Mối quan hệ giữa nguyên lý số không và nhiệt độ trong nhiệt động lực học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC PHÙNG THỊ HẠNH MỐI QUAN HỆ GIỮA NGUYÊN LÝ SỐ KHÔNG VÀ NHIỆT ĐỘ TRONG NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ HÀ NỘI – 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC MỐI QUAN HỆ GIỮA NGUYÊN LÝ SỐ KHÔNG VÀ NHIỆT ĐỘ TRONG NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ Cán hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Huy Sinh Sinh viên thực khóa luận: Phùng Thị Hạnh HÀ NỘI – 2018 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: LƯỢC SỬ NHỮNG QUAN NIỆM VỀ NHIỆT VÀ NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1.1 Lược sử nghiên cứu nhiệt 1.1.1 Thời cổ đại 1.1.2 Thời cận đại 1.1.3 Thời đại 1.2 Quá trình tiến triển nhiệt động lực học 1.3 Những khái niệm định nghĩa nhiệt động lực học 1.4 Tầm quan trọng nhiệt động lực học khoa học sống 1.4.1 Trong khoa học 1.4.2 Trong đời sống 10 CHƯƠNG 2: MỐI QUAN HỆ GIỮA NGUYÊN LÝ SỐ KHÔNG VÀ NHIỆT ĐỘ 10 2.1 Khái niệm nhiệt độ nguyên lý số không 11 2.1.1 Khái niệm nhiệt độ 11 2.1.2 Nhiệt độ nguyên lý số không nhiệt động lực học 12 2.2 Lý thuyết nhiệt động học nhiệt độ 14 2.3 Định nghĩa nhiệt độ dựa sở lý thuyết Carnot 17 2.4 Nhiệt độ dựa sở thuyết động học phân tử 23 2.5 Các thang nhiệt giai đo nhiệt độ mối quan hệ chúng 24 2.5.1 Thang nhiệt giai Fahrenheit 24 2.5.2 Thang nhiệt giai Celsius 24 2.5.3 Thang nhiệt giai Kelvin - nhiệt độ tuyệt đối 25 2.5.4 Thang nhiệt giai Rankine 25 KẾT LUẬN 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Dụng cụ đo nhiệt Gallile 12 Hình 2.2 Trạng thái cân nhiệt A B 13 Hình 2.3 Các hệ nhiệt động tiếp xúc nhiệt 14 Hình 2.4 Chu trình Carnot chia thành hai chu trình nhỏ 18 Hình 2.5 So sánh nhiệt giai Kelvin (K), Celsius (oC), Fahreheit (oF) Rankine (oR) 26 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận tơi nhận giúp đỡ tận tình từ nhiều phía, tơi xin cảm ơn người giúp đỡ tơi suốt q trình hồn thành khóa luận Trước hết tơi xin cảm ơn GS Nguyễn Huy Sinh, người trực tiếp hướng dẫn tận tình để hồn thành khóa luận Cảm ơn thầy cô khoa Vật lý, Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, Trường Đại học KHTN, Khoa sư phạm - Trường Đại học Giáo dục tạo điều kiện để hồn thành khóa luận Với điều kiện thời gian kinh nghiệm hạn chế sinh viên, khóa luận khơng thể tránh thiếu sót Tơi mong nhận bảo, đóng góp ý kiến thầy để tơi có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức mình, phục vụ tốt cơng tác thực tế sau Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 22 tháng 05 năm 2018 Sinh viên Phùng Thị Hạnh PHẦN MỞ ĐẦU Nhiệt động học