B. Nội dung thuyết động học phân tử cần thiết cho giáo viên khi tổ chức Seminar
2. Cuộc tranh luận của bản chất nhiệt
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,.. Như khi người ta
dùng bếp lửa để đun nước làm nước nóng lên và sôi. Vậy nước nóng và
nước lạnh khác nhau ở điểm nào ?
Có nhiều người vẫn trả lời rằng : nước nóng thì chứa nhiều nhiệt hơn
nước lanh. Giống hệt như súp mặn hơn nếu chứa nhiều muối. Thế chất
nhiệt đó là gì ?
Đến thế kỷ thứ XVII, khi đã chế tao và hoàn thiện nhiệt kế vấn dé bản chất nhiệt mới trở thành cấp thiết đối với các nhà khoa học thời bấy giờ. Có hai quan điểm đối lập nhau vé bản chất của nhiệt : nhiệt là một
chất lỏng đặc biệt và nhiệt là kết quả chuyển động của các hạt vật chất.
a. Thuyết “chất nhiệt ”:
- Lần đầu tiên vào năm 1721, Wolf đã trình bày thuyết “chat nhiệt”
này một cách có hệ thống. Đó là một chất lỏng đặc biệt, vô hình, không
trọng lượng, thấm sâu vào mọi vật và có thể truyền dễ dang từ vật này
sang vật khác. Và 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, người ta xây
dựng hàng loạt các khái niệm cơ bản của nhiệt vẫn còn dùng tới ngày nay
như : nhiệt lượng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt hóa hơi, tỷ nhiệt,..Ví dụ như
S272: Cá Hagnh Baan Mai Thang 26
[771 1.7... SNRRIDNNNNUUUN/././\c VÔ 0o l ÂU.
khi dun mot lượng nước trên bếp lửa. Bếp lửa đã truyền nhiệt lượng cho
nước nóng lên. Ta có thể tính được nhiệt lượng nước thu vào hay không?
Công thức tính nhiệt lượng:
Q= mets, -!,)
Với Q là nhiệt lượng (J)
m là khối lượng riêng của vật (kg)
:,„ +,: nhiệt độ đầu, cuối của vật (°C)
c: là nhiệt dung riêng
Từ các khái niệm đó cho phép ta thiết lập các phương trình, trong đó nổi bật là phương trình cân bằng nhiệt:
thu = Qua
Phương trình này không những có thể dùng để giải thích mà còn 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 XVII,
b. Giả thuyết nhiệt là do chuyển động của các hạt vật chất.
Giả thuyết cho nhiệt là do chuyển động của các hạt vật chất ra đời
trước giả thuyết 'chất nhiệt'. Từ sự quan sát hàng ngày người ta đã sớm phát hiện ra mối quan hệ khăng khít giữa nhiệt và chuyển động. Nhưng
cũng phải đến giữa thế ky XVII mới có sự phối hợp thật sự giữa kết quả quan sát này với nguyên tử luận về cấu tạo vật chất đưa đến giả thuyết
"hat' về bản chất của nhiệt.
- Năm 1798 Rumford trong khi quan sát quá trình khoan nòng súng,
ông thấy nhiệt độ của nòng súng tăng lên rất cao. Trường hợp này, chúng ta thấy là có sự truyền chất nhiệt nào không? Và như vậy vì sao nhiệt độ
S12. ¿ Huguh Quan Mai “xase 27
của nòng súng lại tăng lên ? Câu hỏi này thì thuyết "chất nhiệt” không thể
giải thích nổi.
Sự nghi ngờ về chất nhiệt đã thúc đẩy Rumford tiến hành thí nghiệm
cụ thể hơn. Ông lấy kim loại đúc thành một thỏi hình trụ có khoan một lỗ
nhỏ và đặt vào đó một mũi khoan cùn. Dùng hai con ngựa làm quay mũi
khoan thật nhanh, ông thấy chỉ trong một khoảng thời gian ngắn nhiệt độ bên ngoài đã tăng lên tới 70 °C. Nếu nhúng thiết bị trên vào nước thì chỉ
trong một hai giờ sau nước đã sôi lên sùng sục.
