intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Nghiên cứu vật liệu - Phân tích nhiệt ứng dụng: Phần 1

Chia sẻ: Hoa La Hoa | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:126

169
lượt xem
53
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu Phân tích nhiệt ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu của tác giả Nguyễn Tiến Tài là Tài liệu chuyên khảo về nghiên cứu vật liệu. Tài liệu gồm 3 chương, được chia thành hai phần. Phần 1 giới thiệu đến bạn đọc nội dung chương I và chương II. Chương I giới thiệu về cơ sở nhiệt động lực học. Chương II giới thiệu về cơ sở phân tích nhiệt.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu vật liệu - Phân tích nhiệt ứng dụng: Phần 1

  1. VIÖN KHOA HäC Vµ C¤NG NGHÖ VIÖT NAM Bé S¸CH CHUY£N KH¶O HéI §åNG BI£N TËP Chñ tÞch Héi ®ång: GS.TSKH. §Æng vò minh Phã Chñ tÞch Héi ®ång: GS.TSKH. NguyÔn Khoa S¬n pgs.tskh. NguyÔn T¸c An, pgs.ts. Lª TrÇn B×nh, pgs.tskh. NguyÔn V¨n C , gs.tskh. Vò Quang C«n, ts. Mai H , gs.vs. NguyÔn V¨n HiÖu, gs.TSKH. H Huy Kho¸i, gs.tskh. NguyÔn Xu©n Phóc, gs.ts. Bïi C«ng QuÕ, gs.tskh. TrÇn V¨n Sung, pgs.ts. Ph¹m Huy TiÕn, gs.ts. TrÇn M¹nh TuÊn, gs.tskh. NguyÔn ¸i ViÖt.
  2. Lêi giíi thiÖu ViÖn Khoa häc v C«ng nghÖ ViÖt Nam l c¬ quan nghiªn cøu khoa häc tù nhiªn v c«ng nghÖ ®a ng nh lín nhÊt c¶ n'íc, cã thÕ m¹nh trong nghiªn cøu c¬ b¶n, nghiªn c u v ph¸t triÓn c«ng nghÖ, ®iÒu tra t i nguyªn thiªn nhiªn v m«i tr'êng ViÖt Nam. ViÖn tËp trung mét ®éi ngò c¸n bé nghiªn cøu cã tr×nh ®é cao, c¬ së vËt chÊt kü thuËt hiÖn ®¹i ®¸p øng c¸c yªu cÇu vÒ nghiªn cøu v thùc nghiÖm cña nhiÒu ng nh khoa häc tù nhiªn v c«ng nghÖ. Trong suèt 30 n¨m x©y dùng v ph¸t triÓn, nhiÒu c«ng tr×nh v kÕt qu¶ nghiªn cøu cã gi¸ trÞ cña ViÖn ®C ra ®êi phôc vô ®¾c lùc cho sù nghiÖp x©y dùng v b¶o vÖ Tæ quèc. §Ó tæng hîp v giíi thiÖu cã hÖ thèng ë tr×nh ®é cao, c¸c c«ng tr×nh v kÕt qu¶ nghiªn cøu tíi b¹n ®äc trong n'íc v quèc tÕ, ViÖn Khoa häc v C«ng nghÖ ViÖt Nam quyÕt ®Þnh xuÊt b¶n bé s¸ch chuyªn kh¶o. Bé s¸ch tËp trung v o ba lÜnh vùc sau: Nghiªn cøu c¬ b¶n; Ph¸t triÓn v øng dông c«ng nghÖ cao; T i nguyªn thiªn nhiªn v m«i tr'êng ViÖt Nam. T¸c gi¶ cña c¸c chuyªn kh¶o l nh÷ng nh khoa häc ®Çu ng nh cña ViÖn hoÆc c¸c céng t¸c viªn ®C tõng hîp t¸c nghiªn cøu. ViÖn Khoa häc v C«ng nghÖ ViÖt Nam xin tr©n träng giíi thiÖu tíi c¸c quý ®éc gi¶ bé s¸ch n y v hy väng bé s¸ch chuyªn kh¶o sÏ l t i liÖu tham kh¶o bæ Ých, cã gi¸ trÞ phôc vô cho c«ng t¸c nghiªn cøu khoa häc, øng dông c«ng nghÖ, ® o t¹o ®¹i häc v sau ®¹i häc. Héi ®ång Biªn tËp
  3. L i nói u Chuy�n ��ng nhi�t là m�t trong các thu�c tính v�n có và c� b�n c�a các h�t vi mô c�u t�o nên th� gi�i v�t ch�t. Thu�c tính này không nh�ng tr�c ti�p quy�t ��nh tính ch�t nhi�t mà còn liên quan ch�t ch� t�i h�u h�t các tính ch�t khác c�a v�t ch�t. Chính vì v�y, ��ng l�c h�c (dynamics), môn khoa h�c nghiên c�u v�t ch�t xu�t phát t� các quan sát th�c t� m�i hi�n tư�ng trong t� nhiên, không th� tách r�i kh�i các thu�c tính nhi�t (thermal) c�a ��i tư�ng, mà g�n bó kh�ng khít v�i nhau �� tr� thành nhi�t ��ng l�c h�c (thermodynamics), m�t ngành khoa h�c �ư�c xem là t�ng quát nh�t �� nghiên c�u th� gi�i v�t ch�t. Nghiên c�u tính ch�t nhi�t c�a v�t ch�t nói chung, c�a v�t li�u nói riêng, �ư�c xem là nh�ng nghiên c�u c� b�n c�a nhi�t ��ng l�c h�c. Công c� chính �� nghiên c�u tính ch�t nhi�t c�a v�t ch�t chính là phân tích nhi�t. Các k� thu�t khác nhau c�a phân tích nhi�t không nh�ng có kh� n�ng cung c�p thông tin v� tính ch�t nhi�t và hành vi nhi�t c�a v�t li�u trong các quá trình công ngh� mà còn có th� cung c�p thông tin v� r�t nhi�u tính ch�t hoá lý khác c�a v�t li�u và các quá trình liên quan. Hi�n t�i chưa có m�t tài li�u ti�ng Vi�t nào, k� c� sách tham kh�o, sách giáo khoa và sách chuyên kh�o, vi�t chuyên v� phân tích nhi�t, trong khi nhu c�u tìm hi�u v� nó ngày càng nhi�u, v�i nh�ng m�c �� và trình �� khác nhau, t� c� s�, nguyên lý t�i khai thác, �ng d�ng. Do v�y, ngoài m�c �ích chính c�a chuyên kh�o này là trình bày các k�t qu� �ng d�ng phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u, n�i dung, b� c�c c�ng như cách trình bày c�a chuyên kh�o còn ��ng th�i hư�ng t�i m�c �ích tr� thành giáo trình, sách tham kh�o cho các ��i tư�ng nghiên c�u, gi�ng d�y trong các l�nh v�c khác nhau c�a khoa h�c và công ngh� v�t li�u, có liên quan nhi�u t�i phân tích nhi�t, như hoá lý, hoá v�t li�u, hoá dư�c, hoá d�u, hoá sinh, hoá công nghi�p, hoá th� như�ng, ��a hoá, v.v... N�i dung c�a chuyên kh�o �ư�c chia làm 3 chư�ng: Chư�ng I: C s nhi t ng l c h c, gi�i thi�u m�t cách ��i cư�ng các khái ni�m c� b�n c�a nhi�t ��ng l�c h�c, gi�i