nghiên cứu nhiệt lĩnh vực Vật lý học Khái niệm trung tâm Nhiệt động học Nhiệt độ Nhiệt độ không biểu diễn đại lượng học khối lượng, độ dài thời gian, biểu thị quan điểm riêng, cần phải tách phần nhiệt động học thành nhánh khác Vật lý học Nhiệt động học hình thành từ nguyên lý là: - Nguyên lý số 0: chất nguyên lý nói nhiệt độ cân nhiệt Trên sở xác định nhiệt độ đại lượng đo đạc - Nguyên lý thứ I nói mối quan hệ qua lại ba đại lượng công, nhiệt nội nhiệt động học Bản chất nguyên lý định luật bảo toàn lượng áp dụng cho hệ nhiệt động - Nguyên lý thứ II nghiên cứu chu trình nhiệt động áp dụng cho hoạt động máy nhiệt đưa đại lượng entropy để mô tả biểu thức định lượng nguyên lý II - Nguyên lý thứ III nói entropy nhiệt độ tuyệt đối Trên sở cho biết khả tạo nhiệt độ thấp gần nhiệt độ tuyệt đối Sự phát triển nhiệt động học vấn đề hấp dẫn lịch sử khoa học Nó bắt đầu cách mạng khoa học công nghiệp trở thành đối tượng quan trọng để tìm hiểu việc biến nhiệt lượng thành cơng học Những thí nghiệm Joule, Hirn số nhà vật lý khác nghiên cứu lý thuyết Helmholtz thu kết ngun lý bảo tồn lượng áp dụng cho tượng nhiệt động Nguyên lý trở thành nguyên lý thứ nhiệt động học Mayer đưa định đề tương đương cơng nhiệt ước tính tương đương học nhiệt lượng Nguyên lý số phát sau nguyên lý I, II III lại trọng tâm nghiên cứu nhiệt động lực học Vì vậy, giảng dạy nguyên lý số – cụ thể nói “nhiệt độ” với khái niệm định nghĩa xác vấn đề khơng dễ Để có khái niệm định nghĩa xác “nhiệt độ” cần quan tâm nghiên cứu đến mối quan hệ nhiệt độ thông số trạng thái nhiệt động lực học, “nhiệt độ” ba thông số quan trọng để mơ tả trạng thái nhiệt động là: nhiệt độ (T), áp suất (p) thể tích (V) Chính chúng tơi chọn đề tài cho Khóa luận là: “Mối quan hệ nguyên lý số không nhiệt độ nhiệt động lực học” CHƯƠNG 1: LƯỢC SỬ NHỮNG QUAN NIỆM VỀ NHIỆT VÀ NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1.1 Lược sử nghiên cứu nhiệt Nghiên cứu nhiệt có vị trí bật lịch sử khoa học vật lý Từ xa xưa có nhiều nghiên cứu khái niệm định nghĩa “nhiệt” hay “nhiệt lượng” từ chuyên gia khác Nhiệt định nghĩa nhiệt gắn với huyền thoại lửa Lịch sử nhiệt học tiền thân phát triển lý thuyết nhiệt động lực học Hãy nhìn lại vài quan niệm nhiệt tiến trình lịch sử 1.1.1 Thời cổ đại Từ thời cổ đại, yếu tố mà người ta liên hệ với khái niệm nhiệt lửa Nhà triết học Hy Lạp cổ đại Heraclitus-người sống khoảng (500 TCN) tiếng với câu nói: “All things are flowing” (tạm dịch là: Tất thứ chảy) Heraclitus cho ba nguyên tố tự nhiên lửa, đất nước, lửa ngun tố trọng tâm ơng tóm tắt triết lí mình: “Tất thứ trao đổi lửa” Từ năm 460 TCN, Hippocrates cho rằng: Nhiệt, đại lượng chuyển