Sơ lược về nhiệt độ và nhiệt học

Chia sẻ: Phan Thi Ngoc Giau | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhiệt độ là gì? Một cách định tính, chúng ta có thể mô tả nhiệt độ của một vật là đại lượng xác định cảm giác nóng hoặc lạnh khi ta tiếp xúc với nó.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sơ lược về nhiệt độ và nhiệt học

Beverly T. Lynds (blynds@unidata.ucar.edu) % & ' ( ) 0 1 2 3 4 5 6 M t cách nh tính, chúng ta có th mô t nhi t c a m t v t là i lư ng xác nh c m giác nóng ho c l nh khi ta ti p xúc v i nó. D dàng ch ng minh ư c r ng khi ta t hai v t ng ch t cùng nhau (các nhà v t lí nói r ng chúng ư c t ti p xúc nhi t v i nhau), thì v t có nhi t cao hơn s l nh i, còn v t có nhi t th p hơn s nóng lên, cho t i khi t t i m t giá tr nào ó thì không còn có s bi n i gì n a, và i v i giác quan c a chúng ta, chúng ta c m nh n ư c chúng như nhau. Khi s bi n i nhi t d ng l i, chúng ta nói hai v t (các nhà v t lí nh nghĩa ch t ch hơn là hai h ) cân b ng nhi t v i nhau. Khi ó, chúng ta có th nh nghĩa nhi t c a h b ng cách nói r ng i lư ng ó là như nhau i v i c hai h khi chúng vào tr ng thái cân b ng nhi t v i nhau. N u chúng ta ti p t c thí nghi m v i nhi u hơn hai h , chúng ta nh n th y r ng nhi u h có th ư c mang vào tr ng thái cân b ng nhi t v i nhau; s cân b ng nhi t không ph thu c vào lo i v t mà ta s d ng. Nói chính xác hơn thì 7 8 9 8 @ 9 8 A B C D E F G H 8 @ I D P H Q R H S H 8 9 A T U V 9 W C T 8 A T 8 X Q @ T 8 Y 7 8 9 B ` D 8 a H S D b H S D P H Q R H S H 8 9 A T U V 9 H 8 @ I và chúng ph i có cùng nhi t , cho dù chúng ư c làm b ng ch t gì cũng v y. Phát bi u in nghiêng trên có tên là , có H S I c d H E e T 8 X 7 8 f H S D g @ H 8 9 A T B C H S E h D 8 i D th ư c phát bi u l i như sau: N u có ba hay nhi u hơn ba h ti p xúc nhi t v i nhau và cùng cân b ng nhi t v i nhau, thì l y b t kì hai h c l p nào cũng ph i cân b ng nhi t v i h còn l i. Gi thì m t trong ba h có th là m t d ng c ư c chia o nhi t - t c là nhi t k . Khi m t cái nhi t k ư c chia s n t ti p xúc nhi t v i m t h và t t i s cân b ng nhi t, khi ó chúng ta s có s o nh lư ng nhi t c a h . Ví d , m t nhi t k th y ngân ơn gi n ư c t dư i lư i c a b nh nhân và cho phép t t i s cân b ng nhi t trong mi ng c a b nh nhân – r i chúng ta nhìn xem m c th y ngân óng ánh giãn n trong ng và c thang o c a nhi t k bi t nhi t c a b nh nhân. % & ' ( ) p q 2 3 4 5 6 Nhi t k là d ng c dùng o nhi t c a h m t cách nh lư ng. Cách ơn gi n nh t là tìm m t ch t có tính ch t bi n thiên u n theo nhi t c a nó. Phương pháp “chính th ng” tr c ti p nh t là phương pháp tuy n tính t (x) = a (x) + b trong ó t là nhi t c a ch t và bi n thiên khi tính ch t x c a ch t bi n thiên. Các h ng s a và b tùy thu c vào lo i ch t s d ng và có th nh giá b ng vi c nh rõ trên thang o, như 32o cho i m ông c c a nư c và 212o cho hai i m nhi t i m sôi c a nư c. ¡ ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ © ¦ ¨ © © ¥ ¨ ! " # " $
t - 38,9oC n Ví d , nguyên t th y ngân là ch t l ng trong ngư ng nhi t o o 356,7 C (chúng ta s bàn v thang nhi t Celsius C ph n sau). tr ng thái l ng, th y ngân n ra khi nhi t c a nó tăng, t l giãn n c a nó là tuy n tính và có th ư c xác nh m t cách chính xác. Nhi t k th y ngân ư c minh h a trong hình trên, g m m t b u th y tinh ch a y th y ngân ư c phép giãn n trong m t ng mao d n, t l giãn n c a th y ngân ư c ánh d u trên ng th y tinh. ¡ ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ © ¢ © ¢ ¦ ¢ © © & & ) ) ' & ' ( ) p q 3 ) & 4 0 & ' ( ) 0 1 M t trong nh ng n l c u tiên nh m ch t o m t thang o nhi t