Nhiệt động lực học

Vật chất tồn tại ở ba trạng thái: rắn, lỏng và khí.

Các trạng thái thay đổi gồm: nóng chảy (rắn → lỏng), sôi/bay hơi (lỏng → khí), ngưng tụ (khí → lỏng) và đóng rắn (lỏng → rắn). Trong quá trình ngưng tụ, các hạt khí di chuyển chậm lại và tụ lại gần nhau để tạo thành chất lỏng. Trong quá trình đóng rắn, các hạt lỏng mất năng lượng và cố định vào vị trí xác định.

Tất cả vật chất đều được cấu tạo từ những hạt cực nhỏ luôn chuyển động. Đây là mô hình hạt động học.

• Trong chất rắn, các hạt chỉ dao động quanh các vị trí cố định.
• Trong chất lỏng, chúng vẫn ở gần nhau nhưng có thể trượt qua nhau.
• Trong chất khí, chúng nằm cách xa nhau và di chuyển nhanh theo các hướng ngẫu nhiên.

Nhiệt độ và năng lượng hạt

Khi đun nóng một chất, các hạt của nó di chuyển nhanh hơn, do đó có nhiều năng lượng động học hơn. Nhiệt độ là đại lượng đo mức năng lượng động học trung bình của các hạt.

Nhiệt độ thấp nhất có thể là không tuyệt đối, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. Tại điểm này, các hạt có ít năng lượng nhất có thể.

Áp suất khí

Các hạt khí va chạm vào thành bình chứa. Mỗi lần va chạm là một lực đẩy nhỏ. Áp suất của khí là tổng lực của các va chạm này trên một đơn vị diện tích.

• Đun nóng khí (ở thể tích không đổi) làm cho các hạt di chuyển nhanh hơn và va chạm mạnh hơn cũng như thường xuyên hơn, nên áp suất tăng lên.
• Nén khí vào thể tích nhỏ hơn (ở nhiệt độ không đổi) nghĩa là có nhiều va chạm hơn mỗi giây trên mỗi đơn vị diện tích, nên áp suất tăng lên.

Đối với một khối lượng khí xác định ở nhiệt độ không đổi:

Vì vậy, nếu thể tích giảm một nửa thì áp suất tăng gấp đôi.

Ví dụ tính toán. Một khí có thể tích $200\ \text{cm}^3$ ở áp suất $100\ \text{kPa}$. Nó bị nén đến $50\ \text{cm}^3$ ở nhiệt độ không đổi. Tìm áp suất mới.

Vì $pV$ giữ nguyên, ta có $p_1 V_1 = p_2 V_2$:

Chuyển động Brown

Nếu bạn nhìn khói trong không khí dưới kính hiển vi, bạn sẽ thấy các hạt nhỏ li ti chuyển động theo kiểu giật cục, ngẫu nhiên. Đây là chuyển động Brown. Các hạt nhỏ này bị đẩy bởi các hạt không khí nhanh, vô hình va chạm vào chúng. Đây là bằng chứng mạnh mẽ cho mô hình hạt động học.

Thang đo Kelvin

Các nhà khoa học thường sử dụng thang đo nhiệt độ kelvin (K), bắt đầu từ không tuyệt đối. Để chuyển đổi:

Vì vậy $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.

Ví dụ tính toán. Chuyển $25\,{}^{\circ}\text{C}$ sang kelvin, và $200\ \text{K}$ sang độ Celsius.

Khi vật chất được đun nóng, các hạt của nó di chuyển nhiều hơn và chiếm nhiều không gian hơn, nên vật liệu giãn nở. Khí giãn nở nhiều nhất, sau đó là chất lỏng, rồi đến chất rắn. Thứ tự này xuất phát từ lực giữa các hạt: trong chất rắn, các hạt bị giữ chặt trong mạng tinh thể (một mẫu cố định), nên chúng chỉ có thể dao động thêm một chút; trong chất lỏng, chúng bị giữ yếu hơn; trong chất khí, lực rất yếu, nên các hạt phân tán ra xa hơn nhiều.

Ví dụ thực tế: để khe hở giữa các thanh ray; cầu đặt trên con lăn; nắp kim loại chật khi được làm nóng sẽ nới lỏng.

Năng lượng nội tại của một vật là tổng năng lượng của tất cả các hạt của nó. Đun nóng một vật sẽ làm tăng năng lượng nội tại và thường là nhiệt độ của vật đó.

Nhiệt dung riêng là lượng năng lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của 1 kg vật liệu lên 1 °C.

Một vật liệu có nhiệt dung riêng cao (như nước) cần nhiều năng lượng để làm nóng và nguội đi chậm.