  4. h�n � các n�i dung tr�c ti�p liên quan t�i phân tích nhi�t và các �ng d�ng c�a nó trong nghiên c�u v�t li�u. Chư�ng II: C s Phân tích nhi t, trình bày các khái ni�m ��c thù và c� b�n c�a phân tích nhi�t, bao g�m nguyên lý, c�u t�o thi�t b�, gi�n �� nhi�t và ��nh hư�ng �ng d�ng c�a phân tích nhi�t nói chung trong �ó tr�ng tâm là các k� thu�t phân tích nhi�t thông d�ng. Chư�ng III: Các ng d ng phân tích nhi t trong nghiên c u v t li u, là n�i dung chính c�a chuyên kh�o. Các k�t qu� �ư�c gi�i thi�u tư�ng ��i phong phú c� v� cách th�c khai thác, �ng d�ng phân tích nhi�t, c�ng như v� ��i tư�ng v�t li�u, �ư�c l�a ch�n, h� th�ng và tóm t�t t� các công trình c�a tác gi� và ��ng tác gi� �ã công b� trong th�i gian 1995 2005, dư�i d�ng các bài toán ��c l�p v� �ng d�ng phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u. Tác gi� chân thành cám �n các ��ng nghi�p t�i Vi�n Khoa h�c và Công ngh� Vi�t Nam v� s� h�p tác và cho phép s� d�ng trong chuyên kh�o này m�t ph�n các n�i dung �ã công b� chung. Tác gi� ��c bi�t cám �n giáo sư Nguy�n H�u Phú và giáo sư Nguy�n Xuân Phúc v� nh�ng góp ý t�n tình và sâu s�c sau khi ��c b�n th�o. Tác gi� c�ng cám �n k� thu�t viên qu�n lý và v�n hành h� thi�t b� phân tích nhi�t Shimadzu TA 50, Vi�n Hoá h�c, v� các d� li�u minh ho� . Dù h�t s�c c� g�ng, nhưng cu�n sách không th� không còn s� su�t. Tác gi� hoan nghênh m�i góp ý �� cu�n sách �ư�c hoàn thi�n h�n. Hà N�i, tháng 11/2007. Tác gi� Ph�n l�n gi�n �� nhi�t s� d�ng trong chuyên kh�o này �ư�c trích in l�i t� ph�n m�m Shimadzu TA50-WSI v�i �ơn v�, chú thích, … nguyên b�n b�ng ti�ng Anh.
  5. Ch ng I I C NG NHI T NG L C H C CHO PHÂN TÍCH NHI T Nhi�t ��ng l�c h�c là ngành khoa h�c nghiên c�u các quá trình bi�n ��i v�t ch�t theo quan �i�m n�ng lư�ng, d�a trên m�t s� ��nh lu�t cơ b�n c�a t� nhiên, g�i là các ��nh lu�t nhi�t ��ng l�c h�c. Các ��nh lu�t có tính t�ng quát cao này mô t� m�i quan h� có tính quy lu�t gi�a các ��i lư�ng v�t lý ��c trưng cho các tính ch�t cơ b�n c�a v�t ch�t, trong �ó quan tr�ng nh�t là các tính ch�t nhi�t, có ngu�n g�c là chuy�n ��ng nhi�t c�a các phân t�, nguyên t�, và �ư�c nghiên c�u ch� y�u b�ng các k� thu�t khác nhau c�a phương pháp phân tích nhi�t. Phân tích nhi�t �ư�c xem là m�t công c� th�c nghi�m quan tr�ng, ��u tay trong nghiên c�u nhi�t ��ng l�c h�c. Ngư�c l�i, toàn b� cơ s� lý thuy�t c�ng như nguyên lý �ng d�ng c�a phân tích nhi�t ��u �ư�c xây d�ng d�a trên các quy lu�t cơ b�n c�a nhi�t ��ng l�c h�c. Vì v�y, trong chương ��u tiên c�a chuyên kh�o này v� phân tích nhi�t và các �ng d�ng c�a phân tích nhi�t trong khoa h�c v�t li�u, m�t s� khái ni�m cơ b�n c�a nhi�t ��ng l�c h�c s� �ư�c h� th�ng và gi�i thi�u m�t cách khái lư�c. M�c dù phân tích nhi�t, k� c� lý thuy�t và th�c nghi�m, c�ng như các ��i tư�ng v�t li�u, các quá trình công ngh� v�i v�t li�u ��u liên quan ch�t ch� t�i nhi�u khái ni�m c�a nhi�t ��ng l�c h�c, nhưng nhi�t ��ng l�c h�c là m�t ngành khoa h�c r�t bao quát và r�ng l�n, �ư�c gi�i thi�u � nh�ng m�c �� khác nhau trong r�t nhi�u giáo trình, do v�y trong khuôn kh� gi�i h�n c�a chuyên kh�o này ch� có th� �� c�p và nh�n m�nh t�i các khái ni�m r�t cơ b�n c�a nhi�t ��ng l�c h�c, có liên quan tr�c ti�p hay gián ti�p t�i phân tích nhi�t. Nh�ng ki�n th�c nhi�t ��ng l�c h�c �ư�c trình bày trong chương này �ư�c ch�n l�a và di�n gi�i trong m�i quan h� ch�t ch� v�i phân
  6. 2 Nguy n Ti n Tài tích nhi�t, ��m b�o tính th�ng nh�t và h� th�ng v�i 2 chương sau c�a chuyên kh�o, ��ng th�i là cơ s� �� ngư�i ��c có th� hi�u sâu nguyên lý phân tích nhi�t, ý ngh�a c�a các d� li�u th�c nghi�m phân tích nhi�t và cách �ng d�ng h�u hi�u các công c� phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u. I. 1. M u v" nhi$t &ng l(c h*c cho phân tích nhi$t Khái ni�m nhi�t ��ng l�c h�c (Thermodynamics) �ư�c William Thomson dùng l�n ��u tiên vào n�m 1849 khi nghiên c�u các quá trình x�y ra trong ��ng cơ hơi nư�c, nhưng n�n móng c�a nhi�t ��ng l�c h�c �ã �ư�c �� c�p s�m hơn, ngay t� n�m 1823, khi Sadi Carnot l�n ��u tiên tìm cách xác ��nh quan h� chuy�n ��i nhi�t lư�ng thành công cơ h�c. Ngành khoa h�c m�i này �ã �ư�c hình thành t� gi�a th� k� 19 như là m�t t�t y�u �� gi�i quy�t các b� t�c k� thu�t liên quan t�i quá trình chuy�n ��i gi�a nhi�t lư�ng và công cơ h�c. Thành