chúng sẽ rắn lại Các phân tử khí

tập hợp lại trong một thể tích nhỏ Nhưng đối với nhiệt biểu của chúng ta chứa đầy khí lý tưởng thì thể tích đó sẽ bằng bao nhiêu? Các phân tử của chất khí lý tưởng không tương tác với nhau và không có thể tích riêng Như vậy có nghĩa là khi hạ nhiệt độ xuống mãi, thể tích của chất khí lý tưởng sẽ bằng không Trong thực tế có thể tạo nên những chất khí có tính gần giống nhau như chất khí lý tưởng Muốn vậy,

ta cần cho vào nhiệt biểukhí các chất khí ngày càng loãng Theo công thức trên thể

tích bằng không tương ứng với nhiệt độ nhỏ nhất Nhiệt độ đó được gọi là nhiệt độ

không tuyệt đối

Để xác định nhiệt độ không tuyệt đối trong nhiệt giai Xenxiut, trong công thức trên ta đặt V = 0 Như vậy nhiệt độ không tuyệt đối sẽ bằng:

0 100

0 100

V V

V



0

C nhiệt độ đó xấp xỉ bằng -2730C (chính xác hơn là -273,150C)

Như vậy là không thể có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ không tuyệt đối, bởi vì nhiệt độ đó chúng sẽ ứng với các thể tích âm của chất khí Nếu có nhiệt độ thấp hơn

là vô nghĩa; thu được nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ không tuyệt đối là điều không thể được, cũng giống như không thể chế tạo sợi dây có đường kính nhỏ hơn không!

Ở nhiệt độ không tuyệt đối vật không thể lạnh đi nghĩa là ta không thể lấy

bớt năng lượng từ vật đó ra Nói khác đị ở nhiệt độ không tuyệt đối các vật (và các hạt cấu thành vật) có năng lượng cực tiểu Điều đó chỉ rằng ở nhiệt độ không tuyệt đối, động năng bằng không còn thế năng có trị số cực tiểu

Bởi vì ở nhiệt độ không tuyệt đối là nhiệt độ thấp nhất, cho nên trong vật lý

học, đặc biệt là trong lĩnh vực của vật lý liên quan đến các nhiệt độ thấp, người ta dùng nhiệt giai tuyệt đối, trong đó nhiệt độ được tính từ không độ tuyệt đối Rõ ràng

Ttđ=(t+273)0C Trong nhiệt giai đó nhiệt độ trong phòng là vào khoảng 3000 Nhiệt

giai tuyệt đối cũng được gọi là nhiệt giai Kelvin và thay cho kí hiệu Ttđ ta dùng kí hiệu T0K

Khi đó công thức nhiệt biểu khí xác định nhiệt độ T theo nhiệt giai tuyệt đối được viết dưới dạng:

0 100

V V K

T

vận dụng đẳng thức 100 273

0 100



như vậy nhiệt độ tuyệt đối tỉ lệ thể tích với khí lý tưởng

Để đo nhiệt độ một cách chính xác, người ta dùng nhiều phương pháp Trong khoảng nhiệt độ khá rộng các nhiệt biểu thủy ngân, nhiệt biểu rượu và các nhiệt biểu khácđược chia độ theo nhiệt biểu khí Tuy vậy, chúng không thuận tiện cho việc đo các nhiệt độ ở gần nhiệt độ không tuyệt đối (thấp hơn 0,70K) khi đó tất

cả các chất khí bị đặc lại; cũng như cho các nhiệt độ cao hơn 6000C các chất khí có thể thấm qua thủy tinh Đối với các nhiệt độ rất cao và rất thấp người ta dùng các phương pháp khác để đo nhiệt độ

Có rất nhiều phương pháp thực dụng để đo nhiệt độ, trong số đó các dụng

cụ dựa trên các hiện tượng điện có giá trị lớn Chỉ có một điều quan trọng ta cần

phải chú ý là: trong bất kì phép đo nhiệt độ nào ta cũng cần phải đảm bảo được rằng nhiệt độ đo được trùng với nhiệt độ đo bằng nhiệt kế khí

Các nhiệt độ cao xuấ hiện trong các lò và các ngọn lửa đèn khí, vào khoảng

220 – 2800C Các nhiệt độ cao hơn được áp dụng trong ngành luyện kim; trong các

lò nấu thép nhiệt độ đạt tới 20000C, và bằng hồ quang điện ta có thể thu được nhiệt

