NHIỆT LÀ GÌ?
Khi con người bắt đầu biết băn khoăn với câu hỏi nhiệt là gì, họ mới dựa vào cảm giác của mình. Từ kinh nghiệm hàng ngày hình thành biểu tượng về nhiệt như một thứ tố chất gì đó một ''chất lỏng'' chảy từ vật này sang vật khác khi có tiếp xúc. Làn sóng nóng hay lạnh ''truyền'' vào cơ thể ta, đột khi nó đâm vào da thịt ta nếu vật kia là quá nóng hay quá lạnh.
Còn khi chuyển từ cảm quan sang lý luận thì thông thường người ta cho rằng mọi vật đều cấu tạo từ các hạt nhỏ xíu. Thế còn cái ''chất lỏng'' chảy qua chảy lại khi nung nóng hoặc khi làm lạnh là cái gì vậy? Nói chung nó cũng phải gồm các hạt nhưng là các hạt không nhìn thấy và không khối lượng vì không thể dùng phương tiện gì phát hiện ra chúng. Vậy thì có thể giản đơn hơn coi nhiệt là ''mức độ linh động'' của các hạt tạo thành vật? Tuy nhiên thật khó tưởng tượng làm sao một sự tiếp xúc bề ngoài lại có thể gây được ảnh hưởng tới độ linh động các hạt bên trong vật? Ngoài ra nhiệt ở dạng bức xạ truyền được qua chân không - như trong trường hợp Mặt Trời sưởi nóng Trái Đất đấy thôi. Trong trường hợp ấy ta phải nói về chuyển động của các hạt nào đây?
Cả hai hướng lập luận vùa nêu đều song hành tồn tại rất lâu từ thời Lucretius và Heraclitus (các triết gia Hy Lạp cổ đại), và cũng không hoàn toàn cản trở lẫn nhau, có lẽ cũng vì chưa có cơ hội.
Vào thế kỷ XVII khi xuất hiện các nền tảng khoa học hiện đại thì quan điểm nhiệt như là một dạng chuyển động đã ngày càng phổ biến. Và đến giữa thế kỷ XVIII các quan điểm ấy thực sự chưa có gì thay đổi. Khi đó đã tồn tại cùng một lúc mấy lý thuyết động học về nhiệt. Trong số đó thì lý thuyết của nhà cơ học toán học, sinh lý học Thụy Sĩ Daniel Bernoulli (1700 - 1782) được coi là nổi tiếng nhất. Ông trình bày nó trong chương 10 của công trình trứ danh của mình ''Thủy động lực học'', viết bằng tiếng Latinh, xuất bản ở Strasbourg năm 1738. Theo lý thuyết của ông, các hạt chất khí chuyển động thẳng và đều chừng nào chúng chưa va chạm vào nhau hoặc vào thành bình chứa khí đó rồi phân tán tứ phía theo định luật va chạm đàn hồi và cứ thế lặp đi lặp lại tức là xuất hiện chuyển động hỗn loạn. Áp suất lên thành bình đã được giải thích như vậy. Áp suất ấy tỷ lệ với bình phương tốc độ của các hạt. Lý thuyết này gần như hoàn toàn trùng hợp với các quan niệm ngày nay về nhiệt.
Cũng cần kể ra đây những giả thuyết khác. Chẳng hạn người ta cho rằng nhiệt là các dao động định xứ của ête hay các chuyển động xoáy trong ête, thì đó cũng là chuyển động, nhưng không phải là của bản thân hạt mà của môi trường. Theo một lý thuyết khác nữa thì mỗi hạt vật chất được bao quanh bởi ''đám mây nhiệt'', làm cho các hạt có thể ''đẩy nhau'', cho phép giải thích sự hình thành áp suất.
Không có sự nhất trí nào về bản chất của nhiệt bởi lẽ khi ấy các nhà bác học thậm chí chưa phân biệt được sự khác nhau giữa hai khái niệm ''nhiệt lượng'' và ''độ nóng'' (nhiệt độ). Người ta cho rằng nhiệt độ là số đo nhiệt lượng trong vật. Nhiệt càng lớn thì nhiệt độ càng cao.