chu n ã xu t hi n h i kho ng năm 170, khi Galen, trong nh ng tác ph m y h c c a ông, ã xu t chu n nhi t “trung hòa” t o thành t nh ng lư ng b ng nhau c a nư c sôi và băng tuy t; m i phía c a nhi t này tương ng là b n nóng và b n l nh. Nh ng d ng c u tiên dùng o nhi t ư c g i là nhi t nghi m. C u t o c a chúng g m m t b u th y tinh có m t ng dài nhúng xu ng vào m t bình ch a nư c có màu, m c dù h i năm 1610 Galileo ã ngh s d ng rư u. M t ph n không khí trong b u b t ng ra ngoài trư c khi nhúng nó vào ch t l ng, làm cho ch t l ng dâng lên trong ng. Khi ph n không khí còn l i trong b u ư c làm cho nóng lên hay l nh i, m c ch t l ng trong ng s ph n nh s bi n i nhi t không khí. M t thang o kh c s n trên ng cho phép o nh lư ng lên xu ng c a nhi t . Không khí trong b u ư c xem là môi trư ng o nhi t, t c là môi trư ng có tính ch t bi n thiên theo nhi t . Năm 1641, l n u tiên nhi t k hàn kín s d ng ch t l ng thay cho không khí làm môi trư ng o nhi t ư c phát tri n b i công tư c Ferdinand II. Nhi t k c a ông dùng rư u ng trong b u th y tinh hàn kín, v i 50 “ ” ư c ánh d u trên ng, ¡ ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ © ¦ ¨ © © ¥ ¨ ! $ # " $
nhưng không có “ i m c nh” nào dùng làm i m không c a thang o. Do ó, chúng thư ng ư c xem là lo i nhi t k “c m tính”. Robert Hook, y viên H i Hoàng gia, vào năm 1664 ã dùng thu c nhu m màu trong rư u. Thang o c a ông, m i tương ng v i ương lư ng tăng th tích kho ng 1/500 ph n th tích ch t l ng trong nhi t k , ch c n m t i m c nh. Ông ch n i m ông c c a nư c. B ng cách l p thang o theo ki u này, Hook ch rõ r ng m t thang o chu n có th ư c thi t l p cho nh ng chi c nhi t k có kích thư c c . Chi c nhi t k nguyên b n c a Hook tr thành chu n c a trư ng Gresham và ư c H i Hoàng gia s d ng cho t i năm 1709 (Nh ng h sơ s sách khí tư ng h c d hi u u tiên ã s d ng thang o này). Năm 1702, nhà thiên văn h c Ole Roemer, Copenhagen, thi t l p thang o s d ng hai i m c nh: tuy t (ho c băng v n) và i m sôi c a nư c, và ông ã ghi l i nhi t hàng ngày Copenhagen t năm 1708 n 1709 v i chi c nhi t k này. Năm 1724, Gabriel Fahrenheit, nhà ch t o d ng c Däanzig và Amsterdam, dùng th y ngân làm ch t l ng o nhi t. S giãn n nhi t c a th y ngân l n và khá n nh, nó không bám dính vào th y tinh, và nó v n th l ng trong m t ngư ng nhi t r ng. V ngoài lóng lánh c a nó làm cho nó d c. Fahrenheit mô t cách chia thang o c a nhi t k th y ngân c a ông như sau: “ t nhi t k vào trong h n h p g m mu i amoniac ho c mu i bi n, băng và nư c, i m u tiên trên thang o thu ư c ư c ánh d u làm i m không. i m th hai thu ư c n u cũng dùng h n h p trên nhưng không có mu i. ánh d u i m này là 30. i m th ba, ư c ánh d u 96, thu ư c n u t nhi t k trong mi ng thu nhi t c a cơ th ngư i kh e m nh” (D. G. Fahrenheit, 33, 78, 1724). 8 9 E ¢ £ ¤ @ H ¥ ¢ ¦ § ¨ H © ¨ H ¡ Trên thang o này, Fahrenheit o ư c i m sôi c a nư c là 212. Sau ó, ông ã i u ch nh i m ông c c a nư c là 32 cho kho ng gi a i m sôi và i m ông c c a nư c có th ư c bi u th b ng s 180 thích h p hơn. Nhi t o Fahrenheit (oF). theo thang này ư c g i là Năm 1745, Carolus Linnaeus Uppsala, Th y i n, mô t m t thang o trong ó i m ông c c a nư c là 0, và i m sôi là 100, khi n nó là m t thang o bách phân (100 n c). Anders Celsius (1701-1744) l i dùng thang o ngư c l i, trong ó 100 bi u th i m ông c c a nư c và 0 bi u th i m sôi c a nư c, tuy nhiên, v n có 100 gi a hai i m ã xác nh trư c ó. Năm 1948, vi c dùng thang o bách phân ư c i u ch nh thành m t thang o m i Celsius (oC). Nhi t giai Celsius ư c nh nghĩa b ng hai lu n i m sau s d ng (chúng ta s bàn kĩ hơn v nó trong ph n sau bài vi t này): nh nghĩa là 0,01oC. (i) i m ba c a nư c ư c (ii) M t Celsius b ng v i m t trong nhi t giai khí lí tư ng. Trong nhi t giai Celsius, i m sôi c a nư c áp su t khí quy n chu n là 99,975oC, trái v i 100 ư c xác nh trong thang o bách phân. it Celsius sang Fahrenheit: nhân v i 1,8 và c ng thêm 32. o F = 1,8 . oC + 32 ¡ ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ © ¦ ¨ © © ¥ ¨ ! # " $