độ vào khoảng 50000C Nhiệt độ siêu cao xuất hiện khi nổ bơm nguyên tử Các

nhiệt độ siêu cao có trong tự nhiên nhưng không phải ở trên trái đất mà là ở trên các thiên thể khác, đặc biệt là ở trong lòng Mặt Trời nhiệt độ đạt tới hàng triệu độ Nhưng mặt ngoài của các sao có nhiệt độ không cao lắm, không quá 200000C và mặt ngoài của Mặt Trời chỉ nóng tới 60000C

1.2.4 Nhiệt độ trong nhiệt động lực học kĩ thuật:

Trong thực tế, để xác định nhiệt độ của một vật nào đó người ta có thể dùng

dụng cụ đo Cơ sở của nguyên tắc này là định luật thứ không, định luật này nêu rõ:

“Nếu hai vật có nhiệt độ t 1 và t 2 cùng bằng nhiệt độ t 3 của một vật thứ ba thì nhiệt

độ của hai vật đó bằng nhau, tức là t 1 = t 2” Để lượng hóa khái niệm nhiệt độ, hiện nay người ta đưa ra nhiều loại thang đo nhiệt độ khác nhau:

1 Thang nhiệt độ bách phân, còn gọi là thang nhiệt độ Celcius, ký hiệu là

00C Thang nhiệt độ này được xây dựng trên cơ sở hai điểm mốc: điểm nước đá đang tan và điểm nước sôi ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn, nhiệt độ tương ứng của hai điểm này được chọn là 00C và 1000C

2 Thang nhiệt độ tuyệt đốiKelvin, ký hiệu là 0K, được xây dựng trên cơ sở định luật thứ hai, độ chênh lệch nhiệt độ giữa 0C và 0K được chọn bằng nhau Theo thỏa thuận tại Hội nghị quốc tế lần thứ 10 về khối lượng và đo lường, người ta đồng

ý lấy giá trị nhiệt độ của điểm ba thể của nước là 273,160K Cần lưu ý, trong hệ thống SI, nhiệt độ Kelvin được chọn là nhiệt độ cơ sở trong các phép tính nhiệt động

3 Thang nhiệt độ tuyệt đối Rankine, ký hiệu 0R Về mặt trị số, điểm không của thang nhiệt độ Kelvin và Rankine được chọn trùng với nhau Trong các tính toán nhiệt động thuộc hệ Imperial System(được sử dụng của các nước Anh, Mỹ, Úc…) người ta chọn nhiệt độ tuyệt đối Rankine làm cơ sơ để tính toán

4 Thang nhiệt độ Fahrenheit, ký hiệu là 0F, cũng thuộc hệ Imperial System Giữa điểm nước sôi và nước đa đang tan ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn, độ chênh

lệch nhiệt độ của thang, celcius và Kelvin đều là 100 đơn vị, trong khi đó độ chênh lệch nhiệt độ ở các thang Rankine và Fahrenheit là 180 đơn vị

Cụ thể, mối quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ nêu trên có thể được trình bày thông qua các biểu thức sau:

t

Hình 1.5: Mối quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ

Từ phương trình (1.6) và hình 1.5, ta thấy nhiệt độ tuyệt đối phải luôn luôn có giá trị dương; chính nhiệt độ tuyệt đối biểu thị giá trị động năng trung bình của vô

số các phân tử, khi phân tử không còn chuyển động nữa thì nhiệt độ thuyệt đối đạt giá trị nhỏ nhất bằng không

II KHÁI NIỆM NHIỆT LƯỢNG

2.1 Khái niệm nhiệt lượng trong vật lý phân tử và nhiệt học

2.1.1 Khái niệm nhiệt lượng:

Khi để hai vật tiếp xúc với nhau thì các phân tử của hai vật do chuyển động hỗn loạn, sẽ va chạm vào nhau và do đó có sự trao đổi năng lượng

Vật mà động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử trong vật lớn hơn thì sẽ bị mất bớt năng lượng Ta nói đó là vật nóng hơn Vật mà động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử trong vật nhỏ hơn thì sẽ nhận thêm năng lượng Ta nói đó là vật lạnh hơn

