Chương 1 NHIỆT ĐỘ VÀ NGUYÊN LÝ THỨ KHÔN 1. NHIỆT ĐỘ VÀ PHÉP ĐO NHIỆT ĐỘ 4. Nhiệt độ hhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho chuyển động nhiệt. Đại lượng này liên quan đến cảm giác nóng, lạnh.
Nó là một trong bảy đại lượng cơ ban của hệ SỊ. Nhiệt độ là đại lượng không cộng được.1 cho biết những giá trị nhiệt độ có thể xác định được tính theo :hang nhiệt giai Kelvin (K). Phép đo nhiệt độ Nguyên lý chung: Muôn đo nhiệt độ ta cần một dụng cụ gọi là nhiệt kế. Cho nhiệt kế tiếp xúc trực tiếp với vật cần đo nhiệt độ, khi có sự cần bằng nhiệt giữa vật và nhiệt kế thị giá trị đọc được trên nhiệt kế chín! là nhiệt độ của vật.
Nhiệt độ môi trường sau vụ nổ Big Bang 102 K 1019 K Nhiệt độ nhân của các ngôi sao đỏ khổng lồ Nhiệt độ nhân của mặt trời Nhiệt độ vành đai 10° K 6 10° K : mặt trời F— Nhiệt độ bề mặt 40K mặt trời Pane của 10 K ——_ Nhiệt độ sôi của H 2 Cấn Nhiệt độ sôi của Oxy —_ Nhiệt độ sôi của Heli Nhiệt độ trung bình = của vũ trụ 10° K 107K F— Siêu chảy He? A—— 10K Hinh 1. Một số giá trị nhiệt độ xác định trong thang nhiệt giai Kelvin. hhư vậy nhiệt kế là dụng cụ dùng dé xác định nhiệt độ. Thông thường sự thay đổi các tính chất vật lý của vật như điện trở, quan; trở, áp suat va thể tích đều phụ thuộc vào nhiệt độ.
Nhiệt nghiệm của ỞŒalile: Người đầu tiên đưa ra phép so sánh nhiệt 9 độ (nhiệt nghiệm) năm 1592 là Galile. Cấu tạo nhiệt nghiệm như sau: một bình cầu thuỷ tỉnh A nối với một ống nhỏ đề hở B (hình 1. Muốn đo nhiệt độ của một vật nào đó, ta cho vật cần đo tiếp xúc với hình cầu A (ống nhỏ B đặt chìm trong nước). Khi không khí trong bình nóng lên sẽ dãn nở, một phần khí thoát ra ngoài.
Đề cho bình A cân bằng nhiệt với vật cần đo (tức là bình A lạnh đi), Khi đó thể tích khí bị nở ra mất đi trong bình A co lại kéo theo một lượng nước nhỏ dâng lên trong ống € „ ¬ ". Dung cu do nhiiét B. Tuỳ theo mức nước dâng nhiêu hay ít, độ của Galie. ta nói nhiệt độ của vật đó cao hơn nhiệt độ môi trường nhiều hay it.
Nhận xéi: Dụng cụ này chỉ là một nhiệt nghiệm, nghĩa là chí làm nhiệm vụ so sánh nhiệt độ giữa vật và môi trường mà không cho lbiết định lượng về nhiệt độ. Vậy, muốn đo được nhiệt độ ta phải biến nhiệt nghiệm thành nhiệt kế bằng cách chia các thang đo gọi là các thang nhiệt giai, tức là phải qui ước những điểm chuẩn (thường là các điểm cổ định như điểm sôi của nước, điểm đóng băng của nước hoặc các điểm đặc biệt của một chất nào đó). Các thang nhiệt giai để đo nhiệt độ Người ta lấy thang nhiệt giai Kelvin (K) làm nhiệt giai Quốc tế sử dụng trong khoa học cơ bản. Trong thang nhiệt giai này, điểm tam trùng của nước (0,01”C) được quy định là 273,16 K và 0 K là nhiệt độ không tuyệt đối ứng với giá trị (273,16 °C).
