Nhiệt

Nhiệt từ Mặt trời cung cấp nguồn gốc cho sinh vật trên Trái Đất.

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). 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, ... 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

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 ( Thay đổ trạng thái từ rắn sang lỏng)
• 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

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

Ký hiệu và đơn vị đo lường

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

Nhiệt và Nhiệt độ

Nhiệt độ cho biết mức độ nhiệt như sau

1. Nhiệt cao có Nhiệt độ cao cho cảm giác nóng
2. Nhiệt trung bình có Nhiệt độ trung bình cho cảm giác ấm
3. Nhiệt thấp có Nhiệt độ thấp cho cảm giác nóng

Hệ thống đo lường nhiệt độ

Có 3 hệ thống tiêu chuẩn được dùng để đo lường nhiệt độ gồm Nhiệt độ Celcius hay Nhiệt độ C . Nhiệt độ Fahrenheit hay F và Nhiệt độ Kevin hay Nhiệt độ K

• Nhiệt Độ C
• Nhiệt Độ F
• Nhiệt Độ K
• Hoán chuyển nhiệt độ

Nhiệt độ tiêu chuẩn

Nhiệt độ Áp suất tiêu chuẩn

$1atm=760.1mmHg$.
$T=273.15K=0^{o}C$.
$P=1.013\times 10^{5}Pa$

Nhiệt độ 0 tuyệt đối

$T=0^{o}K$

Nhiệt độ phòng

$T=25^{o}C$

Thân nhiệt vật chất

Rắn - $T=25^{o}C$
Lỏng - $T=75^{o}C$ .
Khí - $T=100^{o}C$

Định luật nhiệt

Định luật I

Định luật cân bằng nhiệt động. Khi có 2 hệ nhiệt động đang nằm trong cân bằng nhiệt động với nhau khi chúng tiếp xúc với nhau sẻ không có trao đổi năng lượng được phát biểu như sau. Nếu hai hệ có cân bằng nhiệt động với cùng một hệ thứ ba thì chúng cũng cân bằng nhiệt động với nhau

Theo định luật này khi có 2 hệ thống có cùng nhiệt độ sẽ không có trao đổi năng lực

$T_{1}=T_{2}=T$

$W=0$

Định luật II

Định luật bảo toàn năng lượng. Năng lượng luôn được bảo toàn. Năng lượng không tự sinh ra và không tự mất đi, nó luôn biến đổi từ dạng này sang dạng khác

Theo định luật này, tổng năng lượng của hệ thống bằng không ở trạng thái cân bằng

$\sum \pm W=0$

Định luật III

Định luật entropy. Định luật entropy miêu tả tính chất không thể đảo ngược của một quá trình nhiệt động lực học. 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. Được phát biểu như sau Một hệ lớn và không trao đổi năng lượng với môi trường sẽ có entropy luôn tăng hoặc không đổi theo thời gian.

Thay đổi trạng thái của một hệ thống xảy ra khi có can thiệp từ bên ngoài

$W=\phi +KE$

Định luật IV

Định luật độ không tuyệt đối. Ở độ không tuyệt đối, trạng thái của mọi hệ đều không thay đổi được phát biểu như sau Trạng thái của mọi hệ không thay đổi tại nhiệt độ không tuyệt đối (0K).

Ở độ 0 tuyệt đối sẻ không có thay đổi trạng thái. Độ 0 tuyệt đối được đo bằng Độ Kevin (Độ K)

$T=0^{o}K$ sẽ không có thay đổi trạng thái

Nhiệt Điện

Thí nghiệm cho thấy, mọi vật dẩn điện khi dẩn điện đều tạo ra năng lượng nhiệt nên trong vật được gọi là Bức xạ nhiệt và nhiệt tỏa vào môi trường xung quanh vật được gọi là Phóng xạ nhiệt

