CÁC THUYẾT về NHIỆt

HẾT MỤC LỤ CHƯƠNG I: BƯỚC ĐẦU HÌNH THÀNH NHIỆT HỌC I Hoàn cảnh lịch sử giới II Bước đầu hình thành nhiệt học Sự hình thành thang đo nhiệt độ .4 Nhiệt lượng chất nhiệt CHƯƠNG II: SỰ PHÁT MINH RA ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN VÀ CHUYỂN HĨA NĂNG LƯỢNG I Bước đầu nghiên cứu chuyển hóa nhiệt cơng .9 II Sự hình thành định luật bảo tồn chuyển hóa lượng 11 Mayer quan niệm tổng qt bảo tồn chuyển hóa lượng 11 Joule việc xây dựng sở thực nghiệm định luật bảo toàn chuyển hóa lượng .13 III Việc tiếp tục củng cố phát triển định luật bảo tồn chuyển hóa lượng .15 CHƯƠNG III: SỰ HÌNH THÀNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ VẬT LÝ THỐNG KÊ .20 I Sự hình thành nhiệt động lực học .20 Nguyên lý thứ nhiệt động lực học 20 Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học 21 Nguyên lý thứ ba nhiệt động lực học .22 II Sự phát triển thuyết động học phân tử 23 Sự hình thành 23 Lý thuyết nguyên tử John Dalton 23 Gay Lussac 24 Lý thuyết nguyên tử Amedeo Avogadro 24 August Kronig cơng trình ơng 24 Rudolf Clausius mơ hình động học chất khí 25 Thuyết động học chất khí James Clerk Maxwell 26 Ludwig Boltzmann 28 Những bước tiến thuyết động học phân tử .29 III Các thông số trạng thái 29 Áp suất 29 IV Nhiệt độ 30 Các phương trình trạng thái khí lí tưởng .32 Định luật Boyle Mariotte 32 Định luật Charles 33 Định luật Gay-Lussac 34 Phương trình trạng thái khí lí tưởng .35 Phương trình Clapeyron-Mendeleev .36 V SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VẬT LÍ THỐNG KÊ 36 CHƯƠNG IV: CÂU CHUYỆN VỀ SỰ “ CHẾT NHIỆT “ CỦA VŨ TRỤ 41 I Mở đầu 41 II Một số lí lẽ bác bỏ thuyết “ chết nhiệt” 41 Phê phán Engels .41 Giả thuyết thăng giáng Boltzmann 42 Trong vũ trụ vô hạn không tồn trạng thái có xác suất lớn 42 Sự “chết nhiệt” khơng chỗ đứng 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 DANH MỤC HÌNH ẢN Hình 1 James Watt .1 Hình Mơ hình động nước James Watt Hình Galileo Galilei .4 Hình Ống nhiệt nghiệm Galile Hình Gabriel Fahrenheit Hình Nhiệt kế có đơn vị độ Fahrenheit (được đánh dấu viền ngoài) đơn vị độ C (được đánh dấu mặt số bên trong) Thang đo Fahrenheit thang đo nhiệt độ chuẩn hóa sử dụng rộng rãi Hình Celsius Hình Thang nhiệt độ Celsius Hình Joule thí nghiệm ơng Hình Máy nước Watt 10 Hình 2 Sadi Carnot 11 Hình Julius Robert Mayer 12 Hình James Prescott Joule 14 Hình Dụng cụ Jun để xác định đương lượng nhiệt 15 Hình Joule thí nghiệm ơng 15 Hình Julius Robert Mayer 15 Hình Hermann von Helmholtz 16 Hình Minh họa nguồn sinh lực thể sống 16 Hình 10 Minh họa thể sống động vĩnh cửu .16 Hình 11 Các lực tác dụng lên máy bay 17 Hình 12 William Thomson .18 Hình 13 Rudolf Julius Emanuel Clausius 18 Hình Sadi Carnot – Cha đẻ nhiệt động học 20 Hình Rudolf Julius Emanuel Clausius 20 Hình 3 William Thomson 21 Hình John Dalton 23 Hình Joseph Louis Gay-Lussac 24 Hình Amedeo Avogadro 24 Hình August Kronig 25 Hình Rudolf Clausius 25 Hình James Clerk Maxwell 26 Hình 10 Ludwig Boltzmann .28 Hình 11 Đồng hồ đo áp suất 30 Hình 12 Thang đo nhà bác học Celsius, Kelvin, Fahrenheit 31 Hình 13 Thang đo nhà bác học Réaumur 31 Hình 14 Robert Boyle 32 Hình 15 Edme Mariotte 32 Hình 16 Jacques Charles 33 Hình 17 Joseph Louis Gay-Lussac 34 Hình 18 Benoit Clapeyron .35 Hình Rudolf Julius Emanuel Clausius 41 Hình Friedrich Engels 41 Hình Ludwig Boltzmann .42 Hình 4 Aleksandr Aleksandrovich Fridman 44 CHƯƠNG I: BƯỚC ĐẦU HÌNH THÀNH NHIỆT HỌC I Hồn cảnh lịch sử giới Cuộc cách mạng khoa học lần thứ loại trừ ảnh hưởng tư tưởng Aristote, loại trừ vai trò thống trị tơn giáo khoa học Cách mạng khoa học làm nảy sinh vật lí học thực nghiệm làm cho khoa học phục vụ sản xuất phục vụ đời sống người Trong Châu Âu có chuyển biến xã hội từ xã hội phong kiến lên xã hội tư chủ nghĩa Ở nước Pháp đầu kỉ XVIII nhà vật lên chống lại giai cấp quý tộc tăng lữ, họ đề cao quy luật khoa học coi quy luật phát triển lí trí Với giúp đỡ Voltaire, Du Chatelet dịch sang tiếng Pháp tác phẩm “Những nguyên lí” Newton Voltaire viết lời tựa đầu cho dịch Từ năm 1751 đến 1780 xuất “Từ điển bách khoa” giải thích thuật ngữ khoa học, nghệ thuật nghề thủ công Các nhà tư tưởng Pháp đề cao vai trò lí trí người ảnh hưởng lớn họ kỉ XVIII gọi “thế kỉ trí tuệ” Thế kỷ XVIII diễn cánh mạng công nghiệp, nước Anh, nước Pháp nhằm thay phương thức sản xuất thủ cơng phương thức sản xuất máy móc Nó mở đầu việc chế tạo máy kéo sợi đầu tiên, dùng sức máy thay cho sức người Máy cơng cụ xuất đòi hỏi phải có máy phát động mạnh, không phụ thuộc điều kiện thiên nhiên máy chạy sức nước hay sức gió Trong thời kỳ từ thập niên sáu mươi kỷ XVIII, có phát minh mà thành cơng giúp cho người thoát khỏi hạn chế kỹ thuật phục vụ sống Đó phát minh nhà bác học James Watt, ông tổ máy nước James Watt nhà phát minh kỹ sư người Scotland có cải tiến cho máy nước mà nhờ làm tảng cho Cách mạng cơng nghiệp Ơng đưa khái niệm mã lực đơn vị SI lượng watt đặt theo tên ông James Watt thường nguời gọi nhà phát minh Hình James Watt máy nước Ông nhân vật then chốt cách1.mạng công nghiệp Thật ra, Watt người chế tạo máy nước Năm 1698, Thomas Savory trao sáng chế máy bơm nước chạy nước Năm 1712, Thomas Newcomen trao sáng