Như vậy ứng với 0 °C trong thang nhiệt giai Kelvin là 273,15 K. Tuy nhiên một số nước trên thế giới còn sử dụng các loại thang nhiệt giai Celsi (°C), Fahrenheit (°F) va Rankine (°R) để đo nhiệt độ. Theo quy ước, trong thang nhiệt giai Kelvin thì nhiệt độ thấp nhất (về mặt lý thuyết có thể đạt được) là Tm¡a = 0 K và nhiệt độ cao nhất Tmax = © K. Trong thực tế, hiện nay theo một số tài liệu công bó, thì nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được là Tm„ịn = 2.107 K và nhiệt đệ cao nhất tại vụ nỗ Big Bang ước tính cỡ T„ạ„ 10”? K, 10 Trong thang nhiệt giai Celsi (còn gọi là nhiệt giai bách phân), người ta lấy nhiệt độ của nước đá đang tan là 0 °C và điểm sôi của nước là 100 °C ở áp suất chuẩn, chia khoảng đó thành 100 phần bằng nhau, mỗi phần gọi là 1°C.
Vậy nếu t (°C) là nhiệt độ trong thang nhiệt giai Celsi (°C) và T(K) là nhiệt độ trong thang nhiệt giai Kelvin (K) thì mối liên hệ giữa các nhiệt độ trong hai thang đó là: t€) = T(K) - 273,15 hoặc T(K) = tỨC) + 273,15 Trong thang nhiệt giai Fahrenheit, người ta lấy nhiệt độ của nước đá đang tan (0 ”“C) là 32 °F và nhiệt độ sôi của nước (100 °C) là 212 °F. Vì vậy, sự chuyên đôi nhiệt độ giữa hai thang nhiệt giai là: T(°F) = stÚC) +32 Thang nhiệt giai Rankine và thang nhiệt giai Kelvin có điểm 0 trùng nhau (tại 0 °®C). Công thức chuyền đổi là : T(°R) = T(?°F) + 460 Dưới đây (hình 1.3) là sự so sánh một số điểm cố định trong các thang nhiệt giai Kelvin, Celsi, Rankine và Fahrenheit. của Hg Nhiệt độ sõi x của HO -'373-f Điểm đóng băng của HạO -~273- Nhiệt độ sôi củanitơ -~- Z7 Độ không =a tuyét déi Hinh 1.
So sanh các nhiệt giai Kelvin (K), Celsi (°C), Rankine (°R) va Fahrenheit (°F) Bảng 1.1 cho biết một số nhiệt độ tính trong thang nhiệt giai Celsi \a thang nhiét giai Fahrenheit. Một số điểm tính theo nhiệt giai Celsi và Fahrenheit Nhiệt độ °c °F Điểm sôi của nước 100 212, Thân nhiệt binh thường 37,0 98,6 Mức độ dễ chịu 20 68 Điểm đóng băng của nước 0 32 Số không của nhiệt giai Farenheit = -18 0 Hai nhiệt giai trùng nhau -40 ~40 1. NGUYEN LY THU KHONG CUA NHIET DONG LUC HOC 1. Phat biéu nguyén ly Có hai vật A và B.
Cho nhiệt kế tiếp xúc trực tiếp với vật A. Sau khi cân bằng nhiệt ta xác định được nhiệt độ của vật A là X. Cũng làm như vậy với vật B, ta đo được nhiệt độ vật B cũng là X. Sau đó cho vật A và B, tiếp xúc trực tiếp với nhau.
Ở trạng thái cân bằng nhiệt ta đo được nhiệt độ chung của vật AB cũng là X (hình 1. Ta nói rang, vat A và vật B đã ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau. a) Nhiệt nghiệm T và vật A ở trạng thái cân bằng nhiệt b) Nhiệt nghiệm T và vật B ở trạng thái cân băng nhiệt c) Vat A và vật B ở trạng thái can bang nhiệt với nhau Từ những kết quả thí nghiệm, có thê khái quát thành nguyên lý sau đây: "Nếu các vật A và vật B cùng cân bằng nhiệt với vật thứ 3 thì chúng cân bằng nhiệt với nhau”. Nguyên lý này gọi là nguyên lý thứ 0 của nhiệt động lực học.