Ví dụ có lời giải. Cần bao nhiêu năng lượng để làm nóng $2.0\ \text{kg}$ nước từ $20\,{}^{\circ}\text{C}$ đến $70\,{}^{\circ}\text{C}$? Nhiệt dung riêng của nước là $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.

Chuyển vế $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ ta được $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, với $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:

Đo nhiệt dung riêng. Đối với chất rắn, dùng một khối kim loại có hai lỗ: một lỗ cho bếp điện và một lỗ cho nhiệt kế. Đo khối lượng $m$ của khối. Bật bếp trong khoảng thời gian đã đo $t$ và ghi lại dòng điện $I$ cùng điện áp $V$, để năng lượng cung cấp là $E = IVt$ (hoặc đọc năng lượng từ máy đo Joule). Ghi lại độ tăng nhiệt độ $\Delta\theta$. Khi đó $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. Đối với chất lỏng, đun nóng một khối lượng đã đo của chất lỏng trong bình chứa và khuấy đều, để nhiệt độ đồng nhất khắp nơi. Bao khối hoặc bình chứa bằng vật liệu cách nhiệt, để ít năng lượng thoát ra không khí hơn.

Nóng chảy và sôi cần năng lượng, nhưng nhiệt độ vẫn giữ nguyên trong khi trạng thái thay đổi. Năng lượng này phá vỡ các lực liên kết giữa các hạt. Đối với nước ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn, nóng chảy xảy ra ở $0\,{}^{\circ}\text{C}$ và sôi ở $100\,{}^{\circ}\text{C}$.

Bay hơi là quá trình chất lỏng chuyển sang khí tại bề mặt, dưới điểm sôi. Các hạt chuyển động nhanh nhất thoát ra khỏi bề mặt. Vì các hạt nhanh nhất (có năng lượng cao nhất) đã rời đi, nên năng lượng trung bình của những hạt còn lại giảm xuống, do đó chất lỏng bị làm mát. Một vật chạm vào chất lỏng đang bay hơi cũng bị lạnh đi, vì chất lỏng lấy năng lượng từ vật đó: đây là lý do tại sao mồ hôi làm mát da bạn.

Sự bay hơi diễn ra nhanh hơn khi nhiệt độ cao hơn, diện tích bề mặt lớn hơn, và có nhiều không khí lưu thông trên bề mặt.

Nhiệt năng di chuyển từ nơi nóng sang nơi lạnh theo ba cách.

Dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là sự truyền tải nhiệt năng qua một vật liệu mà bản thân vật liệu đó không di chuyển. Các hạt trong chất rắn nằm trong mạng tinh thể. Các hạt bị nung nóng dao động mạnh hơn và truyền năng lượng cho các hạt lân cận. Trong kim loại, các electron tự do (electron phân tán) vận chuyển năng lượng rất nhanh, vì vậy kim loại là chất dẫn nhiệt tốt.

Các vật liệu dẫn nhiệt kém (như không khí, gỗ và nhựa) được gọi là chất cách nhiệt.

Thử nghiệm tính dẫn nhiệt. Gắn một chiếc ghim giấy bằng một chút sáp vào một đầu của các thanh đồng, sắt, thủy tinh và gỗ, sau đó làm nóng đều các đầu kia. Chiếc ghim rơi đầu tiên từ thanh đồng, tiếp theo là thanh sắt, và cuối cùng (hoặc không bao giờ) từ thanh thủy tinh và gỗ: kim loại là chất dẫn nhiệt tốt nhất. Một thanh kim loại cầm trong ngọn lửa sẽ nhanh chóng cảm thấy nóng; một thanh gỗ thì không.

Khí và hầu hết các chất lỏng là chất dẫn nhiệt kém vì các hạt của chúng nằm xa nhau và chỉ truyền năng lượng khi chúng va chạm ngẫu nhiên. Không có mạng tinh thể và không có electron tự do.

Đối lưu

Đối lưu xảy ra trong chất lỏng và khí. Khi chất lưu được làm nóng, nó giãn nở, trở nên kém đặc hơn và nổi lên. Chất lưu mát hơn, đặc hơn chìm xuống để chiếm chỗ. Vòng tuần hoàn của dòng chất lưu chuyển động này tạo thành dòng đối lưu.

Minh họa đối lưu. Nhỏ một tinh thể kali permanganat màu tím vào cốc nước và nhẹ nhàng đun nóng cốc ngay dưới tinh thể. Một dòng màu sắc nổi lên trên vùng nhiệt, lan tỏa ra phía trên và chìm xuống ở hai bên. Trong không khí, một ngọn nến thắp sáng bên dưới một ống khói của hộp khói sẽ hút khói xuống ống khói kia và bốc lên trên ngọn lửa.

Đối lưu không thể xảy ra trong chất rắn vì các hạt không thể di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác.