chế cải tiến máy nước Năm 1761, tiến hành sửa chữa máy nước kiểu Newcomen, James Watt cải tạo máy nước kiểu tạo ý nghĩa quan trọng người phải công nhận ông người phát minh máy nước Năm 1763 - 1764, Trường Đại học Glassgow, Watt bắt đầu đặc biệt ý tới máy nước Watt xác định việc nghiên cứu nguyên lý kết cấu máy nước phương hướng chủ yếu Tháng năm 1775, Boulton Watt ký kết hợp đồng có giá trị 25 năm, thành lập cơng ty Boulton - Watt chuyên sản xuất tiêu thụ loại máy nước Đây tiền đề Watt sáng tạo cỗ máy nước ngày tân tiến Trong hai mươi lăm năm sau đó, cơng ty Watt Boulton sản xuất số lượng lớn máy nước cung cấp cho thị trường Năm 1781, Watt phát minh phận bánh xe để giúp máy nước chuyển động xoay tròn làm cho máy nước mở rộng phạm vi sử dụng Ơng phát minh phận ly tâm điều chỉnh tốc độ, thông qua máy nước tự động khống chế Năm 1790, ông phát minh đồng hồ áp lực, đồng hồ thị, van tiết lưu nhiều cải tiến có giá trị khác Năm 1782, cỗ máy nước chuyển động song hướng Watt nghiên cứu chế tạo đời cấp sáng chế độc quyền Năm 1784, loại máy nước nằm xác nhận quyền sáng chế Máy nước ngày có tính thực dụng dùng rộng rãi gọi “máy nước vạn năng” Bốn năm sau, Watt phát minh phận ly tâm điều chỉnh tốc độ phận điều tiết Năm 1790, Watt chế tạo thành công phận biểu thị công xylanh Lúc Watt hồn thành tồn q trình phát minh máy nước Đây bước đại nhảy vọt kỹ thuật sản xuất lồi người Đây gọi tun ngôn nhân loại bắt đầu tiến vào “Thời đại máy nước” Từ máy nước xuất có tác dụng to lớn cách mạng cơng nghiệp Trước có máy nước, số địa phương biết sử dụng sức gió sức nước động lực chủ yếu sức lực người Từ có máy nước lồi người khỏi hạn chế Ngồi việc dùng làm nguồn lượng cho công xưởng, máy nước ứng dụng giao thơng vận tải Sự ứng dụng rộng rãi máy nước ảnh hưởng đến cách mạng phương tiện giao thông nước Anh Năm 1814, cơng trình sư người Anh George Stephenson chế tạo thành công xe lửa chạy máy nước Stephenson suy tôn “Cha đẻ đầu máy xe lửa” Sự cải tiến giao thông đường thuỷ đóng tàu lắp máy nước làm động lực Ngày 19 tháng năm 1807, nhà phát minh người Mỹ Fulton thiết kế tàu chở khách chạy máy nước chạy thử thành công sông Hudson, đồng thời mở chuyến chạy định kỳ từ New York đến An-ba-ni Cuộc cách mạng công nghiệp xảy gần lúc với cách mạng Mỹ Pháp Ngày nay, thấy tác động to lớn cách mạng công nghiệp đời sống thường ngày nhân loại Do vậy, James Watt nhân vật có ảnh hưởng lịch sử lồi người Trang Hình Mơ hình động nước James Watt Động nước hay máy nước loại động nhiệt đốt sử dụng nhiệt nước, chuyển lượng thành công Các động nước sử dụng phận chuyển động sơ cấp bơm, đầu máy tàu hỏa, tàu thủy nước, máy cày, xe tải loại xe giới chạy đường khác tảng cho cách mạng công nghiệp Các tuốc bin nước, mặt kỹ thuật loại động nước, ngày sử dụng rộng rãi cho máy phát điện loại cũ thay động đốt động điện Một động nước cần nồi súp để đun nước sôi tạo Việc giãn nở tạo lực đẩy lên piston hay cánh tuốc bin chuyển động thẳng chuyển thành chuyển động quay để quay bánh xe hay truyền động cho phận khí khác Một lợi động nước sử dụng nguồn nhiệt để đun nồi loại nguồn nhiệt thông dụng đun củi, than đá hay dầu hay sử dụng nhiệt thu từ lò phản ứng hạt nhân Động nước vận hành dựa vào sức mạnh nước làm máy hoạt động Chúng ta lúc thường ngày đun nước sôi, nước ấm sôi bồng lên, liền phát thấy có nước bay Sức mạnh nước lớn, đẩy bật nắp ấm Nếu thay đổi chút, dùng nồi thật to để đun nước, sức mạnh nước lớn Khi nước bắt đầu bốc hơi, dẫn vào lỗ nhỏ, ví dụ đường ống, lại để bốc lên xung lực mạnh mẽ, đủ để làm cho máy móc vận hành Động nước lợi dụng nguyên lý này, ngày nay, đầu máy nước máy điện báo vận hành nước II Bước đầu hình thành nhiệt học Tới kỉ XVIII, học trưởng thành, nhiệt học bắt đầu hình thành Ở thời cổ đại trung đại, “nóng” “lạnh” theo Aristote hai tính chất nguyên thủy vật chất, khơng đặt vấn đề nghiên cứu tính chất Trang “nóng” “lạnh”, người ta phân biệt cảm giác mức độ nóng, lạnh khác Sự hình thành thang đo nhiệt độ Bước sang kỉ XVII, phát triển khoa học kĩ thuật yêu cầu phải xác định mức độ nóng, lạnh tiêu khách quan Galileo Galilei người đặt viên gạch đầu tiên: Galileo Galilei (15/2/1564-8/1/1642) nhà thiên văn học, vật lý học, toán học triết học người Ý, người đóng vai trò quan trọng cách mạng khoa học.Các thành tựu ơng gồm cải tiến cho kính thiên văn quan sát thiên văn sau đó, ủng hộ Chủ nghĩa Kopernik Vào cuối kỉ 16, chẳng có phương tiện thực tiễn cho nhà khoa học đo nhiệt lượng nhiệt độ, khoảng năm 1593, Galilei xây dựng phiên nhiệt nghiệm Hình Galileo Galilei riêng ông hoạt động dựa co dãn khơng khí bầu thủy tinh làm dịch chuyển nước ống gắn liền với Theo thời gian, ơng đồng bỏ công phát triển thang đo số đo nhiệt lượng dựa dãn nở nước bên ống Một số nhà khoa học khác dựa vào mẫu đưa thêm thang chia độ kèm vào cạnh ống để đạt tới phép đo định lượng nhiệt kế đời Cách chia độ nhiệt độ ban đầu hoàn tồn tùy tiện, khơng dựa chuẩn Vì nhà khoa học dùng nhiệt kế chế tạo trao đổi thơng báo với khơng hiểu số nhiệt kế người khác chế tạo Ngành khí tượng học thời sử dụng nhiệt kế, khí áp kế, ẩm kế làm dụng cụ việc nghiên cứu, Hình 4đòi Ống nhiệt nghiệm Galile hỏi phải có loại nhiệt kế xác với thang chia