Phần năng lượng của chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử của vật

nóng hơn được truyền cho các phân tử của vật lạnh hơn được gọi là nhiệt lượng Ví

dụ: hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau

2.1.2 Sự liên quan giữa nhiệt lượng và công cơ học Sự khác nhau giữa năng lượng với nhiệt lượng và công cơ học:

2.1.2.1 Sự liên quan giữa nhiệt lượng và công cơ học:

phần năng lượng chuyển động nhiệt đã được truyền từ vật này đến vật khác

Thí nghiệm đã cho biết có thể làm thay đổi nhiệt độ của khí bằng cách

khác; đó là thực hiện công cơ học Chẳng hạn để làm nóng khí lên, ta nén khí đột ngột, tức thực hiện lên khí một công cơ học; ngược lại, để làm khí lạnh đi ta cho khí

tự giãn ra đột ngột tức là để khí thực hiện công cơ học

Xét về bản chất vật lý có thể hiểu công cơ học là phần năng lượng đã được biến đổi từ dạng này sang dạng khác hoặc là phần năng lượng (trừ trường hợp năng lượng chuyển động nhiệt) đã được truyền từ nơi này đến nơi khác

Vậy sự truyền năng lượng nói chung được thực hiện dưới hai hình thức khác nhau Đó là sự truyền nhiệt lượng và sự thực hiện công cơ học Sự truyền nhiệt lượng là hình thức truyền năng lượng xảy ra trực tiếp giữa những phân tử hay nguyên tử chuyển động hỗn loạn cấu tạo nên các vật đang tương tác; còn sự thực hiện công là hình thức truyền năng lượng giữa những vật vĩ mô tương tác với nhau

và bao giờ cũng gắn liền với sự chuyển dời định hướng của vật vĩ mô xét toàn bộ (hay một phần của vật)

Căn cứ vào bản chất vật lý của nhiệt lượng và công cơ học như đã nêu ở

trên thì hai đại lượng này phải đo bằng cùng đơn vị Trong hệ SI, đơn vị đo nhiệt

lượng cũng giống như đơn vị đo công cơ học Đó là Jun (J) Nhưng trong quá trình phát triển của vật lý học, lúc đầu chưa hiểu được bản chất của các hiện tượng nhiệt (tức là hiện tượng gây ra bởi chuyển động nhiệt của các phân tử), dựa vào thuyết

“chất nhiệt” người ta đã quy ước chọn nhiệt lượng bằng calo (viết tắt là cal) tức là

nhiệt lượng để làm nóng 1gam(g) nước ở áp suất chuẩn (p = 760mmHg) từ 19,50C đến 20,50C

Đơn vị nhiệt lượng có thể là kilocalo(kcal); 1kcal = 1000cal

Khoảng giữa thế kỷ XIX, Jun đã chứng minh bằng thực nghiệm mối lien quan định lượng giữa đơn vị J và đơn vị cal

Trước đây là một việc khó hiểu đối với các nhà vật lý Nhưng ngày nay, dưới ánh sáng của thuyết động học phân tử, đã hiểu rõ bản chất vật lý của nhiệt lượng thì nó trở thành một sự dĩ nhiên

Để biểu thị mối liên quan này, ta định nghĩa đương lượng công của nhiệt là:

sự tăng nội năng của hệ truyền nhiệt lượng Còn sự thực hiện công đối với hệ thì có thể là sự truyền cùng một dạng năng lượng bất kì nào đó (trừ sự truyền năng lượng chuyển động nhiệt) từ nơi này đến nơi khác hay có thể là sự biển đổi giữa những dạng năng lượng khác nhau và trực tiếp dẫn đến sự tăng một dạng năng lượng bất kì của hệ (động năng, thế năng, nội năng, )

2.1.2.2 Phân tích sự khác nhau giữa năng lượng với nhiệt và công:

Ta đã biết năng lượng là đại lượng đặc trưng cho sự chuyển động và tương

tác của vật chất Chẳng hạn cơ năng đặc trưng cho chuyển động cơ học; nhiệt năng

đặc trưng cho chuyển động hỗn loạn của các phân tử (chuyển động nhiệt); điện

năng đặc trưng cho chuyển động của các hạt mang điện Thế năng hấp dẫn đặc

trưng cho tương tác hấp dẫn giữa các vật thể; thế năng của điện trường đặc trưng

cho sự tương tác điện giữa các vật mang điện

Vật từ những định nghĩa đã nêu ta thấy nhiệt và công không phải là những

dạng năng lượng mà chỉ là những phần năng lượng đã được trao đổi giữa các vật

tương tác với nhau

Nhiệt và công chỉ xuất hiện khi có sự truyền hoặc biến đổi năng lượng còn

năng lượng thì luôn luôn tồn tại cùng vật chất Chẳng hạn trng một hệ vật chất thì bao giờ cũng có nội năng nói chung và có năng lượng chuyển động nhiệt tức năng lượng của chuyển động của các phân tử nói riêng Chỉ khi nào năng lượng chuyển

