Định luật thứ không của nhiệt động lực học phát biểu rằng nếu hai vật lần lượt cân bằng nhiệt với một vật thứ ba nào đó, thì chúng cũng cân bằng nhiệt với nhau. Cân bằng nhiệt có nghĩa là khi hai vật được mang lại tiếp xúc nhau và ngăn cách nhau bởi một vách ngăn có thể xuyên nhiệt, thì sẽ có sự truyền nhiệt từ vật này sang vật kia.
Thực chất thì định luật này phát biểu rằng cả ba vật đó có nhiệt độ bằng nhau. James Clerk Maxwell làm cho định luật này còn đơn giản hơn khi ông phát biểu, “Tất cả nhiệt là cùng loại với nhau.” Cái quan trọng nhất mà định luật thứ không thiết lập là nhiệt độ là một tính chất căn bản và có thể đo được của vật chất.
Định luật thứ không của nhiệt động lực học phát biểu rằng nếu hai vật lần lượt cân bằng nhiệt với một vật thứ ba nào đó, thì chúng cũng cân bằng nhiệt với nhau. Ảnh: Tim Sharp
Lịch sử
Khi các định luật của nhiệt động lực học ban đầu được thiết lập, chỉ có ba định luật thôi. Tuy nhiên, vào đầu thế kỉ 18, các nhà khoa học nhận ra rằng cần có thêm một định luật nữa để hoàn chỉnh tập hợp các nguyên lí căn bản của nhiệt học. Tuy nhiên, định luật mới này, đưa ra một định nghĩa chính thức của nhiệt độ, thật sự không dùng đến ba định luật đã có và vì thế nên được đặt ở đầu danh sách. Tình thế này hơi khó xử: ba định luật căn bản kia đã được người ta biết rõ với số thứ tự đã ấn định, và việc đánh số lại sẽ gây mâu thuẫn với tư liệu đã có và gây ra những nhầm lẫn đáng tiếc. Một giải pháp khác, gọi định luật mới này là định luật thứ tư và đặt nó ở cuối danh sách, cũng không ổn bởi vì nó đâu cần dùng đến ba định luật kia. Một nhà khoa học, Ralph H. Fowler, đã đi tới một giải pháp thứ ba giải được tình thế tiến thoái lưỡng nan đó: ông gọi định luật mới là “định luật thứ không”. (Điều thú vị là nhà văn khoa học viễn tưởng Isaac Asimov đã lấy ý tưởng cho một định luật thứ không trong quyển tiểu thuyết năm 1994 của ông "Robots and Empire" khi ông nhận thấy cần bổ sung thêm một định luật mới cho ba định luật rô-bôt học vì nó không dùng tới định luật thứ nhất.)
Theo David McKee, giáo sư vật lí tại trường Đại học Missouri, định luật thứ không “cho chúng ta biết rằng cho dù hai hệ có bao nhiêu năng lượng chăng nữa, thì việc biết lượng năng lượng mà chúng có không cho chúng ta dự đoán được chiều mà nhiệt sẽ truyền nếu đặt chúng tiếp xúc với nhau. Định luật thứ không phát biểu rằng con số này, đó là nhiệt độ, xác định chiều truyền nhiệt, và nó không phụ thuộc trực tiếp vào lượng năng lượng tham gia trong quá trình truyền.”
Theo McKee, “Nhiệt độ của hai hệ là thứ duy nhất bạn cần biết để xác định chiều dòng nhiệt sẽ truyền giữa chúng.”
Nhiệt kế
Ngay cả thực vật và động vật đơn bào đơn giản nhất cũng phản ứng với sự biến thiên nhiệt độ. Các khái niệm nóng và lạnh, cũng như “nóng hơn” và “lạnh hơn” bén rễ sâu trong tâm sinh lí của chúng ta. Tuy nhiên, khả năng của chúng ta truyền đạt khái niệm này đòi hỏi một chuẩn so sánh nào đó. Một trong những chuẩn so sánh đầu tiên, và là chuẩn vẫn được sử dụng ngày nay, sử dụng điểm băng và điểm sôi của nước. Tuy nhiên, vấn đề là làm thế nào mô tả nhiệt độ với độ chính xác đủ mức hữu ích. Yêu cầu này đòi hỏi một phương pháp đo có thể lặp lại trên quy mô lớn.
Định luật thứ không của nhiệt động lực học định nghĩa nhiệt độ và cơ sở chế tạo nhiệt kế. Tuy nhiên, để một nhiệt kế hữu ích, thì nó phải được chia vạch. Tất cả những đơn vị đo lường căn bản khác, ví dụ đơn vị đo chiều dài, khối lượng, thời gian,... đều được định nghĩa theo một chuẩn chính xác. Trong trường hợp này, chúng ta không những phải định nghĩa một đơn vị đo, mà còn phải chỉ rõ điểm bắt đầu của thang đo.
