Nhiệt động lực học là ngành vật lí nghiên cứu các liên hệ giữa nhiệt lượng và các dạng năng lượng khác. Đặc biệt, nó mô tả nhiệt năng được biến đổi thành những dạng năng lượng khác và biến đổi từ những dạng năng lượng khác như thế nào, và nhiệt năng ảnh hưởng đến vật chất như thế nào.
Nhiệt năng là năng lượng mà một chất hay một hệ có được do nhiệt độ của nó, tức là năng lượng của các nguyên tử hay phân tử đang chuyển động. Nhiệt động lực học nghiên cứu việc đo năng lượng này, và việc đó có thể hết sức phức tạp. Theo giáo sư David McKee tại Đại học Missouri, “Những hệ mà chúng ta nghiên cứu trong nhiệt động lực học... gồm số lượng rất lớn nguyên tử hay phân tử đang tương tác với nhau hết sức phức tạp. Nhưng nếu những hệ này đáp ứng những điều kiện nhất định, cái chúng ta gọi là cân bằng, thì chúng có thể được mô tả với số lượng rất ít thông số. Thông thường các thông số này là khối lượng của hệ, áp suất của hệ, và thể tích của hệ, hay một tập hợp gồm các thông số tương đương khác. Ba con số mô tả được 1026 hoặc 1030 biến độc lập.”
Nhiệt lượng là năng lượng có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác, hoặc truyền từ vật này sang vật khác. Ví dụ, lò điện biến đổi điện năng thành nhiệt năng và dẫn năng lượng đó qua nồi đun sang nước. Nhiệt lượng này làm tăng động năng của các phân tử nước, làm cho chúng chuyển động nhanh hơn. Ở một nhiệt độ nhất định (điểm sôi), các nguyên tử thu đủ năng lượng để bứt khỏi các liên kết phân tử của chất lỏng và thoát ra dưới dạng hơi nước.
Nhiệt lượng
Như vậy, nhiệt động lực học khảo sát một số tính chất của vật chất; nổi bật nhất trong số này là nhiệt lượng. Nhiệt lượng là năng lượng truyền giữa các chất hay các hệ do chênh lệch nhiệt độ giữa chúng. Là một dạng năng lượng, nhiệt lượng được bảo toàn, tức là nó không tự sinh ra hay mất đi. Tuy nhiên, nó có thể truyền từ nơi này sang nơi khác. Nhiệt lượng cũng có thể được biến đổi thành những dạng năng lượng khác hoặc biến đổi từ những dạng năng lượng khác. Ví dụ, tuabin hơi nước có thể biến đổi nhiệt lượng thành động năng làm chạy máy phát điện biến đổi động năng thành điện năng. Bóng đèn có thể biến đổi điện năng này thành bức xạ điện từ (ánh sáng), rồi năng lượng này bị hấp thụ bởi một bề mặt nào đó, biến đổi nó thành nhiệt năng trở lại.
Nhiệt độ
Lượng nhiệt năng truyền bởi một chất phụ thuộc vào tốc độ và số lượng nguyên tử hay phân tử đang chuyển động. Các nguyên tử hay phân tử chuyển động càng nhanh thì nhiệt độ càng cao, và càng có nhiều nguyên tử hay phân tử đang chuyển động thì lượng nhiệt năng mà chúng truyền càng lớn.
Nhiệt độ là một số đo động năng trung bình của các hạt trong một mẩu chất, được biểu diễn theo đơn vị hay độ quy ước trên một thang đo chuẩn. Thang nhiệt độ được sử dụng rộng rãi nhất là Celsius, được xây dựng dựa trên điểm băng và điểm sôi của nước, được gán các giá trị tương ứng là 0 C và 100 C. Thang Fahrenheit cũng dựa trên điểm băng và điểm sôi của nước có giá trị được gán tương ứng là 32 F và 212 F.
Tuy nhiên, các nhà khoa học trên thế giới sử dụng thang nhiệt độ Kelvin, thang đo mang tên của huân tước Kelvin, William Thomson, vì nó tiện lợi trong tính toán. Thang đo này sử dụng khoảng chia độ giống thang nhiệt độ Celsius, tức độ biến thiên 1 C bằng độ biến thiên 1 K. Tuy nhiên, thang đo Kelvin bắt đầu tại không độ tuyệt đối, nhiệt độ tại đó nhiệt năng hoàn toàn triệt tiêu và tất cả chuyển động phân tử đều dừng lại. Nhiệt độ 0 K bằng – 273,15 C hay – 459,67 F.
Nhiệt dung riêng
Nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của một khối lượng chất nhất định lên một lượng nhất định được gọi là nhiệt dung riêng. Đơn vị tiện dụng cho nhiệt dung riêng là calo/gam/kelvin. Calo được định nghĩa là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của 1 g nước ở 4 C lên thêm 1 độ.