Bức xạ nhiệt

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 nhiệt

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

Cộng dây thẳng dẩn điện

$W=pv=mC\Delta T$

$m=p{\frac {v}{C\Delta T}}=p\lambda$

$\lambda ={\frac {m}{p}}={\frac {v}{C\Delta T}}$

Cuộn từ dẩn điện

$W=pC=hf_{o}$

$h=p{\frac {C}{f_{o}}}=p\lambda _{o}$

$\lambda _{o}={\frac {h}{p}}={\frac {C}{f_{o}}}$

Cuộn từ dẩn điện

$W=pC=hf$

$h=p{\frac {C}{f}}=p\lambda$

$\lambda ={\frac {h}{p}}={\frac {C}{f}}$

Tính chất

Lượng tử có lưỡng tánh Sóng Hạt

$h=p\lambda$

Tánh sóng

$\lambda ={\frac {h}{p}}$

Tánh Hạt

$p={\frac {h}{\lambda }}$

Quang tuyến - Quang Lượng tử

$W=pv=p\omega =p\lambda f=hf$

$W=pv=p\omega =p{\sqrt {\frac {1}{\mu \epsilon }}}=pC$

$W=pv=pC=hf$

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

Nhiệt phóng xạ

Nhiệt phóng xạ vật đen

Phóng xạ vật đen là hiện tượng phóng xạ nhiệt (giải tỏa năng lượng nhiệt) của vật chất tối khi tương tác với nhiệt ở nhiệt độ cao trên nhiệt độ hấp thụ cao nhứt của vật

Thí nghiệm Plankc

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 Planck

Định luật Planck (minh họa bằng các đường cong màu) miêu tả chính xác bức xạ vật đen và giải quyết vấn đề "thảm họa cực tím" (đường màu đen).

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. Định luật đặt tên theo Max Planck, nhà vật lý đã nêu ra nó vào năm 1900. Định luật này là bước đi tiên phong đầu tiên của vật lý hiện đại và cơ học lượng tử.

Đối với tần số Template:Math, hoặc bước sóng Template:Math, định luật Planck viết dưới dạng:

$B_{\nu }(T)={\frac {2h\nu ^{3}}{c^{2}}}{\frac {1}{e^{\frac {h\nu }{k_{\mathrm {B} }T}}-1}}$

hoặc

$B_{\lambda }(T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}{\frac {1}{e^{\frac {hc}{\lambda k_{\mathrm {B} }T}}-1}}$

Với

B ký hiệu của cường độ bức xạ (spectral radiance),

T là nhiệt độ tuyệt đối, kB là hằng số Boltzmann,

h là hằng số Planck, và c là tốc độ ánh sáng trong môi trường hoặc trong chân không.[1][2][3] Đơn vị SI của phương trình là W·sr−1·m−2·Hz−1 đối với Bν(T) và W·sr−1·m−3 đối với Bλ(T).

Định luật này cũng có thể biểu diễn theo cách khác, như số lượng photon phát ra tại một bước sóng xác định, hoặc mật độ năng lượng trong thể tích chứa bức xạ. Trong giới hạn đối với những tần số nhỏ (hay bước sóng dài), định luật Planck tương đương với định luật Rayleigh–Jeans, trong khi đối với những tần số lớn (bước sóng nhỏ) định luật này tương đương với xấp xỉ Wien hoặc định luật dịch chuyển Wien.

Max Planck đưa ra định luật vào năm 1900, với mục đích ban đầu để đo các hằng số bằng thực nghiệm, và sau đó ông chứng minh rằng, như định luật biểu diễn sự phân bố năng lượng, nó miêu tả duy nhất sự phân bố ổn định của bức xạ trong trạng thái cân bằng nhiệt.[4] Là định luật về sự phân bố năng lượng, nó là một trong các định luật về phân bố cân bằng nhiệt mà bao gồm phân bố Bose–Einstein, phân bố Fermi–Dirac và phân bố Maxwell–Boltzmann.

Định luật dịch chuyển Wien

[[Tập tin:Wiens law.svg|nhỏ| Bức xạ vật đen như một hàm của bước sóng trong các nhiệt độ khác nhau. Mỗi đường cong nhiệt độ đạt cực đại ở một bước sóng khác nhau và định luật của Wien mô tả sự dịch chuyển của đỉnh đó. ]]

Định luật dịch chuyển Wien nói rằng

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

Sự dịch chuyển của giá trị cực đại đó là hệ quả trực tiếp của định luật bức xạ Planck, mô tả độ sáng của phổ của bức xạ vật đen là một hàm của bước sóng ở bất kỳ nhiệt độ nào. Tuy nhiên, Wilhelm Wien đã tìm ra định luật này vài năm trước khi Max Planck phát triển phương trình tổng quát hơn, và mô tả toàn bộ sự dịch chuyển của phổ bức xạ vật đen sang bước sóng ngắn hơn khi nhiệt độ tăng.