công r�c r� kh�ng ��nh vai trò quan tr�ng và t�ng quát c�a nhi�t ��ng l�c h�c g�n li�n v�i phát minh máy hơi nư�c, m� �ư�ng cho cu�c cách m�ng công nghi�p cu�i th� k� 19, làm thay ��i h�n b�c tranh t�ng th� c�a s� phát tri�n xã h�i �ương ��i. Tên g�i nhi�t ��ng l�c h�c Thermodynamics, có ngu�n g�c t� ti�ng Hy L�p: Thermos = nhi�t (heat), Dynamis = l�c, s�c m�nh (power). Nó ph�n ánh b�n ch�t và ��i tư�ng chính c�a ngành khoa h�c này là nghiên c�u ngu�n g�c c�a các quá trình nhi�t. Nói m�t cách t�ng quát hơn, nhi�t ��ng l�c h�c là môn khoa h�c nghiên c�u các quá trình bi�n ��i c�a th� gi�i v�t ch�t xét theo b�n ch�t n�ng lư�ng, hay nói theo cách ngư�c l�i là nghiên c�u các quá trình bi�n ��i n�ng lư�ng g�n li�n v�i các bi�n ��i v�t ch�t. N�ng lư�ng c�a m�i v�t th� bao g�m 3 ph�n: ��ng n�ng (liên quan t�i chuy�n ��ng c�a v�t th�, ví d� chi�c xe chuy�n ��ng 60km/h có ��ng n�ng l�n hơn khi nó ch�y v�i 40km/h), th� n�ng (liên quan t�i v� trí c�a v�t th� trong trư�ng nào �ó, thư�ng là tr�ng trư�ng trái ��t, ví d� hòn �á � ��nh núi cao có th� n�ng l�n hơn th� n�ng c�a chính hòn �á �ó khi � chân núi) và d�ng th� 3 là n�i n�ng (liên quan t�i nhi�t, ví d� c�c nư�c nóng có n�i n�ng l�n hơn c�c nư�c l�nh). �i�u ki�n c�a các bài toán nhi�t ��ng l�c h�c thư�ng �ư�c th�a mãn �� có th� b� qua ��ng n�ng và th� n�ng. Do �ó, n�i n�ng là ��i tư�ng chính c�a nhi�t ��ng l�c h�c. V� b�n ch�t, n�i n�ng c�ng chính
  7. Ch ng I. ic ng nhi t ng l c h c cho phân tích nhi t 3 là ��ng n�ng, nhưng là ��ng n�ng xét theo góc �� vi mô, ��ng n�ng c�a các phân t�, nguyên t� c�u t�o nên v�t th�, khác v�i ��ng n�ng c�a chính v�t th� xét m�t cách v� mô như trư�ng h�p ��ng n�ng c�a chi�c xe nêu � ví d� trên. Chuy�n ��ng c�a các phân t�, nguyên t� c�u t�o nên v�t th� di�n ra không ng�ng và �ư�c g�i là chuy�n ��ng nhi�t. Không m�t quá trình v�t ch�t nào di�n ra trong v� tr� mà trong �ó không có chuy�n ��ng nhi�t. B�n thân s� t�n t�i c�a v�t th� c�ng là t�ng hoà c�a các quá trình cân b�ng vi mô ho�c v� mô và không th� tách r�i chuy�n ��ng nhi�t. Trong ph�n l�n tài li�u ti�ng Vi�t, chúng ta v�n thư�ng g�i t�t nhi�t ��ng l�c h�c là nhi�t ��ng h�c và các tính t� liên quan như thông s� nhi�t ��ng l�c h�c, hàm nhi�t ��ng l�c h�c, c�ng �ư�c g�i t�t là thông s� nhi�t ��ng, hàm nhi�t ��ng. Nói chung, cách g�i t�t nh�m ��t ti�n l�i trong s� d�ng này không gây nên s� nh�m l�n nào, tr� thành thói quen và �ã �ư�c ch�p nh�n. Nhưng trong m�t s� l�nh v�c nh�t ��nh c�a khoa h�c t� nhiên, trong �ó có phân tích nhi�t, bên c�nh khái ni�m nhi�t ��ng l�c h�c (thermal dynamics, thermodynamics), còn t�n t�i khái ni�m nhi�t ��ng h�c (thermal kinetics, thermokinetics), là m�t khái ni�m có liên quan ch�t ch� nhưng hoàn toàn khác v�i nhi�t ��ng l�c h�c, do v�y không th� dùng chung m�t t� �� ch� 2 khái ni�m khác nhau. Dù v�y, �� �ơn gi�n và ti�n l�i, trong chuyên kh�o này v�n s� d�ng theo truy�n th�ng cách g�i t�t nhi�t ��ng l�c h�c là nhi�t ��ng h�c, còn khái ni�m ��ng h�c xét trong m�i liên quan t�i tính ch�t nhi�t (thermal kinetics, thermokinetics) t�m d�ch là ��ng h�c nhi�t. K� t� khi ra ��i, nhi�t ��ng h�c �ã không ng�ng phát tri�n, t� nhi�t ��ng h�c c� �i�n trong giai �o�n ��u, ti�p sau là nhi�t ��ng h�c th�ng kê và n�a cu�i th� k� 20 là s� ra ��i c�a nhi�t ��ng h�c các quá trình không cân b�ng. Trong giai �o�n ��u, nhi�t ��ng h�c ch� y�u nghiên c�u các quy lu�t chuy�n ��i cơ nhi�t, d�a trên các ��nh lu�t có tính khái quát cao c�a nhi�t ��ng h�c, áp d�ng cho v�t th� v� mô g�m lư�ng l�n các ph�n t� vi mô mà không tính ��n hành vi c�a m�i ph�n t� vi mô thành ph�n. Ngày nay, ngư�i ta xem cách ti�p c�n như v�y là c� �i�n và tương �ng v�i nó là l�nh v�c nhi�t ��ng h�c c� �i�n. N�m 1871, Clausius và Maxwell �ã k�t h�p nhi�t ��ng h�c c� �i�n v�i v�t lý th�ng kê �� xây d�ng nên m�t nhánh m�i c�a nhi�t