động nhiệt của hệ được truyền cho hệ khác hoặc hệ nhận năng lượng chuyển động nhiệt của hệ khác thì mới có nhiệt lượng tức là phần năng lượng chuyển động nhiệt

vừa được trao đổi

Những cách nói như “nhiệt lượng chứa trong một vật” hoặc “thêm nhiệt lượng cho vật” thực ra là không chính xác; nếu không muốn nói là phạm sai lầm căn bản Bởi vì như vậy là không nắm được bản chất vật lý của hiện tượng và đã đồng nhất bản chất vật lý của dạng năng lượng chuyển động nhiệt có trong vật với

phần năng lượng được truyền dưới hình thức nhiệt mà ta đã phân biệt ngay từ đầu

và gọi nó là “nhiệt lượng” hay nhiệt

2.2 Khái niệm nhiệt lượng trong vật lý đại cương

2.2.1 Nhiệt lượng, đơn vị đo nhiệt lượng:

2.2.1.1 Một vài khái niệm:

- Hệ nhiệt động: là một khoảng không gian nào đó chứa đầy vật chất, thí dụ: xilanh chứa khí, một cốc nước Một hệ được gọi là đồng tính nếu mọi tính chất vật

lý của các phần nhỏ là như nhau (mật độ, độ dẫn điện, chiết suất, ) thí dụ nước muối pha lẫn axit (về phương diện hóa học là không đồng chất) Ngược lại là hệ

không đồng tính, thí dụ: nước và hơi nước cùng nước đá (về phương diện hóa học

lại là đồng tính)

Hệ nhiệt động có thể là “cô lập” nếu hệ không trao đổi vật chất hay năng

lượng với các phần ngoài hệ Thí dụ: cốc nước đặt trong phòng kín cách nhiệt

- Thông số trạng thái trong và ngoài: để mô tả các trạng thái khác nhau của

một hệ nhiệt động, người ta dùng các đại lượng vật lý gọi là các “thông số trạng

thái” Các thông số trạng thái này chia làm hai loại: thông số trong và thông số

ngoài

Các thông số trong là các đại lượng vật lý được xác định bằng tập hợp

chuyển động và sự phân bố trong không gian của các phần tử cấu tạo nên hệ ta xét chẳng hạn mật độ, năng lượng, nhiệt độ, áp suất,

Các thông số ngoài là các đại lượng vật lý được xác định bằng vị trí của các

vật không tham gia vào hệ ta xét chẳng hạn thể tích, ngoại lực,

- Nội năng: là tổng tất cả các dạng năng lượng chứa trong hệ cô lập như năng lượng của chuyển động nhiệt (động năng) thế năng tương tác giữa các phân tử, năng lượng của các nguyên tử, hạt nhân Với khí lý tưởng, vì coi các nguyên tử, phân tử là chất điểm không có tương tác với nhau và chỉ xét năng lượng của chuyển động nhiệt, nên nội năng chỉ gồm động năng của chuyển động tịnh tiến

2.2.1.2 Khái niệm về nhiệt lượng:

Giả thuyết ta có một hệ nhiệt động (cốc nước chè chẳng hạn) có nhiệt độ TSđặt trong phòng là môi trường quanh hệ ta xét, có nhiệt độ TE Quan sát hệ của ta và môi trường quanh nó thì thấy rằng nếu TS  TE thì TS phải thay đổi đến khi hai nhiệt độ bằng nhau

Làm cách nào mà hệ chúng ta thay đổi nhiệt độ? Sự thay đổi nhiệt độ có

được là do có sự trao đổi một dạng năng lượng nào đó giữa hệ ta xét và môi trường