độ thống Và chờ kỉ sau nhà khoa học Daniel G Fahrenheit Anders Celsius – bắt đầu phát triển thang đo nhiệt độ phổ thông, nhiệt nghiệm Galilei bước đột phá lớn Ngồi việc đo nhiệt khơng khí, cung cấp thơng tin khí tượng định lượng lịch sử Trang Nhà khoa học người Đức Gabriel Fahrenheit (1686 - 1736) người thợ thổi thủy tinh chế tạo nhiệt kế đầu tiên, năm 1709 ông chế tạo nhiệt kế dùng rượu năm 1714 chế tạo nhiệt kế dùng thủy ngân Trong thang nhiệt 32 độ F 212 độ F nhiệt độ tương ứng với thời điểm nóng chảy nước đá sôi nước Daniel Gabriel Fahrenheit (1686 1736) Ông sinh Gdańsk (Balan) Ông nhà vật lý, kĩ sư người Đức Ông nhiều Hình Gabriel Fahrenheit người biết đến với phát minh nhiệt kế thủy ngân vào năm 1714 phát triển thang đo nhiệt độ mang tên ơng  Q trình hình thành thang nhiệt độ F Fahrenheit phát triển thang nhiệt độ ông sau viếng thăm nhà thiên văn học người Đan Mạch Ole Rømer Copenhagen Rømer tạo nhiệt kế mà ơng sử dụng hai điểm chuẩn để phân định Trong thang Rømer điểm đóng băng nước 7,5 độ, điểm sơi 60 độ thân nhiệt trung bình người theo 22,5 độ theo phép đo Rømer Fahrenheit chọn điểm số không thang nhiệt độ ông nhiệt độ thấp mùa đông năm 1709, mùa đông khắc nghiệt, thành phố Gdansk (Danzig) quê hương ông Bằng hỗn hợp, nước đá, nước Amoni clorid (NH 4Cl) (còn gọi hỗn hợp lạnh) sau ơng tạo lại điểm số không điểm chuẩn thứ (−17,8 °C) Fahrenheit muốn cách tránh nhiệt độ âm, thường gặp thang nhiệt độ Rømer-Skala hồn cảnh đời sống bình thường Năm 1714, ông xác định điểm chuẩn thứ hai nhiệt độ đóng băng nước tinh khiết (ở 32 °F) điểm chuẩn thứ ba "thân nhiệt người khỏe mạnh" (ở 96 °F) Trang Hình Nhiệt kế có đơn vị độ Fahrenheit (được đánh dấu viền ngoài) đơn vị độ C (được đánh dấu mặt số bên trong) Thang đo Fahrenheit thang đo nhiệt độ chuẩn hóa sử dụng rộng rãi Theo tiêu chuẩn điểm chuẩn khó tạo lại cách thực xác Vì mà thang nhiệt độ sau xác định lại theo hai điểm chuẩn nhiệt độ đóng băng nhiệt độ sơi nước, tức 32 °F 212 °F Theo đó, thân nhiệt bình thường người 98,6 °F (37 °C), 96 °F (35,6 °C) Fahrenheit xác định Thang nhiệt độ Fahrenheit sử dụng lâu Châu Âu, bị thay thang nhiệt độ Celsius Thang nhiệt độ Fahrenheit ngày sử dụng rộng rãi Mỹ số quốc gia nói tiếng Anh khác Năm 1742, nhà bác học Thụy Sĩ Anders Celsius xây dựng thang đo nhiệt độ đánh số từ số đến 100 mang tên ông dựa vào giãn nở thủy ngân Anders Celsius (27/11/1701 - 25/4/1744) nhà thiên văn học, nhà Vật Lý học người Thụy Điển Ông giáo sư thiên văn học Đại học Uppsala (1730-1744), du lịch (17321735) thăm đài quan sát đáng ý Đức, Italy Pháp Ông thành lập Đài quan sát thiên văn học Uppsala vào năm 1741, năm 1742 ông đề nghị nhiệt độ quy mô mà lấy tên ơng, Celsius Quy mơ sau đảo ngược vào năm 1745 Carl Linnaeus, năm sau Celsius  Quá trình hình thành thang đo độ C Hình Celsius Celsius người đề hệ thống đo nhiệt độ theo trạng thái nước Ơng tiến hành thí nghiệm hai năm liền công bố kết vào năm 1742 Các thí nghiệm tiến hành thời tiết khác với áp suất khí khác Không ông đặt nhiệt kế vào đá tan, mà lúc trời rét giá, ơng lấy tuyết lạnh ngồi trời mang vào phòng đặt lên bếp lò bắt đầu tan, mang thùng có đá tan đặt lên bếp lò thêm lúc… Ơng nghiệm thấy nhiệt độ nước đá tuyết tan điểm cố định Ơng nghiệm thấy nhiệt độ sơi nước phụ thuộc vào áp suất khí Cuối cùng, ơng đề nghị thang nhiệt độ có hai điểm cố định Điểm 100° nhiệt độ nóng chảy nước đá điểm 0° nhiệt độ sơi nước áp suất Trang Hình Thang nhiệt độ Celsius Nhiệt độ Đối với khí lí tưởng, ta quy ước nhiệt độ xác định sau: Vậy phân tử chuyển động nhanh (hoặc chậm) động trung bình chuyển động tịnh tiến phân tử lớn (hoặc nhỏ) nhiệt độ vật cao (hoặc thấp) Nhiệt độ động trung bình chuyển động tịnh tiến phân tử đại lượng liên quan chặt chẽ tới mức độ nhanh hay chậm chuyển động hỗn loạn phân tử Vậy theo quan điểm thuyết động học phân tử, nhiệt độ đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất vĩ mơ vật, thể mức độ nhanh hay chậm chuyển động hỗn loạn phân tử cấu tạo nên vật Như đơn vị nhiệt độ (J) thực tế việc đo trực tiếp động trung bình chuyển động nhiệt khó, lí lịch sử, trước thuyết động học phân tử đời người ta quen dùng đơn vị nhiệt độ “độ” Vì vậy, để đo nhiệt độ độ phải đưa thêm vào công thức hệ số chuyển đơn vị số Boltzmann: k Mối liên quan nhiệt độ đo đơn vị lượng nhiệt độ đo đơn vị “độ” thể qua công thức sau: = kT k = 1,38.10-23 J/độ Để xác định nhiệt độ, người ta sử dụng nhiệt kế Vấn đề việc chế tạo nhiệt kế xây dựng thang đo Người ta đưa nhiều loại thang đo khác bốn thang đo thường quan tâm nhiều thang đo nhà bác học Celsius, Kelvin, Fahrenheit, Réaumur Hình 13 Thang đo nhà bác học Réaumur Hình 12 Thang đo nhà bác học Celsius, Kelvin, Fahrenheit Tùy theo cách chia độ mà ta có nhiệt giai khác nhau: Trang 35 + Nhiệt giai Celsius (nhiệt giai bách phân), kí hiệu 0C Trong nhiệt giai này, người ta chọn điểm tan nước đá điểm sôi nước (ở áp suất atm) 0C 1000C Trong khoảng này, chia làm 100 phần nhau, phần gọi 10C + Nhiệt giai Fahrenheit: kí hiệu 0F Trong nhiệt giai này, người ta chọn điểm tan nước đá điểm sôi nước (ở áp suất atm) 32 0F 2120F Trong khoảng chia làm 180 phần nhau, phần 10F + Nhiệt giai Kelvin (nhiệt giai Quốc tế): Kí