Định luật dịch chuyển của Wien phát biểu rằng bức xạ quang phổ của bức xạ vật đen trên mỗi bước sóng đơn vị, cực đại ở bước sóng λ _max được cho bởi:

$\lambda _{\text{max}}={\frac {b}{T}}$

Trong đó

T là nhiệt độ tuyệt đối đo bằng kelvin.

b là hằng số tỷ lệ được gọi là hằng số dịch chuyển Wien, bằng 2897771955...×10−3 m⋅K,[1] hoặc để thu được bước sóng tính bằng micromet, b ≈ 2898 μm⋅K

Nếu đang xem xét mức phát xạ cơ thể đen trên mỗi tần số đơn vị hoặc trên mỗi băng thông tỷ lệ, thì phải sử dụng hằng số tỷ lệ khác nhau. Tuy nhiên, hình thức của định luật này vẫn giống nhau: bước sóng cực đại tỷ lệ nghịch với nhiệt độ và tần số cực đại tỷ lệ thuận với nhiệt độ.

Định luật dịch chuyển Wien có thể được gọi là "định luật Wien", một thuật ngữ cũng được sử dụng cho phương pháp tính gần đúng Wien.

Định luật Stefan–Boltzmann

Định luật Stefan–Boltzmann mô tả năng lượng bức xạ từ một vật đen tương ứng nhiệt độ cho trước. [[tập tin:Stefan Boltzmann 001.svg|thumb|Đồ thị hàm tổng năng lượng vật đen phát ra $j^{\star }$ tỷ lệ với nhiệt độ nhiệt động của nó $T\,$. Đường màu xanh là tổng năng lượng tính theo xấp xỉ Wien, $j_{W}^{\star }=j^{\star }/\zeta (4)\approx 0.924\,\sigma T^{4}\!\,$]]

Định luật Stefan-Boltzmann nói rằng

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, $j^{\star }$, tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ nhiệt động của vật thể T

$j^{\star }=\sigma T^{4}.$

Hệ số tỉ lệ σ, được gọi là hằng số Stefan-Boltzmann, nhận được từ những hằng số tự nhiên khác. Giá trị của nó là:

$\sigma ={\frac {2\pi ^{5}k^{4}}{15c^{2}h^{3}}}=5.670373\times 10^{-8}\,\mathrm {W\,m^{-2}K^{-4}} ,$

trong đó k là hằng số Boltzmann, h là hằng số Planck, và c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Như vậy, tại 100°K thông lượng năng lượng là 5,67 W/m², tại 1000°K là 56700 W/m², v.v.

Bức xạ (oát trên mét vuông trên góc khối), được cho bởi công thức:

$L={\frac {j^{\star }}{\pi }}={\frac {\sigma }{\pi }}T^{4}.$

Vật thể mà không hấp thụ tất cả những bức xạ tới (còn được biết với tên vật xám) phát ra năng lượng tổng cộng ít hơn vật đen và được đặc trưng bởi độ phát xạ, emissivity, $\varepsilon <1$:

$j^{\star }=\varepsilon \sigma T^{4}.$

Độ rọi bức xạ (khả năng bức xạ), $j^{\star }$, có thứ nguyên của thông lượng năng lượng (năng lượng trên một đơn vị thời gian trên một đơn vị diên tích), và trong hệ đo lường SI là joule trên giây trên mét vuông, hoặc tương đương là oát trên mét vuông. Đơn vị SI của nhiệt độ tuyệt đối T là Kelvin, $\varepsilon$là độ phát xạ của vật xám, nếu nó là vật đen tuyệt đối thì $\varepsilon =1$. Trong trường hợp tổng quát hơn (thực tế), độ hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng $\varepsilon =\varepsilon (\lambda )$.