Sự trao đổi năng lượng này gọi là nhiệt lượng, kí hiệu Q Nhiệt lượng Q coi là dương thi hệ nhận nhiệt lượng từ môi trường và coi là âm khi hệ nhả nhiệt lượng cho môi trường Hiển nhiên nếu nhiệt độ TE = TS, không có trao đổi năng lượng

dưới dạng nhiệt lượng, Q = 0 (hình III.1) Từ đó ta có thể định nghĩa: “Nhiệt lượng

là năng lượng trao đổi giữa hệ ta xét và môi trường xung quanh khi giữa chúng có

tồn tại hiệu nhiệt độ”

hiện công và là âm

khi tốn công trên hệ

vậy sẽ có nghĩa khi ta nói: có 20J nhiệt lượng truyền từ hệ ra môi trường trong 3 phút hoặc có 15J công hệ nhận từ môi trường trong một phút và sẽ không có nghĩa khi nói: “hệ chứa 200J công hoặc 300J nhiệt lượng”

2.2.1.3 Đơn vị đo nhiệt lượng:

Trong lịch sử, thoạt đầu người ta coi nhiệt lượng như là khả năng tăng nhiệt

độ nước Chính vì vậy calo(cal) là đơn vị đo nhiệt lượng được định nghĩa là nhiệt

lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của 1gam nước từ 14,50C lên 15,50C

Năm 1948, Hội Nghị cân đo quốc tế thừa nhận nhiệt lượng và công là năng

lượng trao đổi, do đó chúng phải đo bằng cùng đơn vị, đó là Jun

Cần chú ý là, trong dinh dưỡng khái niệm calo viết tắt là cal (calo lớn) là 1kcal dùng trong nhiệt

1kcal = 4,186J ngược lại 1J = 0,24cal

2.2.2 Liên hệ giữa công và nhiệt:

2.2.2.1 Công và nhiệt trong một quá trình:

Ta xét một hệ nhiệt động chẳng

hạn 1mol khí lý tưởng giam trong 1

xilanh có piston chắn Phía trên piston

là những vật nặng có thể thêm bớt

Phía dưới là nguồn nhiệt giúp hệ nhận

nhiệt lượng hay thải nhiệt lượng (hình

1.7)

Trạng thái cùng hệ được xác

định bởi các thông số trạng thái chẳng

hạn áp suất p, thể tích V và nhiệt độ T

các thông số này chỉ có hai thông số là

độc lập với nhau vì ba thông số liên hệ

với nhau theo phương trình trạng thái

pV = RT Ta chọn hai thông số độc lập

Thí nghiệm liên hệ giữa công và nhiệt Giả sử ta muốn chuyển hệ từ trạng thái ban đầu i sang trạng thái cuối f, với các thông số lần lượt là Vi, pi và Vf, pf bằng cách bỏ vật nặng dần khỏi piston làm khí dãn nở hoặc bằng cách cung cấp nhiệt từ nguồn nhiệt cho nó hoặc bằng cách kết hợp cả hai (Hình 1.8)

Hình 1.8: Công và nhiệt khi chuyển trạng thái từ i đến f.

Nếu piston di chuyển một đoạn dx, công hệ thực hiện là:

Độ lớn của W chính là diện tích của hình ifVfVi trên giản đồ trạng thái Khi

chuyển trạng thái như vậy, kèm theo quá trình sinh công hệ thu hay tỏa một lượng

nhiệt nào đó

Để chuyển if ta có rất nhiều cách khác nhau chẳng hạn đầu tiên là quá trình đẳng áp, sau đó là quá trình đẳng tích (đường iaf trên hình 1.9) hoặc đầu tiên là quá trình đẳng tích sau đó là quá trình đẳng áp (đường ibf trên hình 1.9)

Hình 1.9: hai cách khác nhau đi từ i đến f.

Tất nhiên như ta thấy với các cách khác nhau, công thực hiện cũng sẽ khác nhau và nhiệt lượng nhận vào hoặc tỏa ra cũng khác nhau Chúng có thể âm hoặc

2.2.2.2 Công và nhiệt trong một chu trình:

Giả thiết bằng cách nào đó ta

đưa hệ từ trạng thái i đến trạng thái f

sau đó lại từ f về i, tức là thực hiện

một quá trình kín, ta gọi là một chu

trình (hình 1.10)

Hình 1.10:

Công và nhiệt trong một chu trình Trong chu trình này công thực tế thực hiện là diện tích của hình gạch chéo: công này là dương Kèm theo việc sinh công dương này cần có một nhiệt lượng nào

đó cung cấp cho hệ Từ đó ta suy ra trong một chu trình giữa công và nhiệt cũng phải có một mối liên hệ nào đó

2.3 Khái niệm trong nhiệt động lực học kỹ thuật:

2.3.1 Khái niệm nhiệt lượng:

Khái niệm nhiệt lượng dùng trong nhiệt động lực học mang nội dung hơi khác so với khái niệm nhiệt lượng trong phạm vi thông thường Nhiệt lượng trong nhiệt động lực học không hàm ý chỉ bất cứ thành phần năng lượng nào của hệ tại một trạng thái xác định Ta không thể nói, tại một trạng thái nào đó nhiệt lượng của

hệ là bao nhiêu Cần thấy rõ, nhiệt lượng chỉ có thể xuất hiện khi chất môi giới (chất

môi giới là chất trung gian thực hiện sự biến đổi và chuyển tải năng lượng trong các

hệ thống nhiệt động) tiến hành một quá trình, nhiệt lượng là lượng năng lượng đi xuyên qua bề mặt ranh giới khi giữa chất môi giới và môi trường có sự chênh lệch nhiệt độ

Khái niệm nhiệt lượng tại một trạng thái là hoàn toàn vô nghĩa, chính vì vậy tuyệt đối không được viếtQQ2Q1 để thể hiện nhiệt lượng trao đổi khi chất môi giới tiến hành quá trình từ 1 đến 2 Đơn vị đo nhiệt lượng thường được dùng là kJ, kCal hay Btu Nếu nhiệt lượng được tính theo đơn vị thời gian thì thứ nguyên có thể

là kw, kCal/h, Btu/h, ta khảo sát ví dụ sau:

Giả sử ta có khối đồng ở nhiệt độ t1 và một lượng nước ở nhiệt độ t2 < t1 Ta không thể nói ở trạng thái đó nhiệt của khối đồng là bao nhiêu Bây giờ nếu thả khối đồng vào nước, ta thấy nhiệt độ của khối đồng giảm xuống còn nhiệt độ của khối nước tăng lên Trong quá trình này, tồn tại khái niệm nhiệt lượng Về mặt trị số,

lượng nhiệt đó bằng nhiệt lượng do khối đồng nhả ra hay bằng nhiệt lượng do nước nhận vào Rõ ràng, lượng nhiệt trao đổi đó chỉ xuất hiện khi có độ chênh lêch về nhiệt độ giữa khối đồng và nước Khi khối đồng và nước đạt đến trạng thái cân bằng

nhiệt, khái niệm nhiệt lượng không còn nữa

2.3.2 Các cách tính nhiệt lượng:

2.3.2.1 Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi entrôpi:

Entrôpi là loại thông số trạng thái mà lượng biến đổi của nó trong một quá trình thuận nghịch nào đó có giá trị bằng Q / T

Như vậy, trong quá trình thuận nghịch, ta có:

dS T q T

q dS

* Nhiệt độ sử dụng trong công thức (1.7) phải là kelvin (hay Rankine)

* Không dùng phương pháp này để xác định nhiệt lượng trao đổi trong các

quá trình không thuận nghịch

Hình 1.11

Từ hình 1.11, ta thấy nhiệt lượng trao đổi không chỉ phụ thuộc vào điểm

đầu và điểm cuối mà còn phụ thuộc vào đặc điểm và hình dáng của quá trình Rõ

ràng, nếu một quá trình bất kì khác có cùng điểm đầu 1 và điểm cuối 2, ta thấy phần diện tích tương ứng sẽ có giá trị khác

Ưu điểm của phương pháp này là có thể so sánh được các giá trị nhiệt lượng trao đổi ngay trên đồ thị Thuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là

S

2.3.2.2 Tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ:

Khi có sự trao đổi nhiệt lượng giữa chất môi giới và môi trường, trong khá nhiều trường hợp, nhiệt độ của chất môi giới có thể bị biến đổi Ở những trường hợp như vậy, việc xác định nhiệt lượng trao đổi trong một quá trình thuận nghịch vô cùng bé có thể được tính bằng công thức sau:

Ở đây:

 q: nhiệt lượng trao đổi giữa chất môi giới và môi trường trong quá trình thuận nghịch vô cùng bé đang khảo sát