  8. 4 Nguy n Ti n Tài ��ng h�c, có tên nhi�t ��ng h�c th�ng kê (Statistical Thermodynamics). D�a vào các quy lu�t th�ng kê, nhi�t ��ng h�c th�ng kê phân tích các quá trình x�y ra v�i t�ng phân t�, nguyên t� riêng bi�t �� tìm ra các quy lu�t chung cho c� t�p h�p phân t�, nh�m gi�i thích tính ch�t c�a c� h�. So v�i nhi�t ��ng h�c c� �i�n, nhi�t ��ng h�c th�ng kê cho phép nh�n �ư�c nh�ng hi�u bi�t sâu s�c hơn v� b�n ch�t v�t lý c�a các quá trình nhi�t ��ng c�ng như b�n ch�t c�a chính các ��i lư�ng nhi�t ��ng h�c. Các quy lu�t c�a nhi�t ��ng h�c c� �i�n c�ng như nhi�t ��ng h�c th�ng kê ch� áp d�ng cho các h� và các quá trình th�a mãn �i�u ki�n cân b�ng, bao g�m cân b�ng nhi�t, cân b�ng cơ h�c và cân b�ng hóa h�c, vì v�y còn �ư�c g�i chung là nhi�t ��ng h�c các quá trình cân b�ng hay �ơn gi�n là nhi�t ��ng h�c cân b�ng. Trên th�c t�, �i�u ki�n cân b�ng nhi�t ��ng không ph�i lúc nào c�ng �ư�c th�a mãn. Ngay c� khi cân b�ng �ã �ư�c xác l�p thì do nh�ng nguyên nhân nào �ó cân b�ng c�ng r�t d� b� phá v�, h� chuy�n sang tr�ng thái không cân b�ng, �� sau �ó ti�n t�i xác l�p m�t tr�ng thái cân b�ng m�i. “��ng yên là t�m th�i, chuy�n ��ng là v�nh vi�n” chính là qui lu�t bi�n ch�ng c�a s� t�n t�i và phát tri�n c�a th� gi�i v�t ch�t. Nhưng trong nhi�t ��ng h�c cân b�ng, ngư�i ta hoàn toàn không quan tâm t�i s� m�t cân b�ng, t�c là không quan tâm t�i khía c�nh ��ng h�c c�a các quá trình. �� gi�i quy�t bài toán không cân b�ng nêu trên, m�t ngành khoa h�c m�i Nhi�t ��ng h�c các quá trình không cân b�ng, hay g�i v�n t�t là nhi�t ��ng h�c không cân b�ng �ã �ư�c hình thành vào n�a sau c�a th� k� 20. V� nguyên t�c, có th� th�c hi�n nh�ng x� lý nh�t ��nh, �ơn gi�n ho�c ph�c t�p, �� chuy�n ��i các ��i lư�ng, các quy t�c c�a nhi�t ��ng h�c cân b�ng sang nhi�t ��ng h�c không cân b�ng. Hai gi�i pháp thích h�p thư�ng �ư�c áp d�ng cho m�c �ích trên: M�t là chia nh� h� thành các h� con, hai là �ưa thêm các thành ph�n ph� thu�c th�i gian vào trong các bi�u th�c nhi�t ��ng h�c cân b�ng. Gi�i pháp chia h� thành các h� con �ư�c th�c hi�n sao cho �i�u ki�n cân b�ng �ư�c th�a mãn v�i m�i h� con thành ph�n. Khi �ó, tính ch�t c�a h� nhi�t ��ng không cân b�ng s� là t�ng tính ch�t c�a các h� con cân b�ng. Gi�i pháp này có th� áp d�ng cho c� các h� g�n cân b�ng c�ng như các h� xa cân b�ng.
  9. Ch ng I. ic ng nhi t ng l c h c cho phân tích nhi t 5 Gi�i pháp b� sung bi�n s� th�i gian s� d�n ��n các bài toán ��ng h�c nhi�t. Ngư�i ta thư�ng chia ph�n ph� thu�c th�i gian làm 2 thành ph�n, �ng v�i 2 quá trình là quá trình chuy�n d�ch (transportation) và quá trình h�i ph�c (relaxation). Các quá trình này �ư�c áp d�ng �� tính toán các thông s� nhi�t ��ng h�c c�a h�, như nhi�t ��, áp su�t, thành ph�n. Thông s� nhi�t ��ng h�c cơ b�n trong các mô hình và tính toán không cân b�ng là entropy S, hay chính xác hơn là vi phân theo th�i gian c�a entropy (dS/dt). Trong nhi�t ��ng h�c, entropy bi�u th� m�c �� m�t tr�t t� c�a h� theo th�i gian ho�c không gian. Trong phân tích nhi�t, ngư�i ta thư�ng chia ��i lư�ng này thành 2 ph�n: dS d S d S = e + i (1.1) dt dt dt Trong �ó, s� h�ng th� nh�t mô t� quá trình trao ��i nhi�t, s� h�ng th� hai mô t� quá trình trao ��i ch�t. Ch� s� dư�i e là �� di�n t� quá trình trao ��i nhi�t thư�ng x�y ra gi�a h� và bên ngoài (external), trong khi ch� s� dư�i i di�n t� các quá trình trao ��i ch�t, thư�ng là gi�a các thành ph�n thu�c b�n thân h� (internal). K� thu�t phân tích thay ��i kh�i lư�ng theo nhi�t �� (TGA) s� �� c�p chi ti�t trong m�c II.6 chính là công c� �� �ánh giá s� h�ng th� hai, liên quan t�i trao ��i ch�t, còn s� h�ng th� nh�t có th� �ư�c vi�t l�i thành: deS dQ = (1.2) dt T .dt Trong �ó, Q là nhi�t lư�ng, T là nhi�t ��. Phân tích nhi�t lư�ng vi sai quét (DSC), s� �� c�p trong m�c II.5, là m�t trong các k� thu�t c�a phân tích nhi�t, thích h�p �� kh�o sát s� h�ng liên quan t�i quá trình trao ��i nhi�t lư�ng này. Ph�n l�n th�c nghi�m phân tích nhi�t �ư�c ti�n hành trong �i�u ki�n không cân b�ng ho�c g�n cân b�ng. May m�n là trong nhi�u bài toán phân tích nhi�t, các quá trình di�n ra r�t ch�m, hay �� ch�m, nên v�n có th� áp d�ng m�t cách g�n �úng như v�i h� cân b�ng, v�i nh�ng hi�u ch�nh nh�. M�c dù nhi�t ��ng h�c không cân b�ng, hay còn g�i là nhi�t ��ng h�c b�t thu�n ngh�ch, �óng vai trò quan tr�ng trong phân tích nhi�t, k� c� v� lý thuy�t c�ng như th�c nghi�m,
  10. 6 Nguy n Ti n Tài nhưng lý thuy�t ��y �� c�a nó tương ��i ph�c t�p, nên không n�m trong ph�m vi chuyên kh�o này. Bên c�nh cách chia nhi�t ��ng h�c thành nhi�t ��ng h�c c� �i�n, nhi�t ��ng h�c th�ng kê, nhi�t ��ng h�c cân b�ng và nhi�t ��ng h�c không cân b�ng như nêu trên, ngư�i ta còn chia nhi�t ��ng h�c thành nhi�t ��ng h�c ��i cương, nhi�t ��ng h�c k� thu�t và nhi�t ��ng h�c hóa h�c. Vì các ��nh lu�t c�a nhi�t ��ng h�c có tính t�ng quát r�t cao, �ng d�ng �ư�c cho nhi�u l�nh v�c, ��ng th�i, khoa h�c và ki�n th�c c�a con ngư�i v� th� gi�i v�t ch�t ngày càng r�ng hơn, sâu s�c hơn, nên nhi�t ��ng h�c c�ng ngày càng �ư�c m� r�ng và �ng d�ng có hi�u qu�, không nh�ng cho các ngành khoa h�c th�c nghi�m