Vật lý đại cương/Nhiệt

Nhiệt phát sinh từ nhiều nguồn như Lửa, Ánh sáng (Mặt trời, Đèn ), hay qua Cọ xát giữa hai vật (quẹt que diêm với ống quẹt tạo ra lửa). Nhiệt điện, Nhiệt điện từ, Phóng xạ vật, ... Nhiệt cho một cảm giác nóng, ấm hoặc lạnh. Nhiệt nóng có nhiệt độ cao (ví dụ như nước sôi). Nhiệt lạnh có nhiệt độ thấp (ví dụ nước đá). Các hiện tượng xảy ra trong tự nhiên khi có thay đổi nhiệt như [hậu/], Thời tiết, Mưa nắng ... .

Nhiệt được ứng dụng trong nhiều lãnh vực. Các công cụ đo lường nhiệt độ như nhiệt kế. Công cụ điện nhiệt như điện trở nhiệt. Các máy điện nhiệt như máy sưởi, tủ lạnh, máy điều hòa nhiệt độ,...

Tính chất Nhiệt[sửa]

Quan sát cho thấy,

Mọi vật đều có một nhiệt độ riêng được gọi là thân nhiệt
Không có nhiệt di chuyển khi hai vật có cùng nhiệt độ
Khi có nhiệt di chuyển, nhiệt sẻ di chuyển từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp
Khi vật và nhiệt tương tác, vật sẻ thay đổi trạng thái của vật
Vật mỏng có màu tối hấp thụ nhiệt cao hơn vật dày có màu sáng (Quần áo mỏng màu đen mau khô hơn quần áo dày màu trắng)

Nhiệt độ[sửa]

Nhiệt Độ là một khái niệm vật lý dùng để mô tả cảm nhận nhiệt của một vật khi tiếp xúc với nguồn nhiệt . Thí Dụ như buổi sáng ta cảm thấy Ấm do cơ thể hấp thụ năng lượng nhiệt từ ánh sáng mặt trời . Buổi tối ta cảm thấy Lạnh vì không có ánh sáng mặt trời . Nhiệt độ được dùng để cho biết mức độ nhiệt như sau . Nhiệt nóng có Nhiệt độ cao cho cảm giác nóng . Nhiệt ấm có Nhiệt độ trung bình cho cảm giác ấm . Nhiệt lạnh có Nhiệt độ thấp cho cảm giác lạnh

Ký hiệu và đơn vị đo lường[sửa]

Nhiệt độ là đơn vị đo lường nhiệt cho biết mức độ nhiệt có ký hiệu T đo bằng đơn vị Độ ^ο

Hệ thống đo lường nhiệt độ[sửa]

Nhiệt độ được đo bằng nhiệt kế. Nhiệt kế được hiệu chuẩn trong các thang nhiệt độ khác nhau mà trước đây đã sử dụng các điểm chuẩn và chất đo nhiệt khác nhau để định nghĩa. Thang đo nhiệt độ phổ biến nhất là thang đo Celsius (trước đây gọi là C, ký hiệu là °C), các thang đo Fahrenheit (ký hiệu là °F), và thang đo Kelvin (ký hiệu là K). Thang đo Kelvin chủ yếu sử dụng cho các mục đích khoa học của công ước của Hệ đơn vị quốc tế (SI).

Có 3 hệ thống đo lường nhiệt độ bao gồm

Nhiệt Độ C[sửa]

Nhiệt độ Celcius . Độ Celsius (°C hay độ C) là đơn vị đo nhiệt độ được đặt tên theo nhà thiên văn học người Thụy Điển Anders Celsius (1701–1744). Ông là người đầu tiên đề ra hệ thống đo nhiệt độ căn cứ theo trạng thái của nước với 100 độ C (212 độ Fahrenheit) là nước đông đá và 0 độ C (32 độ Fahrenheit) là nước sôi ở khí áp tiêu biểu (standard atmosphere) vào năm 1742.

