8. Các chữ viết tắt trong đề tài
2.4.1.1. Cơ sở kinh nghiệm
Thuyết động học phân tử là một trong những thuyết vật lý ra đời sớm nhất. Nó kế thừa những quan điểm cổ đại về cấu tạo vật chất và kết quả của cuộc đấu tranh kéo dài nhiều thế kỷ giữa những tư tưởng đối lập nhau về bản chất của nhiệt.
a) Vật chất liên tục hay gián đoạn?
Xu hướng lớn nhất trong sự phát triển của vật lý học là đi sâu vào cấu trúc bên trong của vật chất. Xu hướng này đã có ngay từ thời cổ đại. Các nhà khoa học thời kỳ này có những quan điểm rất khác nhau về cấu tạo vật chất. Tuy nhiên có thể xếp những quan điểm này theo hai dòng tư tưởng triết học đối lập nhau: vật chất được cấu tạo một cách liên tục từ một số chất cơ bản và vật chất được cấu tạo một cách gián đoạn từ các hạt.
Nguyên tử luận ủa Demoktitos và những người phát triển nó thực ra mới chỉ là những quan điểm triết học, chưa phải là một giả thuyết khoa học. Tuy nhiên nó vẫn là mầm mống ban đầu của thuyết phân tử về cấu tạo vật chất sau này.
b) Nhiệt là gì?
Ngay từ thời cổ đại người ta đã biết những biểu hiện đơn giản của tác dụng nhiệt như sự bay hơi, sôi, nóng chảy, đông đặc… Tuy nhiên những cố gắng nhằm giải thích các hiện tượng này đã không đem lại kết quả nào đáng kể. Chỉ đến thế kỷ thứ 17 khi đã chế tạo và hoàn thiện được nhiệt kế, nhờ đó có thể khảo sát một các định lượng nhiều hiện tượng nhiệt, vấn đề bản chất của nhiệt trở thành cấp thiết đối với các nhà khoa học thời bấy giờ.
Có hai quan điểm đối lập nhau về bản chất của nhiệt: nhiệt là một chất lỏng đặc biệt và nhiệt là kết quả chuyển động của các hạt vật chất.
Giả thuyết về “chất nhiệt” lần đầu tiên được wolf (Vôn fơ) trình bày một cách có hệ thống vào năm 1721. Đó là một chất lỏng đặc biệt, vô hình, không trọng lượng, thấm sâu vào mọi vật và có thể truyền dể dàng từ vật này sang vật khác.
Cùng với mô hình cơ học trên người ta gán cho chất nhiệt thuộc tính cơ bản là bảo toàn: chất nhiệt không sinh ra cũng không mất đi, chỉ truyền từ vật này sang vật khác. Dựa trên mô hình chất nhiệt và nguyên lý bảo toàn chất nhiệt người ta xây dựng hàng loạt khái niệm cơ bản của nhiệt, vẫn còn dung tới ngày nay, như nhiệt lượng, nhiệt dung, tỷ nhiệt, nhiệt hóa hơi, nhiệt nóng chảy… Những khái niệm này cho phép thiết lập các phương trình, trong đó nổi bật là các phương trình cân bằng nhiệt không những có thể dung để giải thích mà còn có thể dùng để tiên đoán chính xác nhiệt độ của hỗn hợp. Nhờ những thành tựu này mà thuyết chất nhiệt được phổ biến rộng rãi và chiếm địa vị thống trị trong suốt thế kỷ thứ 18.
Trang 38
Giả thuyết cho nhiệt là do chuyển động của các hạt vật chất ra đời trước giả thuyết về “chất nhiệt”. Từ những quan sát hàng ngày người ta đã sớm phát hiện ra mối quan hệ khắng khít giữa nhiệt và chuyển động. Nhưng cũng phải đến thế kỷ thứ 17 mới có sự phối hợp thực sự giữa những kết quả quan sát này và nguyên tử luận về cấu tạo vật chất đưa đến giả thuyết “hạt” về bản chất của nhiệt.