Nhiệt dung riêng của một kim loại phụ thuộc gần như hoàn toàn vào số lượng nguyên tử có trong mẩu, chứ không phải khối lượng của nó. Chẳng hạn, một kilogram nhôm có thể hấp thụ nhiệt lượng gấp bảy lần một kilogram chì. Tuy nhiên, các nguyên tử chì chỉ có thể hấp thụ nhiệt lượng nhiều hơn khoảng 8% so với cùng số lượng nguyên tử nhôm. Tuy nhiên, một khối lượng nước cho trước có thể hấp thụ nhiệt lượng gần gấp năm lần khối lượng nhôm bằng như vậy. Nhiệt dung riêng của một chất khí thì phức tạp hơn và phụ thuộc vào nó được đo ở áp suất không đổi hay thể tích không đổi.
Độ dẫn nhiệt
Độ dẫn nhiệt (k) là tốc độ truyền nhiệt qua một chất nhất định, được biểu diễn theo nhiệt lượng truyền qua trong đơn vị thời gian trên đơn vị diện tích với gradient nhiệt độ bằng một độ trên đơn vị khoảng cách. Đơn vị cho k là watt trên mét trên kelvin (W/m.K). Giá trị k cho các kim loại như đồng và bạc tương đối cao, tương ứng là 401 và 428 W/m.K. Tính chất này khiến các kim loại này có ích trong bộ tản nhiệt trong xe hơi và các cánh tản nhiệt cho chip máy vi tính vì chúng có thể thải nhiệt nhanh và trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. Giá trị cao nhất của k cho một vật liệu bất kì trong thiên nhiên là kim cương: 2200 W/m.K.
Những vật liệu khác thì có ích vì chúng là chất dẫn nhiệt cực kì kém; tính chất này được gọi là nhiệt trở, hay R, đại lượng mô tả tốc độ truyền nhiệt qua vật liệu. Những vật liệu này, như đá xốp, len dạ, bọt Styro, được dùng làm chất cách nhiệt cho tường nhà, áo khoác mùa đông và cốc đựng cà phê. Giá trị R được cho theo đơn vị feet bình phương nhân độ Fahrenheit nhân giờ trên đơn vị nhiệt Anh quốc (ft2·°F·h/Btu) cho một lát dày 1 inch.
Sự truyền nhiệt
Nhiệt có thể truyền từ vật này sang vật khác hoặc giữa một vật và môi trường bởi ba phương tiện khác nhau: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Dẫn nhiệt là sự truyền năng lượng xuyên qua một vật liệu rắn. Dẫn nhiệt giữa các vật xảy ra khi chúng tiếp xúc trực tiếp, và các phân tử truyền năng lượng của chúng xuyên qua lớp mặt.
Đối lưu là sự truyền nhiệt với một môi trường chất lưu. Các phân tử trong chất khí hoặc chất lỏng tiếp xúc với một vật rắn truyền nhiệt sang vật đó hoặc hấp thu nhiệt từ vật đó và rồi tỏa ra, cho phép các phân tử khác đi vào thế chỗ và lặp lại quá trình. Hiệu suất có thể cải thiện bằng cách tăng diện tích bề mặt được nung nóng hoặc làm nguội, như với bộ tản nhiệt, và bằng cách cưỡng bức chất lưu chuyển động trên bề mặt, ví dụ với quạt tản nhiệt.
Bức xạ nhiệt là sự phát xạ năng lượng điện từ, nhất là các photon hồng ngoại mang năng lượng nhiệt. Tất cả vật chất đều phát xạ và hấp thu một phần bức xạ điện từ nào đó, lượng toàn phần xác định chúng tỏa nhiệt hay thu nhiệt.
Chu trình Carnot
Năm 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot đã đề xuất một mô hình động cơ nhiệt dựa trên cái ngày nay gọi là chu trình Carnot. Chu trình khai thác các liên hệ giữa áp suất, thể tích và nhiệt độ của các chất khí và cách năng lượng thu vào có thể chuyển hóa và thực hiện công ra ngoài hệ.
Nén một chất khí làm tăng nhiệt độ của nó, cho nên nó trở nên nóng hơn môi trường xung quanh. Sau đó, nhiệt lượng có thể được lấy ra khỏi chất khí nóng bằng cách sử dụng một bộ trao đổi nhiệt. Sau đó người ta cho chất khí dãn nở làm cho nó nguội đi. Đây là nguyên lí hoạt động cơ bản của bơm nhiệt lượng dùng để làm nóng không khí, máy điều hòa không khí và tủ lạnh.
Tương tự, việc làm nóng một chất khí làm tăng áp suất của nó, làm cho nó dãn nở. Áp suất do dãn nở khi đó có thể được khai thác để dẫn động một piston, nhờ đó biến đổi nhiệt năng thành động năng. Đây là nguyên lí hoạt động cơ bản của động cơ nhiệt.