C: nhiệt dung riêng của chất môi giới

dt: lượng biến đổi nhiệt độ trong quá trình vô cùng bé đó

Phương pháp tính nhiệt lượng theo sự thay đổi nhiệt độ đặc biệt thích hợp cho các trường hợp mà chất môi giới là thể khí Tất nhiên, có thể ứng dụng phương

pháp này cho các chất thuần khiết nói chung Tuy nhiên, ở những trường hợp đó, do

sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào các thông số khác khá nhiều nên người ta

thường áp dụng phương pháp tính theo entrôpi

III KHÁI NIỆM CÔNG CƠ HỌC

3.1 Công: chuyển động một chiều với một lực không đổi

Khi ta đẩy một vật với một lực nằm ngang không đổi F, và vật dịch chuyển

một đoạn d theo phương nằm ngang Khi đẩy một vật như thế ta đã sinh ra một công A, được xác định bằng:

Ở đây F là độ lớn của lực mà ta tác dụng, và d là độ lớn của độ dịch chuyển của điểm trên vật mà ta đặt lực vào Và ta nói A là công do ta thực hiện vào vật, nhưng chính xác hơn, đó là công do lực F mà ta tác dụng thực hiện vào vật

Hình 1.12 Hình 1.12 cho thấy giản đồ vật – tự do; vật được biểu diễn như một hạt, chú

ý là góc  giữa vector lực F và vector độ dịch chuyển d bằng không

Hình 1.13 là sự tổng quát hình Ở đây góc  không bằng không Ta định nghĩa công A thực hiện bởi lực F trên hạt trong trường hợp tổng quát là:

Hình 1.13 Nếu lực và độ dịch chuyển có cùng hướng thì (1.10) cho thấy công cho bởi

lực có giá trị dương Nếu chúng ngược chiều nhau thì  = 1800 và (1.10) (với cos1800 = -1) cho thấy công cho bởi lực có giá trị âm Và nếu chúng vuông góc với

nhau, tức là  = 900, thì (1.10) (với cos900 = 0) cho thấy công cho bởi lực bằng 0

Công là một đại lượng vô hướng, mặc dù hai đại lượng tham gia trong định nghĩa của nó là các vector Ta có thể viết (1.10) dưới dạng vector gọn hơn như một

tích vô hướng Như vậy:

Một đơn vị công thuận tiện khi làm việc với nguyên tử và các hạt dưới nguyên tử là

có thể thực hiện công trên nó Công được thực hiện bởi mỗi lực phải tính riêng

Muốn tìm công toàn phần thực hiện trên hạt ta có thể cộng các công của mọi lực tác

dụng lên hạt Hoặc ta có thể tìm hợp lực rồi dùng nó như lực trong (1.10) và (1.11)

3.2 Công thực hiện bởi một lực biến đổi

3.2.1 Phân tích một chiều:

Ta giả thiết là lực tác dụng lên một hạt và độ dịch chuyển của hạt đónằm trên cùng một đường thẳng mà ta có thể lấy làm trục x Ta còn giả thiết thêm là độ

lớn của lực thay đổi, phụ thuộc vào vị trí của hạt

Hình 1.14a cho ta thấy đồ thị của một lực một chiều thay đổi như thế Công nào cũng được thực hiện trên hạt bởi lực này khi hạt chuyển động từ điểm đầu xi

đến điểm cuối x f ? Ta không thể dùng (1.10), vì nó chỉ áp dụng cho lực không đổi F Để phát triển một cách tiếp cận mới, ta chia đoạn dịch chuyển của hạt thành các khoảng có độ rộng  x Ta chọn  x đủ nhỏ để trong khoảng này có thể coi lực F(x) là không đổi một cách hợp lý Gọi F(x) là giá trị trung bình của F(x) trong khoảng này

Độ biến thiên của công  A mà lực thực hiện qua một khoảng bất kỳ, được cho bởi (1.10) hoặc

Trên đồ thị hình 1.14b,  A bằng độ lớn diện tích của dải thẳng đứng: F(x) là độ cao và  x là độ rộng của dải

Để có giá trị gần đúng của công toàn phần do lực thực hiện khi hạt đi từ x i đến x f ,

ta cộng các diện tích của các dải giữa xi và xf (hình 1.14d), tức là:

