Thuật ngữ nhiệt động học (hoặc nhiệt động lực học) có hai nghĩa:
1. Khoa học về nhiệt và các động cơ nhiệt (nhiệt động học cổ điển)
2. Khoa học về các hệ thống ở trạng thái cân bằng (nhiệt động học cân bằng)
Ban đầu, nhiệt động học chỉ mang nghĩa thứ nhất. Về sau, các công trình tiên phong của Ludwig Boltzmann đã đem lại nghĩa thứ hai.
Các nguyên lý nhiệt động học có thể áp dụng cho mọi hệ vật lý, chỉ cần biết sự trao đổi năng lượng với môi trường mà không phụ thuộc vào chi tiết tương tác trong các hệ ấy. Albert Einstein đã dựa vào nhiệt động học để tiên đoán về phát xạ tự nhiên. Gần đây còn có một nghiên cứu về nhiệt động học hố đen.
Nhiệt động học là lý thuyết vật lý duy nhất tổng quát, trong khả năng ứng dụng và trong các cơ sở lý thuyết của nó, mà tôi tin rằng sẽ không bao giờ bị lật đổ. — Albert Einstein
Nhiệt động học là một bộ phận của vật lý thống kê. Cả hai đều nằm trong số những lý thuyết lớn làm nền tảng cho những kiến thức đương đại về vật chất.
[sửa] Phương pháp
Nhiệt động học chia vũ trụ ra thành các hệ ngăn cách bởi biên giới (có thật hay tưởng tượng). Tất cả các hệ không trực tiếp nằm trong nghiên cứu được quy là môi trường xung quanh. Có thể chia nhỏ một hệ thành nhiều hệ con, hoặc nhóm các hệ nhỏ thành hệ lớn. Thường, mỗi hệ nằm ở một trạng thái nhất định đặc trưng bởi một số thông số (thông số sâu và thông số rộng). Các thông số này có thể được liên hệ qua các phương trình trạng thái. Xem thêm trang các trạng thái vật chất.
[sửa] Nhiệt động học cổ điển
Nhiệt và nhiệt độ là những khái niệm cơ bản của nhiệt động học. Nhiệt động học cổ điển nghiên cứu tất cả những hiện tượng chịu sự chi phối của:
* Nhiệt
* Sự biến thiên của nhiệt
[sửa] Nhiệt và nhiệt độ
Bằng trực giác, mỗi chúng ta đều biết đến khái niệm nhiệt độ. Một vật được xem là nóng hay lạnh tùy theo nhiệt độ của nó cao hay thấp. Nhưng thật khó để đưa ra một định nghĩa chính xác về nhiệt độ. Một trong những thành tựu của nhiệt động học trong thế kỷ 19 là đã đưa ra được định nghĩa về nhiệt độ tuyệt đối của một vật, đo bằng đơn vị Kelvin, độ không tuyệt đối = không độ Kelvin ≈ -273.15 độ C.
Khái niệm nhiệt còn khó định nghĩa hơn. Một lý thuyết cổ, được bảo vệ bởi Antoine Lavoisier, cho rằng nhiệt là một dịch thể đặc biệt (không màu sắc, không khối lượng), gọi là chất nhiệt, chảy từ vật này sang vật khác. Một vật càng chứa nhiều chất nhiệt thì nó càng nóng. Thuyết này sai ở chỗ chất nhiệt không thể đồng nhất với một đại lượng vật lý được bảo toàn. Về sau, nhiệt động học đã làm rõ nghĩa cho khái niệm nhiệt lượng trao đổi.
[sửa] Nhiệt động học cân bằng
Định nghĩa nhiệt động học như là một khoa học về các hệ ở trạng thái cân bằng là một cách tiếp cận vừa tổng quát vừa rất chặt chẽ. Nhiệt động học cân bằng làm việc với các quá trình trao đổi năng lượng (và, do đó, vật chất) ở trạng thái gần cân bằng. Các quá trình nhiệt động học không cân bằng được nghiên cứu bởi nhiệt động học phi cân bằng.