hiệu K (thay 0K) định nghĩa từ biểu thức: KT = hay p = nKT, T nhiệt độ vật, đơn vị đo Kelvin (K); K = 1,38.10-23 (J/Kg) số Boltzmann Ta thường sử dụng thang nhiệt độ Celsius (thang bách phân) thang nhiệt độ Kelvin (thang nhiệt độ tuyệt đối) Mỗi độ chia thang tuyệt đối độ chia thang bách phân độ không thang tuyệt đối ứng với - 273 0C (thật -273,160 C) Độ không tuyệt đối nhiệt độ thấp đạt tới Ở độ khơng tuyệt đối khơng chuyển động nhiệt Nhiệt giai Fahrenheint dùng Mỹ, sử dụng độ nhỏ nhiệt giai Celsius số không khác nhiệt độ Có thể dễ dàng thử hai khác cách kiểm tra nhiệt kế phòng thường dùng ghi hai nhiệt giai Liên hệ nhiệt giai Celsius Fahrenheint Ta có cơng thức liên hệ nhiệt độ thang bách phân thang nhiệt độ tuyệt đối sau: T = t + 273 T: nhiệt độ thang tuyệt đối (kí hiệu K) t: nhiệt độ thang bách phân (kí hiệu 0C) Wd Với định nghĩa T = = Điều chứng tỏ thực tế không đạt đến khơng độ Kelvin, muốn vậy, phân tử khí phải đứng n, khơng chuyển động nhiệt hỗn loạn nữa, điều mâu thuẫn với thuyết động học phân tử Chính (K) gọi độ khơng tuyệt đối nhiệt giai Kelvin gọi nhiệt giai tuyệt đối Trang 36 IV Các phương trình trạng thái khí lí tưởng Định luật Boyle Mariotte Nhà bác học Robert Boyle (1627-1691) nhà nghiên cứu thiên nhiên người Ireland Ông coi người đồng sáng lập vật lý hóa học đại, ngành khoa học tự nhiên khác qua nhiều thí nghiệm Ơng phát mối liên hệ áp suất thể tích chất khí qua định luật có tên ơng Hình 14 Robert Boyle Nhà bác học Edme Mariotte (1620-1684) nhà vật lý, linh mục người Pháp Ông người độc lập với Robert Boyle phát mối quan hệ thể tích áp suất q trình đẳng nhiêt Nhưng ơng phát điều muộn hợn Nếu Boyle phát điều vào năm 1669 Mariotte lại tìm điều vào năm 1676 Vì vậy, người ta gọi định luật biểu mối quan hệ định luật Boyle hay định luật Boyle-Mariotte Hình 15 Edme Mariotte Từ năm 1659, Robert Boyle tiến hành nhiều thí nghiệm tính chất chất khí, qua ơng phát nhiệt độ khơng đổi áp suất thể tích tỉ lệ nghịch với cơng bố vào năm 1662 Độc lập với Boyle có Mariotte tìm thấy mối liên hệ tương tự vào năm 1676 Vì vậy, định luật có tên định luật Boyle hay định luật Boyle-Mariotte - Định luật : Trong trình đẳng nhiệt khối khí xác định, thể tích tỉ lệ nghịch với áp suất hay nói cách khác tích số thể tích áp suất khối khí số pV = const Đối với khối khí định, giá trị số (const) phụ thuộc vào nhiệt độ khối khí Định luật Boyle-Mariotte định luật gần đúng, xác với đa số chất khí nhiệt độ gần với nhiệt độ phòng khơng chịu áp suất q cao so với áp suất khí Định luật Charles Jacques Charles (1746-1823) nhà vật lý, nhà hóa học người Pháp Ông tiếng nhờ định luật mang tên mình, Định luật Charles Sau thí nghiệm năm 1787 với bóng, định luật Charles, định luật trả lời cho câu hỏi: Khi thể tích lượng khí khơng đổi, quan hệ áp suất độ tuyệt đối chất khí nào, Trang 37 Hình 16 Jacques Charles đời Định luật nói áp suất chất khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối (nhiệt độ có giá trị đo nhiệt giai Kelvin) Định luật nêu lên mối liên hệ áp suất nhiệt độ thể tích khơng đổi Định luật: Trong q trình đẳng tích khối khí, áp suất tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối = const Hay viết lại biểu thức định luật sau: Cho V1 = V2 Gọi áp suất nhiệt độ tuyệt đối trạng thái áp suất nhiệt độ tuyệt đối trạng thái Ta có: Hai phương trình cách phát biểu định luật Charles theo nhiệt giai tuyệt đối Thực ra, ban đầu định luật Charles viết theo nhiệt giai bách phân định luật tìm quan sát thí nghiệm với nhiệt độ tính theo nhiệt giai bách phân Gọi p0 áp suất khối khí xác định nhiệt độ t = 00C (T0 = 273K) Khi biến đổi đẳng tích tới áp suất p nhiệt độ T, ta có hệ thức: hay Vậy: Trong gọi hệ số nhiệt biến đổi áp suất khí Từ phương trình ta phát biểu định luật Charles sau: Khi thể tích khơng đổi áp suất khối lượng khí cho trước biến thiên bậc theo nhiệt độ (bách phân) Chú ý p0 áp suất khí 00C nhiệt độ nhiệt độ thang bách phân Định luật Gay-Lussac Nhà bác học Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) nhà hóa học, nhà vật lý Pháp Ơng tiếng nhờ hai định luật liên quan đến chất khí cơng trình ơng hỗn hợp rượu-nước chuẩn độ Gay-Lussac sử dụng để đo nước uống có cồn nhiều quốc gia Định luật nêu lên mối liên hệ thể tích nhiệt độ áp suất khơng đổi Hình 17 Joseph Louis Gay-Lussac Trang 38 Định luật Charles phát năm 1787 khơng cơng bố, Gay-Lussac phát biểu định luật vào năm 1802 Vì định luật có tên định luật Charles Định luật: Trong trình đẳng áp khối khí, thể tích tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối = const hay ta phát biểu sau: Cho Gọi áp suất nhiệt độ tuyệt đối trạng thái áp suất nhiệt độ tuyệt đối trạng thái Ta có: Từ phương trình đẳng áp suy phương trình đẳng áp viết dạng quen thuộc biểu thị định luật Gay-Lussac: Trong gọi hệ số nhiệt đẳng áp khí Như vậy, ta phát biểu định luật Gay-Lussac sau: Khi áp suất không đổi thể tích khối khí cho trước biến thiên bậc theo nhiệt độ (bách phân) Với V0 thể tích nhiệt độ 00C nhiệt độ nhiệt độ thang bách phân Cũng giống định luật Boyle-Mariotte, định luật Charles định luật Gay-Lussac định luật gần Phương trình trạng thái khí lí tưởng Benoit Claypeyron (1799-1864) nhà vật lý kỹ sư người