Ông coi đó là một bằng chứng hùng hồn chứng tỏ rằng nhiệt là một dang chuyển động. Rumford có cách nói rất hình ảnh “vat sé càng nóng nếu các hạt cấu thành nó chuyển động càng mạnh giống như cái chuông
ngắn càng to nếu nó dao động càng mạnh”
Thế nhưng đa số các nhà vật lý vẫn không nhượng bộ mà giải thích rằng ở đây ma sát đã làm “chat nhiệt” chảy ra khỏi nòng súng như khi ta
vắt một quả chanh.
Có rất nhiều nhà bác học từ thế kỷ thứ XVI đến XVIII đã bảo vệ quan điểm của Rumford một cách xuất sắc.
e Francis Bacon (1561-1626) viết “Bản thân nhiệt về thực chất
chẳng phải cái gì khác ngoài chuyển động ...Nhiệt tức là sự chuyển động biến đổi của những phan cực kỳ nhỏ của một
vật”.
e Robert Hooke cho rằng “Nhiệt là sự chuyển động liên tục của các phần của một vật.chẳng có vật nào mà các hạt nhỏ của
nó lại ở trạng thái nghỉ `.
S122. Lt Hanh Kain Mai hang 28
odn tố† ; TS. Le Thank
® Lomonosov (1711-1765), một nhà khoa học Nga đã phủ nhận
sự tổn tại của chất nhiệt và viết "nhiệt tức là sự chuyển động
bên trong của các hạt vật chất”.
e Đecac (1596-1650) coi nhiệt là chuyển động của những hạt rất
nhỏ của vật chất.
Các giả thuyết cho nhiệt là do chuyển động của các hạt vật chất tuy còn mang nhiều cảm tính thiếu cơ sở thực nghiệm và nhất là không đưa ra được những biểu thức định lượng xác định. Vì vậy, nó ít được các nhà khoa học chú ý và thuyết "chất nhiệt”, cùng với các chất lỏng không trọng lượng khác, được nhiều nhà khoa học công nhận. Trong các công trình khoa học thời bấy giờ, ta thường gặp các phương trình phản ứng kiểu như :
Nước đá + Chất nhiệt = Nước Nước + Chất nhiệt = Hơi nước
Do đó, nó bị chìm đi trong bản hợp xướng ồn ào tán thành thuyết
“chat nhiệt”.
3. Nguyên tử luận trong hóa học.
Đến những năm của giữa thế ky XVIII và XIX, các nhà hóa học hàng đầu đã xuất hiện. Họ đã khám phá ra định luật bảo toàn khối lượng (1785), bước đầu giải quyết được cuộc tranh luận không phân thắng bại từ nhiều thế kỷ về tính liên tục và gián đoạn của vật chất ở khá nhiều dữ kiện thực
nghiệm về tính chất của các vật mà họ đã tích lũy được.
Lúc bấy giờ nổ ra một cuộc tranh luận rất mạnh mẽ giữa hai nhà hóa học nổi tiếng là: C. Bectônle (Claude Berthollet 1748-1822), J.L Pruxtơ (Josep Louis Proust 1755-1826), cả hai đều là người Pháp.
S1?2: Le Hagjuh Dain Mai “hase 29
- Bectônle là người đã khám phá ra tính chất tẩy màu của Clo, chất nổ KCI), và ông còn cho rằng thành phần của một chất tính khiết có thể thay
đổi nột cách liên tục giữa hai giá trị giới hạn.
- Đối lập với Bectônle, từ năm 1799 Pruxtơ đã phân biệt hỗn hợp và
hợp chất.
e Hỗn hợp: có thành phần thay đổi một cách liên tục
¢ Hợp chất: có thành phần nhất định
Ấy thế mà nhiều nhà khoa học trong thời kỳ đó có sự nhằm lẫn giữa
khá niệm hỗn hợp và hợp chất, trong đó có Bectônle người đã từng giữ
chức cố vấn khoa học của Hoàng đế Napôleông trong cuộc viễn chỉnh Ai
Cap.