[sửa] Cân bằng tĩnh và quy luật của các số lớn
Khi ta tung rất nhiều lần một con xúc xắc có cấu trúc thật đều, ta có thể đoán trước một cách chắn chắn rằng tần số xuất hiện của mỗi mặt đều xấp xỉ 1/6. Số lần tung càng nhiều thì các tần số xuất hiện của từng mặt càng gần nhau bởi vì con xúc xắc đã khai thác tất cả các khả năng nhận được. Điều tương tự cũng xảy ra khi ta cho một giọt chất màu vào một cốc nước. Chờ càng lâu ta thấy cốc nước càng trở được nhuộm màu đều bởi lẽ các phân tử màu cho vào đã khai thác tất cả các khả năng nhận được - ở đây là các vùng bên trong cốc.
Các quan sát trên có thể được tổng quát hóa. Trong một hệ rất lớn, và khi trạng thái cân bằng của nó có thể đạt được, người ta có thể dự đoán chính xác "số phận" của hệ ngay cả khi "số phận" của nhiều bộ phận không thể xác định được.
[sửa] Ở cấp độ nguyên tử
Ngày nay ta biết rằng nguyên tử tồn tại và chúng rất nhỏ. Nói cách khác, trong bất cứ một mẫu vật chất nào cũng có rất nhiều nguyên tử, trong một hạt cát có hàng tỉ tỉ nguyên tử. Nhiều định luật vật lý của thế giới vĩ mô không áp dụng được cho các nguyên tử.
[sửa] Cân bằng nhiệt
Nghiên cứu về các cân bằng nhiệt có tầm quan trọng đặc biệt. Tất cả các thể của vật chất (khí, lỏng, rắn, bán lỏng, ...) và tất cả các hiện tượng vật lý (cơ, điện - từ, quang, ...) đều có thể nghiên cứu thông qua lý luận trên sự cân bằng của các hệ lớn. Nhiệt động học, mà người ta hay đồng nhất với vật lý thống kê, là một trong những nền tảng vững chắc nhất trên đó các kiến thức hiện đại về vật chất được xây dựng.
[sửa] Các định luật
Các định luật của nhiệt động lực học còn được gọi là các nguyên lý nhiệt động lực học.
[sửa] Định luật 0
Định luật 0, hay nguyên lý cân bằng nhiệt động, nói về cân bằng nhiệt động. Hai hệ nhiệt động đang nằm trong cân bằng nhiệt động với nhau khi chúng được cho tiếp xúc với nhau nhưng không có trao đổi năng lượng. Nó được phát biểu như sau: "Nếu hai hệ có cân bằng nhiệt động với cùng một hệ thứ ba thì chúng cũng cân bằng nhiệt động với nhau".
Định luật 0 được phát biểu muộn hơn 3 định luật còn lại nhưng lại rất quan trọng nên được đánh số 0. Cân bằng nhiệt động bao hàm cả cân bằng nhiệt, cân bằng cơ học và cân bằng hoá học. Đây cũng là nền tảng của phép đo nhiệt.
[sửa] Định luật 1
Xem thêm định luật bảo toàn năng lượng
Định luật 1, hay nguyên lý thứ nhất, chính là định luật bảo toàn năng lượng, khẳng định rằng năng lượng luôn được bảo toàn. Nói cách khác, tổng năng lượng của một hệ kín là không đổi. Các sự kiện xảy ra trong hệ chẳng qua là sự chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Như vậy năng lượng không thể sinh ra từ hư không, nó luôn biến đổi trong tự nhiên. Trong toàn vũ trụ, tổng năng lượng không đổi, nó chỉ có thể chuyển từ hệ này sang hệ khác. Người ta không thể "tạo ra" năng lượng, người ta chỉ "chuyển dạng" năng lượng mà thôi.
Phát biểu cách khác:
Nhiệt năng truyền vào một hệ bằng thay đổi nội năng của hệ cộng với công năng mà hệ sinh ra cho môi trường.
Đây cũng là một cách để định nghĩa nhiệt năng.
