II. thuyết động học phân tử
2.4. Thiếu sót của thuyết
Thiếu sót cơ bản nhất của thuyết động học phân tử nằm ngay trong t− t−ởng cơ bản của nó:
- Nguyên tử luận của thuyết động học phân tử là nguyên tử luận siêu hình. Thuyết động học phân tử quan niệm phân tử là hạt "cơ bản" cuối cùng của vật chất không có cấu trúc bên trong.
- Thiếu sót nghiêm trọng hơn nữa là đã sử dụng các quy luật của cơ học cổ điển vào thế giới vi mô.
IIi. Các nguyên lí của nhiệt động lực học
Khác với ph−ơng pháp động học phân tử, ph−ơng pháp nghiệt động lực học hoàn toàn không khảo sát chi tiết các quá trình phân tử mà khảo sát các hiện t−ợng nhiệt xảy ra với một quan điểm duy nhất là sự biến đổi năng l−ợng đi kèm theo những hiện t−ợng ấy. Theo nguồn gốc lịch sử thì ph−ơng pháp này đ−ợc hình thành do khảo sát sự biến đổi năng l−ợng của chuyển động nhiệt thành cơ năng để chạy cá máy phát động lực vì vậy mới có tên gọi là ph−ơng pháp nhiệt động lực. Đó là ph−ơng pháp chủ yếu đ−ợc đề cập đến khi nghiên cứu nhóm vấn đề này. Tuy nhiên, ngày nay ph−ơng pháp này đã v−ợt xa phạm vi nghiên cứu ban đầu và đ−ợc vận dụng để xét sự biến đổi năng l−ợng nói chung trong các hiện t−ợng vật
lí. Nội dung cơ bản là 3 nguyên lí của nhiệt động lực học mà cơ sở của nó là định luật bảo toàn năng l−ợng. Trong ch−ơng trình vật lí phân tử và nhiệt học ở phổ thông, định luật bảo toàn năng l−ợng đ−ợc khám phá d−ới dạng nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học. Các nguyên lí khác ch−a đ−ợc đ−a vào hoặc đ−a vào không t−ờng minh. Việc nghiên cứu định luật bảo toàn năng l−ợng và những cơ sở vật lí về sự hoạt động của động cơ nhiệt đòi hỏi phải làm sáng tỏ và phân tích sâu sắc một số khái niệm quan trọng nh− nhiệt độ, nhiệt l−ợng, nội năng....
3.1. Nhiệt độ
Nhiệt độ là một khái niệm quan trọng nhất và cũng là khó trình bày nhất trong nhiệt học. Nhiệt độ là một đại l−ợng vật lí nh−ng lại khác rất nhiều với các đại l−ợng vật lí quen thuộc khác nh− chiều dài, khối l−ợng, c−ờng độ dòng điện... M−ời thanh dài 1 mét nối với nhau đ−ợc thanh dài 10 mét, nh−ng không thể ghép m−ời vật có nhiệt độ là 100C để đ−ợc một vật có 1000C. Tính chất đặc biệt của nhiệt độ gắn liền với ph−ơng pháp đo nó.
Tr−ớc hết khái niệm nhiẹt độ gắn liền với hiện t−ợng cân bằng nhiệt. Sự cân bằng nhiệt đòi hỏi phải có sự bằng nhau về nhiệt độ. Để đặc tr−ng cho sự lệch khỏi trạng thái cân bằng nhiệt của các vật, ng−ời ta đ−a ra khía niệm hiệu nhiệt độ. Trong thực tế, bao giờ ng−ời ta cũng nói đến hiệu nhiệt độ, vì nhiệt độ gốc trong bất kỳ thang đo nào cũng chỉ là quy −ớc. Khi có một hiệu nhiệt độ giữa các vật thể tiếp xúc với nhau thì sẽ xảy ra hiện t−ợng truyền năng l−ợng từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp hơn cho đến khi nào có sự cân bằng nhiệt.
Chính nguyên lí thứ hai nhiệt động lực học đã đ−a ra một định nghĩa nhiệt độ không phụ thuộc một chất nào cả gọi là nhiệt độ nhiệt động lực.