Những nỗ lực nổi bật nhất ban đầu nhằm chuẩn hóa số đo nhiệt độ là công sức của Daniel Gabriel Fahrenheit. Vào đầu thế kỉ 18, Fahrenheit đã phát minh nhiệt kế kiểu-ống-thủy-tinh quen thuộc sử dụng cồn lẫn thủy ngân. Ông còn phát minh nhiệt giai Fahrenheit, trong đó ấn định điểm băng và điểm sôi của nước tương ứng là 32 độ và 212 độ, và nó vẫn được sử dụng đến ngày nay, nhất là ở Hoa Kì. Đa phần còn lại của thế giới sử dụng nhiệt giai Celsius, trong đó gán giá trị 0 độ cho điểm băng của nước, và 100 độ cho điểm sôi của nó ở mực nước biển trung bình.
Toàn bộ các thang đo dùng trong khoa học và kĩ thuật đều bắt đầu tại số không. Khái niệm độ dài, khối lượng hay thời gian bằng không tương đối dễ nắm bắt; tuy nhiên, nhiệt độ bằng không, hay độ không tuyệt đối, trong đó hoàn toàn không có chút nhiệt năng nào, thì hơi khó nắm bắt. Đây là bởi vì một nhiệt độ như thế chưa từng được quan sát thấy trong thiên nhiên hay trong phòng thí nghiệm, và nói chung người ta tin rằng nó sẽ không bao giờ có; tuy nhiên, các nhà khoa học đã tiến tới rất sát độ không tuyệt đối.
Đơn vị cho nhiệt độ nhiệt động lực học là kelvin (K) và được định nghĩa theo điểm ba của nước, tức 0,01 độ C hay 32,01 độ F. Điểm ba được định nghĩa là “nhiệt độ và áp suất nhất định tại đó các pha rắn, lỏng, và hơi của một chất cho trước cân bằng với nhau.” Nó được chọn làm chuẩn phần lớn là bởi vì nó có thể dễ dàng được tái tạo chính xác trong phòng thí nghiệm, trong khi nhiệt độ của điểm băng của nước có thể bị ảnh hưởng bởi một số biến số phiền hà. Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kì định nghĩa kelvin là “phần 1/273,16 của nhiệt độ nhiệt động lực học của điểm ba của nươc.” Đơn giản hơn, điểm ba của nước được gán giá trị 273,16 K.
Đa số nhiệt kế chứa một chất lỏng hay một kim loại biến thiên thể tích hay hình dạng phụ thuộc vào nhiệt độ của nó. Khi chất lỏng hay kim loại đó đạt tới cân bằng nhiệt với vật hay chất đang được đo, thì tính chất nhạy nhiệt của vật liệu trong nhiệt kế khi đó có thể được khai thác để cho biết nhiệt độ của nó.
Chẳng hạn, một số loại nhiệt kế sử dụng một chất lỏng, thường là cồn hoặc thủy ngân, nó giãn ra hoặc co lại theo sự tăng hay giảm nhiệt độ. Độ giãn nở nhỏ này được khuếch đại lên bởi một bầu chất lỏng tương đối lớn trong bầu thủy tinh nối với một ống thủy tinh dài và rất hẹp. Theo cách này, một độ biến thiên nhỏ thể tích của chất lỏng trong bầu có thể gây ra một biến thiên lớn ở mức chất lỏng trong ống để nhiệt độ có thể được xác định bằng cách đọc độ cao của cột chất lỏng trên thang chia vạch.
Một loại nhiệt kế khác được chế tạo dựa trên sự giãn nở nhiệt của kim loại. Một lần nữa, vấn đề là làm thế nào khuếch đại một biến thiên rất nhỏ về kích cỡ để nó có thể đọc được trên một thang chia vạch. Một giải pháp là sử dụng một cuộn dây nhiều vòng để một biến thiên nhỏ về chiều dài được nhân lên theo số vòng dây. Một loại khác khai thác thực tế các kim loại khác nhau giãn nở với tỉ lệ khác nhau khi nóng lên. Các miếng băng gồm hai kim loại có hệ số nở nhiệt khác nhau có thể được ép lại để cho miếng ghép sẽ cong đi khi nóng lên. Độ vênh này có thể làm dịch chuyển một cái kim cho biết số đo trên một thang chia vạch.
Một phương pháp khác nữa dùng để đo nhiệt độ dựa trên sự biến thiên màu sắc ở những vật liệu hữu cơ nhạy nhiệt. Những vật liệu này thường chỉ hữu ích để đo những ngưỡng nhiệt độ hạn chế, ví dụ cho biết tình trạng sốt hoặc theo dõi nhiệt độ phòng. Một dụng cụ nữa, gọi là nhiệt trở, hoạt động dựa trên sự biến thiên điện trở của một vật liệu bán dẫn theo nhiệt độ của nó. Những dụng cụ này có thể phát hiện ra các biến thiên nhiệt độ cực kì nhỏ và được dùng trong các dụng cụ đo bức xạ và để theo dõi các thí nghiệm trong phòng lab. Tuy nhiên, không có phép đo nào thực hiện nếu không dựa trên nguyên lí mô tả trong định luật thứ không.
Nguồn: LiveScience
