M (2.9) Theo định nghĩa (2.9) thì mômen độ ng l ượ ng
c. Biểu thức nội năng của khí lý tưởng
8.1.3. Công và nhiệt
Tiếp theo khái niệm về nội năng, công và nhiệt là hai khái niệm quan trọng trong nhiệt động học.
Thí nghiệm chứng tỏ rằng khi các hệ khác nhau tương tác với nhau thì chúng trao đổi với nhau một năng lượng nào đó. Có hai dạng truyền năng lượng:
Một là dạng truyền năng lượng làm tăng mức độ chuyển động có trật tự của một vật. Điều này xảy ra khi có tương tác giữa các vật vĩ mô (các vật có kích thước lớn hơn kích thước của từng phân tử rất nhiều). Trong nhiệt động học cũng như trong cơ học, người ta gọi dạng truyền năng lượng này là công.
Hai là, năng lượng được trao đổi trực tiếp giữa các phần tử chuyển động hỗn loạn của những vật tương tác với nhau. Khi hệ được trao đổi năng lượng như vậy mức độ hỗn loạn của các phân tử của hệ và do đó nội năng của hệ tăng lên hay giảm đi. Trong nhiệt động học, người ta gọi dạng truyền năng lượng này là nhiệt.
Như vậy, ta thấy rằng công và nhiệt đều là những đại lượng đo mức độ trao đổi năng lượng giữa các hệ. Sự khác nhau sâu sắc giữa công và nhiệt là ở chỗ, công liên quan tới chuyển động có trật tự, còn nhiệt liên quan đến chuyển động hỗn loạn của các phân tử của hệ. Nhưng chúng có mối liên hệ chặt chẽ với nhau và có thể chuyển hóa lẫn nhau: công có thể biến thành nhiệt và ngược lại. Ví dụ: khi cọ sát hai vật, chúng nóng lên tương tự như chúng đã nhận nhiệt; khi đốt nóng một vật, nghĩa là truyền nhiệt cho vật thì vật nóng lên, nội năng của vật tăng lên nhưng đồng thời vật dãn nở, nghĩa là một phần nhiệt đã biến thành công làm vật dãn nở.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng, sự chuyển hóa giữa công và nhiệt luôn luôn tuân theo một hệ thức định lượng xác định. Jun là người đầu tiên, vào năm 1845, đã xác định được rằng cứ tốn một công bằng 4,18J thì sẽ được một nhiệt lượng 1cal. Việc tìm ra sự tương đương giữa nhiệt và công là một sự kiện quan trọng đối với khoa học và kĩ thuật, đặc biệt là đối với việc thiết lập định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.
Cần chú ý rằng công và nhiệt đều là những đại lượng dùng đểđo mức độ trao đổi năng lượng, nhưng chúng không phải là một dạng của năng lượng. Do đó, thật là sai lầm nếu ta dùng khái niệm “lượng nhiệt dự trữ trong vật”.
Công và nhiệt chỉ xuất hiện trong quá trình biến đổi trạng thái của hệ. Ở mỗi trạng thái, hệ chỉ có một giá trị xác định của năng lượng, chứ không thể có công và nhiệt nếu hệ biến đổi từ một trạng thái này qua một trạng thái khác theo những con đường khác nhau thì công và nhiệt trong quá trình biến đổi đó sẽ có những giá trị khác nhau. Vậy công và nhiệt không phải là những hàm trạng thái mà là những hàm
của quá trình.