Entropy
Tất cả các hệ nhiệt động đều sinh nhiệt hao phí. Hao phí này mang lại sự tăng entropy. Entropy cho một hệ kín là một số đo định lượng của lượng nhiệt năng không sẵn có để thực hiện công. Entropy trong một hệ kín bất kì luôn luôn tăng; nó không bao giờ giảm. Ngoài ra, các bộ phận chuyển động còn sinh nhiệt hao phí do ma sát, và nhiệt bức xạ rò rỉ khỏi hệ là không thể tránh khỏi.
Điều này khiến cái gọi là động cơ vĩnh cửu là không thể. Theo giáo sư Siabal Mitra tại Đại học Missouri, “Bạn không thể chế tạo một động cơ hiệu suất 100%, nghĩa là bạn không thể chế tạo một động cơ vĩnh cửu. Tuy nhiên, có rất nhiều đồn đoán được lan truyền từ phía những người không tin, và có người vẫn đang cố gắng chế tạo động cơ vĩnh cửu.”
Entropy còn được định nghĩa là một số đo mức mất trật tự hay mức hỗn độn trong một hệ kín. Bạn có thể trộn lẫn nước nóng và nước lạnh, nhưng vì một cốc lớn nước ấm thì mất trật tự hơn hai cốc nhỏ hơn chứa nước nóng và nước lạnh, bạn không bao giờ có thể phân tách nó trở lại thành nước nóng và nước lạnh mà không cấp thêm năng lượng vào hệ. Nói cách khác, bạn không thể phục hồi một quả trứng vỡ hay loại hết kem ra khỏi cốc cà phê. Trong khi một số quá trình có vẻ hoàn toàn thuận nghịch, nhưng trên thực tế, không quá trình nào là hoàn toàn thuận nghịch cả. Do đó, entropy mang lại cho chúng ta một mũi tên thời gian: thời gian trôi theo chiều tăng entropy.
Bốn định luật của nhiệt động lực học
Các nguyên lí cơ bản của nhiệt động lực học ban đầu được phát biểu thành ba định luật. Sau đó, người ta thấy có một định luật cơ bản hơn nữa đã bị bỏ qua, nó hiển nhiên đến mức người ta quên phát biểu. Để có tập hợp đầy đủ các quy luật, các nhà khoa học xác định cần phải bổ sung thêm định luật cơ bản này. Tuy nhiên, vấn đề là ba định luật kia đã được thiết lập và được gán số thứ tự. Nếu gán lại số thứ tự cho các định luật đã phát biểu thì sẽ gây nhiều nhầm lẫn và thiếu hợp lí, cuối cùng thì nhà vật lí người Anh Ralph H. Fowler đề xuất một giải pháp giải quyết được tình thế lưỡng nan đó: ông gọi định luật mới là định luật thứ không. Tóm tắt các định luật này như sau:
Định luật thứ không phát biểu rằng nếu hai vật cân bằng nhiệt với một vật thứ ba, thì chúng cũng cân bằng nhiệt với nhau. Định luật này thiết lập nhiệt độ là một tính chất cơ bản và có thể đo được của vật chất.
Định luật thứ nhất phát biểu rằng tổng độ tăng năng lượng của một hệ bằng độ tăng nhiệt năng cộng với công thực hiện trên hệ. Định luật này phát biểu rằng nhiệt là một dạng năng lượng và do đó tuân theo nguyên lí bảo toàn năng lượng.
Định luật thứ hai phát biểu rằng nhiệt năng không thể truyền từ một vật lạnh sang một vật khác nóng hơn mà không cần cấp thêm năng lượng. Đây là lí do bạn phải chi tiền để chạy máy điều hòa không khí.
Định luật thứ ba phát biểu rằng entropy của một tinh thể tinh khiết ở không độ tuyệt đối là bằng không. Như đã lí giải ở trên, entropy đôi khi được gọi là “năng lượng hao phí”, tức là phần năng lượng không thể thực hiện công. Entropy còn là số đo mức hỗn độn trong một hệ, và trong khi một tinh thể hoàn hảo theo định nghĩa là trật tự hoàn toàn, thì một giá trị dương bất kì của nhiệt độ có nghĩa là có chuyển động bên trong tinh thể, gây ra sự hỗn độn. Vì những lí do này, không thể có hệ vật chất nào có entropy thấp hơn nữa, vì thế entropy luôn luôn có giá trị dương.
Nhiệt động lực học đã được phát triển trong hàng thế kỉ, và các nguyên lí của nó áp dụng cho hầu hết mọi dụng cụ từng được con người phát minh. Tầm quan trọng của nó trong công nghệ hiện đại là không thể xem nhẹ.
Nguồn: LiveScience
