Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →
32
…Tôi đã kiểm tra công thức…được tìm ra một cách khéo léo về lượng hoặc mức độ nhiệt trong hỗn hợp chất lỏng… Georg Richmann
Với cố giáo sư. Richman đã tiến hành các thí nghiệm vật lý và hóa học để nghiên cứu mức độ nhiệt mà nước nhận được từ các khoáng chất đã được đun nóng trước đó đã tắt trong đó. Mikhail Lomonosov
Không cần biết gì về bản chất của nhiệt, vẫn có thể xây dựng một hệ thống đo nhiệt độ hoàn chỉnh bằng cách trộn nước nóng và nước lạnh và sử dụng cảm giác nhiệt của chúng ta làm nhiệt kế. William Thomson (Kelvin)
…ngay cả khi không có sự trợ giúp của nhiệt kế, chúng ta vẫn có thể cảm nhận được xu hướng truyền nhiệt từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn xung quanh cho đến khi nó được phân bổ giữa chúng đến mức không vật nào trong số chúng có xu hướng nhận nhiệt từ vật khác nhiều hơn. Joseph đen
Một tác động bên ngoài loại bỏ một hệ thống khỏi trạng thái cân bằng nhiệt động lực học sẽ gây ra các quá trình trong đó có xu hướng làm suy yếu kết quả của ảnh hưởng này. Henri Le Chatelier
Nó có quen thuộc với bạn không?
?
cân bằng nhiệt
Tất nhiên là tốt! Xét cho cùng, hiện tượng nhiệt là một trong những hiện tượng đầu tiên được nghiên cứu ở trường. Và đằng sau những mảnh vỡ từ các công trình khoa học được đặt ở đây, người ta có thể đoán ngay bài toán về việc sử dụng phương trình cân bằng nhiệt hoặc công việc trong phòng thí nghiệm để tìm ra nhiệt độ của chất lỏng hỗn hợp. Và trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thường xuyên phải đối mặt với việc xác định nhiệt độ cơ thể bằng nhiệt kế hoặc chuẩn bị nước tắm ở nhiệt độ thoải mái - chúng ta pha nước nóng với nước lạnh, hoặc thêm sữa vào trà hoặc cà phê đang đun - mà không cần đợi nó nguội. Nói chung, cân bằng nhiệt rất rõ ràng và đơn giản! Tuy nhiên, khi đã học trung học, khi làm quen với các định luật nhiệt động lực học, sự đơn giản này dường như không còn hiển nhiên nữa. Chẳng hạn, bạn sẽ phản ứng thế nào với ý tưởng về “cái chết nhiệt của Vũ trụ”, điều này sẽ dẫn đến mong muốn chung là cân bằng nhiệt độ? Hóa ra mọi nỗ lực giải thích tại sao điều này không xảy ra trong suốt lịch sử lâu dài không thể tưởng tượng được của vũ trụ chúng ta đều vô ích cho đến khi thuyết tương đối tổng quát ra đời. Một ví dụ khác về tính không tầm thường của khái niệm cân bằng nhiệt động lực học và mối liên hệ sâu sắc của nó với các ngành khoa học khác là nguyên lý Le Chatelier được đưa ra trong phần ngoại truyện. Bạn sẽ gặp một công thức khác của nó, ví dụ, khi nghiên cứu các quá trình cảm ứng điện từ hoặc hóa học, điều này sẽ xác nhận giá trị của nó ngoài các hiện tượng nhiệt. Chúng ta không thể bỏ qua những vấn đề mà nhiệt động lực học cổ điển gặp phải trong quá trình chuyển sang nghiên cứu các hệ mở và các quá trình không cân bằng xảy ra trong cả bản chất sống và vô tri. Rốt cuộc, sự xuất hiện của nhiều loại cấu trúc, “sự tự tổ chức” của chúng, và cuối cùng, chính diện mạo của sự sống không phù hợp với những ý tưởng đã được thiết lập về sự phá hủy mọi thứ hài hòa và có trật tự trong quá trình tiến hóa đến trạng thái cân bằng, hỗn loạn. Đây là khoảng thời gian mà việc suy nghĩ về những câu hỏi tưởng chừng đơn giản có thể đưa chúng ta đi xa đến mức nào. Vì vậy, khi nghĩ về chúng, đừng bỏ lỡ nội dung sâu xa đằng sau vẻ giản dị bên ngoài của chúng.