Nhưng từ năm 1757 nhà hóa học kiêm vật lý học Scotland là Joseph Black (1728 - 1799) đã thiết lập được rằng khi ngưng tụ các chất khí và hóa rắn các chất lỏng, có một lượng nhiệt nào đó được toả ra (không kéo theo biến thiên nhiệt độ), được gọi là “nhiệt ẩn”. Khi hóa hơi và hóa lỏng chúng thì ngược lại, phản cung cấp một lượng nhiệt đúng như vậy. Mặc dù Black không ủng hộ một quan điểm xác định nào về bản chất nhiệt ông vẫn nêu ra lập luận như sau: nếu nhiệt gắn liền với chuyển động phân tử, thì các vật đặc ít nhiều hơn cần phải có nhiệt ẩn lớn hơn. Nhưng thực nghiệm không khẳng định điều mong muốn ấy.
Ngoài ra Black hiểu rằng nhiệt và nhiệt độ là các thứ khác nhau, và ông đề xướng phân biệt nhiệt lượng chứa trong vật và nhiệt độ chỉ cường độ nóng đo bằng nhiệt kế: Để liên kết hai đại lượng đó Black đưa ra khái niệm nhiệt dung - là lượng nhiệt cần cung cấp để làm vật nóng thêm lên một độ:
với Q là nhiệt lượng, C là nhiệt dung, 
là hiệu nhiệt độ. Nhiệt dung của các vật khác nhau là khác nhau là đặc trưng của vật chất, chứ không phải của nhiệt.
Phát kiến của Black đã cổ vũ cả Châu Âu và quan điểm bản chất duy vật của nhiệt bước lên sân khấu. Cũng thời điểm ấy vào năm 1787, các nhà hóa học Pháp K. Berthollet, L.Guyton de Morveau, A. Lavoisiel, A.Fourcroy, cũng vừa nghĩ ra một tên gọi đặc biệt: chất nhiệt. Trong ''Giáo khoa cơ sở hóa học'' (năm 1789) Lavoister dành hẳn một chương cho thuyết chất nhiệt. Ông xếp chất nhiệt vào loại chất đơn giản có các hạt của nó đẩy nhau; nhưng lại hút các hạt của các chất khác, với các lực khác nhau tuỳ theo chất khác nhau.
Vào cuối thế kỷ XVIII - đầu thế kỷ XIX, tư tưởng chất nhiệt đã phổ cập rất rộng rãi, sự hiện diện chất nhiệt cho phép giải thích tất thẩy: cả sự nở nhiệt của chất khí cả nhiệt dung riêng, cả nhiệt ẩn nóng chảy và hóa hơi, cả nhiệt phản ứng hóa học,… thậm chí thuyết nguyên tử của Dalton cũng dựa hẳn vào giả thuyết chất nhiệt vô hình!
Nhưng cũng ngay cuối thế kỷ XVIII đã xuất hiện sự phản bác mạnh mẽ thuyết chất nhiệt. Bá tước Rumford và Humphry Davy (người Anh) đã tiến hành hàng loạt thí nghiệm ủng hộ quan điểm coi nhiệt là một dạng chuyển động. Rumford thì khoan nòng súng đại bác khiến nước làm lạnh mũi khoan bị sôi lên, còn Davy thì làm chảy cục băng bằng cách cọ sát. Nhưng các thí nghiệm đó dù sao vẫn chưa đủ để giải thích sự truyền bức xạ nhiệt qua chân không. Vừa hay lý thuyết động học về nhiệt nhận được sự chi viện bất ngờ từ phía quang học. Ban đầu lý thuyết hạt ánh sáng phải nhường bước cho lý thuyết sóng của Young - Fresnel, còn vào năm 1841 nhà vật lý người Italia Macedonio Melloni đã chứng minh sự đồng nhất giữa các tia nhiệt và tia sáng. Những người ủng hộ thuyết sóng ánh sáng cho rằng ánh sáng là dao động của ête. Sự áp dụng giả thuyết ấy vào nhiệt đã cung cấp ngay hai ưu thế: giải thích được tất cả các hiện tượng nhiệt đồng thời bác bỏ quan điểm chất nhiệt. Tuy lúc đầu lý thuyết sóng về nhiệt khá phổ biến, nhưng nó không đứng vững được lâu và tới giữa thế kỷ XIX người ta đã lãng quên nó. Nhưng dựa vào đó bước chuyển từ nhiệt là chất nhiệt sang nhiệt là chuyển động đã diễn ra rất tự nhiên.