Từ bất đẳng thức Q Q Q T T T 1 2 1 1 2 1 − ≤ − ta suy ra Q T T Q 2 2 1 1 ≥ Đối với chu trình Cacnô thuận nghịch thì ta có đ−ợc Q
Q T T 2 1 2 1 = từ đó chúng ta có đ−ợc định nghĩa về nhiệt độ nhiệt động lực.
Thuyết động học phân tử làm sáng tỏ hơn nữa bản chất của khái niệm nhiệt độ. Theo thuyết này, nhiệt độ của một vật liên quan mật thiết với năng l−ợng của chuyển động tịnh tiến của các phân tử của nó. Đối với tr−ờng hợp khí lí t−ởng thì
θ = Wd
3 2
Lẽ ra, nh− thì thì đơn vị nhiệt độ sẽ là Jun (J), nh−ng trong thực tế việc đo trực tiếp động năng của một phân tử là một vịc rất khó. Hơn nữa, vì lí do lịch sử, đại l−ợng nhiệt độ đ−ợc sử dụng rộng rãi tr−ớc khi thuyết động học phân tử ra đời, nên ng−ời vẫn quen dùng đơn vị của nhiệt độ là "độ". Để đo đ−ợc nhiệt độ bằng độ, phải đ−a thêm vào công thức trên một hệ số chuyển đơn vị. Đó chính là hằng số Boltzmann k = 1,38.10-23 J/độ. Khi đó KT = θ = 2
Vấn đề cơ bản của chế tạo nhiệt kế là thiết lập thang đo. Các nhà bác học tìm kiếm và đã đ−a ra nhiều thang đo khác nhau. Bốn thang đo th−ờng đ−ợc quan tâm nhiều nhất thuộc vầ các nhà bác học Celsius, Kelvin, Farenheit và Réaumur. Biểu thức chuyển từ thang chia độ này sang thang chia độ khác nh− sau:
t C0 t K0 t R0 t F0 5 273 5 5 4 32 9 = − , = = −
Thực ra đây chỉ là những thang đo thực nghiệm dựa vào sự dãn nở của các chất. Quan niệm nhiệt độ chỉ đ−ợc xác định chính xác khi dựa vào nguyên lí thứ hai nhiệt động lực học và thuyết động học phân tử. Để thiết lập thang đo nhiệt độ nhiệt động lực học cần chọn hai điểm: điểm không tuyệt đối là nhiệt độ mà khi ấy nhiệt l−ợng truyền cho nguồn lạnh bằng không, tức là toàn bộ nhiệt l−ợng của nguồn nóng đều đ−ợc chuyển hoá thành công hữu ích (hiệu suất của máy nhiệt thuận nghịch bằng 1). Còn điểm thứ hai chính là điểm ba của n−ớc. Nhiệt độ đó đ−ợc coi là 2730
C (thực ra là 273,160C).
Thang đo nhiệt độ đ−ợc thành lập dựa trên định nghĩa động học phân tử về nhiệt độ lại hoàn toàn trùng với thang nhiệt độ nhiệt động lực học. Sự truyền năng l−ợng giữa các vật thể có nhiệt độ khác nhau khi tiếp xúc chính là sự truyền động năng của chuyển động tịnh tiến giữa các phân tử của các vật thể đó và sự can bằng nhiệt xẩy ra khi động năng trung bình của các phần tử là nh− nhau. Nhiệt độ không tuyệt đối (T=00K) bây giờ cũng có nghĩa là nhiệt độ mà khi đó các phân tử khí lí t−ởng ngừng chuyển động nhiệt hỗn loạn.
Tóm lại, tính chất của nhiệt độ là:
• Nếu hai hệ có nhiệt độ T1 và T2 bằng nhau thì khi tiếp xúc, hai hệ đó vẫn ở trong trạng thái cân bằng nhiệt,
• Nếu T1>T2 thì trạng thái cân bằng của hai hệ có nhiệt độ T sao cho T2<T<T1,
• Không có nhiệt độ âm,
• Nhiệt l−ợng rút gọn là hàm của trạng thái (chỉ phụ thuộc vào điểm đầu, điểm cuối và δQ