Nhiệt động lực học là gì?

Nhiệt động lực học là ngành vật lý nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt và các dạng năng lượng khác. Đặc biệt, nó mô tả cách nhiệt được chuyển đổi thành và từ các dạng năng lượng khác, và nhiệt ảnh hưởng đến vật chất như thế nào.

Nhiệt năng là năng lượng mà một chất hoặc hệ có được do nhiệt độ của nó, tức là năng lượng của các nguyên tử hoặc phân tử trong chuyển động. Nhiệt động lực học nghiên cứu phép đo năng lượng này, có thể rất phức tạp. Theo Giáo sư David McKee của Đại học Missouri, “Các hệ thống chúng ta nghiên cứu về nhiệt động lực học … bao gồm rất nhiều nguyên tử hoặc phân tử tương tác theo những cách rất phức tạp. Nhưng nếu những hệ thống này thỏa mãn một số điều kiện, mà chúng ta gọi là cân bằng, có thể được mô tả bởi rất ít tham số. Thông thường những tham số này là khối lượng của hệ thống, áp suất của hệ thống và thể tích của hệ thống hoặc một tập hợp các tham số tương đương khác. Ba con số mô tả 1026 hoặc 1030 biến độc lập. “

Nhiệt là năng lượng có thể được chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác. Ví dụ, bếp điện chuyển năng lượng điện thành nhiệt, và nồi biến năng lượng điện thành nước. Nhiệt lượng này làm tăng động năng của các phân tử nước, khiến chúng chuyển động nhanh hơn. Ở một nhiệt độ nhất định (điểm sôi), các nguyên tử thu được đủ năng lượng để phá vỡ các liên kết phân tử của chất lỏng và thoát ra dưới dạng hơi nước.

Hấp ​​dẫn

Do đó, nhiệt động lực học nghiên cứu một số tính chất nhất định của vật chất, trong đó nổi bật nhất là nhiệt trị. Nhiệt là năng lượng truyền giữa các chất hoặc hệ do sự chênh lệch nhiệt độ giữa chúng. Một dạng năng lượng, nhiệt được bảo toàn, tức là nó không được tạo ra cũng như không bị phá hủy. Tuy nhiên, nó có thể lây lan từ nơi này sang nơi khác. Nhiệt cũng có thể được chuyển đổi thành và từ các dạng năng lượng khác. Ví dụ, một tuabin hơi nước có thể chuyển đổi nhiệt năng thành động năng, điều này dẫn động một máy phát điện chuyển động năng thành điện năng. Bóng đèn có thể chuyển đổi năng lượng điện này thành bức xạ điện từ (ánh sáng), sau đó được bề mặt hấp thụ, chuyển hóa trở lại thành nhiệt.

Nhiệt độ

Nhiệt lượng do vật chất truyền đi phụ thuộc vào tốc độ và số lượng nguyên tử hoặc phân tử chuyển động. Các nguyên tử hoặc phân tử chuyển động càng nhanh, nhiệt độ càng cao và càng nhiều nguyên tử hoặc phân tử chuyển động thì chúng càng truyền nhiều nhiệt.

Nhiệt độ là thước đo động năng trung bình của các hạt trong một mẫu vật chất, được biểu thị bằng đơn vị hoặc độ tiêu chuẩn. Thang đo nhiệt độ được sử dụng rộng rãi nhất là độ C, dựa trên điểm đóng băng và điểm sôi của nước, xác định các giá trị tương ứng là 0 độ C và 100 độ C. Độ F cũng dựa trên điểm đóng băng và điểm sôi của nước, được gán các giá trị tương ứng là 32 f và 212 f.

Tuy nhiên, các nhà khoa học trên khắp thế giới sử dụng thang đo nhiệt độ Kelvin, được đặt theo tên của William Thomson, Lord Kelvin, để dễ tính toán. Thang này sử dụng cùng thang với thang độ C, tức là sự thay đổi của 1 c tương đương với sự thay đổi của 1 k. Tuy nhiên, thang Kelvin bắt đầu từ độ không tuyệt đối, nhiệt độ mà năng lượng nhiệt bị tiêu tán hoàn toàn và mọi chuyển động phân tử chấm dứt. Nhiệt độ 0 k bằng – 273,15 c hoặc – 459,67 f.