và khoa h�c �ng d�ng mà cho c� nhi�u l�nh v�c khoa h�c khác. R�t nhi�u ngành khoa h�c m�i d�a trên nhi�t ��ng h�c �ã ra ��i, như nhi�t ��ng h�c sinh h�c (Biological Thermodynamics), nhi�t ��ng h�c khí quy�n (Atmospheric Thermodynamics), nhi�t ��ng h�c h� �en (Black Hole Thermodynamics), nhi�t ��ng h�c môi trư�ng (Environmental Thermodynamics), v.v… I.2. M&t s1 khái ni$m và 6i l 7ng c b9n c:a nhi$t &ng h*c I.2.1. H nhi t ng h c ��i tư�ng c�a nhi�t ��ng h�c là các v�t th� v� mô, g�i là h� nhi�t ��ng h�c, hay g�i v�n t�t là h�, bao g�m m�t lư�ng �� l�n các thành ph�n vi mô như phân t�, nguyên t�. M�t h� nhi�t ��ng h�c có th� là h� ��ng th� hay h� d� th�, h� ��ng nh�t hay h� không ��ng nh�t, h� �óng, h� m� hay h� cô l�p. H� ��ng th� là h� mà các tính ch�t c�a nó ho�c là không ��i trong toàn h�, ho�c là thay ��i ��u liên t�c gi�a các ph�n c�a h�, hoàn toàn không có nh�ng m�t phân cách bên trong h�. N�u bên trong h� t�n t�i nh�ng m�t phân cách thì h� là d� th�. Nư�c � th� l�ng ho�c nư�c �á ch�a trong bình là ví d� c�a h� ��ng th�, trong khi nư�c l�ng và nư�c �á ch�a trong cùng m�t bình l�i là ví d� v� h� d� th�. H� ��ng nh�t là h� có các tính ch�t như nhau trong toàn h�. N�u không th�a mãn �i�u ki�n trên thì h� là không ��ng nh�t. �i�u ki�n �� h� th�t s� là ��ng nh�t r�t khó �ư�c th�a mãn tính theo t�t c� các tính ch�t ��c trưng cho h�, ngay c� v�i các h� có kích thư�c nh�. Do
  11. Ch ng I. ic ng nhi t ng l c h c cho phân tích nhi t 7 �ó, thư�ng ngư�i ta gi�i h�n xem h� là ��ng nh�t xét theo m�t ho�c m�t vài tính ch�t xác ��nh nào �ó mà ngư�i ta quan tâm, ví d� ��ng nh�t v� thành ph�n, v� màu s�c hay nhi�t �� mà không tính ��n m�c �� ��ng nh�t c�a các thông s� khác. H� ��ng nh�t ch�c ch�n là h� ��ng th�, nhưng h� ��ng th� không ch�c ch�n là h� ��ng nh�t. Ví d� c�c nư�c mu�i là h� ��ng th�, trong c�c nư�c mu�i không t�n t�i các m�t phân cách, nhưng n�ng �� mu�i hay nhi�t �� nư�c mu�i có th� khác nhau gi�a ph�n trên và ph�n dư�i c�c, do �ó h� là không ��ng nh�t. Xét theo kh� n�ng trao ��i v�t ch�t và n�ng lư�ng gi�a h� và môi trư�ng, ngư�i ta phân bi�t ra h� m�, h� �óng và h� cô l�p. H� m� là h� có th� trao ��i c� v�t ch�t và n�ng lư�ng v�i môi trư�ng, ví d� như c�c nư�c �� trên m�t bàn có th� trao ��i c� nhi�t c�ng như nư�c v�i khí quy�n (Hình 1.1.a). V�i h� �óng, n�ng lư�ng có th� �ư�c trao ��i gi�a h� và môi trư�ng, nhưng không có trao ��i v�t ch�t, ví d� như l� kín ��ng hóa ch�t có th� trao ��i nhi�t qua thành l� nhưng không trao ��i v�t ch�t v�i môi trư�ng (Hình 1.1.b). H� cô l�p là h� hoàn toàn cách ly v�i môi trư�ng, c� v� n�ng lư�ng và v�t ch�t. Nư�c ��ng trong phích kín, b�o ôn t�t b�ng chân không, có th� xem g�n �úng là h� cô l�p (Hình 1.1.c). Hình 1.1: Minh h a khái ni m h m' (a), h óng (b) và h cô l/p (c).
  12. 8 Nguy n Ti n Tài Trong phân tích nhi�t, ngu�i ta không nh�ng quan tâm ��n �i�u ki�n h� có là ��ng nh�t hay không, mà còn ��c bi�t quan tâm ��n �i�u ki�n h� là �óng, m� hay cô l�p. �i�u ki�n lý tư�ng cho phân tích nhi�t là h� cô l�p, nhưng nó ch� có ý ngh�a lý thuy�t hay mô hình vì th�c t� khó ��t �ư�c h� cô l�p th�t s�. Trên th�c t�, các phép �o phân tích nhi�t ��u �ư�c th�c hi�n ho�c là trên h� m�, ho�c là h� �óng ho�c g�n �óng. I.2.2.Tr ng thái, quá trình và thông s nhi t ng h c Tr�ng thái t�n t�i c�a m�t h� �ư�c xác ��nh b�i t�p h�p các tính ch�t v� mô c�a h�. N�u các tính ch�t v� mô c�a h� không thay ��i theo th�i gian, ta có tr�ng thái cân b�ng nhi�t ��ng. Trư�ng h�p riêng c�a cân b�ng nhi�t ��ng là khi trong h� v�n t�n t�i các thông lư�ng (chuy�n d�ch), nhưng là các thông lư�ng d�ng, không ��i theo th�i gian, �ó là tr�ng thái d�ng hay còn g�i là cân b�ng ��ng. �ây chính là tr�ng thái ph� bi�n trong th�c nghi�m phân tích nhi�t. Khi m�t ho�c nhi�u tính ch�t c�a h�, hay nói cách khác là khi �i�u ki�n t�n t�i tr�ng thái c�a h� thay ��i, h� s� chuy�n sang tr�ng thái m�i. S� thay ��i c�a h� t� m�t tr�ng thái này sang tr�ng thái khác, có th� qua m�t ho�c nhi�u tr�ng thái trung gian, g�i là quá trình nhi�t ��ng h�c. N�u tr�ng thái ��u và cu�i c�a quá trình là như nhau, quá trình là khép kín hay còn g�i là chu trình. Ngư�c l�i, quá trình là m� n�u tr�ng thái ��u và cu�i khác nhau. M�t �i�u thú v� là hai khái ni�m quá trình (bi�n ��i, di�n ti�n) và cân b�ng (�n ��nh, không ��i) có ý ngh�a ngư�c nhau l�i th�ng nh�t nhau trong khái ni�m quá trình cân b�ng c�a nhi�t ��ng h�c. M�t quá trình �ư�c xem là cân b�ng n�u trong di�n ti�n, su�t t� ��u ��n cu�i, h� luôn luôn ch� l�ch không �áng k� kh�i tr�ng thái cân b�ng. N�u quá trình di�n ra theo m�t chi�u (chi�u thu�n), r�i sau �ó theo chi�u ngư�c l�i (chi�u ngư�c), tr�i qua c�ng chính nh�ng tr�ng thái trung gian như khi theo chi�u thu�n, nhưng v�i trình t� ngư�c l�i, mà không �� l�i b�t k� s� thay ��i nào cho môi trư�ng, thì �ư�c g�i là quá trình thu�n ngh�ch. Ngư�i ta c�ng d� dàng ch�ng minh �ư�c r�ng m�i quá trình thu�n ngh�ch ��u là các quá trình cân b�ng. Trong nhi�t ��ng h�c, nh�t là trong phân tích nhi�t, ngư�i ta còn quan tâm t�i m�t s� quá trình ��c bi�t khác, �ó là các quá trình ��ng