Pháp Ơng tiếng với phương trình Clapeyron-Mendeleev (hay có tên gọi khác phương trình trạng thái) Được đời vào năm 1834, phương trình quan trọng hình thức tổng hợp ba định luật tiếng chất khí: định luật Boyle-Mariotte, định luật Charles định luật Gay-Lussac Qua phương trình này, Clapeyron giúp thấy rằng: ba định luật nói khơng có độc lập với mà ngược lại chúng có quan hệ mật thiết với – định luật hệ hai Hìnhluật 18 Benoit định luật Ba định luật chất khí phát thực nghiệm: Định Clapeyron Boyle-Mariotte vào năm 1662, định luật Charles vào năm 1787, định luật Gay-Lussac vào 1802 Sau Clapeyron gộp kết ba định luật vào phương trình trạng Trang 39 thái Phương trình cho thấy định luật chất khí khơng độc lập nhau, định luật coi hệ hai định luật Để thiết lập phương trình ta chuyển lượng khí từ trạng thái () sang trạng thái () qua trạng thái trung gian 1’( P’,) Áp dụng định luật Boyle-Mariotte cho trình đẳng nhiệt chuyển từ trạng thái sang trạng thái 1’, ta có: = P’ (1) Áp dụng định luật Charles cho trình đẳng tích chuyển từ trạng thái 1’ sang trạng thái ta có : (2) Từ (1) (2) ta suy : Việc chọn trạng thái trạng thái ,vì viết: = const Đây phương trình trạng thái khí lí tưởng Phương trình Clapeyron-Mendeleev Từ phương trình trạng thái = const hai lượng khí khác số vế phải khác Để khảo sát định lượng khác ta tính số vế phải Từ có phương trình Clapeyron-Mendeleev tương đương với phương trình trạng thái Tuy nhiên phương trình Clapeyron-Mendeleev chứa đựng lượng thơng tin nhiều phương trình trạng thái Nếu biết hai ba thơng số p, V, T dựa vào phương trình Clapeyron-Mendeleev ta suy thơng số Hoặc tính số mol lượng khí ta dựa vào phương trình Clapeyron-Mendeleev Đối với kilomol khí (kilomol khí khối khí chứa N= 6,023.10 26 phân tử hay nguyên tử), nghĩa có khối lượng m = kg, với khối lượng phân tử hay nguyên tử) Clapeyron Mendeleev tìm phương trình sau: pV = RT Trường hợp tổng qt khối khí có khối lượng m, gọi v thể tích V = v , từ phương trình ta suy pv = RT V SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VẬT LÍ THỐNG KÊ Từ kỷ 19, vật lý học công nhận nhiệt chuyển động, chất đặc biệt Việc nghiên cứu đặc điểm chuyển động nhiệt dẫn đến Thuyết động học phân tử Thuyết động học phân tử đứng trước Trang 40 vấn đề chưa giải quyết: xây dựng sở lí thuyết cho nguyên lí thứ hai nhiệt động lực học Q trình giải vấn đề dẫn đến hình thành ngành vật lí - Vật lí thống kê Năm 1866, Boltzmann cơng bố cơng trình nhằm nêu lên ý nghĩa học nguyên lí thứ hai Ơng cho ngun lí thứ hai định luật bảo toàn hoạt lực, tương tự ngun lí thứ hai có sở luận điểm tổng quát học Luận điểm tổng quát nguyên lí tác dụng cực tiểu Boltzmann coi nguyên tử vật hệ chất điểm, chất điểm chuyển động nhiệt theo quỹ đạo khép kín Nếu trạng thái cân nhiệt động chu kì chuyển động nguyên tử Từ đó, ơng rút hệ thức: = Ông cho xây dựng sở học nguyên lí thứ hai q trình thuận nghịch có khả tìm cách chứng minh tương tự q trình khơng thuận nghịch Trong lập luận Boltzmann có giả thuyết giả tạo, khó tin: nguyên tử chuyển dộng theo quỹ đạo khép kín với chu kì Năm 1871, Clausius theo đường tương tự, với giả thuyết tổng quát đỡ giả tạo Ông không cho nguyên tử chuyển động theo quỹ đạo khép kín Nhưng ơng giả định thành phần vận tốc nguyên tử sau chu kì lại đổi dấu Chu kì đổi dấu ngun tử khơng thiết phải nhau, có nhóm nguyên tử chu kì Tiếp sau đó, nhà vật lí tìm cách đề xuất giả thiết tổng qt q trình quan niệm xác suất ngày thâm nhập vào cách lập luận Tuy nhiên tất lập luận áp dụng mức độ cho q trình thuận nghịch, ý đồ vận chung cho q trình khơng thuận nghịch không thành công Tới năm 80 bắt đầu xuất ý kiến cho xây dựng sở học cho nguyên lí thứ hai nhiệt động lực học phải vận dụng thuyết xác suất thành cơng Năm 1870, Maxwell nêu thí nghiệm tưởng tượng tinh vi nhằm bác bỏ thuyết “ chết nhiệt ” Ơng cho ngun lí thứ hai có phạm vi ứng dụng hữu hạn Nó vật có khối lượng lớn, khơng có khả phân biệt phân tử chúng theo dõi phân tử Trang 41 Nhưng có sinh vật đặc biệt với khả tinh vi, theo dõi chuyển động phân tử, sinh vật làm việc mà ta không làm Giả sử bình kín chia làm phần A B vách ngăn phần có cửa sổ nhỏ Giả sử sinh vật (sau gọi quỷ Maxwell) mở đóng cửa sổ phân tử nhanh chuyển từ A sang B phân tử chậm chuyển từ B sang A Như vậy, trái với ngun lí thứ hai, quỷ Maxwell khơng tốn công học mà làm tăng nhiệt độ B giảm nhiệt độ A, tức di chuyển nhiệt từ nguồn lạnh đến nguồn nóng Điều có nghĩa thuyết động học phân tử thừa nhận có q trình diễn trái với nguyên lí thứ hai Con quỷ Maxwell giai đoạn đường đến kết luận ngun lí thứ hai khơng phải tuyệt đối, mà định luật thống kê Maxwell nêu lên kiểu toán theo tinh thần thuyết động học phân tử: Nếu phân tử chất khí ln ln chuyển động khơng ngừng vận tốc phân tử cụ thể vào thời điểm cụ thể bao nhiêu? Khi giải tốn kiểu đó, ơng phân tích khơng thể theo dõi tưởng tượng tính tốn hành vi trạng thái tương lai phân tử riêng lẻ số phân tử lượng khí Các phân tử chất hồn tồn giống nhau, khơng có dấu hiệu khác biệt để phân biệt phân tử với phân tử khác, nên thực nghiệm khơng có cách để theo dõi hành vi phân tử cụ thể thời gian lâu dài Maxwell kết luận xác định phân bố thống kê vận tốc chúng Nói cách khác