Nhiệt lượng riêng

Nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của một thể tích của một chất lên một lượng nhất định được gọi là nhiệt dung riêng. Một đơn vị thuận tiện của nhiệt lượng riêng là calo / gam / Kelvin. Calo được định nghĩa là nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của 1 gam nước lên 1 độ ở 4 độ C.

Xem Thêm : Cảm nghĩ về người bà kính yêu của em – Văn 7 (22 mẫu)

Nhiệt dung riêng của kim loại phụ thuộc gần như hoàn toàn vào số nguyên tử có trong mẫu, không phải khối lượng của nó. Ví dụ, một kilôgam nhôm hấp thụ nhiệt nhiều gấp bảy lần một kilôgam chì. Tuy nhiên, các nguyên tử chì chỉ có thể hấp thụ nhiệt nhiều hơn khoảng 8% so với cùng số nguyên tử nhôm. Tuy nhiên, một khối lượng nhất định của nước hấp thụ nhiệt nhiều gấp năm lần khối lượng nhôm tương tự. Nhiệt dung riêng của một chất khí phức tạp hơn và phụ thuộc vào việc 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 thị bằng truyền nhiệt trên một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian, với gradien nhiệt độ là 1 độ trên một đơn vị khoảng cách. Đơn vị của k là watt trên mét trên Kelvin (w / m.k). Các kim loại như đồng và bạc có giá trị k tương đối cao lần lượt là 401 và 428 w / m.k. Đặc tính này làm cho những kim loại này trở nên hữu ích cho bộ tản nhiệt xe hơi và bộ tản nhiệt cho chip máy tính, vì chúng tản nhiệt nhanh chóng và trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. Giá trị k cao nhất của bất kỳ vật liệu nào trong tự nhiên là kim cương: 2200 w / m.k.

Các vật liệu khác cũng hữu ích vì chúng là chất dẫn nhiệt cực kỳ kém; đặc tính này được gọi là điện trở nhiệt, hay r, và mô tả tốc độ truyền nhiệt qua vật liệu. Những vật liệu này như đá xốp, nỉ và Xốp được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt cho tường, áo khoác mùa đông và tách cà phê. Đối với lát dày 1 inch, giá trị r tính bằng feet bình phương nhân Fahrenheit giờ trên đơn vị nhiệt Anh (ft2 ° f h / btu).

Truyền nhiệt

Nhiệt có thể được truyền từ vật này sang vật khác hoặc giữa vật và môi trường theo ba cách khác nhau: dẫn, đối lưu và bức xạ. Sự dẫn điện là sự truyền năng lượng qua một vật liệu rắn. Sự dẫn nhiệt xảy ra khi các vật thể tiếp xúc trực tiếp và các phân tử truyền năng lượng qua lớp bề mặt.

Đối lưu là sự truyền nhiệt qua môi trường chất lỏng. Các phân tử trong chất khí hoặc chất lỏng tiếp xúc với chất rắn sẽ truyền nhiệt hoặc hấp thụ nhiệt từ một vật và sau đó giải phóng nó, cho phép các phân tử khác thay thế nó và lặp lại quá trình. Hiệu suất có thể được cải thiện bằng cách tăng diện tích bề mặt được làm nóng hoặc làm mát, như tản nhiệt và bằng cách buộc chất lỏng di chuyển trên bề mặt, chẳng hạn như với tản nhiệt.

Bức xạ nhiệt là sự phát ra năng lượng điện từ, đặc biệt là các photon hồng ngoại mang năng lượng nhiệt. Tất cả vật chất đều phát ra và hấp thụ một số lượng bức xạ điện từ, và tổng lượng này quyết định liệu chúng tỏa nhiệt hay thu nhiệt.

Chu trình Carnot

Năm 1824, nicolas xenard sadi carnot đề xuất một mô hình động cơ nhiệt dựa trên cái mà ngày nay được gọi là chu trình Carnot. Mối quan hệ giữa áp suất, thể tích và nhiệt độ của khí tái chế và cách năng lượng đầu vào được chuyển đổi và thực hiện bên ngoài hệ thống.

Khí nén làm tăng nhiệt độ của nó, vì vậy nó trở nên nóng hơn môi trường xung quanh. Sau đó, nhiệt có thể được loại bỏ khỏi khí nóng bằng thiết bị trao đổi nhiệt. Sau đó khí được mở rộng để làm lạnh nó. Đây là nguyên lý hoạt động cơ bản của máy bơm nhiệt dùng để làm nóng không khí, máy lạnh và tủ lạnh.

