Các nhà vật lí ở Anh và Nga vừa làm hồi sinh những khái niệm lần đầu tiên được nêu ra hồi thập niên 1940 để phát triển một lí thuyết mới của nhiệt dung của chất lỏng. Do Dima Bolmatov và Kostya Trachenko thuộc trường Đại học Queen Mary London và Vadim Brazhkin thuộc Viện Vật lí Áp suất Cao ở Moscow sáng tạo ra, “lí thuyết phonon nhiệt động lực học chất lỏng” mới đã dự đoán thành công nhiệt dung của 21 chất lỏng khác nhau từ kim loại đến chất lỏng trơ và chất lỏng phân tử. Các nhà nghiên cứu cho biết lí thuyết của họ bao quát cả chế độ cổ điển và chế độ lượng tử và phù hợp với thí nghiệm trên một ngưỡng rộng nhiệt độ và áp suất.
Trong khi các nhà vật lí đã có kiến thức lí thuyết khá hay của nhiệt dung của chất rắn và chất khí, thì một lí thuyết khái quát của nhiệt dung của chất lỏng vẫn còn chưa nắm bắt được. Ngoài việc là một chỗ trống nguy hiểm trong kiến thức của chúng ta về cơ sở vật lí vật chất ngưng tụ, nhiệt dung – lượng nhiệt cần thiết để làm biến đổi nhiệt độ của một chất lên một lượng nhất định – là một đại lượng liên quan đến kĩ thuật sẽ rất tuyệt vời nếu người ta có thể dự đoán được nó. Bolmatov cho biết các nhà vật lí đã miễn cưỡng phát triển một lí thuyết vì các tương tác có liên quan trong một chất lỏng vừa mạnh vừa riêng cho chất lỏng đó, cho nên thật khó phát triển một phương pháp chung tính nhiệt dung cho các chất lỏng.
Lí thuyết phonon mới dự đoán nhiệt dung riêng cho nhiều chất lỏng khác nhau. (Ảnh: iStockphoto/Photoevent)
Bao quát cả cổ điển lẫn lượng tử
Việc sử dụng các phonon – những dao động mạng bị lượng tử hóa hành xử giống như hạt – để phát triển một lí thuyết nhiệt dung riêng chẳng có gì mới mẻ trong thế giới chất rắn. Nói chung, các nguyên tử trong một chất rắn dao động xung quanh những điểm cố định trong mạng, nghĩa là cách duy nhất mà nhiệt - ở dạng những nguyên tử dao động ngẫu nhiên – có thể truyền qua một chất liệu là thông qua các phonon. Thật vậy, Albert Einstein và Peter Debye đã phát triển những lí thuyết độc lập hồi thế kỉ 20, tương ứng, để giải thích nhiệt dung nhiệt độ cao và nhiệt dung nhiệt độ thấp.
Nhưng, biết rằng các nguyên tử trong một chất lỏng tự do chuyển động và vì thế có thể hấp thụ hoặc truyền nhiệt mà không cần các phonon, nên thoạt nhìn thì không rõ tại sao các phonon lại là một cách tốt mô tả nhiệt được truyền và hấp thụ như thế nào trong một chất lỏng. Bất kì ai từng ngâm đầu dưới nước đều biết rằng âm thanh truyền rất tốt trong các chất lỏng - ở dạng những phonon dọc. Tuy nhiên, cái không rõ là các phonon ngang hay phonon “cắt qua”, cái tồn tại ở các chất rắn, có xuất hiện ở chất lỏng hay không. Vì mỗi mode phonon góp phần cho nhiệt dung riêng, nên cái rất quan trọng là biết có bao nhiêu mode trong một chất lỏng đang nghiên cứu.
Tần số Frenkel
Vấn đề này lần đầu tiên được xử lí hồi thập niên 1940 bởi nhà vật lí người Nga Yakov Frenkel. Ông trình bày rằng đối với những dao động trên một tần số nhất định (tần số Frenkel), các phân tử trong một chất lỏng hành xử giống như các phân tử trong chất rắn – và do đó có thể ủng hộ các phonon ngang. Ý tưởng của ông là xét lượng thời gian đặc trưng cho một nguyên tử hay phân tử chuyển động từ vị trí cân bằng này trong chất lỏng đến vị trí cân bằng khác. Miễn là chu kì dao động ngắn hơn thời gian này thì các phân tử sẽ dao động như thể chúng bị cố định trong chất rắn.
Với suy nghĩ này trong đầu, Boltamov và các đồng nghiệp đã nghĩ ra một biểu thức cho năng lượng của một chất lỏng theo nhiệt độ của nó và ba thông số - hệ số giãn nở của chất lỏng, tần số Debye của nó và tần số Frenkel. Tần số Debye là tần số tối đa trên lí thuyết mà các nguyên tử hay phân tử trong chất lỏng có thể dao động và có thể suy ra từ tốc độ của sóng âm trong chất lỏng đó. Tần số Frenkel đặt ra một ràng buộc dưới đối với tần số dao động của các nguyên tử hay phân tử và có thể suy luận ra từ độ nhớt và suất chịu nén của chất lỏng.
Khớp với số liệu
Kết quả là một biểu thức cho nhiệt dung riêng là một hàm của nhiệt độ có thể so sánh với số liệu thực nghiệm. Ở toàn bộ 21 chất lỏng đã nghiên cứu, lí thuyết có thể tái tạo sự giảm quan sát thấy của nhiệt dung riêng khi nhiệt độ tăng lên. Các nhà vật lí giải thích sự giảm này theo sự tăng tần số Frenkel là một hàm của nhiệt độ. Khi chất liệu nóng lên, có ít mode phonon ngang hơn để truyền nhiệt, nên nhiệt dung giảm.
Lí thuyết trên có thể mô tả những chất lỏng đơn giản – ví dụ như những chất lỏng trơ, chúng bao gồm các nguyên tử - cho đến những chất lỏng phân tử phức tạp như hydrogen sulphide, methane và nước. Các nhà vật lí cho biết sự phù hợp rộng rãi này cho thấy đề xuất ban đầu của Frenkel rằng các trạng thái phonon của chất lỏng phụ thuộc vào một thời gian đặc trưng áp dụng được cho một ngưỡng rộng chất liệu. Kết quả là các nhà vật lí sẽ có thể dự đoán nhiệt dung riêng của nhiều chất lỏng mà không phải lo lắng về các tương tác phức tạp giữa các nguyên tử hay phân tử thành phần.
Boltamov cho biết có hai lí do khiến những ý tưởng của Frenkel áp dụng cho nhiệt dung phải mất nhiều thời gian như vậy mới được xác nhận. “Thứ nhất là mất đến 50 năm mới xác nhận được dự đoán của Frenkel,” ông nói. Thứ hai là trong lịch sử lí thuyết nhiệt động lực học của chất lỏng được phát triển từ lí thuyết của chất khí, chứ không từ chất rắn – bất chấp những sự tương đồng giữa chất lỏng và chất rắn. “Phát triển này có một sức ì nhất định đi cùng với nó và hệ quả là mang lại sự trì trệ và cần có suy nghĩ thêm cho việc đề xuất rằng quan điểm của Frenkel có thể dịch thành một lí thuyết phù hợp của nhiệt động lực học chất lỏng.”
Công trình công bố trên tạp chí Scientific Reports 2 421.
Hoài Ân – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com