Hoàn toàn rõ ràng là nhiều quan điểm về bản chất nhiệt đã hình thành không chỉ do ''tình yêu khoa học thuần túy''. Trong hóa học, trong nghiên cứu các tính chất vật lý của các loại chất khác nhau… đã tích lũy tư liệu phong phú nhất có quan hệ tới các hiện tượng nhiệt. Những máy hơi nước đầu tiên đã ra đời… Tất cả đều đòi hỏi tư duy đổi dựa trên những nguyên lý tổng quát. Từ toàn bộ các sự kiện rời rạc đã đúc rút các nguyên lý mà chỉ cần các bộ não sáng láng, biết tư duy trừu tượng hóa...
Năm 1824 ra đời cuốn sách nhỏ của vị kỹ sư pháo binh trẻ người Pháp Nicolas Leonard Sadi Carnot (1796 - 1832). Tên sách là ''Suy ngẫm về động lực của lửa và về các máy cho phép khai thác động lực ấy. Đó thực sự là sự suy ngẫm về ''hiện tượng nhận được chuyển động từ nhiệt... từ quan điểm rất khái quát, không phụ thuộc vào loại máy móc nào
hay một nhiên liệu nào''. Nguyên do chính là ông đã có một tấm gương sáng về tư tưởng kiểu này trong lĩnh vực máy cơ khí.
Cha ông, Lazare Nicolas Carnot (1753 - 1823) là nhà toán học và cơ khí nổi tiếng, người từng giữ chức bộ trưởng chiến tranh vào thời kỳ Đại cách mạng Pháp từng nỗ lực thâu tóm tất cả mọi chuyển động của các máy cơ khí và quy về các nguyên lý cơ học nhất quán, mà nếu có thể, thì thậm chí quy về hình học. Ông đã viết một công trình đồ sộ mang tiêu đề ''Kinh nghiệm về các máy móc nói chung'' (năm 1783). Vì vậy đối với chàng Carnot trẻ thì cách tiếp cận tổng quát tới vấn đề như thế là hoàn toàn đương nhiên. Ông hiểu rằng không thể phát triển lý thuyết các máy nhiệt chừng nào ''các định luật vật lý còn chưa đủ mở rộng và bao quát để có thể tiên định các kết quả từng tác động của nhiệt lên vật thể bất kỳ''.
Để khởi đầu Sadi Carnot tóm lược các tính chất nhiệt quen biết thời bấy giờ vào hai mệnh đề:
1. Nhiệt là vật chất, và lượng của nó được bảo toàn.
2. Chất nhiệt có xu thế khôi phục sự cân bằng nghĩa là nhiệt chỉ truyền tự phát từ vật nóng sang vật lạnh. Khi đó ''sự phát sinh động lực không lệ thuộc vào sự tổn hao (mất mát) thực sự của chất nhiệt mà vào sự chuyển của nó từ vật nóng sang vật lạnh hơn'', và ''ở đâu có chênh lệch nhiệt độ ở đó có thể sinh ra động lực'' (để nhận được động lực thì có vật nóng thôi là chưa đủ, mà còn cần cả vật lạnh nữa!) Chỉ một chênh lệch nhiệt độ thôi cũng chưa đủ, bởi khi các vật tiếp xúc trực tiếp các động lực vẫn không thể phát sinh, mà chỉ giản đơn xảy ra quá trình làm cân bằng nhiệt độ của chúng. Động lực phát sinh chỉ khi biến thiên nhiệt độ kéo theo sự biến đổi thể tích.
Nói một cách khác, Carnot đã hiểu được rằng một khi trên thế giới khắp nơi chỉ cùng một nhiệt độ thì không thể nào chuyển nhiệt năng thành ra công. Và dù các quá trình chuyển công thành nhiệt có thể xảy ra ở một nhiệt độ không đổi (vì ma sát chẳng hạn) nhưng không thể vận hành theo chiều hướng ngược lại để thu công mất đi trước đó. Còn nếu làm được điều đó thì ắt là bên trong hệ hay ở không gian xung quanh nó nhất thiết phải xảy ra những biến đổi nào đó.