Tương tự, đốt nóng một chất khí làm tăng áp suất của nó, làm cho nó nở ra. Sau đó, áp suất từ ​​sự giãn nở có thể được sử dụng để dẫn động piston, chuyển nhiệt thành động năng. Đây là nguyên lý làm việc cơ bản của động cơ nhiệt.

Xem Thêm : Tất tần tật về quy tắc chính tả và cách dùng dấu câu trong tiếng Việt

Entropy

Tất cả các hệ thống nhiệt động lực học đều tạo ra nhiệt thải. Sự lãng phí này dẫn đến sự gia tăng entropy. Entropy của một hệ thống kín là một đại lượng đo nhiệt lượng không thể thực hiện công việc. Entropy trong bất kỳ hệ thống đóng nào luôn tăng; nó không bao giờ giảm. Ngoài ra, các bộ phận chuyển động tạo ra nhiệt thải do ma sát, và rò rỉ nhiệt bức xạ hệ thống là không thể tránh khỏi.

Điều này làm cho cái gọi là máy chuyển động vĩnh viễn không thể thực hiện được. Theo giáo sư siabal mitra của Đại học Missouri, “Bạn không thể tạo ra một động cơ hiệu quả 100%, có nghĩa là bạn không thể tạo ra một cỗ máy chuyển động vĩnh viễn. Tuy nhiên, có rất nhiều suy đoán trong số những người không tin, và có những người đang cố gắng chế tạo một cỗ máy chuyển động vĩnh viễn. “

Entropy cũng được định nghĩa là thước đo mức độ rối loạn hoặc mức độ rối loạn trong một hệ thống khép kín. Bạn có thể pha nước nóng và lạnh, nhưng vì một cốc nước ấm lớn dễ gây nhầm lẫn hơn hai cốc nước nóng và lạnh nhỏ, nên bạn không bao giờ có thể chia thành nước nóng và lạnh mà không cần bổ sung năng lượng cho hệ thống. Nói cách khác, bạn không thể phục hồi một quả trứng bị hỏng hoặc lấy hết kem ra khỏi cốc cà phê. Mặc dù một số quá trình có vẻ là hoàn toàn thuận nghịch, nhưng trên thực tế, không có quá trình nào là hoàn toàn có thể đảo ngược. Vì vậy, entropy cho chúng ta một mũi tên thời gian: khi entropy tăng lên, thời gian trôi qua.

Bốn định luật nhiệt động lực học

Các nguyên tắc cơ bản của nhiệt động lực học ban đầu được hình thành dưới dạng ba định luật. Sau đó, người ta phát hiện ra rằng một định luật cơ bản hơn đã bị bỏ qua, hiển nhiên đến nỗi mọi người quên mất nó. Để có được bộ luật đầy đủ, các nhà khoa học xác định rằng luật cơ bản này cần phải được bổ sung. Tuy nhiên, vấn đề là ba luật khác đã được ban hành và ấn định số thứ tự. Việc gán lại các số thứ tự cho các luật quy định sẽ dẫn đến rất nhiều nhầm lẫn và phi logic, và cuối cùng nhà vật lý người Anh Ralph Fowler đã đưa ra một giải pháp cho tình huống khó xử này: ông gọi định luật mới là định luật số không. Các quy tắc này được tóm tắt như sau:

Định luật 0 phát biểu rằng nếu hai vật ở trạng thái cân bằng nhiệt với vật thứ ba thì chúng cũng ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau. Định luật này xác định nhiệt độ như một thuộc tính cơ bản và có thể đo lường được của vật chất.

Định luật thứ nhất phát biểu rằng tổng năng lượng thu được của một hệ thống bằng sự gia tăng nhiệt độ cộng với công do hệ thống thực hiện. Định luật này phát biểu rằng nhiệt là một dạng năng lượng và do đó tuân theo định luật bảo toàn cơ năng.

Định luật thứ hai phát biểu rằng nhiệt không thể truyền từ một vật lạnh sang một vật nóng hơn mà không có năng lượng bổ sung. Đó là lý do tại sao bạn phải trả tiền cho điều hòa không khí.