Năm 1780, J. A. C. Charles, nhà v t lí ngư i Pháp, ch rõ r ng i v i cùng m t tăng nhi t , t t c các ch t khí bi u hi n tăng th tích như nhau. B i vì h s giãn n c a ch t khí r t g n nhau, cho nên có th thi t l p m t thang o nhi t trên cơ s m t i m c nh thay cho thang o có hai i m c nh, như thang o Fahrenheit và Celsius. Vi c này ưa chúng ta tr l i v i nhi t k s d ng ch t khí làm môi trư ng o nhi t. Trong nhi t k khí th tích không i, b u l n B ch a ch t khí, hydrogen ch ng h n, dư i m t áp su t nh trư c, n i v i m t áp k ch a y th y ngân b ng m t ng có th tích r t nh . (B u B là ph n chia c m nhi t và ph i ch a a ph n lư ng hydrogen). M c th y ngân C có th i u ch nh b ng cách nâng hay h kh i th y ngân trong bình R. Áp su t c a khí hydrogen, là bi n x trong m i quan h tuy n tính v i nhi t , là chênh l ch gi a m c D và C c ng v i áp su t phía trên D. P. Chappuis, vào năm 1887, ã ti n hành nghiên c u trên ph m vi r ng các nhi t k khí có áp su t không i, ho c th tích không i, dùng hydrogen, nitrogen, và carbon dioxide làm môi trư ng o nhi t. Trên cơ s k t qu nghiên c u c a ông, Comité International des Poids et Mesures ã công nh n nhi t giai hydrogen th tích nh t i i m băng (0oC) và i m hóa hơi c a nư c không i d a trên các i m c o (100 C) là thang o th c hành dùng trong ngành khí tư ng qu c t . Các thí nghi m v i nhi t k khí cho th y có r t ít s khác bi t v thang o nhi t i v i nh ng ch t khí khác nhau. Như v y, ngư i ta có th thi t l p ư c m t thang o nhi t c l p v i môi trư ng o nhi t n u ó là ch t khí áp su t th p. Trong trư ng h p này, m i ch t khí u hành x gi ng như “khí lí tư ng” và có m t m i liên h r t ơn gi n gi a áp su t, th tích và nhi t c a chúng: pV = h ng s . T Nhi t này ư c g i là , và ngày nay ư c công nh n H 8 9 A T B C H 8 9 A T B C H S E h D 8 i D là s o cơ b n c a nhi t . Lưu ý r ng có m t i m 0 ư c t nhiên xác nh trong nhi t giai này – ó là i m mà t i ó áp su t c a khí lí tư ng b ng không, làm cho nhi t cũng b ng không. Chúng ta s ti p t c nói v “ không tuy t i” trong ph n sau. V i i m 0 này trên thang o, ch c n nh nghĩa m t i m c nh là . Năm 1933, y ban qu c t v Cân n ng và o lư ng công nh n i m c nh này ó i m ba c a nư c (nhi t t i ó nư c, băng và hơi nư c cùng t n t i ¡ ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ © ¦ ¨ © © ¥ ¨ ! # " $
tr ng thái cân b ng); giá tr c a nó ư c thi t t là 273,16. ơn v nhi t trong nhi t giai này là kelvin, ghi công c a huân tư c Kelvin (William Thompson), 1824- 1907, và kí hi u là K (không có kí hi u ). it Celsius sang kelvin, ta c ng thêm 273 K = o C + 273 8 9 A T B C H 8 9 A T B C H S E h D 8 i D E ¢ H 8 9 A T B C D £ ¥ ¤ ¥ B £ H U ¦ D g @ H ` E ¢ 7 § E U 9 H ¨ B © D ¡ B ¦ H 8 H S 8 @ E ¢ G 8 H ¨ D g @ H 8 9 A T B C H 8 9 A T B C H S E h D 8 i D D g @ B 9 W Q @ D g @ H © V D ¢ Ngài William Siemens, vào năm 1871, xu t m t nhi t k có môi trư ng o nhi t là kim lo i d n i n có i n tr bi n thiên theo nhi t . Nguyên t platinum không b oxi hóa nhi t cao và có s i n tr bi n thiên tương i n nh theo nhi t trong m t ngư ng nhi t l n. ngày nay ư c s d ng 8 9 A T 7 B 9 A H T ¤ ¤ G E @ T 9 H I W ¡ t - 260 C n 1235oC. o r ng rãi là nhi t k nhi t i n và có th o nhi t M t s nhi t ư c ch p nh n làm i m tham chi u cơ s nh nghĩa Nhi t giai qu c t năm 1968. Nhi t giai qu c t năm 1990 ư c y ban qu c t v Cân n ng và o lư ng công nh n t i cu c h p vào năm 1989. Gi a 0,65 K và 5,0 K, nhi t ư c xác nh dư i d ng m i liên h áp su t hơi – nhi t c a các ng v helium. Gi a 3,0 K và i m ba c a neon (24,5561 K), nhi t ư c xác nh b ng nhi t k khí helium. Gi a i m ba c a hydrogen (13,8033 K) và i m ông c c a b c (961,78 K), nhi t ư c xác nh b ng nhi t k i n tr platinum. Trên i m ông c c a b c, nhi t ư c xác nh b ng nh lu t b c x Planck. Năm 1826, T. J. Seebeck, phát hi n th y khi n i các dây kim lo i khác nhau m t u và un nóng nó, có m t dòng i n ch y t s i này sang s i kia. L c i n ng phát sinh có th liên h nh lư ng v i nhi t và do ó h có th ư c s d ng làm nhi t k - g i là c p nhi t i n. C p nhi t i n ư c dùng trong công nghi p, và nhi u kim lo i ư c s d ng – ví d như platinum và platinum/rhodium, nickel- chromium và nickel-aluminum. Vi n Tiêu chu n và Công ngh qu c gia Mĩ (NIST) v n lưu gi cơ s d li u chu n hóa các nhi t k . Trong các phép o nhi t r t th p, tính nh y t c a ch t thu n t ư c dùng làm i lư ng v t lí o nhi t. i v i m t s ch t, tính nh y t bi n thiên t l ngh ch v i nhi t . Các tinh th như magnesium nitrate và phèn chromic potassium ư c dùng do nhi t dư i 0,05 K; các tinh th này ư c nh c trong helium l ng. i v i nh ng nhi t r t th p, và th p hơn n a, nhi t k cũng n m trong cơ c u làm l nh. M t s phòng thí nghi m nhi t th p trên th gi i ang ti n hành nghiên c u trên lí thuy t và tri n khai th c hi n nh m t t i nhi t th p nh t có th ư c và tìm ki m các ng d ng th c ti n c a nhi t th p. © © ¢ ¢ % & ' ( ) 2 ! " 4 3 % & ' ( ) 0 1 4 2 # & $ Cho t i th k 19, ngư i ta v n tin r ng c m giác nóng hay l nh mà m t v t mang n ư c xác nh b i “lư ng nhi t” mà nó ch a. Nhi t lư ng ư c hình dung là m t th ch t l ng ch y t v t nóng hơn sang v t l nh hơn, ch t l ng không tr ng lư ng này ư c g i tên là “caloric”, và mãi cho t i các tác ph m c a Joseph Black (1728-1799), không có s phân bi t nào gi a nhi t lư ng và nhi t . Black ã phân bi t gi a s lư ng (caloric) và cư ng (nhi t ) c a nhi t. ¡ ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ © ¦ ¨ © © ¥ ¨ ! # " $
Benjamin Thomson, Count Rumford, cho in m t bài báo vào năm 1798 t a “Kh o sát ngu n nhi t ư c kích thích b ng ma sát”. Rumford ã lưu ý t i s lư ng l n nhi t sinh ra khi khoan m t kh u i bác. Ông ng r ng ch t nhi t ang tuôn ch y vào kh u i bác và k t lu n “có v quá khó khăn cho tôi n u không th hình dung ra m t ý tư ng riêng nào v m t cái gì ó có kh năng b kích thích và truy n theo ki u như nhi t ư c kích thích và truy n trong nh ng thí nghi m này, ngo i tr chuy n ng”. Nhưng v n không có gì bi n chuy n cho t i khi J. P. Joule công b m t bài báo ch c n ch, vào năm 1847, trong ó ý tư ng v caloric b bác b . Joule ã ch rõ m t cách thuy t ph c r ng nhi t là m t d ng năng lư ng. K t qu t nh ng thí nghi m c a Rumford, Joule, và nh ng ngư i khác, ngư i ta ã ch ng minh ư c (như Helmholtz phát bi u rõ ràng h i năm 1847), các d ng năng lư ng khác nhau có th chuy n hóa l n nhau. 8 9 H 8 9 A T D 8 I c H 8 ` @ T 8 ¢ H 8 Q ¢ T 7 Y © £ H S H ¤ H S E © H S H ¢ ¨ 7 8 ¥ D ¨ 8 @ c 7 8 9 D ¥ D ¡ © £ H S H ¤ H S E © H S 7 8 ¥ D D 8 I c H 8 ` @ T 8 ¢ H 8 H 8 9 A T ¨ T 8 Y T ¦ H S H ¤ H S E © H S ¦ H 8 9 A T D C H S U V 9 H ¤ H S E © H S 7 8 ¥ D D g @ 8 A E ¢ W C T 8 R H S ¥ § ¢ ây là , nh lu t v s b o toàn năng B ¦ H 8 E I F T T 8 X H 8 ¢ T D g @ H 8 9 A T