động, xuất phát từ đám cháy bên nằm tâm thất trái Thế kỷ thứ 11 SCN, Abu Rayhan Biruni chuyển động ma sát nguyên nhân sức nóng, từ tạo nguyên tố cháy Thế kỷ 13, nhà triết học thần học Abd Allah Baydawi đưa hai khả gây nhiệt: nhiệt số nguyên tử bốc lửa bị phá vỡ, hai nhiệt xảy thơng qua thay đổi chuyển động 1.1.2 Thời cận đại Khoảng năm 1600, nhà triết học người Anh Francis Bacon đốn rằng: “làm nóng nó, chất khơng có khác chuyển động” Giữa kỷ XVII, nhà khoa học người Anh Robert Hooke tuyên bố: “Nhiệt khơng có khác kích thích không ngừng phận cấu tạo nên tổng thể” Đến kỷ XVIII, lý thuyết “Chất lỏng nhiệt” Lavoiser (17431872) đứng đầu cho nhiệt chất lỏng truyền lỗ vật chất, cấu tạo hạt nhỏ gọi là: “chất lỏng nhiệt”, coi nguyên tố hóa học đơn giản Lý thuyết thống trị đến đầu kỷ XIX Vào khoảng năm 1780, James Watt cho đời máy nước, phát minh dẫn đến ngành khoa học hình thành là: “Nhiệt động học” 1.1.3 Thời đại Thế kỷ XIX, Sadi Carnot (1796-1832) sáng lập môn Nhiệt động học (1824), nhờ việc nghiên cứu hệ máy có khả cung cấp công học cách nhận nhiệt từ “nguồn nóng” nhả nhiệt cho “nguồn lạnh” Ý tưởng độc đáo nhờ có chênh lệch nhiệt độ hai nguồn nhiệt mà sinh công Như hiệu suất máy nhiệt lý tưởng phụ thuộc vào nhiệt độ hai nguồn nhiệt mà thơi Carnot đưa khái niệm nhiệt độ đại lượng chủ yếu cho định luật nhiệt động học Tuy nhiên, Carnot tin vào lý thuyết chất lỏng nhiệt chưa khẳng định tương đương nhiệt cơng Năm 1843, cơng trình Joule (1818-1889) tiến hành thí nghiệm thành cơng để khẳng định chứng minh tương đương công nhiệt, dẫn đến tuyên bố nguyên lý bảo toàn lượng Hermann von Helmholtz năm 1847 Năm 1850, Clausius (1822-1888) từ bỏ lý thuyết “chất lỏng nhiệt” thừa nhận công nhiệt tương đương Đầu kỷ XX, người nghiên cứu đưa lý thuyết nhiệt động thống kê Ludwig Boltzman (1844-1906) Lý thuyết liên kết định luật nhiệt động học với định luật học áp dụng cho hệ nhiều hạt 1.2 Quá trình tiến triển nhiệt động lực học Nguyên lý số không nhiệt động học cho biết chất tính chất nhiệt độ Nguyên lý thứ nhiệt động lực học đơn giản nguyên lý bảo tồn biến hóa lượng áp dụng cho hệ nhiệt động Nguyên lý cho biết lượng vào hệ phải tích trữ hệ Ngun lý thứ hai nhiệt động học nguyên lý tăng entropy Nguyên lý chứa phương trình báo tồn, cho biết máy nhiệt lý tưởng, entropy ln bảo tồn Tất máy nhiệt thực tạo entropy Nguyên lý thứ cho biết tạo nhiệt độ thấp đạt nhiệt độ không tuyệt đối Nhiệt động học xây dựng sở kinh nghiệm thực nghiệm Những định đề cho nhiệt động học đưa sau: Định đề 1: Có tồn dạng lượng gọi nội (U), đặc tính nội hệ hàm số liên quan đến áp suất (p), nhiệt độ (T) số tính chất khác đo hệ Nội đặc tính hệ khơng thể đo đại lượng Định đề 2: Năng lượng toàn phần hệ mơi trường xung quanh bảo tồn Định đề chất ngun lý thứ nhiệt động học Từ nguyên lý số suy ra: Mỗi vật có tính chất riêng gọi nhiệt độ hai vật trạng thái cân nhiệt với chúng có nhiệt độ chung Ngược lại, muốn biết hai vật có cân nhiệt với hay không, ta không cần cho chúng tiếp xúc mà cần đo nhiệt độ chúng cách độc lập Nếu chúng có nhiệt độ hai vật trạng thái cân nhiệt Tầm quan trọng nguyên lý số 0: Theo cách phát biểu nguyên lý số biết nhiệt độ vật đó, sử dụng nhiệt độ làm chuẩn để so sánh với nhiệt độ vật khác trạng thái cân nhiệt Trên sở người ta sử dụng điểm có nhiệt độ khơng thay đổi điểm ba nước, điểm đóng băng hay điểm sơi nước để làm chuẩn Từ tạo nhiệt kế để đo nhiệt độ 2.2 Lý thuyết nhiệt động học nhiệt độ Bằng cách thừa nhận nguyên lý số nhiệt động học, muốn biết hai vật có cân nhiệt với không, ta không cần cho chúng tiếp xúc trực tiếp với mà cần đo nhiệt độ chúng cách độc lập Nếu chúng có nhiệt độ hai vật trạng thái cân nhiệt Đó hệ nguyên lý số Xét hệ nhiệt động A, B C Lấy hệ C làm chuẩn Hãy mô tả trạng thái hệ thông số trạng thái p V Đặt hệ A tiếp xúc với hệ C thông qua vách thấu nhiệt minh họa Hình 2.3: A C B 2.3a Hệ A và C ở trạng thái cân bằng nhiệt 2.3b Hệ B và C ở trạng thái cân bằng nhiệt Hình 2.3 Các hệ nhiệt động tiếp xúc nhiệt 14 C Trong Hình 2.3 hệ C coi nhiệt kế trạng thái xác định hai thông số pC VC Đặt hệ A tiếp xúc với hệ C (Hình 2.3a) Ở trạng thái cân bằng, ta chọn giá trị riêng cho pA, xác định đại lượng tương ứng VA Trạng thái cân nhiệt A C biểu diễn phương trình: F1(pA, VA, pC, VC) = (2.1) Ở F1 hàm có biến số Nếu giả thiết phương trình giải nhận giá trị pC là: pC = f1(pA, VA,VC) (2.2) Tiếp ta đặt hệ B tiếp xúc hệ C (như hình 2.1b) Ở trạng thái cân ta có: F2(pB, VB, pC, VC) = (2.3) Lý luận tương tự ta có: pC = f2(pB, VB,VC) (2.4) Cân phương trình (2.2) (2.4) ta nhận hệ A hệ B cân với hệ C và: f1(pA, VA,VC) = f2(pB, VB,VC) (2.5) Nhưng theo nguyên lý số 0, A B cân nhiệt với hệ thứ ba cho nên: F3(pA, VA, pB, VB) = Giải phương trình cho ẩn số pA ta được: 15 (2.6) pA = f3(VA, pB,VB) (2.7) Phương trình (2.6) giải cho giá trị PA sau: pA = (VA, pB, VB,VC) (2.8) Phương trình (2.8) cho biết pA xác định nhờ thông số trạng thái mà phương trình (2.7) lại cho thấy hàm biến số Như vậy, hàm f1 f2 phương trình (2.5) chứa VC với dạng nhau, nghĩa viết tách vế phương trình (2.5) theo VC Ví dụ: f1  1 ( p A ,VA ) (VC )   (VC ) (2.9) → f  2 ( pB , VB ) (VC )   (VC ) (2.10) Sau khử bỏ số hạng giống ta tìm giá trị: 1 ( p A ,VA )  2 ( pB , VB ) (2.11) Mở rộng vấn đề liên quan đến nhiều hệ ta viết được: 1 ( p A ,VA )  2 ( pB , VB )  3 ( pC , VC )  (2.12) Phương trình (2.12) cho thấy nhiều hệ cân nhiệt với hệ cho ta viết được:  ( p,V )  T (2.13) Ta định nghĩa T nhiệt độ phương trình (2.13) phương trình trạng thái hệ Phương trình (2.13) cho biết hệ nhiệt động cân nhiệt với cùng hệ chuẩn cho có nhiệt độ 16 Vậy nhiệt độ đại lượng đặc trưng cho hệ, giá trị xác định trạng thái cân tồn với hệ khác 2.3 Định nghĩa nhiệt độ dựa sở lý thuyết Carnot Sadi Carnot (1796-1832) tiến hành nghiên cứu lí thuyết hiệu suất động nhiệt Ơng mơ tả loại động lí tưởng, gọi động Carnot, loại động nhiệt có hiệu suất cao chế tạo Ông rõ loại động nhiệt có hiệu suất là: T T T  (2.14) Trong T1 T2 nhiệt độ tương ứng “nguồn nóng” “nguồn lạnh” mà chúng động nhiệt hoạt động Trong thang nhiệt độ này, động nhiệt có nguồn lạnh độ hoạt động với hiệu suất 100% Đây giả định nằm thang nhiệt giai tuyệt đối hay nhiệt giai Kelvin Lý thuyết chu trình Carnot coi sở để định nghĩa thang nhiệt độ tuyệt đối Lý thuyết Carnot tỉ số Q1/Q2 có giá trị nguồn thuận nghịch hoạt động với nhiệt độ Điều lưu ý chu trình Carnot thuận nghịch hiệu suất chúng khơng phụ thuộc vào chất tác nhân mà phụ thuộc vào nhiệt độ hai nguồn nhiệt Do đó, sử dụng luận điểm để xác định thang nhiệt độ tuyệt đối sau Đặt θ nhiệt độ biểu thị lúc đầu, dựa trình dãn nở khí lý tưởng Chia chu trình Carnot thành hai chu trình nhỏ, chu trình sử dụng vật liệu Phương pháp trình bày hình 2.4a 2.4b 17 Hình 2.4a Hình 2.4b Hình 2.4 Chu trình Carnot chia thành hai chu trình nhỏ Hình 2.4a Hai chu trình Carnot nhỏ biểu diễn giản đờ θ V Hình 2.4b Hai động Carnot nối tiếp tương thích hai chu trình Carnot nhỏ mơ tả giản đờ θ-V Hãy coi đoạn từ a đến b giản đồ θ-V (hình 2.4a) đặc trưng cho q trình dãn khí đẳng nhiệt với nhiệt lượng Q2, tương tự vậy, từ c đến d q trình nén khí đẳng nhiệt với nhiệt lượng Q1 Đối với chu trình abcda ta có hệ thức: Q1 Q2 = f(θ1 , θ2 ) (2.15) Trong f hàm khơng xác định hai nhiệt độ θ1, θ2 Mục đích tìm hàm f Để làm điều ta xét chu trình kín abefa hình 2.4a Đối với chu trình ta thiết lập hệ thức phương trình (2.15): Qi Q2 = f(θ2 , θi ) Tương tự vậy, chu trình kín fecdf: 18 (2.16) Q1 Qi = f(θi , θ1 ) (2.17) Kết hợp hai phương trình (2.16) (2.17) ta được: Q1 Q i Qi Q = Q1 (2.18) Q2 Nghĩa là: f(θi , θ1 ) f(θ2 , θi ) = f(θ2 , θ1 ) (2.19) Bởi vế phải phương trình (2.19) hàm θ1 θ2, cịn vế trái phương trình phụ thuộc vào biến số độc lập Điều xảy khi: f(θi , θ1 ) = φ(θ1 ) φ(θi ) f(θ2 , θi ) = φ(θi ) φ(θ2 ) (2.20) Như vậy: Qi Q2 = f(θ2 , θ1 ) = φ(θ1 ) φ(θ2 ) (2.21) Tỷ số khơng phụ thuộc vào tính chất chất làm thí nghiệm Ở 𝜑 hàm chưa xác định Với thang nhiệt độ bất kỳ, ta đưa thang nhiệt độ nhiệt động học