Cũng từ đó, Pruxtơ đã xây dựng "định luật thành phần xác định” hay còn gọi là “định luật Pruxtơ"” với nội dung là tỉ lệ (về khối lượng) theo đó hai nguyên tố hóa hợp với nhau để tạo thành một hợp chất tinh khiết
không thể thay đổi một cách liên tục mà phải có giá trị xác định”
Ví dụ: Pruxtơ khi phân tích đồng cabonat (CuCO;) được điều chế
trong phòng thí nghiệm hay có sn trong tự nhiên đều nhận thấy rằng khối
lượng của Cu, C và O luôn luôn có tỉ lệ không đổi: 5,3 phần Cu, 4 phần O
và một phần C.
Do đó, Pruxtơ khẳng định nếu nguyên tố X liên kết với nguyên tố Y
thì lúc nào tỉ lệ khối lượng của hai nguyên tố đó cũng luôn luôn không đổi.
Ý nghĩa sâu sắc của định luật này là gì ? Tại sao định luật luôn luôn
phải đúng 2 Tại sao trong một chất của X và Y luôn luôn phải có 4 phần X và I phần Y, mà không thể có 4,1 hay 3,9 phần X va | phân Y ?
Nếu cho rằng vật chất là liên tục mà không gián đoạn thì không thể hiểu được. Chỉ có thể hiểu được nếu công nhận rằng chất được tạo nên
———————ễ 0D SOOO
S772: Lt Hagjnh Haan Mai "hang 30
oan tất 1 TS. Le Thank
những phan tử không chia được gọi là nguyên tử. Do đó, ta có thể giải
thich được điều trên, trong 4 phan X có đủ số nguyên tử để kết hợp với số nguyên tử có trong | phan Y. Từ đó, ta có thể nói “định luật thành phần”
là một dẫn chứng khoa học chứng minh rằng nguyên tử tổn tại thật sư.
le âm tranh luận giữa Bectônle và Pruxtơ kéo dài từ năm
_ 1801 đến 1809 vượt lên trên cuộc tranh luân đó, J. Danton
x
`
,
f (John Dalton 1766-1844) đã xây dung một học thuyết tổng
j quát va chứng minh định luật Pruxtơ là hoàn toàn đúng dan.
Chúng ta có thể biết gì về Đanton 2
Đanton xuất thân từ một gia đình ở vùng Tây Bắc nước Anh. Thuở
nhỏ, ông có lòng ham mê học hỏi, tìm tòi và nghiên cứu. Do gia đình
nghèo ông phải bỏ trường học năm 12 tuổi. Tinh thần tự học, nhiệt tình và
khám phá tự nhiên của ông thật khiến người ta phải ngạc nhiên, thán phục.
Sự nghiệp nghiên cứu của ông bắt đầu là thủy văn, không khí, rồi mới đến hóa học. Một ngày trước khi qua đời ông còn cố dùng bàn tay run run, yếu ớt để ghi lại qua sát cuối cùng về khí tượng “Hôm nay mưa rất nhỏ”
Năm 1804, Danton đã khám phá ra “định luật tỉ lệ bội” và nó được
phát biểu như sau: khi hai nguyên tố kết hợp với nhau để tạo thành hai hay một số hợp chất thì đối với một khối lượng nhất định của nguyên tố thứ nhất, khối lượng của nguyên tố thứ hai trong các hợp chất phải tỉ lệ với
nhau theo những số nguyên đơn giản.
Để hiểu định luật này ta đưa ra ví vụ sau: hai nguyên tố C và O, tạo thành CO, và CO. Khi tạo CO; thì 3 phần C (theo khối lượng) hóa hợp với 8 phan O, còn trong CO thì 3 phan C hóa hợp với 4 phần O, ti lệ giữa các
khối lượng O ở đây là: 8:4 hay 2:1.
S122. Li Hagnuh Hain Mai “haxe St
Lugn vdn tốt ; TS. Le Thanh Thio
Panton đã nghiên cứu các tỉ lệ về khối lượng các nguyên tố trong hợp
chất và đã suy ra định luật thành phần không đổi và định luật ti lệ bội.