Bức xạ

Bức xạ nhiệt là năng lượng được mang bởi sóng hồng ngoại. Mọi vật đều phát ra bức xạ này, và nó không cần vật liệu nào để truyền đi — nó có thể vượt qua không gian trống (đây là cách năng lượng đến Trái Đất từ Mặt Trời).

Bề mặt xám và màu đen là nguồn phát và nguồn hấp thụ hồng ngoại tốt. Bề mặt bóng và màu trắng là nguồn phát kém và là nguồn phản xạ tốt.

So sánh các bề mặt. Đổ đầy nước nóng có cùng nhiệt độ vào hai lon, một lon màu đen nhám và một lon màu bạc bóng, rồi đặt nhiệt kế vào mỗi lon. Lon màu đen nguội nhanh hơn, nên nó là nguồn phát tốt hơn. Sau đó, đặt hai lon như vậy (lúc này chứa nước lạnh) ở khoảng cách bằng nhau từ một máy sưởi. Lon màu đen nóng lên nhanh hơn, nên nó là nguồn hấp thụ tốt hơn. Một khối Leslie (hộp kim loại có một mặt của mỗi loại bề mặt) cũng minh họa điều tương tự.

Một vật duy trì nhiệt độ ổn định khi nó phát năng lượng với tốc độ bằng với tốc độ hấp thụ năng lượng. Tốc độ phát xạ tăng lên khi bề mặt nóng hơn và lớn hơn. Nếu một vật hấp thụ năng lượng nhanh hơn nó phát ra, nhiệt độ của nó sẽ tăng; nếu nó phát nhanh hơn hấp thụ, nhiệt độ sẽ giảm.

Nhiệt độ của Trái Đất. Trái Đất hấp thụ bức xạ từ Mặt Trời và phát ra bức xạ hồng ngoại trở lại không gian. Nhiệt độ trung bình của nó chỉ giữ nguyên khi hai tốc độ này bằng nhau. Bất cứ yếu tố nào làm thay đổi sự cân bằng này đều làm thay đổi nhiệt độ. Các khí trong khí quyển như carbon dioxide hấp thụ một phần bức xạ hồng ngoại phát ra và phản xạ một phần trở lại mặt đất, khiến lượng khí này làm Trái Đất ấm thêm. Mây và băng phản xạ ánh sáng mặt trời tới, nên ít băng hơn nghĩa là hấp thụ nhiều năng lượng hơn, và Trái Đất tiếp tục ấm lên.

Ví dụ hàng ngày

• Một nồi nấu ăn có đáy kim loại dẫn nhiệt nhanh đến thực phẩm, và tay cầm bằng nhựa hoặc gỗ là chất cách nhiệt, giúp bạn có thể cầm nắm an toàn.
• Một máy sưởi làm nóng phòng bằng đối lưu: không khí sát máy sưởi ấm lên, nổi lên, và không khí lạnh hơn tràn vào chiếm chỗ, khiến cả phòng ấm lên.
• Ngồi gần bếp lửa, bạn cảm nhận ngay lập tức bức xạ từ lửa lên khuôn mặt; không khí giữa bạn và ngọn lửa là chất dẫn nhiệt kém.
• Bình giữ nhiệt giữ cho đồ uống nóng bằng cách ngăn chặn cả ba hình thức truyền nhiệt: lớp chân không giữa hai thành ngăn dẫn nhiệt và đối lưu, còn bề mặt sáng bóng màu bạc ngăn bức xạ.

• Trong mô hình hạt động học, khi làm nóng khí, các hạt chuyển động nhanh hơn và va chạm vào thành bình mạnh hơn và thường xuyên hơn, nên áp suất tăng lên. Bản thân các hạt không trở nên lớn hơn.
• Sự bay hơi chỉ xảy ra ở bề mặt và ở bất kỳ nhiệt độ nào; sự sôi xảy ra toàn bộ trong chất lỏng ở một nhiệt độ xác định. Sự bay hơi làm lạnh phần chất lỏng còn lại, vì những hạt có tốc độ cao nhất thoát ra ngoài.
• Trong quá trình nóng chảy và sôi, nhiệt độ vẫn giữ nguyên dù năng lượng vẫn tiếp tục được cung cấp — năng lượng này dùng để phá vỡ lực liên kết giữa các hạt.
• Để tính nhi dung riêng, sử dụng $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, trong đó $\Delta\theta$ là độ biến thiên nhiệt độ, chứ không phải nhiệt độ cuối cùng.
• Bề mặt đen nhám là nguồn phát và hấp thụ tia hồng ngoại tốt nhất; bề mặt sáng bóng, màu nhạt phản xạ tốt nhất. Đối lưu cần chất lưu chuyển động, do đó không thể xảy ra trong chất rắn.