Cách nhìn nhận đó được Carnot phát biểu thành định luật, nguyên tắc hay nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học. Vì sao lại ''thứ hai'' khi chưa có cái thứ nhất? Cái thứ nhất chính là định luật bảo toàn năng lượng mà thời bấy giờ còn chưa được phát biểu như định luật tổng quát của tự nhiên, bao quát mọi dạng thức năng lượng. Quả thực trong cơ học thì đã thiết lập được ''nguyên lý bảo toàn hoạt lực'' cái mà ngày nay ta gọi là động năng. Vì một định luật phổ quát, dù ở dạng thức hạn hẹp, đã từng có rồi cho nên nó được coi như định luật thứ nhất.
Carnot chú ý tới điều là công hữu ích có thể thu được chỉ khi có sự truyền nhiệt từ vật nóng hơn tới vật ít nóng hơn; song nhiệt cũng có thể truyền từ vật lạnh hơn tới vật nóng hơn khi tiêu tốn một công nào đó. Ông đi tới được kết luận ấy nhờ việc nghiên cứu một quá trình phức tạp do ông sáng tạo nên, mà nay ta gọi là chu trình Carnot. Dù đó là một quá trình khép kín được tưởng tượng ra cốt để phân tích công của máy nhiệt, song ý tưởng về chu trình, tính chu kỳ không phải là gì mới. Nó từng được sử dụng rộng rãi trong cơ học (nhất là bởi Carnot cha) đặc biệt khi phải loại bỏ ảnh hưởng của các mất mát cơ học, ví dụ vì ma sát chẳng hạn.
Trước khi làm việc với chu trình Carnot, cái thâu tóm toàn bộ thực chất của nhiệt động lực học, ta hãy xem xét một đặc tính của nhiệt do Carnot khám phá ra. Vì ông quan niệm nhiệt là một chất liệu thực thể nên ông đã dùng cái tương tự trong cơ học của nó: một vật có khối lượng, rơi từ độ cao nào đó, sinh ra công, bằng tích số trọng lượng vật với độ cao. Nhiệt ''rơi'' từ nhiệt độ cao hơn tới nhiệt độ thấp hơn, cũng có thể sinh ra một ''động lực'' phụ thuộc vào lượng chất nhiệt và hiệu nhiệt độ. Nhưng khác với vật có khối lượng, ở đây có hai cái mới: 1) nhiệt có thể không sản sinh động lực (trong khi khối lượng luôn thực hiện công cơ học!) và 2) công cơ học phụ thuộc chỉ vào hiệu số độ cao mà vật băng qua, chứ không phụ thuộc vị trí của độ cao ấy (ví dụ vật rơi một mét thì từ mặt bàn hay từ mái nhà vẫn cho một công như nhau). Còn nhiệt thì có ''phẩm chất'' khác nhau khi ở các nhiệt độ khác nhau. Tức là sự ''rơi'' nhiệt trong máy nhiệt từ 110 xuống 100 so với nhiệt ''rơi'' từ 990 xuống 980C thì công sinh ra còn lâu mới giống nhau. Quả là ''Người năm bảy đấng, của năm bảy loài'' sự tương tự cơ - nhiệt'' cũng năm bảy đường! Chính đó là điều suy ra từ chu trình Carnot!
LỊCH SỬ NHIỆT KẾ
Nhiệt kế (thermometer) hay đúng hơn là nhiệt nghiệm hay nhiệt thị (thermoscope) được Galllei chế ra năm 1597 gồm 1 quả cầu thủy tinh A đầy không khí; từ phía dưới quả cầu có một ống dẫn chứa một phần nước, đuôi nối vào bình D, cũng chứa đầy nước. Khi không khí trong quả cầu giãn nở, ví dụ do sức nóng của bàn tay áp vào nó, mức nước trong ống thủy tinh tụt xuống. Nhưng độ cao của cột nước phụ thuộc cả vào nhiệt độ lẫn áp suất khí quyển. Vậy nên nhiệt kế Galllei thực ra là đo một cái gì đó chưa được định rõ và chỉ cho phép so sánh nhiệt độ của các vật khác nhau ở cùng một lúc và cùng một chỗ.