sử dụng hàm  thay cho hàm θ Kelvin làm ông giả định rằng: T = A  (θ) (2.22) Trong A số Như trị số tuyệt đối phương trình (2.21) biểu thị tỉ số nhiệt độ T1 T2: 19 |Q1 | T1 |Q2 T2 = | (2.23) Tỉ số giống với tỉ số nhiệt độ thu q trình phân tích hiệu suất chu trình Carnot Đối với khí lý tưởng là: Q1 −Q2 = Q1 = T1 −T2 (2.24) T1 Vấn đề cần xác định hàm  ( ) Sử dụng khái niệm entropy, viết nguyên lý thứ nhiệt động học dạng sau: dS  (dE  pdV ) T (2.25) Coi E V biến độc lập đặt E = E(T,V) Khi ta có: 𝜕𝐸 𝜕𝐸 dE = ( ) 𝑑𝑇 + ( ) 𝑑𝑉 𝜕𝑇 𝜕𝑉 𝑉 𝑇 (2.26) Thay kết (2.26) vào phương trình (2.25) ta được: dS = 𝜕𝐸 𝜕𝐸 ( ) 𝑑𝑇 + 𝑇 [(𝜕𝑉) + 𝑝] 𝑑𝑉 𝑇 𝜕𝑇 𝑉 𝑇 (2.27) Nhưng S = S(T,V) nên: 𝜕𝑆 𝜕𝑆 dS = ( ) 𝑑𝑇 + ( ) 𝑑𝑉 𝜕𝑇 𝜕𝑉 𝑉 𝑇 (2.28) Từ hai phương trình (2.27) (2.28) ta có: 𝜕𝑆 (𝜕𝑇) = 𝑉 Và: 𝜕𝑆 (𝜕𝑉 ) = 𝑇 1 𝜕𝐸 ( ) 𝑇 𝜕𝑇 𝑉 𝜕𝐸 [( ) + 𝑝] 𝑇 𝜕𝑉 𝑇 20 (2.29) (2.30) Suy ra: [ 𝜕 𝜕𝑆 𝜕 𝜕𝑆 ( ) ] = [𝜕𝑇 (𝜕𝑇 ) ] 𝜕𝑉 𝜕𝑇 𝑉 𝑇 𝑇 𝑉 (2.31) Vì đạo hàm bậc hai khơng phụ thuộc vào thứ tự lấy vi phân Do lấy vi phân phương trình (2.29) theo V phương trình (2.30) theo T Sắp xếp lại kết ta phương trình sau đây: 𝜕𝐸 𝜕𝑝 (𝜕𝑉 ) = 𝑇 (𝜕𝑇) − 𝑝 𝑇 𝑉 (2.32) Đưa vào phương trình (2.32), ta viết: 𝜕𝐸 𝜕𝐸 (𝜕𝑉) = (𝜕𝑉 ) 𝑇 (2.33) 𝜃 Sử dụng công thức chuỗi nhiệt động lực học: 𝜕𝑝 𝜕𝑝 𝑑𝜃 (𝜕𝑇) = (𝜕𝜃) (𝑑𝑇 ) 𝑉 (2.34) 𝑉 Đạo hàm lần cuối đạo hàm tồn phần nên phương trình (2.32) trở thành: Hoặc 𝜕𝐸 𝜕𝑝 𝑑𝜃 (𝜕𝑉 ) = 𝑇 (𝜕𝜃) (𝑑𝑇 ) − 𝑝 𝜃 𝑑𝑇 𝑇 𝑉 = 𝜕𝑝 ) 𝑑𝜃 𝜕𝜃 𝑉 𝜕𝐸 ( ) +𝑝 𝜕𝑉 𝜃 (2.35) ( (2.36) Đối với khí lý tưởng pV/θ = c (hằng số) E = E(θ), đó: 𝜕𝑝 𝐶 𝑝𝑉 (2.37)  E   V     (2.38) 𝑉 Và 𝑝 (𝜕𝜃) = 𝑉 = 𝑉 ( 𝜃 ) = 𝜃 21 Thay hệ thức vào phương trình (2.36), ta thu kết sau 𝑑𝑇 𝑇 ∫ Suy 𝑑𝑇 𝑇 = 𝑑𝜃 =∫ (2.39) 𝜃 𝑑𝜃 (2.40) 𝜃 LnT + C = Lnθ + C’ (2.41) Hoặc T = A’θ (2.42) Trong A’ số tỷ lệ Chọn A’ phù hợp, ta có θ T, sử dụng T để biểu diễn cho nhiệt độ ban đầu nhiệt độ động lực học tương đương Như định nghĩa thang nhiệt giai Kelvin hoàn thành việc gán cho T1 phương trình (2.23) giá trị (-273,16˚C) Đó nhiệt độ điểm ba nước Đối với động Carnot hoạt động hai nhiệt độ T T1, theo phương trình (2.23) ta có: |Q| T = 273,16K|Q 1| (2.43) Ở đây, Q nhiệt truyền suốt trình thuận nghịch Giá trị Q nhỏ giá trị T tương ứng thấp Giá trị nhỏ Q giá trị nhiệt độ tương ứng K, gọi nhiệt độ không tuyệt đối (0 K) Mỗi giá trị Q cho ta giá trị tương ứng T Như vậy, chu trình Carnot, nhiệt lượng truyền suốt trình đẳng nhiệt Do đó, có hệ thực q trình đẳng nhiệt thuận nghịch mà khơng có nhiệt truyền nhiệt độ nhiệt độ tuyệt đối Đây định nghĩa nhiệt độ tuyệt đối sở lý thuyết Carnot 22 2.4 Nhiệt độ dựa sở thuyết động học phân tử James Clerk Maxwell (1831-1879) Ludwig Boltzmann (1844-1906) phát triển lí thuyết mơ tả cách phân tử chuyển động thuyết