Để tìm tổng công suất phát ra từ một vật thể, ta nhân với diện tích bề mặt của nó, $A$:

$P=Aj^{\star }=A\varepsilon \sigma T^{4}.$

Những hạt có kích cỡ bước sóng hoặc một phần bước sóng,[1] siêu vật liệu,[2] và những cấu trúc nano khác không chịu giới hạn tia quang học và có thể là được thiết kế để mở rộng định luật Stefan-Boltzmann.

Nhiệt phóng xạ nguyên tố

Phân rả nguyên tố phóng xạ

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 . 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 dưới 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

Uranium → Thorium + X + α

Phân rả nguyên tố đồng vị

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

C → N + Y + β

Phóng xạ beta được tìm thấy từ Phóng xạ của vật chất đồng vị Carbon cho ra luồng quang tuyến điện từ di chuyển ở vận tốc gần 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

Phân rả điện tử

e + e → γ

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

Nhiệt phóng xạ nguyên tử

Điện tử âm đi ra

Hiện tượng điện tử âm trên quỹ đạo ngoài cùng hấp thụ năng lượng Quang tuyến sáng giải thoát điện tử trở thành điện tử tư do vào môi trường xung quanh

$hf=hf_{o}+{\frac {1}{2}}mv^{2}$
$v={\sqrt {\frac {2h\Delta f}{m}}}$

$\Delta f=f-f_{o}$

Điện tử âm đi vô

Hiện tượng điện tử âm chuyển tiếp qua các vòng quỹ đạo tạo ra Quang tuyến tối giửa các vòng tròn quỹ dạo

$nhf=mvr(2\pi )$ $v=({\frac {1}{2\pi }})({\frac {nhf}{mr}})$
$r=({\frac {1}{2\pi }})({\frac {nhf}{mv}})={\frac {n\hbar f}{mv}}$
$n=2\pi r({\frac {mv}{hf}})$

$\hbar ={\frac {h}{2\pi }}$

Nhiệt Lửa

Bức xạ nhiệt

Mọi vật tương tác với lửa đều hấp thụ năng lượng nhiệt từ lửa và tạo ra thay đổi nhiệt trên vật

Thay đổi nhiệt trên vật

Nếu

$T_{0}$ . Nhiệt độ của vật

$T_{1}$ . Nhiệt độ của lửa

Với

$T_{0}=T_{1}$ Thay đổi nhiệt và nhiệt năng của thay đổi nhiệt

$\Delta T=0$

$W=mv\Delta T=0$

$T_{0}>T_{1}$ Thay đổi nhiệt và nhiệt năng của thay đổi nhiệt

$\Delta =T_{0}-T_{1}$

$W=mv(T_{o}-T_{1})$

Nhiệt di chuyển từ T₀ đến T₁

$T_{0}<T_{1}$ Thay đổi nhiệt và nhiệt năng của thay đổi nhiệt

$\Delta =T_{1}-T_{0}$

$W=mv(T_{1}-T_{0})$

Nhiệt di chuyển từ T₁ đến T₀

Thay đổi trạng thái vật

Thí nghiệm cho thấy , vật có thay đổi trạng thái ở một nhiệt độ riêng được gọi là Thân nhiệt

• Ở trạng thái Rắn có thân nhiệt $0^{o}C$
• Ở trạng thái Đặc có thân nhiệt $25^{o}C$
• Ở trạng thái Lỏng có thân nhiệt $75^{o}C$
• Ở trạng thái Khí có thân nhiệt $100^{o}C$

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 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 Boyle (1662)	$pV=k$	Áp lực và thể tích tỉ lệ nghịch với nhau
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)	$p_{\text{total}}=p_{1}+p_{2}+\cdots +p_{n}=p_{\text{total}}=\sum _{i=1}^{n}p_{i}.$

Ngoại nhiệt

Lửa và vật tương tác tạo ra nhiệt tỏa vào môi trường xung quanh

Nhiệt tỏa

Quá trình nhiệt truyền qua vật tạo ra thay đổi nhiệt trên vật

$W=mC\Delta T$

Nhiệt phóng xạ

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 phân rả

Quá trình nhiệt truyền qua vật 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

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

Tác giả - Copy right

Quách Trung Thành . B.Sc.E.E. University of Manitoba .