Hình 1.14

Phương trình (1.13) chỉ là gần đúng, vì đường “chân trời” gấp khúc do đỉnh của các dải hình chữ nhật tạo thành trên hình 1.14b chỉ là đường gần đúng của đường thực

Ta có thể làm gần đúng tốt hơn bằng cách giãm độ rộng x của dải và dùng nhiều dải hơn như hình 1.14c Đến giới hạn ta cho x tiến tới không, khi đó số dải trở thành vô cùng lớn Lúc đó ta có kết quả chính xác

A (công của lực biến đổi) (1.15)

Nếu ta biết hàm F(x) ta có thể thế nó vào phương trình (1.15), lấy các giới hạn tích phân thích hợp, thực hiện phép tính tích phân và ta tìm được công Về mặt hình học thì công bằng diện tích nằm dưới đường cong F(x) giữa các giới hạn xi và

z i ) đến vị trí cuối r f với tọa độ (xf , y f , z f ) là

f

i f

i f

i f

i

z

z z y

y y x

x x r

r

dz F dy F dx F dA

Nếu F chỉ có một thành phần x thì phương trình (1.19) thu lại thành phương trình (1.15)

3.3 Công thực hiện bởi lò xo

Ta xét một lực tác dụng bởi một cái lò xo, một thí dụ quan trong về lực

biến đổi Hình 1.15a cho ta một lò xo ở trạng thái nghỉ, tức là nó không bị nén hoạc

bị dãn Nó có một đầu cố định, còn đầu kia tự do, được gắn vào một khối (vật giống hạt)

Trên hình 1.15b ta làm lò xo dãn ra bằng cách kéo khối về bên phải Để

nói lực lò xo là lực hồi phục) Ở hình 1.15c ta nén lò xo bằng cách đẩy vật về bên

trái Bây giờ lò xo đẩy vật về bên phải cũng để hồi phục trạng thái nghỉ

Đối với nhiều lò xo có thể coi một

cách gần đúng là lực F của lò xo tỷ lệ

thuận với độ dịch chuyển d của đầu tự do,

tính từ vị trí của nó khi lò xo ở trạng thái

nghỉ Lực của lò xo cho bởi:

F = -kd (Định luật Hooke) (1.20)

Đó là định luật Hooke, mang tên

Robert Hooke một nhà khoa học người

Anh vào những năm cuối của các năm

1600 Dấu “-” chứng tỏ lực lò xo luôn luôn

ngược với chiều dịch chuyển của đầu tự do

của nó Hằng số k gọi là hằng số lò xo và

nó là số đo độ cứng của lò xo Nếu k càng

lơn thì lò xo càng cứng, tức là lò xo đẩy

hoặc kéo càng mạnh đối với một dịch

chuyển đã cho Trong hệ đơn vị SI đơn vị

Trên hình 1.15 trục x đặt song song với chiều dài lò xo, có gốc (x = 0) tại đầu tự do của lò xo khi nó ở trạng thái nghỉ Với cách bố trí thông thường này (1.20) trở thành:

F = -kx (Định luật Hooke) (1.21) Chú ý là lực lò xo là một lực biến đổi vì nó phụ thuộc vào vị trí đầu tự do, nên F có thể viết là F(x) Định luật Hooke là một mối liên hệ tuyến tính; một đồ thị khả dĩ của F

Nếu ta dịch chuyển từ vị trí đầu xi đến vị trí cuối xf, thì ta thực hiện một công trên khối và lò xo thực hiện một công chống đối trên khối đó Ta tìm công A của lò xo trên khối bằng cách thay đổi F ở (1.21) và (1.15) rồi lấy tích phân:

f

i f

i f

i

x

x x

x x

1

f

kx

A  (Công của lò xo) (1.23)

Công này dương nếu 2 2

Phương trình (1.23) và trường hợp riêng của nó, phương trình (1.24) cho ta

công do lò xo thực trên vật Công do ta thực hiện (hoặc do sự kéo dãn hay sự nén) là

giá trị âm của lượng này

Chú ý là độ dài của lò xo không xuất hiện một cách tường minh trong các biểu thức của lực do lò xo tác dụng (1.20) và (1.21) và của công thực hiện bởi lò xo (1.23) và (1.24) Độ dài của lò xo là một trong nhiều yếu tố đóng góp vào giá trị của hằng số lò xo k, ngoài các yếu tố hình học và các tính chất đàn hồi của vật liệu làm

lò xo