khơng thể trả lời câu hỏi: “ Vận tốc phân tử P thời điểm t bao nhiêu? ” trả lời câu hỏi: “ Trong lượng khí ta xét có phân tử có vận tốc v thời điểm t? ” Để làm sở cho phép tính tốn mình, Maxwell thừa nhận tiên đề tiên nghiệm sau: Khơng có phương chuyển động ưu tiên, khơng có giá trị vận tốc ưu tiên cấm kị; lượng khí để tự yên nó, cuối đến trạng thái dừng phân bố thống kê vận tốc khơng đổi theo thời gian Nói cách cụ thể, lượng khí trạng thái dừng, chỗ đó, vào thời điểm có hai phân tử với vận tốc a, b va chạm nhau, sau va chạm vận tốc chúng trở thành p, q, chỗ khác đó, thời điểm đó, phải có hai phân tử vận tốc p, q va chạm sau va chạm vận tốc chúng trở thành a, b Kết số lượng phân tử có vận tốc a, b, p, q, lượng khí khơng đổi theo thời gian, vận tốc phân tử luôn biến Trang 42 đổi Xuất phát từ tiên đề đó, Maxwell thành lập công thức phân bố vận tốc phân tử chất khí, tức phép phân bố Maxwell nói Việc đưa định luật thống kê có ý nghĩa lớn, tạo cho nhà khoa học cách suy nghĩ mới, cách nhận thức thiên nhiên Các định luật động lực học trước áp dụng học nhiệt động lực học cho phép tính tốn xác định trạng thái tương lai với mật độ xác tuyệt đối Trái lại định luật thống kê cho phép tiên đoán tiến triển tự nhiên với xác suất cao Khái niệm xác suất tượng vật lí khái niệm hồn tồn Maxwell Boltzmann nêu lên nguyên lí thứ hai nhiệt động lực học phải coi khơng phải định luật xác, chắn tự nhiên, mà định luật thống kê có xác suất cao Để minh họa cách hiểu nguyên lí thứ hai, Boltzmann nêu lên lập luận sau Giả sử có hai bình kín thơng với ống nhỏ, lúc đầu nhiệt độ hai bình nhau, bình chứa phân tử Theo dõi thời gian đó, có lúc phân tử bình bay qua bình qua ống nhỏ: bình chứa hai phân tử, lượng khí tự nén lại nhiệt độ tăng lên; bình khơng chứa phân tử nào, truyền nhiệt cho bình thứ nhiệt độ giảm Ở nguyên lí thứ hai bị vi phạm xác suất vi phạm nguyên lí thứ hai 50% Nếu ban đầu bình chứa hai phân tử, xác suất nhỏ Và ban đầu bình chứa nghìn, triệu, tỉ,… phân tử xác suất vi phạm nguyên lí thứ hai nhỏ Như ngun lí thứ hai nhiệt động lực học khơng khẳng định điều chắn xảy ra, khẳng định điều xảy với xác suất cao (vì số phân tử chứa vật lớn) Các nhà vật lí học lúc quen với định luận học Newton, chấp nhận cách nói “ điều xảy ” “ điều xảy ” khó chấp nhận cách nói “ điều xảy với xác suất cao ”, nói có nghĩa điều khơng xảy Laplace nói: “ Hãy cho tơi tất x0 v0 (tức tọa độ vận tốc ban đầu) tơi tiên đốn tương lai giới ” Câu nói cho thấy ảnh hưởng sâu sắc quan niệm “ tính tất yếu ” vật lý, quan niệm hình thành thành tựu rực rỡ học Newton Trong vật lý, bạn nói “ 100% điều xảy ” “ 99,99999999…% điều xảy ” hai cách nói hồn tồn khác biệt Sự khác biệt 0,0000000…1% lại Nhiều nhà khoa học nghĩ nhiều thí dụ lí thú dễ hiểu để giải thích điều khó chấp nhận Sau thí dụ Jeans, thường gọi “ phép lạ Jeans ”: đặt ấm nước lạnh lên bếp lò Nhiệt truyền từ bếp lò sang ấm nước, sau lúc ấm nước sôi lên Đó tượng thường gặp, biết, ngun lý thứ hai tiên đốn Có xảy “ phép lạ ” khiến cho tượng xảy ngược lại không? Tức nhiệt truyền từ ấm nước sang bếp lò, để nước Trang 43 ấm lạnh đóng băng? Jeans đáp: có chứ, có xác suất định để tượng xảy Và ơng tính xác xuất 1/ Chúng ta bàn thêm chút để xem câu nói “ nguyên lý thứ hai nghiệm với xác xuất cao ” nghĩa Giả sử có người đặt ấm nước lạnh lên bếp lò thấy khơng lạnh lại thay ấm nước khác kiên trì tiếp tục thấy nước ấm đóng băng lại Người phải thay tới ấm nước có hội lần thấy nước đóng băng ấm Con người nguyên thủy xuất Trái Đất khoảng triệu năm trước tức khoảng phút Giả sử người biết dùng lửa (sự thật vậy) bắt đầu làm thí nghiệm Jeans, phút lại thay ấm nước lò lần Nếu cháu người tiếp tục đời qua đời khác nối tiếp trì thí nghiệm ngày họ thay ấm nước lò lần Vậy nhân loại phải chờ lâu đến ấm nước thứ để lần chứng kiến vi phạm nguyên lí thứ hai nhiệt động lực học! Và yên tâm khẳng định “ thực tế ” nguyên lí khơng vi phạm Tuy nhiên, đắn “ thực tế ” định luật khoa học làm hài lòng kĩ sư Nhà khoa học cuối kỉ XIX n tâm với điều đó, xảy vấn đề có tính ngun tắc: ngun lí thứ hai từ cấp bậc định luật chắn bị hạ xuống cấp bậc định luật xác suất Giữa tính chắn tính xác suất, dù xác suất cao, nhà khoa học nhìn thấy khác biệt chất, hố ngăn cách vượt qua Trước kia, nhà khoa học nói dứt khốt vào lúc nào, địa điểm Trái Đất bắt đầu quan sát nhật thực việc phải diễn dự báo Vậy mà nhà khoa học phải nói có xác suất để hệ nhiệt động lực học nằm trạng thái sau hệ nằm trạng thái đó, mà khơng nằm trạng thái Trạng thái xuống cấp khoa học, điều chấp nhận! Số đông nhà vật lý học cho định luật thống kê thực chất tổng hợp nhiều định luật động lực học riêng rẻ đồng thời tác dụng, mà chưa đủ khả để nắm bắt đầy đủ khảo sát cách tồn diện Poincare, nhà khoa học có uy tín, nói xác suất định luật thống kê chẳng qua “ số đo không hiểu biết ” Khoa học lòng với định luật thống kê mơ tả bề mặt tượng Khoa học phải vươn tới định luật động lực học tác dụng bề sâu tượng nằm cở sở định luật thống kê Chỉ cách theo dõi mối quan hệ nhân tự nhiên, thực nhận thức thiên nhiên Còn cần đến cơng sức nhiều nhà khoa học để tiếp tục xây dựng hoàn chỉnh vật lý thống kê Bản thân Boltzmann lúc đầu cho nguyên lý thứ hai có