B C H S E h D 8 i D lư ng. M t phát bi u khác c a nó là: không có cách nào, dù là b ng cơ ch cơ h c, nhi t h c, hóa h c hay b t kì cơ ch nào khác, ch t o ư c ng cơ chuy n ng vĩnh c u, t c là lo i ng cơ t sinh ra năng lư ng riêng c a nó (ngo i tr trong th gi i vi n tư ng như c a Maurits Escher !). @ T § ¤ © @ E E ¨ Cũng có th phát bi u theo cách th hai nói v ho t ng c a ng cơ. M t ng cơ hơi nư c s d ng ngu n nhi t sinh công. V y ngư i ta có th chuy n hóa hoàn toàn năng lư ng nhi t thành công, t c là ch t o m t c máy có hi u su t 100% hay không ? Câu tr l i ư c tìm th y . B ¦ H 8 E I F T T 8 X 8 @ 9 H 8 9 A T B C H S E h D 8 i D 8 f H S D ` E ¨ £ 9 B C H S D £ T I H 8 ¨ ¢ H H ¢ ¨ D ` T 8 D 8 I c H 8 ` @ T ¨ ¢ H Q C H ¤ H S E © H S ¡ H 8 9 A T T 8 ¢ H 8 H 8 H S © £ H S H ¤ H S E © H S 7 8 ¥ D ¢ 8 f H S T 8 D 8 T £ ¨ E ¨ £ 9 B C H S D £ ¡ T I H 8 ¨ ¢ H 7 8 f H S E ¢ W S Y 7 8 ¥ D W ¢ D ` T 8 ¤ a T E ¢ c H ¤ H S E © H S H 8 9 A T U ¢ D 8 I c H H ` T 8 ¢ H 8 H ¤ H S E © H S D £ ¢ nh lu t th hai c a nhi t ng l c h c ưa n tính không thu n ngh ch trong nh ng quá trình nh t nh – như quá trình chuy n toàn b nhi t thành năng lư ng cơ, m c dù có th có lo i ng cơ không c n làm gì c v n chuy n hóa ư c năng lư ng cơ thành nhi t ! Sadi Carnot (1796-1832) ã ti n hành nghiên c u lí thuy t hi u su t c a ng cơ nhi t (lo i ng cơ chuy n hóa m t ph n năng lư ng nhi t thành công có ích). Công trình nghiên c u lí thuy t c a ông ã cung c p cơ s cho nh ng c i ti n kĩ thu t ng cơ hơi nư c và cũng t n n t ng cho nhi t ng l c h c. Ông mô t m t lo i ng cơ lí tư ng, g i là ng cơ Carnot, ó là lo i hi u qu nh t mà m t ng cơ có th ư c ch t o. Ông ch rõ hi u su t c a ng cơ nhi t lo i như v y ư c cho b i hi u su t = 1 – T” / T’ trong ó T’ và T” tương ng là nhi t c a “ngu n nóng” và “ngu n l nh” mà gi a chúng ng cơ ho t ng. Trong thang nhi t này, m t ng cơ nhi t có ngu n l nh nh t là 0 s ho t ng v i hi u su t 100%. ây là m t nh nghĩa c a không tuy t i, và nó có th ư c dùng nh n ra không tuy t i như chúng ¡ ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ © ¦ ¨ © © ¥ ¨ ! # " $
ta ã c p t i trong ph n trư c. Thang nhi t này ư c g i là nhi t giai tuy t i, nhi t giai nhi t ng l c h c, hay nhi t giai Kelvin. Phương pháp mà nhi t giai khí và nhi t giai nhi t ng l c h c dùng nh n ra không tuy t i là d a trên cách hi u c a nhi t , coi i lư ng vĩ mô có th U 9 W f o ư c g i là nhi t là k t qu c a chuy n ng h n lo n c a các h t vi mô c u t o nên h . © ¢ ¥ © ¤ ¡ & ¢ £ q ) 0 1 4 & $ & ¤ ) Cũng vào kho ng th i gian mà nhi t ng l c h c phát tri n, James Clerk Maxwell (1831-1879) và Ludwig Boltzmann (1844-1906) ã phát tri n m t lí thuy t mô t cách các phân t chuy n ng – thuy t ng h c phân t . Các phân t c u t o nên ch t khí hoàn ch nh chuy n ng qua l i, va ch m lên nhau như nh ng qu billard và b t kh i b m t thành bình ch a chúng. Năng lư ng liên quan v i chuy n ng ư c g i là ng năng, và cách ti p c n ng năng này i v i hành tr ng c a khí lí tư ng ã d n t i m t cách hi u v khái ni m nhi t c p vi mô. Lư ng ng năng mà m i phân t có là m t hàm theo nhi t c a nó; i v i m t s lư ng l n phân t trong ch t khí (c nhi t th p), ph i có m t kho ng gi i h n c a v n t c trong kho ng th i gian ch c lát nào ó. l n v n t c c a các h t khác nhau bi n thiên r t nhi u – không có hai h t nào ư c mong i là có v n t c chính xác b ng nhau. M t s có th chuy n ng r t nhanh, trong khi m t s khác l i ch m ch p. Maxwell nh n th y ông có th bi u di n s phân b v n t c v m t th ng kê b ng m t hàm g i là . Va ch m gi a các phân t và 8 ¢ W G 8 P H Q § ¥ @ ¦ § § E