Năm 1808, ông đưa ra một giả thuyết nguyên tử được phát triển thành một
học thuyết nguyên tử mới, trình bày trong một công trình "Một hệ thống
mới của triết học hóa học". Có thể tóm tắt như sau:
e Các nguyên tố được cấu tạo bằng nguyên tử là những hạt không chia
được.
e Nguyên tử có một tập hợp tính chất đặc trưng, đặc trưng nhất là có
một khối lượng không đổi.
e Sự hóa hợp các nguyên tử trong hợp chất theo những tỉ lệ đơn giản dẫn đến sự tạo thành một lượng nhỏ nhất của hợp chất gọi là một
nguyên tử phức tạp.
Từ đó ta thấy điểm hoàn toàn mới và cơ bản trong học thuyết nguyên
tử của Đanton là nguyên tử được xem là có khối lượng nhất định, khối
lượng này thay đổi từ nguyên tử của nguyên tố này sang nguyên tử của
nguyên tố khác.
Ông còn tính được khối lượng nguyên tử tương đối của một số nguyên
tố như: H, N, C, O, P và S. Khối lượng nguyên tử tương đối là khối lượng mà ta so sánh với khối lượng nguyên tử hyđrô được chọn làm khối lượng
đơn vị. Như ông đã tính nguyên tử lượng của oxy là 7. Nhưng sai lầm đó
không nằm trong cơ sở lý thuyết mà chỉ là hệ quả của công thức HO, lúc
đó người ta dùng để chỉ nước.
Với lý thuyết nguyên tử, định luật Pruxtơ trở nên hoàn toàn dễ hiểu.
Thật vậy, khi vật chất được chia nhỏ đến một giới hạn cuối cùng là nguyên tử, sau đó không thể chia nhỏ hơn nữa, thì ngược lại trong sự kết hợp các nguyên tử thuộc một số loại để tạo nên một hợp chất, tỷ lệ về khối lượng
S222: Cà Haijnh Gaén Mai Juang 32
hag odin tốf ughi¢g GORD: TS. Le Thi Thank Thao
của các nguyên tố tham gia trong hợp chất này phải là một tỷ lệ xác định gián đoạn, không thể là liên tục một cách bất kỳ.
4. Những thành tựu khoa học.
- Chúng ta thường nói khoa học luôn gắn liền với kỹ thuật và sau đó phuc vụ lại cho con người. Từ một ví dụ đơn giản là khi đun ấm nước, nước
sôi đẩy nắp ấm lên, ta nói nước đó đã thực hiện một công. Vì sao nước sôi
đó có thể thực hiện được công ? Đó là có sự có mặt của nhiệt. Và đó cũng là vấn dé mà các nhà khoa học đã nghiên cứu: quá trình biến đổi giữa
nhiệt và công.
Một trong những phát minh dựa trên sự biến đổi giữa
nhiệt và công đó là máy hơi nước. Chúng ta còn nhớ ai
là người phát minh ra máy hơi nước đầu tiên không? Đó
là J. Oat (Jeams Watt 1736-1819) ở Anh. Ông được
mệnh đanh là “cha đẻ của máy hơi nước ”.
Năm 1763 Oat thỉnh cầu để được phép sửa chữa một động cơ hơi nước
do nhà chế tạo người Anh Thomas Newcomen (1663-1729). Thế rồi cơ hội ngàn vàng đã đến với Oat. Trong năm đó, người ta đem đến xưởng sửa
chữa một máy hơi nước Newcomen bị hư hỏng. Oat bắt tay ngay vào việc
“—————
SU7TA:; Li Hunk Badan Mai “kaxe 33
oan tat ; TS. Le Thank Théo
ngiên cứu động cơ hơi nước đó, ông phát hiện thấy nó tiêu hao năng lượng lớn, hiệu suất thấp. Phải mất nhiều thời gian chế tạo, tháo lắp, thử nghiệm, cuối cùng vào năm 1769, Oat chế tạo thành công máy hơi nước đầu tiên.
Máy hơi nước của Oat nâng cao hiệu suất, giảm thiểu hao tốn nhiên liệu.