động học phân tử chất khí Trên sở Maxwell phát triển nhận thấy biểu diễn phân bố phân tử khí theo vận tốc mặt thống kê hàm gọi hàm phân bố Maxwell: f(v) = 𝐴 ∙ 𝑒 −𝐸⁄ 𝑘𝐵 𝑇 (2.44) Kết hợp hàm phân bố Maxwell với thuyết động học phân tử chứng minh áp suất khí lý tưởng liên quan đến động trung bình chuyển động tịnh tiến phân tử E : 𝑝 = 𝑛0 𝐸̅ (2.45a) Trong n0 mật độ phân tử khí (n0 = N/V) và: 𝐸̅ = 𝑘𝐵 𝑇 (2.45b) Suy T 2E kB (2.46) Trong kB = 1,38.10-23 (J/K) số Boltzmann Phương trình (2.46) cho biết định nghĩa khác nhiệt độ là: “Nhiệt độ thước đo động chuyển động tinh tiến trung bình phân tử hệ nhiệt động” 23 2.5 Các thang nhiệt giai đo nhiệt độ mối quan hệ chúng Muốn xác định nhiệt độ cần phải dùng nhiệt kế Nhiệt kế dụng cụ dùng để xác định nhiệt độ Nhưng muốn đo nhiệt độ ta phải chế tạo nhiệt kế theo thang nhiệt giai khác Để xây dựng thang nhiệt giai, ta chọn điểm cố định (ví dụ điểm đóng băng hay điểm sơi nước) gọi điểm chuẩn Năm 1967 Hội nghị Quốc tế thỏa thuận chọn điểm ba (điểm tam trùng) nước làm điểm chuẩn cố định gán cho giá trj 273,16K Ký hiệu: T3 = 273,16K nhiệt độ điểm tam trùng (ở nhiệt độ trạng thái cân nhiệt nước, nước đá nước tồn tại) Có thang nhiệt giai thường sử dụng để đo nhiệt độ: 2.5.1 Thang nhiệt giai Fahrenheit Thang nhiệt giai Fahrenheit sinh vào đầu kỉ 18 Trên thang đo này, điểm băng 32oF điểm nước 212oF Những số phát sinh Fahrenheit không sử dụng điểm băng điểm nước cố định mà chọn hỗn hợp băng/muối làm điểm mốc mà ông gán cho giá trị 0o, nhiệt độ thể người gán cho giá trị 96o Vì vậy: TF = TC + 32o 2.5.2 Thang nhiệt giai Celsius Anders Celsius (1701-1744) mô tả thang đo, số 100 biểu thị điểm đóng băng nước số biểu thị điểm sôi nước Năm 1745, để tưởng nhớ tới Celsius, Carolus Linnaeus, dùng thang đo ngược lại mô tả thang đo điểm đơng đặc nước 0, điểm sơi 100 chia khoảng cách làm 100 phần nhau, khiến thang nhiệt giai bách phân (100 phần) Có 100 độ hai điểm xác định trước 24 Năm 1948, việc sử dụng thang đo bách phân điều chỉnh thành thang đo sử dụng độ Celsius (oC) Nhiệt giai Celsius định nghĩa hai luận điểm sau: - Điểm ba nước định nghĩa 0,01oC - Một độ Celsius với độ thang nhiệt giai khí lí tưởng Trong thang nhiệt giai Celsius, điểm sơi nước áp suất khí 99,975oC 2.5.3 Thang nhiệt giai Kelvin - nhiệt độ tuyệt đối Người ta lấy thang nhiệt giai Kelvin (K) làm nhiệt giai quốc tế sử dụng khoa học Trong thang nhiệt giai này, người ta quy định điểm tam trùng nước 273,16K K nhiệt độ không tuyệt đối 2.5.4 Thang nhiệt giai Rankine Thang nhiệt giai Rankine đặt theo tên Wiliam John Macquern Rankine – kỹ sư vật lý người Scotlen Nhiệt độ thang nhiệt giai ký hiệu (R) (hoặc Ra) Giống