Vào năm 1636 Caspar Ens xuất bản cuốn sách: ''Kỳ quan toán học'' có mô tả thang nhiệt độ 8 độ và lần đầu tiên xuất hiện từ “nhiệt kế”. Một nhiệt kế tương đối tốt được Otto von Guericke chế tạo, gồm một quả cầu đồng thau chứa không khí, một ống uốn cong hình chữ U chứa rượu. Nhiệt độ được chỉ ra bằng một tượng người gỗ nhỏ nối bằng dây và gắn (hàn) với một cái phao đóng nổi ở phía hở. Ở giữa là thang vạch chỉ thị; Guericke chọn vạch đầu tiên ứng với cái lạnh sương giá. Việc chọn điểm sôi của nước làm chuẩn được Huygens đề xuất năm 1665. Ông viết rằng việc lựa chọn như thế cho phép so sánh nhiệt độ (''mức nhiệt quan sát thấy'' theo cách gọi của ông) ở các địa điểm khác nhau mà không cần chuyển nhiệt kế từ chỗ này đến chỗ khác.
Nhiệt kế hiện đại đầu tiên được mô tả năm 1724 bởi Daniel Fahrenheit, người thợ thổi thủy tinh ở Hà Lan. Các nhiệt kế rượu của ông phù hợp tốt với nhau đến nỗi người đương thời phải ngạc nhiên. Bí quyết của Fahrenheit rất giản dị: ông chọn một số điểm chuẩn (chứ không phải một điểm) và đưa các vạch chia lên thang chia độ rất cẩn thận. Ông mô phỏng nhiệt độ thấp nhất của mùa đông chia nhiệt năm 1709 bằng một hỗn hợp băng, muối ăn và amoniac. Điểm khắc thứ hai ông dùng là điểm ứng với nhiệt kế nhúng trong hỗn hợp băng và nước. Khoảng cách giữa hai điểm ấy Fahrenheit chia thành 32 phần bằng nhau. Điểm ứng với nhiệt độ cơ thể người theo thang của ông là 980. Còn điểm sôi của nước, về sau ông xác định là 2120.
Ở Pháp thì lại sử dụng thang chia độ của Réaumur (khoảng năm 1740) đưa vào các nhiệt độ đóng băng của nước (00) và điểm sôi của nó (800) vì ông đo được rằng trong khoảng đó nước giãn nở tăng thể tích lên 80 phần ngàn. Trước cách mạng 1917 ở Nga người ta treo nhiệt kế Réaumur trên đường phố và ở mọi tòa nhà. Chỉ tới những năm 30 của thế kỷ XX chúng mới bị thay thế bằng các nhiệt kế Celsius.
Thang Celsius hiện đại đã được đưa ra từ năm 1742. Nhà vật lý Thụy Điển không ưa thích nhiệt độ âm nên cho rằng cần quay ngược thang độ cũ, lấy điểm sôi của nước là 00, còn điểm đóng băng là 1000C. “Thang quay ngược” của ông bị chết yểu, và rất nhanh chóng lại bị người đời “quay ngược” một lần nữa.
Ở Anh và Mỹ thì cho đến nay vẫn phổ biến dùng thang Fahrenheit và khi đọc sách báo tiếng Anh bạn đừng có ngạc nhiên rằng phải giữ đông thịt ở nhiệt độ 300 - 4000, và rằng thân nhiệt đứa bé là 980 vẫn không gây lo ngại cho mẹ của bé.