Năm 1782, Oat lại phát minh ra máy hơi nước liên động, loại máy này có
thể sử dụng trong công nghiệp dệt, luyên kim, khai khoáng. giao thông..rất
nhanh chóng gây ra cuộc cạnh tranh kỹ thuật công nghiệp lần thứ nhất trên phạm vi thế giới. Tên gọi của ông gắn liền với đơn vị đại lượng nào mà các em đã được học ? Để kỷ niệm phát minh vĩ đại của J. Oat các nhà khoa học quyết định lấy tên ông đặt cho đơn vị tính công suất, gọi là Oat, ký hiệu là W. Nhưng hiệu suất của máy hơi thường không vượt quá 20% và sự cải tiến máy hơi nước được tiến hành theo kinh nghiệm của các nhà chế
tạo mà không dựa trên một lý thuyết nào.
Xađi Cacnô (1793-1832), một kỹ sư công binh của quân đội pháp,
nhận xét rằng các máy hơi nước “sẽ tạo ra một bước ngoặt lớn trong thế giới văn minh” nhưng ông lo ngại rằng với hiệu suất như lúc đó, chúng sẽ đốt trụi hết những cánh rừng đẹp của nước Pháp, ông thấy rằng những biện pháp ngẫu nhiên để cải tiến máy hơi nước là chưa đủ và cẩn phải xây dựng
lý thuyết của các máy đó. Ông đã nêu lên được chu trình nhiệt: trong quá
trình vận hành của động cơ nhiệt, tác nhân sinh công nhận một nhiệt lượng
từ nguồn nóng và truyền một phần của nhiệt lượng đó cho nguồn lạnh. Và
ông đã chứng minh được là hiệu suất của bất kì động cơ nhiệt nào cũng là:
7, -T, hea
Với 7,: nhiệt độ của nguồn nóng.
T.: nhiệt độ của nguồn lạnh.
S272: Li Haijnh Baan Mai “Trang SG
Luda odin tất nghi, OFOD: “7$. Le “7l Thank Thao
Vì vậy muốn nâng cao hiệu suất của động cơ nhiệt phải nâng cao
nhiệt độ 7,của nguồn nóng va ha thấp nhiệt độ 7,của nguồn lạnh.
Tới nữa cuối thế kỷ thứ XIX bắt đầu xuất hiện các loại động cơ đốt
trong, rồi đến các động cơ Diesel. Trong những năm 1880, Karl Benz, kỹ
sư người Đức tiếp tục chế tạo ra những động cơ đốt trong thay bằng khí
than, sau đó bằng xăng. Năm 1885, ông đặt một trong những động cơ này vào một bánh xe ba bánh hai chỗ ngồi và thế là xe chở người có động cơ
đầu tiên, hay xe hơi có động cơ như ngày nay.
(động cơ đốt trong)
Khi nhắc đến tiếng “Diesel” người ta thường nghĩ đến một loại động cơ, một loại máy ít ai nhớ đến đó là tên của một người hạnh phúc nhưng
cũng đẩy bất hạnh : Điêzen (Rutherford Diesel 1859- 1913).
Ông nghiên cứu để chế tạo động cơ đốt trong kiểu mới. Năm 1893,
ông đã chế tạo thành công loại động cơ này. Nó có đặc điểm là không có
bộ phận đánh lửa, chỉ có hỗn hợp dầu nặng và không khí được phun vào buồng cháy của xilanh, dưới áp suất cao sẽ nóng lên và tự phát lửa. Động cơ này bền hơn động cơ xăng, nhẹ và chạy êm hơn.
SU7A: Lt Haujnkh Daan Mai "hang 3S
Lege odn tất ughi¢g GOD: FS. Le Thi Thanh Thao
Trong một chuyến công tác của minh, ông đã đi vĩnh viễn nhưng
chẳng ai biết lý do vì sao, những người đân chày đã tìm thấy xác người đàn
ông và chiếc động cơ Diesel mang tên ông thì mãi mãi còn đây.
(động cơ Diezen)
S272. C¿ 2(tuùnít Bun Mai "hang 36