Câu hỏi và bài toán
- Tại sao nhiệt lượng kế được làm bằng kim loại mà không phải thủy tinh? 2. Có phải trong quá trình truyền nhiệt, năng lượng luôn được truyền từ vật có nội năng lớn hơn sang vật có nội năng nhỏ hơn? 3. Nhiệt độ cơ thể con người bình thường là khoảng . Tại sao chúng ta không lạnh ở nhiệt độ không khí và rất nóng ở ? 4. Tại sao việc quạt mát trong thời tiết quá nóng chẳng có ích gì? 5. Gió ảnh hưởng như thế nào đến kết quả đo nhiệt kế vào một ngày băng giá? Xét hai trường hợp: a) nhiệt kế để trong bóng râm; b) Nhiệt kế được chiếu sáng bởi tia nắng mặt trời. 6. Nếu bạn có hai nhiệt kế chưa được hiệu chuẩn, làm thế nào bạn có thể xác định được cái nào nóng hơn? 7. Khi thời tiết nắng nóng, trong bóng râm, một nhiệt kế được đặt trong vũng nước, nhiệt kế còn lại đặt trên ghế dài và tưới nước từ cùng một vũng nước. Nhiệt kế nào cho nhiệt độ cao hơn? 8. Có thể đun sôi nước bằng cách đun nóng bằng hơi nước 100 độ ở áp suất khí quyển bình thường không? 9. Một bình lớn đựng nước đun sôi, trong đó có một cốc nước thô nổi lên, được đặt trên lò sưởi. Sau một thời gian, nước trong cốc sôi sớm hơn nước trong bình. Làm thế nào để giải thích điều này? 10. Cốc giấy có thể đun sôi nước được không? 11. Năng lượng lấy từ đâu mà giữ cho nước trong ấm sôi vài giây sau khi lấy ấm ra khỏi bếp gas? 12. Hai cái chảo giống hệt nhau chứa cùng một lượng nước ở cùng nhiệt độ được đặt trên những viên gạch giống hệt nhau. Sau một thời gian, một ít nước từ ấm đun sôi được đổ vào chảo đầu tiên. Nước ở nồi nào sẽ sôi nhanh hơn? 13. Đun trong nước sôi thì ngâm trong nước lạnh.
thanh kim loại. Trong trường hợp nào nước sẽ nóng lên nhiều hơn: nếu thanh là nhôm hay chì? Khối lượng của các thanh là như nhau. 14. Khối đồng A có nhiệt độ , khối đồng B và C giống nhau có nhiệt độ . Bằng cách trao đổi nhiệt giữa chúng, cần làm mát khối A đến nhiệt độ và từ đó làm nóng khối B và C đến nhiệt độ . Điều này có thể thực hiện được không? Bỏ qua sự trao đổi nhiệt giữa khối lập phương và không khí. 15. Tại sao đá sẽ tan lâu hơn nếu được bọc trong giấy báo ướt? 16. Tại sao họ lại đặt những thùng nước lớn cạnh rau trong hầm khi trời lạnh? 17. Nếu ném một cục băng vào nước có nhiệt độ ở nhiệt độ , khối lượng băng sẽ tăng lên rõ rệt. Sự kết tinh của nước đi kèm với việc giải phóng một lượng nhiệt đáng kể, vậy tại sao nước không nóng lên? 18. Khi đặt một tinh thể băng nhỏ vào nước siêu lạnh, nước ngay lập tức bắt đầu đóng băng. Nước siêu lạnh sẽ phải ở nhiệt độ bao nhiêu để biến thành băng hoàn toàn? Nhiệt dung của nước được coi là không phụ thuộc vào nhiệt độ. 19. Nước đá và nước có cùng khối lượng ở trong bình cân bằng nhiệt. Hơi nước được đưa qua bình ở nhiệt độ và với cùng một lượng. Nhiệt độ cuối cùng là bao nhiêu? Bỏ qua tổn thất nhiệt.
Kinh nghiệm vi mô
Đặt ba bình lớn gần đó: đựng nước nóng ở bên trái, đựng nước lạnh ở bên phải và đựng hỗn hợp nước nóng lạnh ở giữa. Sau khi giữ tay phải và tay trái của bạn trong hộp đựng tương ứng trong vài phút, đồng thời hạ chúng vào bình trung tâm. Mô tả cảm xúc của bạn và cố gắng giải thích chúng.