Hệ quả: Nguyên lý thứ 0 được nêu lên năm 1930 (sau nguyên lý thứ 12 I và thứ II của nhiệt động lực học) nhưng vì khái niệm về nhiệt độ là nền tảng của các nguyên lý thứ I và thứ II, bởi vì nguyên lý này thiết lập về khái niệm nhiệt độ, cho nên phải có bậc thấp hơn vì vậy được đặt tên là nguyên lý thứ 0. Từ nguyên lý thứ 0 có thể suy ra: Mỗi vật có một tính chất riêng gọi là nhiệt độ và khi hai vật ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau thì chúng có cùng một nhiệt độ chung. Ngược lại, muốn biết hai vật có cân bằng nhiệt với nhau hay không, ta không cần phải cho chúng tiếp xúc nhau, mà chỉ cần đo nhiệt độ của chúng một cách độc lập, nếu chúng có cùng nhiệt độ với vật thứ ba thì hai vật đó ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau. Nguyên lý thứ 0 cho thấy: Có thể coi vật thứ ba như một nhiệt kế để xác định nhiệt độ của các vật A và B.
Vì vậy nguyên lý này chính là cơ sở để đo nhiệt độ và đại lượng đặc trưng cho nguyên lý này chính là nhiệt độ (T). Nhiệt kế khí thể tích không đổi Cấu tạo và hoạt động: Bình thuỷ tỉnh A chứa một khối lượng khí (m), một ống dẫn nối bình A với áp kế thuỷ ngân. Khi nâng bình A lên hay hạ xuống, mức thủy ngân ở nhánh trái luôn chỉ số 0 (đảm bảo thể tích trong bình khí là không đổi). Nếu nhiệt độ của vật muốn đo tiếp xúc với bình khí có giá trị T thì T = C.p (p là áp suất khí khi V = const và C = const) và áp suất p tuân theo hệ thức: P = Po + pgh (1.1) Với p„ là ap suất khí quyển.
p là khối lượng riêng của thuỷ ngân và Hình 1. Nhiệt kế khí có thể tích. h là độ chênh lệch mức thuy ngân trong hai nhánh của ống dẫn. Khi đem bình khí nhúng vào điểm ba của nước (còn gọi là điểm tam 13 trùng, điểm mà tại đó có sự cân bằng của cả ba pha rắn — lỏng - khí) ta có nhiệt độ điểm ba là: T3 = Cp3 (1.2) Ở đây p; là áp suất bình khí ở tại điểm tam trùng của nước.
Khi đó C= Fy thay giá trị C vào phương trình T = C. Vì vậy, biểu thức nhiệt độ của vật cần đo sẽ là: T= 273.4) m0 P3 Khi lượng khí m trong bình giảm dan đến 0, ta có thể ngoại Suy được tỉ số =< trong phương trình (1. Như vậy ta có thể xác định 3 được các giá trị nhiệt độ của khí lý tưởng. Một số nhiệt độ sơ cấp cố định trong thang nhiệt giai quốc tế được thống kê trong bảng 1.
Một số điểm có định trong thang nhiệt giai Kelvin. Chất Điểm chọn có định Nhiệt độ (K) Hạ Điểm ba 13,81 Hạ Điểm sôi 20,28 Neon Điểm sôi 27,102 O; Điểm ba l 54,361 Ar Điểm ba 83,798 O; Điểm sôi 90,108 Nước Điểm sôi | 373,125 Sn Điểm nóng chảy 505,074 Zn Điểm nóng chảy 692,664 Ag Điểm nóng chảy 1235,08 Au Điểm nóng chảy 1337,58 14 1. DAN NO NHIET 1. Sự dãn nở dài Giả sử: Một đây kim loại có chiều dài L, khi nung nóng, làm tăng nhiệt độ của nó lên AT, thì chiều dài của dây tăng lên AL.
Vậy, độ dài của dây phụ thuộc vào nhiệt độ theo hệ thức sau: AL = œ.5) cán = ALI Scy ra: %”- Ta (1.6) Ở đây AT là hiệu nhiệt độ trước và sau khi nung nóng dây kim loại, còn ơ là hệ số nở dài. Hệ số này cho biết sự thay đổi tỷ đối chiều dài của vật khi nhiệt độ tăng lên một đơn vị, nó phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và khoảng nhiệt độ mà ta xét. Su dan nở khối Khi vật rắn được nung nóng thì kích thước cả ba chiều trong không gian cla nó đều tăng, dẫn đến thể tích tăng lên.