thang nhiệt giai Kelvin, oR trùng với nhiệt độ không tuyệt đối Nhưng bước thang đo thang nhiệt giai Rankine bước thang đo thang nhiệt giai Fahrenheit Xác định 0oR xác - 459,67oF Thang nhiệt giai Rankine sử dụng kỹ thuật Tuy nhiên giới, lĩnh vực khoa học kỹ thuật nhiệt độ động học đo chủ yếu Kelvin Mối liên hệ thang nhiệt giai: Mối liên hệ thang nhiệt giai mô tả công thức sau: T (K) = T (0C) + 273,15 T (0F) = (9/5) T (0C) + 32 25 T (oR) = T (0F) + 459,67 T (oR) = (9/5)T (K) Hình 2.5 So sánh nhiệt giai Kelvin (K), Celsius (oC), Fahreheit (oF) Rankine (oR) 26 KẾT LUẬN Khóa luận trình bày vắn tắt lược sử quan niệm nhiệt khái niệm NĐLH Những khái niệm tiền đề để nghiên cứu, giảng dạy học tập mơn NĐLH Trình bày q trình phát triển mơn NĐLH tầm quan trọng tự nhiên, khoa học ứng dụng sống Trình bày cách chi tiết nguyên lý số NĐLH – sở để xác định định nghĩa nhiệt độ - đại lượng vô quan trọng NĐLH Từ ngun lý số 0, khóa luận sâu tìm hiểu lý thuyết NĐLH nhiệt độ tuyệt đối, lý thuyết Carnot, lý thuyết Maxwell kết hợp với thuyết động học phân tử chất khí để đưa định nghĩa xác nhiệt độ NĐLH Các thang nhiệt giai để đo nhiệt độ trình bày khóa luận minh chứng tầm quan trọng nhiệt độ khoa học sống Qua khóa luận này, em hiểu biết nhận thức cách sâu sắc nhiệt độ mối quan hệ với đại lượng khác nhiệt động lực học Sự hiểu biết thật giúp ích cho em q trình công tác sau tốt nghiệp 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt [1] David Halliday – Robert Resnick – Jear Waller Cơ sở vật lý, Tập 3: Nhiệt học, Người dịch Nguyễn Viết Kính Nhà xuất Giáo dục – 1998 [2] Nguyễn Huy Sinh, Giáo trình nhiệt động học ứng dụng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội [3] Nguyễn Huy Sinh, Giáo trình nhiệt học, NXB Giáo dục Việt Nam [4] Nguyễn Huy Sinh, Nhiệt động học Vật lí phân tử, NXB Giáo dục Việt Nam, Tái lần thứ 3, 2015 Tài liệu Tiếng Anh [1]Arthur Beiser, Concepts of Mordern Physic, Sixth Edition, International Edition, 2003 [2]Ashley H Carter, Classical and Statistical Thermodynamics, Pretice Hall, New Jersey, 2001 28 ... 2: MỐI QUAN HỆ GIỮA NGUYÊN LÝ SỐ KHÔNG VÀ NHIỆT ĐỘ 10 2.1 Khái niệm nhiệt độ nguyên lý số không 11 2.1.1 Khái niệm nhiệt độ 11 2.1.2 Nhiệt độ nguyên lý số không nhiệt. .. Nguyên lý số không nhiệt động học cho biết chất tính chất nhiệt độ Nguyên lý thứ nhiệt động lực học đơn giản nguyên lý bảo toàn biến hóa lượng áp dụng cho hệ nhiệt động Nguyên lý cho biết lượng vào... luận là: ? ?Mối quan hệ nguyên lý số không nhiệt độ nhiệt động lực học? ?? CHƯƠNG 1: LƯỢC SỬ NHỮNG QUAN NIỆM VỀ NHIỆT VÀ NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1.1 Lược sử nghiên cứu nhiệt Nghiên