(Theo sách “Nhiệt độ” của Ya.A.Smorodinsky)
NHÀ Ở VÀ BẾP LÒ, ÁO QUẦN VÀ ĐỒ ĂN,
NHÌN TỪ QUAN ĐIỂM NHIỆT ĐỘNG HỌC
Những điều kiện tiện nghi với con người (đặc biệt vào mùa lạnh trong năm) không chỉ là bảo đảm nhiệt độ phòng của không khí (khoảng 180 - 200c). Điều ấy chỉ có thể thực hiện trong căn buồng đủ kín: tường, bàn, trần và cửa đều cách nhiệt tốt. Cửa sổ cũng giống như lớp da cơ thể, là nguyên nhân chính gây mất nhiệt căn buồng. Theo phương trình trao đổi nhiệt Newton, vận tốc dòng nhiệt dQ/dt tỷ lệ thuận với diện tích cửa sổ S và hiệu số chênh lệch nhiệt độ giữa các tấm kính trong và kính ngoài của cửa sổ, và tỷ lệ nghịch bề dày d của nó:
với A là hệ số truyền nhiệt. Vậy để giữ nhiệt nên tăng bề dày lớp không khí ngăn cách (ví dụ dùng cửa sổ hai lớp, kinh tế hơn dùng kính dày). Nhiệt mất mát cần được bù bằng dòng nhiệt từ lò sưởi ấm.
Ở nông thôn, các bếp lò, lò sưởi làm nhiệm vụ cấp nhiệt, chỉ có điều là cấp từng lúc (kiểu ''xung'') chứ không liên tục. Từ quan điểm nhiệt động lực học có điều thú vị rằng nhiệt đốt cháy nhiên liệu than, củi được phát tán rộng rãi, có tới 25 - 30% năng lượng dùng để làm ấm đường phố.
Vấn đề là ở chỗ không khí trong nhà không kín mít được nung nóng đẳng tích V = const và dưới áp suất khí quyển không đổi p = const. Coi không khí là khí lý tưởng, thì quá trình nung nóng tuân theo phương trình trạng thái:
với cv là nhiệt dung riêng của không khí ở thể tích không đổi, E là năng lượng trung bình hay nội năng của nó, N và T là tổng số phân tử và nhiệt độ không khí. Vì trong buồng lạnh nhiệt độ thấp hơn buồng được sưởi (T1 < T2) nên tương ứng N1 > N2. Có nghĩa là trong quá trình sưởi ấm căn phòng, một phần không khí của nó nở ra vượt qua các khe kẽ và ống khói đi ra phố, mang theo một phần nhiệt. Khi đó năng lượng trung bình E của chuyển động nhiệt của số phân tử ở lại trong phòng không bị thay đổi và quả thực là ta “sưởi ấm đường phố” theo đúng nghĩa của từng chữ vậy! (đó là nếu ta không muốn tăng cao đột ngột áp suất trong phòng bằng cách trát trét bịt kín mít căn phòng của mình).
Từ lâu người ta đã nhận thấy sự tương tự giữa các quá trình sưởi ấm chỗ ở với việc ăn uống của chính con người (ai cũng biết nếu lâu quá không được ăn, cơ thể có thể bị rét run, kể cả mùa hè!). Song con người không chỉ cần duy trì thân nhiệt, mà còn phải thực hiện công hữu ích là cử động hay suy nghĩ. Những công việc này đòi hỏi năng lượng, nên con người theo ý nghĩa đó cũng giống như một cái máy nhiệt, cần được cung cấp ''nhiên liệu'' là thức ăn từ bên ngoài.
Mọi đồ ăn thức uống, giống như các nhiên liệu thông thường, chứa các hợp chất hữu cơ chứa cacbon tích luỹ năng lượng, như chất béo và chất đường bột. Trong cơ thể chúng bị oxy hóa: kết hợp với oxy. Giá trị năng lượng của thức ăn cũng như của nhiên liệu được tính bằng calo. Trong cơ thể diễn ra quá trình đốt ''trong'' chậm rãi, nhiều cấp độ, và tựu trung cacbon ban đầu chuyển hóa thành khí cacbonic CO2.
Suốt thời gian dài người ta còn nghi ngờ tính đúng đắn của định luật I nhiệt động lực học khi dùng cho cơ thể: Có chăng ở cơ thể sống một ''sinh lực'' hay ''hoạt lực'' đặc biệt nào đó, bất tuân quy luật ấy? Câu trả lời phủ định cho vấn đề này đã được đưa ra năm 1780 bởi các nhà khoa học Pháp Antoine Lavoisier và Pierre Laplace. Họ chứng minh rằng các hiệu ứng nhiệt khi đốt ngoài hay đốt trong đều tuyệt đối giống nhau!