Định luật 1 của nhiệt động học cũng là một nguyên lý tổng quát cho tất cả các lý thuyết vật lý (cơ học, điện từ học, vật lý hạt nhân, ...). Chưa từng thấy ngoại lệ của định luật này, tuy rằng đôi khi người ta cũng nghi ngờ nó, nhất là trong các phân rã phóng xạ. Tiên đề Noether cho rằng sự bảo toàn năng lượng có liên quan chặt chẽ tới độ đồng dạng về cấu trúc của không-thời gian.
[sửa] Định luật 2
Bài chi tiết: định luật hai nhiệt động lực học
Định luật 2, hay nguyên lý thứ hai, còn gọi là nguyên lý về entropy, liên quan đến tính không thể đảo ngược của một quá trình nhiệt động lực học và đề ra khái niệm entropy. Nguyên lý này phát biểu rằng entropy của một hệ kín chỉ có hai khả năng, hoặc là tăng lên, hoặc giữ nguyên. Từ đó dẫn đến định luật là không thể chuyển từ trạng thái mất trật tự sang trạng thái trật tự nếu không có sự can thiệp từ bên ngoài.
Một cách phát biểu khác là:
Một hệ lớn và không trao đổi năng lượng với môi trường sẽ có entropy luôn tăng hoặc không đổi theo thời gian.
Vì entropy là mức độ hỗn loạn của hệ, định luật này nói rằng vũ trụ sẽ ngày càng "hỗn loạn" hơn. Cơ học thống kê đã chứng minh rằng định luật này là một định lý, đúng cho hệ lớn và trong thời gian dài. Đối với hệ nhỏ và thời gian ngắn, có thể có thay đổi ngẫu nhiên không tuân thủ định luật này. Nói cách khác, không như định luật 1, các định luật vật lý chi phối thế giới vi mô chỉ tuân theo định luật 2 một cách gián tiếp và có tính thống kê. Ngược lại, định luật 2 khá độc lập so với các tính chất của các định luật đó, bởi lẽ nó chỉ thể hiện khi người ta trình bày các định luật đó một cách giản lược hóa và ở quy mô nhỏ.
[sửa] Định luật 3
Nguyên lý số ba, hay nguyên lý Nernst, còn gọi là nguyên lý độ không tuyệt đối, đã từng được bàn cãi nhiều nhất, gắn liền với sự tụt xuống một trạng thái lượng tử cơ bản khi nhiệt độ của một hệ tiến đến giới hạn của độ không tuyệt đối. Định luật này được phát biểu như sau.
Trạng thái của mọi hệ không thay đổi tại nhiệt độ không tuyệt đối (0°K)
[sửa] Đại lượng mở rộng và đại lượng bổ sung
Bài chi tiết: Đại lượng mở rộng và đại lượng bổ sung
Người ta phân biệt các đại lượng vật lý chi phối trạng thái nhiệt động của một hệ thành hai loại: các đại lượng mở rộng và các đại lượng bổ sung.
Một hệ luôn có thể được phân chia - bằng tưởng tượng - thành từng phần tách biệt trong không gian.
Một đại lượng được gọi là đại lượng mở rộng khi giá trị của của nó trong hệ bằng tổng giá trị của nó trong từng phần của hệ đó. Thí dụ:
* Thể tích
* Khối lượng
* Số lượng các hạt cùng loại
* Năng lượng và entropy - trong nhiều trường hợp
* Điện tích (trong trường hợp này, tổng nên hiểu là tổng đại số, bao gồm cả điện tích âm và điện tích dương)
Một đại lượng gọi là đại lượng bổ sung khi trong một hệ đồng nhất, giá trị của nó trong toàn hệ bằng với giá trị của nó trong từng phần của hệ đó. Thí dụ:
* Áp suất
* Nhiệt độ
* Khối lượng riêng
cũng như tỷ số của hai đại lượng mở rộng bất kỳ.
Một đại lượng có thể không là đại lượng mở rộng cũng không là đại lượng bổ sung, chẳng hạn đại lượng "bình phương thể tích".
17/11/2011, 00:34 by zinzin_kauam
Tiêu đề: Nhiệt động lực học ! 