Định luật thứ ba của nhiệt động lực học

Định luật thứ ba của nhiệt động lực học nói về hành trạng giới hạn của các hệ khi nhiệt độ tiến tới độ không tuyệt đối. Đa số các phép tính nhiệt động lực học chỉ sử dụng hiệu entropy, vì điểm không của thang entropy thường là không quan trọng. Tuy nhiên, chúng ta nói về định luật thứ ba với mục đích hoàn thiện vì nó mô tả điều kiện entropy bằng không.

Định luật thứ ba phát biểu “Entropy của một tinh thể hoàn hảo là bằng không khi nhiệt độ của tinh thể bằng không độ tuyệt đối (0 K).” Theo trường Đại học Purdue, “Tinh thể phải hoàn hảo, nếu không sẽ có một mất trật tự cố hữu nào đó. Nó cũng phải ở 0 K; nếu không sẽ có chuyển động nhiệt bên trong tinh thể, dẫn tới mất trật tự.”

Siabal Mitra, giáo sư vật lí tại Đại học Missouri, nêu thêm một hàm ý khác của định luật này. “Một phiên bản của định luật thứ ba phát biểu rằng sẽ cần một số vô hạn bước để đạt tới không độ tuyệt đối, nghĩa là bạn sẽ không bao giờ đạt tới nó. Nếu bạn có thể thu được độ không tuyệt đối, thì điều đó sẽ vi phạm định luật thứ hai, vì nếu bạn có một nguồn lạnh tại không độ tuyệt đối, thì bạn có thể chế tạo một động cơ hiệu suất 100%.”

Trên lí thuyết người ta có thể nuôi cấy một tinh thể hoàn hảo trong đó toàn bộ không gian mạng bị chiếm giữ bởi các nguyên tử y hệt nhau. Tuy nhiên, đa số người ta tin rằng không thể nào đạt tới nhiệt độ không độ tuyệt đối (mặc dù các nhà khoa học đã tiến tới rất sát). Do đó, toàn bộ vật chất có chứa ít nhất một entropy nào đó do sự có mặt của một năng lượng nhiệt nào đó.

Tại 0 K, chuyển động nhiệt dừng lại và entropy của hệ bằng không.

Lịch sử

Định luật thứ ba của nhiệt động lực học lần đầu tiên được thiết lập bởi nhà hóa học và vật lí học người Đức Walther Nernst. Trong quyển sách của ông, “Tổng quan về nhiệt động lực học” (Viện Vật lí Hoa Kì, 1994), Martin Bailyn trích dẫn phát biểu định luật thứ ba của Nernst như sau: “Không thể tiến hành bất cứ thủ tục nào đưa đến đường đẳng nhiệt T = 0 trong một số hữu hạn bước.” Phát biểu này về cơ bản thiết lập một nhiệt độ không độ tuyệt đối là không thể đạt tới na ná như giới hạn tốc độ ánh sáng c. Các phát biểu lí thuyết và thí nghiệm cho thấy cho dù có cái gì chuyển động bao nhanh, người ta luôn luôn có thể làm cho nó chuyển động nhanh hơn nữa, nhưng nó không bao giờ có thể đạt tới tốc độ ánh sáng. Tương tự, cho dù một hệ lạnh bao nhiêu, người ta luôn luôn có thể làm cho nó lạnh hơn, nhưng nó không bao giờ đạt tới không độ tuyệt đối.

Trong quyển sách của bà, “Câu chuyện Vật lí” (Arcturus, 2012), Anne Rooney viết “Định luật thứ ba của nhiệt động lực học đòi hỏi một khái niệm nhiệt độ tối thiểu mà nhiệt độ không thể hạ thấp hơn dưới mức đó – gọi là độ không tuyệt đối.” Theo bà, “Robert Boyle lần đầu tiên nói tới khái niệm một nhiệt độ khả dĩ tối thiểu vào năm 1665, trong tài liệu “Những thí nghiệm và quan sát chạm tới cái lạnh”, trong đó ông nhắc tới khái niệm cái lạnh tột độ.”

Người ta tin rằng độ không tuyệt đối lần đầu tiên được tính toán với độ chính xác hợp lí vào năm 1779 bởi Johann Heinrich Lambert. Ông xây dựng phép tính này trên mối liên hệ tuyến tính giữa áp suất và nhiệt độ của một chất khí. Khi một chất khí được làm nóng trong một không gian giới hạn, áp suất của nó tăng lên. Đây là vì nhiệt độ của một chất khí là một số đo tốc độ trung bình của các phân tử trong chất khí đó. Chất khí càng nóng thì các phân tử chuyển động càng nhanh, và áp suất mà chúng tác dụng khi chúng va chạm với thành bình càng lớn. Cái hợp lí là Lambert giả sử rằng nếu nhiệt độ của chất khí có thể được hạ tới không độ tuyệt đối, thì chuyển động của các phân tử khí có thể được làm cho dừng lại hoàn toàn để chúng không còn tác dụng bất kì áp suất nào lên thành bình chứa nữa.