cở sở túy học Sau đó, ơng cho phải đồng thời vận dụng lý thuyết thống kê Trang 44 Cuối cùng, tới năm 1872-1875, ông đến kết luận nguyên lý thứ hai có tính chất túy thống kê Boltzmann nêu lên giả thuyết hỗn độn sơ cấp: khối khí, tọa độ vận tốc phân tử không phụ thuộc tọa độ vận tốc tất phân tử khác Đó giả thuyết quan trọng nguyên tắc hoàn toàn trái ngược với quy luật học Các phép chứng minh ông đến kết luận khối khí lập lúc đầu khơng trạng thái cân tiến tới trạng thái cân thống kê mô tả phân bố Maxwell-Boltzmann Khi tính tốn xác suất trạng thái nhiệt động lực học, ông chứng minh lượng khí có số lượng hạt khơng đổi tổng lượng hạt khơng đổi, trạng thái ứng với phân bố Maxwell-Boltzmann có xác suất cao Boltzmann đến cách giải thích hồn tồn ngun lí thứ hai, dựa lý thuyết xác suất coi nguyên lý định luật túy thống kê Trong Maxwell, Boltzmann, Clausius, Anhxtanh, Jeans, bước xây dựng hoàn chỉnh vật lý thống kê, nhiều nhà khoa học khác tiếp tục tìm cách chuyển định luật thống kê thành định luật học, theo tinh thần định luật học Newton Cho tới đầu kỉ XX, ý đồ khơng có triển vọng thực được, phải tới lúc vật lý thống kê đơng đảo nhà vật lý công nhận mặt lý thuyết mặt ứng dụng thực tế Vật lý thống kê nghiên cứu hệ vĩ mô (hay hệ nhiều hạt) tức vật vĩ mô tạo thành số lượng lớn hạt vi mô loại (các phân tử, nguyên tử…) Tập hợp hạt vi mơ phải nghiên cứu định luật thống kê Các định luật thống kê phương pháp thống kê giúp giải nhiều toán tập hợp thống kê, tức tập hợp nhiều hệ vật lý, hệ bao gồm nhiều phân tử mà ta khảo sát phương pháp động lực học Từ đây, ta kết luận: việc khẳng định nguyên lý thứ hai nguyên lý thống kê bước dài lịch sử vật lý học, tảng khai sinh ngành vật lý – Vật lý thống kê Nguyên lý hai nhiệt động lực học, hay gọi nguyên lý tăng Entropy nhiệt động lực học, sau mở rộng vật lý thống kê, nguyên lý tăng Entropy Đây nguyên lý q trình mơ tả vật lý thống kê CHƯƠNG IV: CÂU CHUYỆN VỀ SỰ “ CHẾT NHIỆT “ CỦA VŨ TRỤ I Mở đầu Vào năm 1850 Clausius đưa khái niệm entrôpi định luật tăng entrôpi hệ cô lập Coi vũ trụ vô hạn hệ cô lập, ông mở rộng định luật tăng Trang 45 Hình Rudolf Julius Emanuel Clausius entrơpi cho tồn vũ trụ ơng viết : “ lượng giới không đổi, entrôpi giới tiến đến cực đại “ Điều có nghĩa sớm hay muộn vũ trụ chuyển sang trạng thái cân nhiệt động lực, tất trình bị ngừng giới bị rơi vào trạng thái “ chết nhiệt “ : nhiệt độ nơi vũ trụ nhau, tất đại lượng cường tính khác đồng khơng ngun nhân làm xuất q trình Thuyết “chết nhiệt” trực tiếp dẫn đến Thượng đế Thực vậy, theo Clausius, vũ trụ khơng ngừng chuyển sang cân nhiệt động, vũ trụ khơng trạng thái cân bằng, suy vũ trụ luôn tồn tạo từ ngày đó, lực bên ngồi từ đưa vũ trụ khỏi trạng thái cân sống thời kì vũ trụ phục hồi trạng thái cân Và có nghĩa phải tồn Thượng đế Thuyết “chết nhiệt” tôn giáo sử dụng Năm 1852 nói chuyện đọc Hội nghị “ Hàn lâm viện khoa học giáo hoàng”, cha Piơ XII (1876-1958, giáo hồng năm 1939-1958) nói : “ Định luật entrơpi Rudoft Clausius khám phá cho phép ta trình tự nhiên tự phát liên quan đến tổn hao lượng tự đem sử dụng, từ suy hệ vật chất kín, cuối q trình kích thước vĩ mơ ngừng lại vào lúc Điều tất yếu đáng buồn xác nhận cách hùng hồn tồn Thượng đế “ Thuyết “chết nhiệt” Clausius bị nhà khoa học nhà triết học vật biện chứng bác bỏ Sau số lí lẽ bác bỏ thuyết “chết nhiệt” II Một số lí lẽ bác bỏ thuyết “ chết nhiệt” Phê phán Engels Đứng lập trường chủ nghĩa vật biện chứng Engels cho thuyết “chết nhiệt” vũ trụ mâu thuẫn với định luật bảo tồn chuyển hóa lượng, biết, định luật khơng nói lên tính khơng thể bị tiêu diệt lượng chuyển động vật chất, mà nói lên khả khơng thể bị tiêu Hình Friedrich diệt chuyển hóa chất hình thức vận động Engels khác Engels viết “ tất trình biến đổi, vật chất vĩnh viễn trước sau thế, khơng có thuộc tính bị ngày kia, với tất yếu đanh thép thủ tiêu Trái đất sáng tạo cao nó, tức tinh thần có tư duy, với Trang 46 đanh thép vật chất lại phải tái sinh tinh thần nơi khác vào lúc khác ” ( xem Phép biện chứng tự nhiên ) Giả thuyết thăng giáng Boltzmann Đối lập với thuyết “chết nhiệt”, Boltzmann đưa giả thuyết “thăng giáng” Lần Boltzmann giải thích chất thống kê Định luật thứ hai NĐLH, có nghĩa chất thống kê entrôpi Theo Boltzmann, trạng thái cân nhiệt động trạng thái hay gặp nhất, có xác suất lớn nhất, hệ cân xuất cách tự phát thăng giáng lớn tùy ý Mở rộng kết luận tồn vũ trụ, Boltzmann đến kết luận : nói chung vũ trụ trạng thái cân nhiệt động, nhiên tất yếu có xuất thăng giáng lớn tùy ý Một thăng giáng lớn phần thăng giáng vũ trụ, sinh sống Mọi thăng giáng phải biến mất, tất yếu phải xuất thăng giáng loại tương tự nơi khác vũ trụ Như vậy, theo Boltzmann, giới chết đi, lại có giới khác xuất hiện.Thuyết Hìnhthăng Ludwig giáng Boltzmann có tiến song sở thừa nhận “chết nhiệt” Boltzmann Trong vũ trụ vô hạn khơng tồn trạng thái có xác suất lớn Thực thuyết “chết nhiệt” bị phát triển sai lầm khơng phải khơng biết chất thống kê định luật thứ hai NĐLH, mà ngược lại, định luật thứ hai khơng ứng dụng cho hệ vô hạn chất thống kê Điều I.R.Plotkin chứng minh đây, cơng trình “ Về tăng entrơpi vũ trụ vô hạn “ ông thiết lập rằng, vũ trụ vô hạn không tồn trạng thái có