Nhiệt Độ F[sửa]

Nhiệt độ Farenheit . Độ Fahrenheit (°F hay độ F), là một thang nhiệt độ được đặt theo tên nhà vật lý người Đức Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736).) . Fahrenheit phát triển thang nhiệt độ của ông sau khi viếng thăm nhà thiên văn học người Đan Mạch Ole Rømer ở Copenhagen. Rømer đã tạo ra chiếc nhiệt kế đầu tiên mà trong đó ông sử dụng hai điểm chuẩn để phân định. Trong thang Rømer thì điểm đóng băng của nước là 7,5॰, điểm sôi là 60॰, và thân nhiệt trung bình của con người theo đó sẽ là 22,5 độ theo phép đo của Rømer.[cần dẫn nguồn]

Nhiệt Độ K[sửa]

Nhiệt độ Kelvin . Trong hệ thống đo lường quốc tế, Kelvin là một đơn vị đo lường cơ bản cho nhiệt độ. Nó được ký hiệu bằng chữ K. Mỗi K trong nhiệt giai Kelvin (1 K) bằng một độ trong nhiệt giai Celsius (1 °C) và 0 °C ứng với 273,15K. Thang nhiệt độ này được lấy theo tên của nhà vật lý, kỹ sư người Ireland William Thomson, nam tước Kelvin thứ nhất. Nhiệt độ trong nhiệt giai Kelvin đôi khi còn được gọi là nhiệt độ tuyệt đối, do 0 K ứng với nhiệt độ nhỏ nhất mà vật chất có thể đạt được. Tại 0K, trên lý thuyết, mọi chuyển động nhiệt hỗn loạn đều ngừng. Thực tế chưa quan sát được vật chất nào đạt tới chính xác 0 K; chúng luôn có nhiệt độ cao hơn 0 K một chút, tức là vẫn có chuyển động nhiệt hỗn loạn ở mức độ nhỏ. Ngay cả những trạng thái vật chất rất lạnh như ngưng tụ Bose-Einstein cũng có nhiệt độ lớn hơn 0 K. Quan sát này phù hợp với nguyên lý bất định Heisenberg; nếu vật chất ở chính xác 0 K, luôn tìm được hệ quy chiếu trong đó vận tốc chuyển động của chúng là 0 và vị trí không thay đổi, nghĩa là đo được chính xác cùng lúc vị trí và động lượng của hệ, vi phạm nguyên lý bất định. Nhiệt độ của hơi nước đang sôi là 373,15K. Hay nói cách khác định nghĩa Kelvin (K), được xây dựng từ 1967 và có hiệu lực cho đến ngày 20 tháng 5 năm 2019 [2], là 1/273,16 của nhiệt độ nhiệt động lực học của điểm ba (điểm ba thể hay điểm ba pha) của nước.

Hoán chuyển nhiệt độ[sửa]

Hoán chuyển nhiệt độ từ 3 hệ nhiệt độ trên được thực thi qua bảng hoán chuyển nhiệt độ dưới đây

**Các công thức đổi nhiệt độ**
Đổi từ	Sang	Công thức
Fahrenheit	Celsius	°C = 5/9 (F – 32)
Celsius	Fahrenheit	°F = 9/5 C + 32
Celsius	Kelvin	K = C + 273,15
Kelvin	Celsius	°C = K - 273,15
Kelvin	Fahrenheit	°F= 9/5 (K – 273,15) + 32
Fahrenheit	Kelvin	K = 5/9 (F - 32) + 273,15

Nhiệt độ tiêu chuẩn[sửa]

Nhiệt độ Áp suất tiêu chuẩn	STP - $1atm=760.1mmHg.T=273.15K=0^{o}C.P=1.013\times 10^{5}Pa$
Nhiệt độ vật chất	Rắn - $T=25^{o}C$ Lỏng - $T=75^{o}C$ . Khí - $T=100^{o}C$
Nhiệt độ 0 tuyệt đối	$T=0^{o}K$
Nhiệt độ phòng	$T=25^{o}C$

Định luật Nhiệt[sửa]

Các định luật của nhiệt động lực học còn được gọi là các nguyên lý nhiệt động lực học.

