Nhiệt độ và Định luật thứ không của nhiệt động lực học

Nhiệt độ thường gắn liền với mức độ nóng hoặc lạnh mà một vật được cảm nhận khi chúng ta chạm vào nó. Trong khi các giác quan của chúng ta mang lại cho chúng ta những chỉ dấu định tính của nhiệt độ, thì chúng lại không xác thực và thường sai lạc. Chẳng hạn, cái khay kim loại đựng nước đá thì luôn mang lại cảm giác lạnh hơn thùng rau củ đông lạnh mặc dù chúng có nhiệt độ như nhau, bởi vì kim loại dẫn nhiệt nhanh hơn thùng giấy cứng. Cái chúng ta cần là một phương pháp đáng tin cậy và có thể nhân bản để cung cấp các số đo định lượng xác lập mức độ “nóng” hoặc “lạnh” tương đối của các vật – một phương pháp chỉ liên hệ với nhiệt độ. Các nhà khoa học đã phát triển nhiều loại nhiệt kế đa dạng để cung cấp những số đo như thế.

Khi đặt tiếp xúc với nhau, hai vật ở nhiệt độ ban đầu khác nhau cuối cùng sẽ đạt tới một nhiệt độ chung trung gian. Nếu một tách cà phê nóng được làm nguội bằng nước đá, chẳng hạn, thì nước đá tăng nhiệt độ và cuối cùng thì tan chảy trong khi nhiệt độ của cà phê hạ dần.

Để hiểu khái niệm nhiệt độ đòi hỏi phải hiểu khái niệm tiếp xúc nhiệt và cân bằng nhiệt. Hai vật được gọi là tiếp xúc nhiệt nếu năng lượng có thể trao đổi giữa chúng. Hai vật ở trạng thái cân bằng nhiệt nếu chúng đang tiếp xúc nhiệt và không có sự trao đổi năng lượng toàn phần nào.

Phần năng lượng trao đổi giữa hai vật do sự chênh lệch nhiệt độ của chúng được gọi là nhiệt lượng, một khái niệm sẽ được bàn cụ thể hơn ở Chương 11. Sử dụng những khái niệm này, chúng ta có thể phát triển một định nghĩa chính thức của nhiệt độ. Xét hai vật A và B không đang tiếp xúc nhiệt với nhau, và một vật thứ ba C tác dụng như một nhiệt kế – một dụng cụ được chế tạo để đo nhiệt độ của một vật. Chúng ta muốn xác định xem liệu A và B có cân bằng nhiệt với nhau không nếu chúng được đặt cho tiếp xúc nhiệt. Nhiệt kế (vật C) ban đầu được đặt tiếp xúc nhiệt với A cho đến khi đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt, như trên Hình 10.1a, lúc ấy số chỉ của nhiệt kế được ghi lại. Sau đó nhiệt kế được đặt tiếp xúc nhiệt với B, và số chỉ của nó được ghi lại lúc cân bằng nhiệt (Hình 10.1b). Nếu hai số chỉ đó bằng nhau, thì A và B cân bằng nhiệt với nhau. Nếu A và B được đặt cho tiếp xúc nhiệt với nhau, như trong Hình 10.1c, thì không có sự truyền năng lượng toàn phần nào giữa chúng. Chúng ta có thể tóm tắt những kết quả này trong một phát biểu gọi là định luật thứ không của nhiệt động lực học (định luật cân bằng nhiệt):

Nếu hai vật A và B lần lượt cân bằng nhiệt với một vật thứ ba C, thì A và B cân bằng nhiệt với nhau.

Hình 10.1

Phát biểu này là quan trọng vì nó giúp người ta định nghĩa khái niệm nhiệt độ. Chúng ta có thể xem nhiệt độ là một tính chất xác định một vật có cân bằng nhiệt với những vật khác hay không. Hai vật cân bằng nhiệt với nhau thì có nhiệt độ bằng nhau.

TRẢ LỜI NHANH

10.1 Hai vật khác nhau về kích cỡ, khối lượng, và nhiệt độ được đặt cho tiếp xúc nhiệt với nhau. Chọn câu trả lời đúng nhất: Năng lượng truyền (a) từ vật lớn hơn sang vật nhỏ hơn; (b) từ vật có khối lượng lớn hơn sang vật có khối lượng nhỏ hơn (c) từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có năng lượng thấp hơn.