  13. Ch ng I. ic ng nhi t ng l c h c cho phân tích nhi t 9 áp, ��ng nhi�t và �o�n nhi�t. Quá trình ��ng áp là quá trình x�y ra khi áp su�t c�a h� không thay ��i (p=const). Tương t�, quá trình x�y ra khi nhi�t �� không ��i �ư�c g�i là quá trình ��ng nhi�t (T=const), còn quá trình �o�n nhi�t là quá trình di�n ra khi không có trao ��i nhi�t c�a h� v�i môi trư�ng. Trên th�c t�, nh�t là v�i th�c nghi�m phân tích nhi�t, c�ng gi�ng như trư�ng h�p �i�u ki�n �� h� là cô l�p, thư�ng chúng ta ch� có th� ��t ��n �i�u ki�n g�n �o�n nhi�t, g�n ��ng nhi�t hay g�n ��ng áp ch� không th� ��t ��n các �i�u ki�n tuy�t ��i. Ví d�, quá trình di�n ra trong �i�u ki�n g�n �o�n nhi�t t�c là khi s� trao ��i nhi�t r�t nh� ho�c quá trình x�y ra r�t nhanh. M�i tr�ng thái hay quá trình �ư�c xác ��nh b�ng m�t t�p h�p các tính ch�t. Thông thư�ng, m�i tính ch�t �ư�c ��c trưng b�i 1 ��i lư�ng v�t lý nh�t ��nh. Trong nhi�t ��ng h�c, các ��i lư�ng v�t lý xác ��nh tr�ng thái hay quá trình c�a h� �ư�c g�i là các thông s� nhi�t ��ng h�c. Các thông s� nhi�t ��ng h�c xác ��nh tr�ng thái c�a h� g�i là thông s� tr�ng thái hay hàm tr�ng thái, giá tr� c�a chúng không ph� thu�c di�n ti�n c�a quá trình mà ch� ph� thu�c �i�m kh�i ��u và k�t thúc quá trình, như th� tích (V), nhi�t �� (T), áp su�t (p). Các thông s� mà giá tr� c�a chúng không nh�ng ph� thu�c tr�ng thái ��u và cu�i c�a quá trình mà còn ph� thu�c di�n ti�n c�a quá trình, như nhi�t lư�ng Q hay công cơ h�c A, g�i là các thông s� quá trình. Chúng không ph�i là các thông s� tr�ng thái. Các thông s� nhi�t ��ng h�c còn �ư�c phân chia thành thông s� c�ng tính và thông s� không c�ng tính . Thông s� c�ng tính là thông s� mà giá tr� c�a nó thay ��i khi �� l�n c�a h� thay ��i, nói cách khác là giá tr� c�a chúng t� l� v�i kh�i lư�ng.Ví d�, m�t h�, �ư�c t�o thành t� 2 h� con có th� tích V b�ng nhau, s� có th� tích là V+V=2V ch� không ph�i là V. Như v�y th� tích V là thông s� c�ng tính. Thông s� không có c�ng tính là các thông s� không ph� thu�c kích thư�c h�, không t� l� v�i kh�i lư�ng h�. Ví d�, m�t h�, �ư�c t�o Tính t� ti�ng Anh tư�ng �ng là intensive và extensive. Trong các tài li�u ti�ng Vi�t có nhi�u cách g�i khác nhau ��i v�i thông s� nhi�t ��ng h�c, như thông s� n�i và thông s� ngo�i hay thông s� cư�ng tính và thông s� qu�ng tính, thông s� cư�ng �� và thông s� dung ��.
  14. 10 Nguy n Ti n Tài thành t� 2 h� con cùng có nhi�t �� T, s� có nhi�t �� chung c�ng là T ch� không ph�i là T+T=2T. Nhi�t �� là thông s� không có c�ng tính. Trên b�ng 1.1 nêu ra các thông s� nhi�t ��ng h�c cơ b�n nh�t cùng v�i m�t s� ��c trưng quan tr�ng c�a các thông s� này. Các ��c trưng quan tr�ng nh�t �ư�c li�t kê trong b�ng g�m ký hi�u, phân lo�i thông s� (có c�ng tính hay không, là thông s� tr�ng thái hay thông s� quá trình), �ơn v� SI và kh� n�ng xác ��nh chúng b�ng các công c� phân tích nhi�t (tr�c ti�p hay gián ti�p). Thông tin trên b�ng cho th�y vai trò quan tr�ng c�a phân tích nhi�t trong nghiên c�u nhi�t ��ng h�c. 5 trong s� 8 thông s� li�t kê trong b�ng có th� xác ��nh tr�c ti�p b�ng các k� thu�t khác nhau c�a phân tích nhi�t. B1ng 1.1: Danh sách các bi n tr ng thái quan tr ng liên quan t7i phân tích nhi t. Tên Ký Thông s: n v; Xác ;nh b=ng hi u phân tích nhi t N>ng l ?ng U C ng tính, tr ng J Tr c ti p thái Nhi t T Không c ng K Tr c ti p tính, tr ng thái 3 ThC tích V C ng tính, tr ng m Tr c ti p thái Áp suGt P Không c ng Pa Gián ti p tính, tr ng thái S: mole N C ng tính, tr ng mol Gián ti p thái Kh:i l ?ng M C ng tính, tr ng Kg Tr c ti p thái Nhi t l ?ng Q C ng tính, quá J Tr c ti p trình Công W C ng tính, quá J Gián ti p trình Trong s� các thông s� có th� xác ��nh tr�c ti�p b�ng phân tích nhi�t, nhi�t lư�ng và nhi�t �� là 2 thông s� quan tr�ng nh�t ��i v�i c� phân tích nhi�t c�ng như nhi�t ��ng h�c và s� �ư�c phân tích k� trong ph�n dư�i �ây.