Định luật	Phát biểu	Ý nghỉa
Định luật 0	Nếu hai hệ có cân bằng nhiệt động với cùng một hệ thứ ba thì chúng cũng cân bằng nhiệt động với nhau	Nguyên lý cân bằng nhiệt động, nói về cân bằng nhiệt động. Hai hệ nhiệt động đang nằm trong cân bằng nhiệt động với nhau khi chúng được cho tiếp xúc với nhau nhưng không có trao đổi năng lượng.
Định luật 1	Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được	ΔU = A + Q . Trong trường hợp này, chúng ta có thể quy định về dấu của A và Q để biết hệ đang nhận hay thực hiện công, nhận hay truyền nhiệt lượng. Ví dụ: Q > 0: Hệ nhận nhiệt lượng Q < 0: Hệ truyền nhiệt lượng A > 0: Hệ nhận công A < 0: Hệ thực hiện công chính là định luật bảo toàn năng lượng áp dụng vào hiện tượng nhiệt, khẳng định rằng năng lượng luôn được bảo toàn. Nói cách khác, tổng năng lượng của một hệ kín là không đổi. Các sự kiện xảy ra trong hệ chẳng qua là sự chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Như vậy năng lượng không tự sinh ra và không tự mất đi, nó luôn biến đổi trong tự nhiên. Trong toàn vũ trụ, tổng năng lượng không đổi, nó chỉ có thể chuyển từ hệ này sang hệ khác.
Định luật 2	Một hệ lớn và không trao đổi năng lượng với môi trường sẽ có entropy luôn tăng hoặc không đổi theo thời gian . Entropy của một hệ kín chỉ có hai khả năng, hoặc là tăng lên, hoặc giữ nguyên	Nguyên lý về entropy, liên quan đến tính không thể đảo ngược của một quá trình nhiệt động lực học và đề ra khái niệm entropy. Từ đó dẫn đến định luật là không thể chuyển từ trạng thái mất trật tự sang trạng thái trật tự nếu không có sự can thiệp từ bên ngoài. Vì entropy là mức độ hỗn loạn của hệ, định luật này nói rằng vũ trụ sẽ ngày càng "hỗn loạn" hơn. Cơ học thống kê đã chứng minh rằng định luật này là một định lý, đúng cho hệ lớn và trong thời gian dài. Đối với hệ nhỏ và thời gian ngắn, có thể có thay đổi ngẫu nhiên không tuân thủ định luật này. Nói cách khác, không như định luật 1, các định luật vật lý chi phối thế giới vi mô chỉ tuân theo định luật 2 một cách gián tiếp và có tính thống kê. Ngược lại, định luật 2 khá độc lập so với các tính chất của các định luật đó, bởi lẽ nó chỉ thể hiện khi người ta trình bày các định luật đó một cách giản lược hóa và ở quy mô nhỏ.
Định luật 3	Trạng thái của mọi hệ không thay đổi tại nhiệt độ không tuyệt đối (0K)	Nguyên lý Nernst còn được gọi là nguyên lý độ không tuyệt đối, đã từng được bàn cãi nhiều nhất, gắn liền với sự tụt xuống một trạng thái lượng tử cơ bản khi nhiệt độ của một hệ tiến đến giới hạn của độ không tuyệt đối.

Nhiệt và vật[sửa]

Nhiệt điện[sửa]

Mọi vật dẩn điện đều có giải thoát năng lượng nhiệt vào môi trường xung quanh dưới dạng năng lượng điện thất thoát

Vật	Hình	Công thức
Cuộn từ		$W=\int Bdi=\int Lidi={\frac {1}{2}}Li^{2}$
Tụ điện		$W=\int Qdv=\int Cvdi={\frac {1}{2}}Cv^{2}$
Điện trở		$R(T)=R_{o}+NT$ đúng cho Dẩn điện, $R(T)=R_{o}e^{-NT}$ đúng cho bán dẩn điện $W=i^{2}R(T)$

Phóng xạ sóng điện từ[sửa]

Mọi vật dẩn điện đều có giải thoát năng lượng nhiệt vào môi trường xung quanh dưới dạng năng lượng điện thất thoát dưới dang dao động sóng điện từ của 2 trường điện và từ

Nhiệt điện từ	Nhiệt	Nhiệt quang	Nhiệt điện
Lối mắc	≈≈≈	≈≈≈==	≈≈≈e
	Cộng dây thẳng dẫn điện	Cuộn tròn của N vòng tròn dẫn điện	Cuộn tròn của N vòng tròn dẫn điện với từ vật nằm trong các vòng quấn
Tần số thời gian	$f<f_{o}$	$f=f_{o}$	$f>f_{o}$
Năng lực nhiệt	$W=pv=mC\Delta T$	$W_{o}=pv=pC=hf_{o}$	$W=pv=pC=hf$
Hằng số C	$C=p{\frac {v}{m\Delta T}}$	$C={\sqrt {\frac {1}{\mu _{o}\epsilon _{o}}}}=\omega _{o}=\lambda _{o}f_{o}$	$C={\sqrt {\frac {1}{\mu \epsilon }}}=\omega =\lambda f$
Khối lượng/Lượng tử	$m=p\lambda =p{\frac {C\Delta T}{v}}$	$h=p\lambda _{o}$	$h=p\lambda$
Động lượng	$p={\frac {m}{\lambda }}=m{\frac {v}{C\Delta T}}$	$p={\frac {h}{\lambda _{o}}}$	$p={\frac {h}{\lambda }}$
Bước sóng	$\lambda ={\frac {m}{p}}={\frac {C\Delta T}{v}}$	$\lambda _{o}={\frac {C}{f_{o}}}={\frac {h}{p}}$	$\lambda ={\frac {C}{f}}={\frac {h}{p}}$

