Sách Vật lý Kỹ sư/Nhiệt

Nhiệt

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

Nhiệt là một khái niệm vật lý cho biết một cảm giác ấm , nóng, , mát, lạnh . 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 nóng có nhiệt độ cao (ví dụ như nước sôi). Nhiệt lạnh có nhiệt độ thấp (ví dụ nước đá). Nhiệt được ứng dụng trong nhiều lãnh vực tạo ra 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
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 đơn vị đo lường nhiệt cho biết mức độ nhiệt . 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

Nhiệt độ chuẩn

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	$T=25^{o}C$

Hệ thống đo lường nhiệt độ

Có ba Hệ thống đo lường nhiệt độ bao gồm

	Nhiệt Độ C - Nhiệt độ Celcius	Nhiệt Độ F - Nhiệt độ Farenheit	Nhiệt Độ K - Nhiệt độ Kelvin
Nhiệt độ nóng chảy	$0^{o}C$	$0^{o}C$	$0^{o}C$
Nhiệt độ bốc hơi	$0^{o}C$	$0^{o}C$	$0^{o}C$
Nhiệt độ đông đặc	$0^{o}C$	$0^{o}C$	$0^{o}C$

Hoán chuyển nhiệt độ

**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 và vật

Điện nhiệt

Mọi vật dẩn điện khi dẩn điện sẻ tạo ra năng lượng nhiệt bên trong vật . Mọi vật dẩn điện khi dẩn điện sẻ tạo ra năng lượng nhiệt tỏa vào môi trường xung quanh

Nhiệt điện	Hình	Công thức
Điện trở		$W=i^{2}R(T)$ $R(T)=R_{o}+NT$ đúng cho Dẩn điện $R(T)=R_{o}e^{-NT}$ đúng cho bán dẩn điện
Cuộn từ		Mọi vật dẩn điện khi dẩn điện sẻ tạo ra năng lượng nhiệt bên trong vật $W_{i}=\int Bdi=\int Lidi={\frac {1}{2}}Li^{2}$	Mọi vật dẩn điện khi dẩn điện sẻ tạo ra năng lượng nhiệt tỏa vào môi trường xung quanh $W_{e}=pv=p\omega =p\lambda f=hf$ $W_{e}=pv=p\omega =p{\sqrt {\frac {1}{\mu \epsilon }}}=pC$ $W_{e}=pC=hf$
Tụ điện		$W=\int Qdv=\int Cvdi={\frac {1}{2}}Cv^{2}$

Lửa nhiệt

Nhiệt dẩn

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

 $W=mv\Delta T$

Nhiệt phóng xạ

Năng lực nhiệt làm cho vật tạo ra năng lượng nhiệt tỏa vào môi trường xung quanh phát ra ánh sáng thấy được

 $W=\phi +K.E.=hf$

\phi =hf_{o}

vì ở

f=f_{o}

,

K.E.=0

Nhiệt phân rả

Năng lực nhiệt làm cho vật tạo ra năng lượng nhiệt tỏa vào môi trường xung quanh phát ra ánh sáng thấy được

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

Nhiệt Phóng xạ

Phóng xạ vật đen - 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	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 quang tuyến - Marie Curie và Henri Becquerel

Marie Curie khám phá vật chất không bền do có tương tác với quang tuyến nhiệt như Uranium phân rả để trở thành vật chất bền tạo ra Phóng xạ alpha . Henry Becquerel 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

Nhiệt phân rả

Nguyên tử tố

Ur --> Th + X

C --> N + Y

Nguyên tử điện

Điện tử rời khỏi nguyên tử đi ra tạo ra quang tuyến sáng

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

h={\frac {mv^{2}}{2\Delta f}}

\Delta f=f-f_{o}

Điện tử rời khỏi nguyên tử đi vô tạo ra quang tuyến tối

nhf=2\pi mvr

h={\frac {2\pi mvr}{nf}}

Định luật nhiệt động học

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

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, khi co' 2 hệ nhiệt động đang nằm trong cân bằng nhiệt động với nhau khi chúng tiếp xúc với nhau sè 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

Đây chính là định luật bảo toàn năng lượng áp dụng vào hiện tượng nhiệt, khẳng định rằng năng lượng luôn được cân bằng. 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.