  15. Ch ng I. ic ng nhi t ng l c h c cho phân tích nhi t 11 I.2.3. Nhi t l!"ng ��u tiên c�n phân bi�t nhi�t lư�ng và nhi�t ��, là hai khái ni�m r�t d� l�n l�n. S� nh�m l�n 2 khái ni�m này không ch� thu�c v� l�ch s�, khi con ngư�i chưa hi�u rõ b�n ch�t nhi�t �� và nhi�t lư�ng, mà còn t�n t�i ngay c� ��n ngày nay. Ch�ng h�n, m�c dù trong ti�ng Anh, nhi�t lư�ng (heat) và nhi�t �� (temperature) là hai t� hoàn toàn khác nhau, nhưng trong t� �i�n Webster, m�t trong s� các t� �i�n r�t thông d�ng và có uy tín ��i v�i các nư�c nói ti�ng Anh, nhi�t lư�ng v�n �ư�c ��nh ngh�a là m�c �� nóng, �� ch� m�c �� nóng l�nh c�a phòng �, khí h�u hay th�i ti�t, m�c dù �úng ra thì m�c �� nóng ph�i hi�u là nhi�t �� . Trong ti�ng Vi�t, s� nh�m l�n như trên h�u như không x�y ra, m�c dù b�n thân hai t� nhi�t lư�ng và nhi�t �� có ph�n chung nhau là “nhi�t”. Nhưng trên th�c t�, chúng ta v�n thư�ng nói: �o nhi�t, nhi�t k�, thang �o nhi�t, h� nhi�t, …. m�c dù �úng ra ph�i là: �o nhi�t ��, nhi�t �� k�, thang �o nhi�t ��, h� nhi�t ��. C�ng có th� hi�u �ây là m�t cách nói t�t. �� phân bi�t b�n ch�t nhi�t lư�ng và nhi�t ��, chúng ta quan sát 2 thí nghi�m r�t �ơn gi�n sau: Thí nghi�m 1: Dùng 2 �èn c�n gi�ng nhau, m�t �� ��t nóng m�t ��ng xu kim lo�i và m�t �� �un sôi m�t bình nư�c. Sau m�t kho�ng th�i gian nh�t ��nh, ��ng xu tr� nên nóng �� còn bình nư�c nóng lên ho�c sôi. Rõ ràng, ��ng xu nóng �� có nhi�t �� (temperature) cao hơn nhi�u so v�i bình nư�c, nhưng ngư�c l�i, bình nư�c l�i có th� nh�n và ch�a nhi�u nhi�t lư�ng (heat) hơn ��ng xu. Thí nghi�m 2: �un m�t chi�c �m bên trong ch�a l�n �á (nư�c �á) và nư�c, �ã cân b�ng nhi�t � 00C. �o nhi�t �� c�a nư�c trong �m cho th�y, m�c dù �m nư�c nh�n nhi�t t� b�p nhưng ban ��u nhi�t �� c�a nư�c trong �m l�i không t�ng. B� qua ph�n nhi�t làm nóng �m ban ��u thì nhi�t t� b�p �ã �ư�c dùng �� làm tan �á thành nư�c, như v�y nư�c có nh�n nhi�t nhưng nhi�t �� c�a nó Nguyên v�n ti�ng Anh trong Webster’s dictionary: “Heat – much hotness; great warmth; as, the heat of this room is unbearable; hot weather or climate; as, the heat of the tropics; the heat of the day”.
  16. 12 Nguy n Ti n Tài không t�ng. Sau �ó, khi �á �ã tan h�t, lư�ng nhi�t mà nư�c nh�n t� b�p m�i có tác d�ng làm cho nhi�t �� nư�c trong �m t�ng lên. Hai thí nghi�m trên cho th�y nhi�t lư�ng và nhi�t �� là hai khái ni�m cơ b�n c�a nhi�t ��ng h�c, chúng có liên quan r�t ch�t ch� v�i nhau, nhưng chúng không ph�i là m�t, chúng là nh�ng thông s� hoàn toàn khác nhau c�a các quá trình nhi�t, mô t� nh�ng m�t khác nhau c�a v�t ch�t. Trong l�ch s�, Joseph Black (1728 1799) là ngư�i ��u tiên tách b�ch nhi�t lư�ng và nhi�t ��, m�c dù chưa xác ��nh �úng b�n ch�t c�a chúng và quan h� gi�a chúng v�i nhau. Trư�c h�t xin nói v� nhi�t lư�ng. Ngay t� th� k� th� 6 trư�c Công nguyên, Lão T�, ngư�i sáng l�p ��o giáo � Trung Hoa �ã xem v�n v�t �ư�c c�u t�o t� 5 ti�n t� (ng� hành) là Kim (kim lo�i), M�c (g�), Th�y (nư�c), Ho� (l�a) và Th� (��t). Các tri�t gia Hy L�p c� ��i th� k� 4 trư�c Công nguyên l�i xem ch�t nhi�t, ch�t l�ng, ch�t r�n và ch�t khí, t�c là nhi�t và 3 tr�ng thái t�n t�i cơ b�n c�a v�t ch�t, là 4 ti�n t� c�u t�o nên m�i v�t (Hình 1.2). Như v�y, c� 2 h� th�ng tri�t h�c c� ��i c�a phương �ông và phương Tây ��u ghi nh�n l�a/nhi�t như là m�t trong các y�u t� cơ b�n c�u t�o nên v� tr�. �i�u �ó ch�ng t� l�a/nhi�t �ã có quan h� m�t thi�t v�i s� phát tri�n xã h�i loài ngư�i t� r�t s�m. Dù v�y, �� hi�u tư�ng t�n b�n ch�t c�a nhi�t, nhân lo�i c�ng ph�i tr�i qua m�t ch�ng �ư�ng r�t dài c�a quá trình nh�n th�c. Hình 1. 2: Mô t1 vO trP theo tri t h c Hy L p cR i, gSm 4 tiUn t:: Khí (Air), N 7c (Water), Gt (Earth) và LXa (Fire).