xác suất lớn định luật tăng entrơpi tồn vũ trụ vơ hạn khơng có ý nghĩa Khi chuyển từ hệ hữu hạn sang hệ vô hạn xảy nhảy vọt chất Điều xác định giới hạn cho việc áp dụng định luật thứ hai vạch sai lầm cách đặt vấn đề Sự “chết nhiệt” khơng chỗ đứng Bước sang đầu kỉ XX, với đời thuyết tương đối rộng Einstein, nhận thức loài người tiến hóa Vũ trụ mở rộng Nhà toán học Nga – Fridman dùng lí thuyết hấp dẫn tương đối tính chứng minh : Vũ trụ giãn nở co rút tùy theo điều kiện ban đầu Nhà thiên văn mỹ - Hubble xây dựng lí thuyết chứng minh thực nghiệm giãn nở Vũ trụ diễn Nhà khoa học Bỉ - Lemaitre đưa giả thuyết “ Vụ nổ lớn” ( Bigbang) khởi đầu vuc trụ mà sau phát triển thành lí thuyết hồn chỉnh Nhà vật lí Mỹ - Tolmann đưa giả thuyết mạch động Vũ trụ thuyết đó, tiến hóa Vũ trụ diễn phức tạp, ảnh hưởng nhiều quy Trang 47 luật vật lí bao gồm quy luật chưa khám phá vật chất trạng thái đặc biệt khác tồn Vũ trụ trải qua thời kì tiến hóa Chỉ dựa vào định luật nhiệt động lực học thứ hai để “ tiên đoán” “chết nhiệt” thiếu sở Nói riêng, lập luận “ chết nhiệt” người ta khơng đề cập đến vai trò tương tác hấp dẫn, hấp dẫn lại có tầm quan trọng định tiến hóa Vũ trụ Ta thử phân tích tầm ảnh hưởng hấp dẫn tới trình xảy Vũ trụ để bác bỏ điều suy diễn “ chết nhiệt” Vũ trụ Hãy xét cầu khí giả định đầu vật chất cầu lạnh tản mát không gian, hấp dẫn hạt vật chất nhỏ bé lượng hấp dẫn ( hấp dẫn) thực tế coi không Thế đến lúc với điều kiện ban đầu thích hợp, tác dụng dù yếu lực hấp dẫn khiến cho vật chất cầu tụ tập lại cầu co rút lại hấp dẫn ngày mạnh Rõ ràng vật chất cầu nhờ mà có tốc độ ngày lớn Theo định luật bảo toàn lượng, lượng toàn phần vật chất bên cầu phải không thay đổi Động hạt vật chất bên cầu tăng lên chuyển hóa từ hấp dẫn hạt, tức giảm bớt hấp dẫn Nên nhớ hấp dẫn đại lượng mang dấu âm, giảm bớt hấp dẫn có nghĩa giá trị tuyệt đối tăng lên Như thế, vật chất bên cầu co rút lại tổng đại số lượng hệ bao gồm động dương hạt hấp dẫn âm hạt không đổi Khi phần lượng dương hệ lập tăng lên việc dạng lượng chuyển sang nhiệt khơng thiết khiến cho trình phải dừng lại Nhờ có lượng hấp dẫn “ chết nhiệt” vũ trụ không thiết phải xảy ra! Hãy giả định “ cầu” vũ trụ lúc đầu gồm vật chất vô thưa lỗng ví dụ vừa nói Dưới tác dụng lực hấp dẫn, vật chất cầu co rút lại ngày tăng mật độ lúc xuất lại điều kiện để vũ trụ bắt đầu chuyển sang giai đoạn nở “ Vụ nổ lớn” Big Bang khởi đầu giai đoạn Vũ trụ nở đó, sống giai đoạn vũ trụ nở rộng Một suy diễn hợp lý dẫn đến kết luận là, trình Vũ trụ nở rộng khơng thể diễn mãi, vật chất trở thành thưa lỗng đến giới hạn mà điều kiện thích hợp để co rút Vũ trụ lại bắt đầu xuất hiện… Giả thiết mạch động Vũ trụ xây dựng nên đại khái Dĩ nhiên chu kì chiều hướng chuyển hóa dạng lượng thành nhiệt diễn theo định luật nhiệt động thứ hai Mức hỗn độn tăng từ chu kì sang chu kì khác tưởng tích tụ nhiệt ngày nhiều làm cho “ biên độ” mạch động Vũ trụ phải giảm bớt cuối mạch động Vũ trụ phải dừng lại Tuy nhiên, phép tính tốn mạch động mơ hình Vũ trụ lại đưa đến kết mạch động thúc đẩy mạnh lên Nhà vật lí Trang 48 Mỹ Tolmann kết luận vào năm 1934 Nhưng lượng lấy từ đâu để thúc đẩy mạch động Vũ trụ Đó nhờ lượng âm trường hấp dẫn, tổng đâị số lương tồn phần Vũ trụ khơng đổi, nghĩa khơng vi phạm đinh luật bảo tồn lượng Mơ hình Vũ trụ vừa phác họa xóa bỏ huyền thoại “chết nhiệt” Vũ trụ Nhưng phản ánh phần Vũ trụ thực chúng ta, liệu bổ sung hay phải xây dựng mơ hình khác hay khơng? Đó câu hỏi chưa có lời giải đáp Bây ta nói thêm tương lai Vũ trụ để biết thêm điều kiện để Vũ trụ nở hay co lại Các nhà khoa học thấy tương lai Vũ trụ định ba tham số Vũ trụ nhà toán học Nga- Fridman đề xuất năm 1922 Hình 4 Aleksandr Aleksandrovich Tham số thường gọi tham số Hubble liên quan đến tuổi Fridman Vũ trụ Tham số thứ hai tham số giảm tốc: Vũ trụ dãn nở, thiên hà chạy xa nhau, lực hấp dẫn chúng kéo chúng lại với nhau, làm cho tốc độ chạy xa chúng chậm lại, tức có tượng giảm tốc Tham số thứ ba liên quan đến tham số thứ hai, đề cập đến nguyên nhân giảm tốc, nguồn sinh lực hâp dẫn: mật độ khối lượng Vũ trụ Nếu mật độ ba nguyên tử 1m3 lực hấp dẫn chặn dãn nở, Vũ trụ nở mãi, Vũ trụ mở Còn mật độ khối lượng lớn ngun tử 1m3 đến lúc thiên hà dừng lại bắt đầu dồn cục lại thuở khai thiên lập địa, Vũ trụ đóng Ở hai trường hợp Vũ trụ tới hạn, có mật độ nguyên tử 1m3 Các đo đạc cho thấy Vũ trụ rơi vào trường hợp thứ Vũ trụ mở Song nhà khoa học chưa tin họ cho chưa biết hết vật chất có Vũ trụ, thí dụ người ta phát vật chất tối, nghĩa ngồi vật chất quan sát thấy, tồn dạng vật chất không thấy ( gọi vật chất tối) Trang 49 ... xác định đơn vị nhiệt lượng, tên gọi “Calo” Cũng vào thời gian hình thành lí thuyết khoa học nhiệt Có hai lí thuyết khác chất nhiệt, thuyết cho nhiệt chất lỏng đặc biệt, thuyết cho nhiệt chuyển... chưa nắm khái niệm nhiệt lượng ơng giải thích nhiệt công thức ông (tức lượng t) “không phải nhiệt thật, mà nhiệt dơi so với thang nhiệt độ Fahrenheit” Ơng lẫn lộn nhiệt độ nhiệt lượng cảm thấy... nhà nghiên cứu lẫn lộn nhiệt lượng nhiệt độ hay sử dụng rối ren nhiệt lượng”, “bậc nhiệt , “độ nhiệt Tới kỉ XVIII, có người nêu vấn đề phải phân biệt khái niệm nhiệt độ nhiệt lượng, ý khơng ý,