Thật thú vị rằng…
…Plato coi nhiệt là phần còn lại của lửa trong các vật thể bị nung nóng khi ngọn lửa tắt; Bacon tin rằng nhiệt là một “chuyển động giãn nở”; theo Gassendi, nóng và lạnh là những vật chất khác nhau, còn lạnh bao gồm các nguyên tử “sắc bén” có hình tứ diện; Galileo đã dạy rằng lạnh không phải là một “phẩm chất tích cực”, mà đơn giản là sự thiếu vắng nhiệt. …thí nghiệm được mô tả trong “Thí nghiệm vi mô” được triết gia người Anh John Locke tiến hành vào thế kỷ 17 để chứng minh tính chủ quan của cảm giác con người. Tuy nhiên, ngoài ý nghĩa triết học của nó, kinh nghiệm đã vĩnh viễn đóng cửa khả năng sử dụng cơ thể chúng ta như một dụng cụ đo nhiệt độ và sử dụng nó để xác định nhiệt độ. …Công trình của Richmann “Những phản ánh về lượng nhiệt cần thu được bằng cách trộn các chất lỏng có nhiệt độ nhất định,” mà ông đã báo cáo vào năm 1744 tại Viện Hàn lâm Khoa học St. Petersburg, đã đặt nền móng cho các tính toán định lượng chính xác trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt. Mặc dù bản thân Richman không phân biệt được khái niệm “nhiệt độ” và “nhiệt”, nhưng ông đã tìm ra được công thức xác định nhiệt độ của hỗn hợp chất lỏng đồng nhất và nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ, hình dạng và bề mặt của vật thể, cũng như tốc độ chuyển động của môi trường làm mát đến quá trình truyền nhiệt. …Các thí nghiệm của Richmann được lặp lại vào năm 1772 bởi nhà vật lý người Thụy Điển Johann Wilcke, người sau đó đã đưa ra đơn vị đo lượng nhiệt. Nó hình thành nên cơ sở của định nghĩa hiện đại về calo, mặc dù tên này chỉ xuất hiện vào năm 1852 ở Pháp. Với sự ra đời của joule, lượng calo bắt đầu bị loại khỏi mục đích sử dụng khoa học, nhưng nó vẫn được sử dụng, chẳng hạn như khi đánh giá giá trị năng lượng của thực phẩm. …bất chấp sự nhầm lẫn lâu dài trong việc định nghĩa các khái niệm nhiệt và việc sử dụng một thực thể vật chất huyền thoại - nhiệt lượng, đến thế kỷ 19, nền tảng đã được đặt ra cho phép đo nhiệt độ - một nhánh của vật lý nghiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ và phép đo nhiệt lượng - tổng hợp các phương pháp đo các hiệu ứng nhiệt khác nhau. … hiện tượng nhiệt được biết đến từ lâu dường như là một lĩnh vực tách biệt hoàn toàn với hiện tượng cơ học. Do đó, không có gì đáng ngạc nhiên khi các nhà khoa học đang cố gắng tìm ra mối liên hệ giữa nhiệt và cơ học, coi nhiệt độ như một chất tương tự của áp suất trong một môi trường liên tục. Giống như trạng thái cân bằng cơ học trong môi trường như vậy được hình thành bằng cách cân bằng áp suất, trạng thái cân bằng nhiệt đòi hỏi sự cân bằng về nhiệt độ. …khái niệm cân bằng nhiệt, qua đó trong vật lý họ đi đến khái niệm nhiệt độ, có thể được mô tả như một trạng thái cân bằng động, khi các quá trình ở quy mô phân tử xảy ra rất mạnh mẽ, nhưng tất cả các quá trình vĩ mô đều dừng lại. …ví dụ đầu tiên về quá trình thiết lập trạng thái cân bằng nhiệt, khi nhiệt được truyền từ một hệ hỗn loạn hơn sang một hệ có trật tự hơn, là chuyển động Brown. Các hạt tạp chất nhỏ trong chất lỏng tạo thành một hệ thống tương tự như khí lý tưởng gồm các hạt, mặc dù chúng không tương tác với nhau nhưng bị ảnh hưởng bởi các phân tử chất lỏng mà chúng trôi nổi trong đó. …trong một plasma nóng có thể có hai nhiệt độ ở một nơi. Mỗi hệ thống tạo nên plasma - electron và ion - đều ở trạng thái cân bằng nhiệt. Tuy nhiên, dòng nhiệt giữa các ion và electron vẫn tồn tại nhưng rất yếu và nhiệt độ cân bằng tương đối chậm. …một thử nghiệm thực nghiệm về định luật nhiệt động lực học đầu tiên đã được thực hiện nhiều lần trong nhiệt lượng kế đặc biệt, nơi đo nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình sống của nhiều sinh vật khác nhau - từ chuột đến con người. Hóa ra, nó hoàn toàn tương ứng với năng lượng được hấp thụ cùng với chất dinh dưỡng. Điều này bác bỏ ý tưởng cho rằng sinh vật có thể là nguồn độc lập của bất kỳ dạng năng lượng mới nào, và cuối cùng dẫn đến ý tưởng coi sinh vật sống là các hệ nhiệt động mở, không có trạng thái cân bằng.
Những gì cần đọc trong «Kvant» về cân bằng nhiệt
(xuất bản những năm gần đây)
- “Cháy ngoài đồng và nhà tắm Nga” – 2002, số 1, tr. 31; 2. “Tính chất nhiệt của nước” – 2002, số 3, tr. 10; 3. “Các quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch trong nhiệt động lực học” - 2003, Phụ lục số 4, tr. 44; 4. “Tôi có thể tìm thấy mùa đông năm ngoái ở đâu?” – 2004, Phụ lục số 4, tr. 69; 5. “Nhiệt dung của các quá trình nhiệt cân bằng” – 2005, số 3, tr. 44; 6. “Nhiệt và lạnh: vật lý và sinh học” - 2006, Phụ lục số 6, tr. 100; 7. “Kính vạn hoa «Kvant» – 2004, Số 3, trang 32, 2007, Số 1, trang 32, 8. “Hoạt khí của khí trong quá trình chuyển từ trạng thái ban đầu sang trạng thái cuối cùng” - 2007, Số 3, trang 43, 9. “Nhiệt độ” – 2007, Phụ lục số 5.
Tài liệu do A. Leonovich chuẩn bị