Lượng tử hóa

v=C=\lambda f={\frac {W}{p}}

W=pC=hf

h=p\lambda

Thay đổi trạng thái vật chất[sửa]

Thí nghiệm cho thấy khi vật và lửa tương tác với nhau, vật có thay đổi trạng thái từ rắn sang lỏng , từ lỏng sang khí , từ khí sang rắn do có thay đổi nhiệt độ trên vật

Quá trình thay đổi trạng thái	Định nghỉa	Nhiệt độ thay đổi trạng thái	Nhiệt độ
Quá trình nóng chảy	Quá trình vật chuyển đổi trạng thái từ rắn sang lỏng	Nhiệt đô nóng chảy	$T=25^{o}C$ .
Quá trình bốc hơi	Quá trình vật chuyển đổi trạng thái từ lỏng sang khí	Nhiệt đô bốc hơi	$T=0^{o}C$
Quá trình đông đặc	Quá trình vật chuyển đổi trạng thái từ lỏng sang rắn	Nhiệt đô đông đặc	$T=100^{o}C$

Mọi vật tồn tại ở 4 trạng thái 1. Rắn , 2. Lỏng , 3. Khí , 4. plasma . Sự biến đổi trạng thái của vật chất được được mô tả qua Phương trình trạng thái

f(p,V,T)=0

Bao gồm cá phương trình dưới đây

Định luật	công thức	Ý nghỉa
Định luật Boyle (1662)	$pV=k$	Áp lực và thể tích tỉ lệ nghịch với nhau
Định luật Charles (1787)	${\frac {V}{T}}=k$
Định luật Avogadro (1812)	${\frac {V}{n}}=k$
Định luật Benoît Paul Émile Clapeyron in (1834)	${\frac {PV}{T}}=k$
Định luật Van der Waals (1873) khí lý tưởng (1834)	$pV=nRT=nk_{\text{B}}N_{\text{A}}T=Nk_{\text{B}}T$ where:
Định luật áp lực từng phần của Dalton (1801)	$p_{\text{total}}=p_{1}+p_{2}+\cdots +p_{n}=p_{\text{total}}=\sum _{i=1}^{n}p_{i}.$

Nhiệt truyền qua vật[sửa]

Nhiệt cảm[sửa]

Quá trình nhiệt truyền qua vật tạo ra thay đổi nhiệt trên vật cùng với hiện tượng tỏa nhiệt vào môi trường xung quanh

Nhiệt độ , $T$	Thay đổi nhiệt, $\Delta T$	Hướng nhiệt truyền	Năng lực nhiệt truyền vào môi trường xung quanh, $W=mv\Delta T$
$T_{0}=T_{1}$	$\Delta T=0$		$W=mv\Delta T=0$
$T_{0}>T_{1}$	$\Delta =T_{0}-T_{1}$	Nhiệt di chuyển từ T₀ đến T₁	$W=mv(T_{o}-T_{1})$
$T_{0}<T_{1}$	$\Delta =T_{1}-T_{0}$	Nhiệt di chuyển từ T₁ đến T₀	$W=mv(T_{1}-T_{0})$

Nhiệt năng tỏa vào môi trường xung quanh

W=pv=mv\Delta T

Nhiệt dẩn[sửa]

Quá trình nhiệt truyền qua vật đạt đến mức cao nhứt ở tần số ngưởng cùng với năng lực nhiệt tỏa vào môi trường xung quanh phát ra ánh sáng thấy được

W=\phi +KE=hf

\phi =hf_{o}

ở

f=f_{o},KE=0

Nhiệt phóng xạ[sửa]

Quá trình nhiệt truyền qua vật trên mức cao nhứt ở tần số trên tần số ngưởng cùng với năng lực nhiệt tỏa vào môi trường xung quanh có khả năng giải thoát điện tử khỏi nguyên tử vật chất

hf=hf_{o}+{\frac {1}{2}}mv^{2}

Nhiệt phóng xạ[sửa]

Phóng xạ vật đen - Plankc[sửa]