Trong số những nhà khoa học ủng hộ giả thuyết này là Hooke, Boyle (Bôi lơ), Newton, Lomonosov (Lowma-nôxốp)… Tất cả điều cho rằng nhiệt là cho chuyển động của các hạt vật chất sinh ra, nhưng cấu tạo và quy luật chuyển động của các hạt thì mỗi người quan niệm khác nhau.
Giả thuyết cho nhiệt là do chuyển động của các hạt vật chất tuy nhiên còn mang nhiều tính chất cảm tính, thiếu cơ sở thực nghiệm và nhất là không đưa ra được những biểu thức định lượng xác định. Do đó nó bị chìm đi trong bản hợp xướng ồn ào tán đồng thuyết “chất nhiệt”.
Nguyên lý cơ bản của thuyết chất nhiệt là sự bảo toàn chất nhiệt. Vậy nếu bằng cách nào đó chứng minh được rằng có thể tạo ra chất nhiệt nhiều bao nhiêu cũng được thì tòa lâu đài của thuyết chất nhiệt sẽ sụp đổ hoàn toàn. Rumford là người đầu tiên làm việc đó.
Năm 1798 trog khi quan sát quá trình khoan nòng súng ông thấy nhiệt độ của nòng súng lên rất cao mặt dù ở đây không có sự truyền chất nhiệt nào. Sự nghi ngờ về “chất nhiệt” đã thúc đẩy ông tiến hành những thí nghiệm cụ thể hơn. Ông lấy kim loại đút một thỏi hình trụ có khoan một lổ nhỏ và đặt vào đó một mũi khoan cùng. Dùng hai con ngựa làm mũi khoan quay thật nhanh ông thấy chỉ có một khoảng thời gian rất ngắn nhiệt độ bên ngoài đã lên tới 700C. Nếu nhúng một thiết bị trên vào nước thì chỉ một, hai giờ sau nước đã sôi lên sùng sục. Thuyết chất nhiệt không giải thích nổi những hiện tượng này.
Tuy nhiên cũng phải chờ đến thế kỷ thứ 19 khi định luật bảo toàn năng lượng ra đời thì thuyết chất nhiệt mới hoàn toàn bị phủ nhận và thuyết động học phân tử về bản chất của nhiệt mới ra đời.
c) Nguyên tử luận trong hóa học.
Những thành tựu của nguyên tử luận trong hóa học đã góp phần quan trọng đến sự ra đời của thuyết động học phân tử. Các nhà hóa học bước đầu đã giải quyết được cuộc tranh luận không phân thắng bại từ nhiều thế kỷ về tính liên tục và gián đoạn của vật chất nhờ ở khá nhiều dữ kiện thực nghiệm về tính chất của các chất mà họ đã tích lũy được.
Một trong những người đã có công đầu là nhà hóa học người Anh Dalton (Đan tơn). Theo ông mọi chất đều cấu tạo từ một số rất lớn những hạt rất nhỏ không thể phân chia được gọi là nguyên tử. Nguyên tử có khối lượng xác định, khối lượng này thay đổi từ nguyên tử của nguyên tố này sang nguyên tử của nguyên tố khác. Các đơn chất bao gồm những ngyên tử giống hệt nhau, còn các hợp chất là sự kết hợp các nguyên tử thuộc những loại khác nhau.
Lý thuyết nguyên tử của Dalton đã giải thích thành công các định luật cơ bản của hóa học như định luật thành phần xác định và định luật thành phần tỷ lệ.
Cùng với các công trình của Dalton, các công trình của Avogadro đã đưa lý thuyết nguyên tử tiến lên một bước mới.Avogadro là người đưa ra khái niệm phân tử, phân tử gam và chứng minh được rằng phân tử gam của những chất khác nhau đều chứa cùng một số phân tử.
Việc xác định được số Avogadro cho phép xác định được khối lượng của từng nguyên tử.Thế là bước đầu người ta hình dung được sự nhỏ bé của thế giới các nguyên tử.Nguyên tử từ chỗ là sản phẩm đơn thuần của trí tưởng tượng của con người đã dần dần trở thành một thực thể vật lý thực sự.Đó chính là một trong những động lực quan trọng quyết định sự ra đời của thuyết động học phân tử.