E thành bình ch a s tăng lên khi áp su t ch t khí tăng. B ng cách xét l c trung bình tác d ng b i m t va ch m phân t lên thành bình, Boltzmann có th ch ra r ng ng năng trung bình c a các phân t có th so sánh tr c ti p v i áp su t o ư c, và ng năng trung bình càng l n thì áp su t càng l n. T nh lu t Boyle, chúng ta bi t r ng áp su t t l tr c ti p v i nhi t , do ó, ng năng c a các phân t liên h tr c ti p v i nhi t ch t khí. M i quan h ơn gi n ó như sau: ng năng trung bình c a phân t = 3/2 kT trong ó k là h ng s Boltzmann. Nhi t là s o năng lư ng chuy n ng nhi t, và nhi t b ng 0, năng lư ng t c c ti u (theo cơ h c lư ng t , chuy n ng i m không v n t n t i 0 K). Vào tháng 7/1995, các nhà v t lí Boulder, Colorado, ã thu ư c m t nhi t th p hơn nhi u so v i các nhi t ã ư c t o ra trư c ó, và t o ra m t tr ng thái hoàn toàn m i c a v t ch t ã ư c Albert Einstein và Satyendra Nath Bose d oán nhi u th p k trư c. Thông cáo báo chí mô t b n ch t c a thí nghi m này và mô t y v hi n tư ng này có t i trang BEC c a trư ng i h c Colorado (http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/index.html). i v i m t h ch a m t s lư ng r t l n phân t c n n phương pháp th ng kê gi i quy t v n . Kho ng năm 1902, J. W. Gibbs (1839-1903) ã ưa ra cơ h c th ng kê, v i nó ông ã ch ng minh ư c giá tr trung bình c a các tính ch t c a m t h có th ư c d oán trư c như th nào t vi c phân tích nh ng giá tr kh dĩ nh t c a các tính ch t này tìm th y t m t s lư ng l n h gi ng như v y. L i m t l n n a, trong cách hi u cơ h c th ng kê c a nhi t ng l c h c, thông s quan tr ng b c nh t ư c nh n bi t theo nhi t có th liên h tr c ti p v i nhi t ¡ ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ © ¦ ¨ © © ¥ ¨ ! # " $
nhi t ng l c h c, v i nhi t c a phân b Maxwell, và v i nh lu t ch t khí hoàn h o. Nhi t tr thành m t i lư ng có th nh nghĩa, ho c dư i d ng các i lư ng nhi t ng l c h c vĩ mô như nhi t và công, ho c, cũng có giá tr nh n d ng và h p th c tương ương, dư i d ng m t i lư ng c trưng cho s phân b năng lư ng gi a các h t trong h . V i cách hi u này c a khái ni m nhi t , ngư i ta có th gi i thích ư c cách th c nhi t lư ng (năng lư ng nhi t) ch y t v t này sang v t khác. Năng lư ng nhi t ư c mang b i các phân t dư i d ng chuy n ng c a chúng và m t ph n c a năng lư ng nhi t, qua các va ch m phân t , ư c truy n cho các phân t c a v t th hai khi t ti p xúc v i v t. Cơ ch truy n năng lư ng nhi t b ng ti p xúc như th này g i là s . © ¡ H H 8 9 A T Cơ ch truy n nhi t th hai ư c minh h a b ng m t m nư c sôi trên b p lò – ph n nư c nóng hơn g n ng n l a nh t s i lên trên tr n l n v i ph n nư c l nh hơn g n n p m. bao hàm s chuy n ng toàn th c a các phân t giàu h B § 9 E © I ¢ năng lư ng hơn trong ch t l ng ho c ch t khí. Cách truy n nhi t th ba t v t này sang v t khác là b ng b c x , ây là cách mà M t Tr i sư i m Trái t. B c x ch y t M t Tr i n Trái t, m t s chúng b h p th , làm m b m t Trái t. M t bài toán khó trong v t lí h c k t th i Newton là gi i thích b n ch t cơ ch c a b c x này. ¢ © £ ¤ ¥ ¦ & ' ( ) B n ch t c a b c x ã thách các nhà khoa h c trong nhi u th k . Maxwell xu t r ng d ng năng lư ng này truy n i như m t dao ng i n và t lan t a trong không gian theo hư ng vuông góc v i hư ng dao ng c a chúng. Trong bi u , các dao ng i n (màu ) và t (màu xanh) tr c giao v i nhau – dao ng i n n m trong m t ph ng xy, dao ng t n m trong m t ph ng xz. Sóng truy n i theo hư ng x. M t sóng i n t có th ư c nh nghĩa dư i d ng t n s dao ng c a nó, kí hi u b ng ch cái Hy L p nu (ν). Sóng truy n i theo ư ng th ng v i m t v n t c không i (kí hi u là c n u nó truy n trong chân không), kho ng cách gi a hai “ nh” sóng liên ti p là bư c sóng, λ (lambda), b ng v n t c sóng chia cho t n s sóng. Ph i n t bao quát m t ngư ng r ng bư c sóng, t nh ng sóng r t ng n n nh ng sóng r t dài. ¡ ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ © ¦ ¨ © © ¥ ¨ ! # " $