  17. Ch ng I. ic ng nhi t ng l c h c cho phân tích nhi t 13 Trong các sách v� còn lưu l�i, khái ni�m nhi�t �ư�c nhà tri�t h�c Francis Bacon (1561 1626) nói ��n r�t s�m, ngay t� n�m 1620. Ông kh�ng ��nh “B�n ch�t c�a nhi�t hay ch�t nhi�t chính là chuy�n ��ng ch� không ph�i là cái gì khác” , nhưng ông chưa ch� ra �ư�c nhi�t là chuy�n ��ng c�a cái gì và nó �ư�c chuy�n ��ng t�o ra như th� nào. Sau Bacon là th�i k� thuy�t ch�t l�ng nhi�t do Lavoisier (1743 1794) �� xu�t. Trong cu�n sách n�i ti�ng “Cơ s� Hóa h�c Element of Chemistry”, ông �ã mô t� “Caloric” như là nguyên t� nhi�t, s�n có trong các ngu�n nhi�t, như m�t tr�i và l�a. Chúng có kích thư�c, nhưng không có kh�i lư�ng và chính chúng t�o thành ch�t l�ng nhi�t. V�t nóng hay l�nh là do v�t �ó ch�a nhi�u hay ít Caloric. V�t giãn n� nhi�t là do Caloric t� ngu�n nhi�t len vào chi�m ch� trong lòng ch�t b� ��t nóng, làm cho th� tích v�t t�ng nhưng kh�i lư�ng l�i không ��i. M�t trong nh�ng b� t�c c�a h�c thuy�t ch�t l�ng nhi�t là không gi�i thích n�i hi�n tư�ng nhi�t sinh ra do ma sát. Thí nghi�m th� nh�t c�a Count Rumford th�c hi�n n�m 1798, �un sôi 26,5 pound nư�c ch� b�ng m�t chi�c khoan tay sau 2,5 gi� quay nhanh, liên t�c. Thí nghi�m th� hai, �ư�c Humphrey Davy th�c hi�n sau �ó m�t n�m, khi ông m�i 19 tu�i, làm tan ch�y 2 c�c nư�c �á ch� b�ng cách c� sát m�nh chúng vào nhau. Trong c� 2 trư�ng h�p trên ��u không có m�t các ngu�n c�p Caloric (l�a hay m�t tr�i) mà ch� có khoan tay hay nư�c �á, ��u là các v�t hoàn toàn không ph�i là ngu�n nhi�t. Ch� ��n khi Joule (1819 1989) phát minh ra quy t�c bi�n ��i tương �ương Cơ Nhi�t thì b�n ch�t c�a nhi�t m�i �ư�c xem là th�t s� sáng t�. Trong lo�t thí nghi�m n�i ti�ng c�a mình (hình 1.3), Joule �ã kh�o sát s� chuy�n ��i công cơ h�c (chuy�n ��ng c�a ��i tr�ng m làm quay cánh khu�y) sang nhi�t (làm nóng ch�t l�ng trong bình). Các tính toán cơ h�c �ơn gi�n cho phép xác ��nh �ư�c h� th�c chuy�n ��i gi�a nhi�t lư�ng (cal) và công (J), g�i là �ương lư�ng nhi�t công. Như v�y, nhi�t là tr�ng thái chuy�n ��ng Nguyên v�n ti�ng Anh: “…the very essence of heat, or the substatial self of heat is motion and nothing else” Novum organum, Second book.
  18. 14 Nguy n Ti n Tài c�a v�t ch�t ch� hoàn toàn không ph�i là chính v�t ch�t hay m�t d�ng ��c bi�t c�a v�t ch�t. Ngày nay, chúng ta ��u bi�t r�ng nhi�t lư�ng là n�ng lư�ng chuy�n gi�a h� và môi trư�ng do có s� chênh l�ch nhi�t ��. Nhi�t lư�ng, c�ng như công, khác v�i nhi�t �� (T), áp su�t (p) và th� tích (V), chúng không ph�i là các thông s� tr�ng thái c�a h�. Chúng không �ư�c tích tr� trong h� mà ch� xu�t hi�n và có ý ngh�a khi mô t� s� trao ��i thêm b�t vào n�i n�ng c�a h�. C�ng không th� chia tách n�ng lư�ng c�a h� thành nh�ng ph�n �ng v�i công và nh�ng ph�n �ng v�i nhi�t, t�c là không th� nói h� có bao nhiêu nhi�t lư�ng hay bao nhiêu công. Hình 1.3: Mô t1 thí nghi m cZa Joule, xác ;nh ng l ?ng nhi t công. V� m�t ��nh lư�ng, ban ��u, nhi�t lư�ng �ư�c �ánh giá qua kh� n�ng làm thay ��i nhi�t �� c�a nư�c. Calo (vi�t t�t là cal, ch� c vi�t thư�ng) là lư�ng nhi�t c�n thi�t �� t�ng nhi�t �� c�a 1g nư�c t� 14,5oC lên 15,5oC, còn �ơn v� nhi�t lư�ng Anh BTU hay Btu
  19. Ch ng I. ic ng nhi t ng l c h c cho phân tích nhi t 15 (British Thermal Units), �ư�c ��nh ngh�a là lư�ng nhi�t c�n �� t�ng 1Lb nư�c t� 63oF lên 64oF. N�m 1948, sau khi b�n ch�t nhi�t lư�ng �ã �ư�c sáng t�, nhi�t lư�ng c�ng như công là nh�ng d�ng n�ng lư�ng trao ��i, ngư�i ta �ã th�ng nh�t ch�n �ơn v� �o nhi�t lư�ng c�ng như công là J, cùng �ơn v� v�i n�ng lư�ng. M�c dù �ã th�ng nh�t như v�y, J �ã �ư�c dùng ngày càng r�ng rãi trong các l�nh v�c khoa h�c, công ngh�, nhưng m�t s� �ơn v� nhi�t lư�ng c� v�n còn �ư�c dùng trong m�t s� l�nh v�c, ch�ng h�n calo trong hóa h�c, BTU trong công ngh�, k� thu�t l�nh. ��c bi�t, �ơn v� Cal (ch� C vi�t hoa) trong dinh dư�ng và th�c ph�m có giá tr� b�ng 1.000 cal (ch� c vi�t thư�ng). B1ng 1.2: ChuyCn Ri n v; o nhi t l ?ng gi\a J, cal , Cal và BTU. J BTU cal Cal -4 -6 1J 1 9,481.10 BTU 0,238cal 239.10 Cal 1BTU 1.055J 1 252cal 0,252Cal -3 1cal 4,186J 3,96.10 BTU 1 0,001Cal 1Cal 4.186J 3,96 BTU 1.000cal 1 I.2.4.Nhi t và thang o nhi t : Khái ni�m nhi�t �� g�n li�n v�i các d�ng thang �o nhi�t ��. L�ch s� hình thành các thang �o nhi�t �� khá phong phú và thú v�. �i�m chung c�a các thang �o nhi�t là ph�i “ch�t” �ư�c 1 ho�c 2 �i�m m�c có nhi�t �� xác ��nh, còn các kho�ng chia là ��u nhau (chia tuy�n tính), nhưng không gi�ng nhau ��i v�i các thang �o khác nhau. Thang �o nhi�t xa xưa nh�t �ư�c nói ��n trong các sách c� là thang chia nhi�t �� sinh lý, xu�t phát t� nhu c�u cu�c s�ng, d�a trên tr�ng thái s�c kho� c�a chính con ngư�i. Hình 1.4 mô t� l�i thang chia nhi�t �� c� xưa và r�t ��nh tính này. Nhi�t �� c�a ngư�i có s�c kho� bình thư�ng (normal, luke warm) �ư�c xem là g�c. L�nh (cold) và r�t l�nh (ice cold) th� hi�n s� thay ��i nhi�t �� theo m�t chi�u, còn �m (warm), nóng Lb: ��n v� �o lư�ng kh�i lư�ng Anh M� (pound), vi�t t�t theo ch� g�c Latinh là Libra. Chuy�n sang h� SI: 1Lb = 453,5923g.
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2