Nếu người ta vẽ đồ thị liên hệ áp suất-nhiệt độ của chất khí với nhiệt độ là trục hoành và áp suất là trục tung, thì các điểm số liệu tạo thành một đường dốc lên, thể hiện mối liên hệ tuyến tính giữa nhiệt độ và áp suất. Sau đó, ta làm việc khá đơn giản là kéo dài đồ thị và đọc nhiệt độ tại đó đồ thị giao với trục hoành, tức lại chỗ áp suất bằng không. Sử dụng kĩ thuật này, Lambert tính được không độ tuyệt đối là âm 270 độ Celsius (âm 454 độ Fahrenheit), khá gần với giá trị được công nhận ngày nay (âm 273,15 C).

Thang nhiệt độ Kelvin

Người có liên hệ mật thiết nhất với khái niệm độ không tuyệt đối là William Thomson (huân tước Kelvin). Đơn vị nhiệt độ tuyệt đối mang tên của ông, kelvin (K), đơn vị nhiệt độ được sử dụng thông dụng nhất bởi các nhà khoa học trên khắp thế giới. Các khoảng chia nhiệt độ trong thang Kelvin cùng cỡ với khoảng chia nhiệt độ trong thang Celsius, nhưng vì nó bắt đầu tại không độ tuyệt đối, thay vì điểm băng của nước, nên nó có thể được sử dụng trực tiếp trong các phép tính toán học, nhất là trong phép nhân và phép chia. Ví dụ, 100 K thật sự nóng gấp đôi 50 K. Một mẩu chất khí trong xilanh kín ở 100 K cũng chứa năng lượng nhiệt nhiều gấp đôi, và áp suất lớn gấp đôi so với ở 50 K. Những phép tính như vậy không thể thực hiện với thang đo Celsius hay Fahrenheit, tức là 100 C không nóng gấp đôi 50 C, hay 100 F không nóng gấp đôi 50 F.

Các hàm ý của định luật thứ ba

Vì nhiệt độ của độ không tuyệt đối là không thể đạt tới trên phương diện vật lí, nên định luật thứ ba có thể được phát biểu lại để áp dụng cho thế giới thực tế như sau: entropy của một tinh thể hoàn hảo tiến tới bằng không khi nhiệt độ của nó tiến tới không độ tuyệt đối. Ta có thể ngoại suy từ số liệu thực nghiệm rằng entropy của một tinh thể hoàn hảo tiến tới bằng không tại không độ tuyệt đối, nhưng ta không bao giờ có thể chứng minh điều này theo lối kinh nghiệm.

Theo David McKee, giáo sư vật lí tại Đại học Nam Missouri, “Có một lĩnh vực nghiên cứu nhiệt độ cực thấp, và mỗi lần bạn ngoảnh mặt đi là có một kỉ lục nhiệt độ thấp mới. Ngày nay, người ta dễ dàng thu được các nhiệt độ nano kelvin (nK = 10⁻⁹ K), và hiện tại người ta đang làm việc với pico kelvin (pK = 10⁻¹² K).” Lúc viết bài này, nhiệt độ thấp kỉ lục thu được bởi nhóm YKI thuộc Phòng thí nghiệm Nhiệt độ Thấp tại Đại học Aalto ở Phần Lan, vào năm 1999. Họ đã làm lạnh một miếng kim loại rhodium tới 100 pK, hay 100 phần nghìn tỉ của một độ trên không độ tuyệt tuyệt đối, phá kỉ lục 280 pK được chính họ lập trước đó vào năm 1993.

Trong khi một nhiệt độ không độ tuyệt đối không tồn tại trong thiên nhiên, và chúng ta không thể thu được nó trong phòng thí nghiệm, thì khái niệm độ không tuyệt đối có ý nghĩa thiết yếu cho các phép tính liên quan đến nhiệt độ và entropy. Nhiều phép đo hàm ý một liên hệ với một điểm mốc nào đó. Khi chúng ta nói khoảng cách, chúng ta phải hỏi, khoảng cách đến cái gì? Khi chúng ta nói thời gian, chúng ta phải hỏi, thời gian tính từ lúc nào? Định nghĩa số không trên thang đo nhiệt độ mang lại ý nghĩa cho các giá trị dương trên thang đo đó. Khi một nhiệt độ được nói là 100 K, nó có nghĩa là nhiệt độ đó là 100 K trên không độ tuyệt đối, nó cách không độ tuyệt đối một khoảng gấp đôi so với 50 K và bằng một nửa so với 200 K.

Lúc mới đọc, định luật thứ ba trông khá đơn giản và hiển nhiên. Tuy nhiên, nó có ý nghĩa hết sức quan trọng và là điểm kết của một câu chuyện dài li kì mô tả đầy đủ bản chất của nhiệt lượng và năng lượng nhiệt.

Nguồn: LiveScience