Ch có vùng ph i n t mà m t ngư i c m nh n ư c là vùng “kh ki n” có th nh n rõ trong bi u qua b y s c c u v ng. M t Tr i không ph i là i tư ng duy nh t phát ra năng lư ng b c x , mà b t kì v t th nào có nhi t trên 0 K u s phát ra m t s năng lư ng b c x . Thách th c i v i các nhà khoa h c là vi c ch rõ xem năng lư ng b c x này liên h v i nhi t c a v t như th nào. N u t m t v t trong m t bình ch a mà các thành bên có nhi t ng u, chúng ta ch i v t ti n t i tr ng thái cân b ng nhi t v i các thành bình ch a, và v t s ph i phát ra năng lư ng b c x gi ng h t như các thành bình. M t v t như th s h p th và phát x cùng m t lư ng năng lư ng. M t b m t tô en h p th m i b c x chi u t i nó và nó ph i phát x theo ki u gi ng như th n u nó tr ng thái cân b ng nhi t. B c x cân b ng nhi t do ó có tên g i là . Q X D ¦ £ U F T B § H M i liên h u tiên gi a nhi t và năng lư ng b c x ư c J. Stefan suy di n vào năm 1884 và ư c Boltzmann gi i thích v m t lí thuy t cũng vào th i gian ó. M i liên h ó ư c phát bi u như sau: năng lư ng toàn ph n = σ T4 trong ó năng lư ng toàn ph n ư c tính trên m t ơn v di n tích trong m t giây, T là nhi t tuy t i (nhi t nhi t ng l c h c), và σ là h ng s Stefan- Boltzmann. Nghi v n l n vào cu i th k 19 là vi c gi i thích cách th c mà năng lư ng b c x toàn ph n phát ra b i m t v t en này l i tr i ra trong m t ph m vi r ng t n s hay bư c sóng b c x . Thuy t dao ng t i n t “c i n” c a Maxwell ã th t b i trư c vi c gi i thích s phân b sáng quan sát ư c. n lư t Max Planck gi i quy t nan này b ng cách ch ra r ng năng lư ng c a dao ng t ph i b lư ng t hóa, t c là năng lư ng không th có m i giá tr , mà ph i bi n thiên t ng b c, ln c a t ng b c, hay lư ng t năng lư ng, t l v i t n s dao ng và b ng hν, trong ó h là h ng s Planck. V i gi thuy t này, Planck gi i thích ư c s phân b sáng c a v t en và cho bi t nó có th ư c xác nh b ng nhi t c a nó. M t khi nhi t c a v t en ã ư c nh rõ, có th dùng nh lu t Planck tính cư ng sáng phát ra b i v t en là m t hàm c a bư c sóng. Ngư c l i, n u o ư c s phân b sáng c a v t b c x thì khi ó, b ng cách làm cho kh p ư ng cong Planck v i v t, nhi t c a v t có th xác nh ư c. Các ư ng cong minh h a trong hình bên dư i cho th y v t càng nóng thì nó càng sáng nh ng bư c sóng ng n. Nhi t b m t M t Tr i là 6000 K, và c c i c a ¡ ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ © ¦ ¨ © © ¥ ¨ ! # " $
ư ng cong Planck c a nó n m trong vùng bư c sóng kh ki n. i v i nh ng v t l nh hơn M t Tr i, c c i c a ư ng cong Planck c a nó l ch v phía bư c sóng dài hơn cho t i khi nhi t c a nó t n giá tr mà r t ít năng lư ng b c x ư c phát ra trong vùng kh ki n. Hình trên cho th y m t vài ư ng cong Planck i v i các v t en. Cư ng là ơn v năng lư ng trên ơn v di n tích trên ơn v góc kh i trên ơn v th i gian trên ơn v bư c sóng. ư ng ch m ch m bi u th s bi n thiên theo bư c sóng và nhi t c a c c i các ư ng cong. Hình này là mô t b ng hình h c c a nh lu t Wein, phát bi u như sau: λmax ∼ 0,29 / T trong ó λmax là bư c sóng sáng c c i tính b ng cm, T là nhi t tuy t ic a v t en. Cơ th ngư i có nhi t kho ng 310 K và phát x ch y u n m trong vùng h ng ngo i xa. N u như hình ngư i ư c ch p b ng camera nh y v i vùng bư c sóng này, chúng ta s có m t t m hình “nhi t”. ¡ ¢ £ ¢ § % & ' ( ) 0 1 ¤ ) ¥ M t Tr i và các ngôi sao phát ra b c x nhi t thu c m i bư c sóng; nh ng v t th khác trên b u tr i, như ám mây khí l n trong D i Ngân hà, cũng phát ra b cx nhi t, nhưng l nh hơn nhi u. Nh ng i tư ng này ư c phát hi n t t nh t b ng kính thiên văn h ng ngo i và vô tuy n – kính thiên văn có thi t b dò nh y v i các bư c sóng dài hơn. Năm 1965, Arno Penzias và Robert Wilson ã ti n hành ki m tra c n th n kính thiên văn vô tuy n c a h Phòng thí nghi m Bell, t i Whippany, bang New Jersey. H nh n th y máy thu c a h bi u hi n m t s “nhi u” như th nó n m bên trong m t bình ch a có nhi t 3 K – t c là như th nó n m cân b ng nhi t v i m t v t en 3 K. S “nhi u” này hình như n t m i hư ng. George Gamov và các nhà thiên văn v t lí khác trư c ó ã tiên oán v m t lí thuy t s t n t i c a m t b c x vũ tr 3 K. Khám phá c a Penzias và Wilson là b ng ch ng th c nghi m cho b cx ng hư ng n t vũ tr , ư c cho là di tích c a Big Bang. Năng lư ng nhi t kh ng l ư c gi i phóng trong v n khai sinh ra vũ tr b t u l nh i khi vũ tr giãn n . Ch ng 12 t năm sau ó, chúng ta ang s ng trong m t vũ tr b c x ¡ ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ © ¦ ¨ © © ¥ ¨ ! " # " $
gi ng như m t v t en hi n nay l nh còn 3 K. Năm 1978, Penzias và Wilson ã ư c t ng gi i Nobel v t lí cho khám phá này. 8 ¦ Q X D ¦ £ U 9 Q @ H H U b T ¤ ¡ T 8 I B © D T ¢ U A T 9 H 8 £ ¤ ¥ ¦ ¡ M t v t en 3 K phát ra a s năng lư ng n m trong vùng bư c sóng viba. Các phân t trong b u khí quy n Trái t h p th b c x này cho nên t i m t t, các nhà thiên văn không th ti n hành quan sát vùng bư c sóng này. Năm 1989, v tinh thám hi m b c x vũ tr (COBE), do Trung tâm bay không gian Goddard c a NASA phát tri n, ư c phóng lên qu o o b c x h ng ngo i và vi ba khu ch tán n t vũ tr sơ khai. M t trong các thi t b c a nó, Quang ph k tuy t i h ng ngo i xa (FIRAS) ã so sánh ph c a b c x vi ba n n vũ tr v i m t v t en chính xác. Ph n n viba vũ tr ư c o v i chính xác 0,03% và trùng kh p chính xác v i ph v t en có nhi t 2,726 K. M c dù có hàng t ngôi sao trong vũ tr , nhưng nh ng o c chính xác t v tinh COBE này cho th y 99,97% năng lư ng b c x c a vũ tr ư c gi i phóng trong vòng năm u tiên sau khi Big Bang t kh i phát và hi n nay nó t p trung trong trư ng b c x nhi t 3 K. ¡ § ¨ ) © ) Khái ni m nhi t là m t khái ni m v t lí cơ s , tương t ba i lư ng cơ s c a cơ h c – kh i lư ng, chi u dài, và th i gian. Qua vi c nghiên c u nh ng v n th c t như làm sao ch t o ư c ng cơ hơi nư c có hi u su t cao, các lí thuy t v t lí cơ s ã hình thành, k c các khái ni m c a cơ h c lư ng t và hai nh lu t c a nhi t ng l c h c. nh lu t th hai, v i yêu c u v tính không thu n ngh ch c a nó, tiên oán s ti n tri n không thu n ngh ch t các d ng năng lư ng khác sang năng lư ng nhi t. Chính nh lu t th hai nhi t ng l c h c ã cung c p “mũi tên” cho khái ni m th i gian. Nghiên c u nhi t th p và các hi n tư ng x y ra nhi t th p là m t xu hư ng v t lí phát tri n m nh m hi n nay. Chúng ta bi t có m t gi i h n th p nh t cho ¡ ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ © ¦ ¨ © © ¥ ¨ ! " " # " $
nhi t , ó là không tuy t i. Nhưng kĩ thu t hi n i ã l p nhi u k l c trong cu c ua n v i nh ng nhi t c c th p. V i ngư ng nhi t mà con ngư i bi t n hi n nay có n 18 thang b c l n (xem hình bên dư i), ph i có nhi u lo i nhi t k ư c phát tri n m i có th khai thác nó trong nhi u lĩnh v c ng d ng. Nhi t h c là ngành v t lí có nhi u áp d ng lí thuy t và th c ti n. © ¦ D 8 hiepkhachquay ¡ ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ © ¦ ¨ © © ¥ ¨ ! " $ # " $