Planck biết rằng vật tối hấp thụ năng lượng nhiệt tốt nhứt . Planck thực hiện thí nghiệm trên vật tối và thấy rằng khi nhiệt độ tăng dần từ thấp đến cao

Cường độ nhiệt tăng theo tần số thời gian
Đỉnh sóng nhiệt ở bước sóng ngắn hơn
Phát ra ánh sáng màu theo trình tự từ Trắng , Đỏ , Vàng , Tím , và Đen

Nhiệt độ	Màu	Cường độ nhiệt	Bước sóng
Lạnh	Trắng	Thấp	Ngắn
Ấm	Vàng	Trung	Trung
Nóng	Đen	Cao	Dài

Định luật	Ý nghỉa	Công thức
Định luật Planck	miêu tả bức xạ điện từ phát ra từ vật đen trong trạng thái cân bằng nhiệt ở một nhiệt độ xác định	$B_{\nu }(T)={\frac {2h\nu ^{3}}{c^{2}}}{\frac {1}{e^{\frac {h\nu }{k_{\mathrm {B} }T}}-1}}$ $B_{\lambda }(T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}{\frac {1}{e^{\frac {hc}{\lambda k_{\mathrm {B} }T}}-1}}$
Định luật Wien	Đường cong bức xạ của vật đen đối với các nhiệt độ khác nhau sẽ đạt cực đại ở các bước sóng khác nhau tỷ lệ nghịch với nhiệt độ	$\lambda _{\text{max}}={\frac {b}{T}}$
Định luật Stefan-Boltzmann	tổng năng lượng bức xạ trên một đơn vị diện tích bề mặt của một vật đen qua tất cả các bước sóng trong một đơn vị thời gian, j ⋆ {\displaystyle j^{\star }} {\displaystyle j^{\star }} , tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ nhiệt động của vật thể T	$j^{\star }=\sigma T^{4}.$

Phóng xạ nguyên tố - Marie curie và Henri becquel[sửa]

Marie curie khám phá vật chất không bền do có tương tác với quang tuyến nhiệt như Uramium phân rả để trở thành vật chất bền tạo ra Phóng xạ alpha . Henry Beckelrel khám phá cho thấy vật chất đồng vị không bền do có tương tác với quang tuyến nhiệt như Carbon phân rả để trở thành vật chất bền tạo ra Phóng xạ beta

Phóng xạ	Tính chất
Phóng xạ alpha	Phóng xạ alpha được tìm thấy từ Phóng xạ nguyên tố như Uranium cho ra luồng quang tuyến điện từ di chuyển ở vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng thấy được . Phóng xạ alpha có khả năng đi sâu vô vật và đi lệch hướng (hướng xuống theo hướng cực nam của nam châm) khi đi qua từ trường của nam châm
Phóng xạ beta	Phóng xạ alpha được tìm thấy từ Phóng xạ của vật chất đồng vị Carbon cho ra luồng quang tuyến điện từ di chuyển ở vận tốc bằng vận tốc ánh sáng thấy được . Phóng xạ beta có khả năng đi sâu vô vật và đi lệch hướng khi đi qua từ trường của nam châm
Phóng xạ gamma	Phóng xạ gamma được tìm thấy từ Phóng xạ của điện tử âm va chạm nhau tạo ra luồng quang tuyến điện từ di chuyển ở vận tốc bằng vận tốc ánh sáng thấy được . Phóng xạ gamma có khả năng đi sâu nhứt vô vật và đi lệch hướng (đi lệch hướng lên theo hướng cực bắc của nam châm) khi đi qua từ trường của nam châm

Phóng xạ nguyên tử - Eistein[sửa]

Phóng xạ	Hình	Công thức
Điện tử âm đi ra		$hf=hf_{o}+{\frac {1}{2}}mv^{2}$ $v={\sqrt {{\frac {2h}{m}}(f-f_{o})}}$ Để có $v>0$ , $f>f_{o}$
Điện tử âm đi vô		$nhf=mvr(2\pi )$ $v=({\frac {1}{2\pi }})({\frac {nhf}{mr}})$ $r=({\frac {1}{2\pi }})({\frac {nhf}{mv}})$ $n=2\pi r({\frac {mv}{hf}})$

Nhiệt phân rả[sửa]

Phân rả nguyên tố[sửa]

Phóng xạ	Tính chất
Phân rả nguyên tố phóng xạ	Uranium → Thorium + X
Phân rả nguyên tố đồng vị	C → N + Y
Phân rả điện tử	e + e →