phân tích nhiệt ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.92 MB, 239 trang )
VIệN KHOA HọC Và CÔNG NGHệ VIệT NAM
Bộ SáCH CHUYÊN KHảO
HộI ĐồNG BIÊN TậP
Chủ tịch Hội đồng: GS.TSKH. Đặng vũ minh
Phó Chủ tịch Hội đồng: GS.TSKH. Nguyễn Khoa Sơn
pgs.tskh. Nguyễn Tác An, pgs.ts. Lê Trần Bình, pgs.tskh.
Nguyễn Văn C, gs.tskh. Vũ Quang Côn, ts. Mai H, gs.vs.
Nguyễn Văn Hiệu, gs.TSKH. H Huy Khoái, gs.tskh. Nguyễn
Xuân Phúc, gs.ts. Bùi Công Quế, gs.tskh. Trần Văn Sung,
pgs.ts. Phạm Huy Tiến, gs.ts. Trần Mạnh Tuấn, gs.tskh.
Nguyễn ái Việt.
Lời giới thiệu
Viện Khoa học v Công nghệ Việt Nam l cơ quan nghiên cứu
khoa học tự nhiên v công nghệ đa ngnh lớn nhất cả n'ớc, có thế
mạnh trong nghiên cứu cơ bản, nghiên cu v phát triển công nghệ,
điều tra ti nguyên thiên nhiên v môi tr'ờng Việt Nam. Viện tập
trung một đội ngũ cán bộ nghiên cứu có trình độ cao, cơ sở vật chất
kỹ thuật hiện đại đáp ứng các yêu cầu về nghiên cứu v thực nghiệm
của nhiều ngnh khoa học tự nhiên v công nghệ.
Trong suốt 30 năm xây dựng v phát triển, nhiều công trình v
kết quả nghiên cứu có giá trị của Viện đC ra đời phục vụ đắc lực cho
sự nghiệp xây dựng v bảo vệ Tổ quốc. Để tổng hợp v giới thiệu có
hệ thống ở trình độ cao, các công trình v kết quả nghiên cứu tới
bạn đọc trong n'ớc v quốc tế, Viện Khoa học v Công nghệ Việt
Nam quyết định xuất bản bộ sách chuyên khảo. Bộ sách tập trung
vo ba lĩnh vực sau:
Nghiên cứu cơ bản;
Phát triển v ứng dụng công nghệ cao;
Ti nguyên thiên nhiên v môi tr'ờng Việt Nam.
Tác giả của các chuyên khảo l những nh khoa học đầu ngnh
của Viện hoặc các cộng tác viên đC từng hợp tác nghiên cứu.
Viện Khoa học v Công nghệ Việt Nam xin trân trọng giới thiệu
tới các quý độc giả bộ sách ny v hy vọng bộ sách chuyên khảo sẽ
l ti liệu tham khảo bổ ích, có giá trị phục vụ cho công tác nghiên
cứu khoa học, ứng dụng công nghệ, đo tạo đại học v sau đại học.
Hội đồng Biên tập
Li nói u
Chuyn ng nhit là mt trong các thuc tính vn có và c bn
ca các ht vi mô c u to nên th" gi#i v$t ch t. Thuc tính này
không nh(ng tr)c ti"p quy"t ,nh tính ch t nhit mà còn liên quan
ch.t ch/ t#i h0u h"t các tính ch t khác ca v$t ch t. Chính vì v$y,
ng lc hc (dynamics), môn khoa h5c nghiên c6u v$t ch t xu t
phát t8 các quan sát th)c t" m5i hin t:;ng trong t) nhiên, không
th tách r<i kh=i các thuc tính nhit (thermal) ca i t:;ng, mà
g>n bó kh?ng khít v#i nhau tr@ thành nhit ng lc hc
(thermodynamics), mt ngành khoa h5c :;c xem là tBng quát
nh t nghiên c6u th" gi#i v$t ch t.
Nghiên c6u tính ch t nhit ca v$t ch t nói chung, ca v$t liu
nói riêng, :;c xem là nh(ng nghiên c6u c bn ca nhit ng
l)c h5c. Công cD chính nghiên c6u tính ch t nhit ca v$t ch t
chính là phân tích nhit. Các kE thu$t khác nhau ca phân tích
nhit không nh(ng có kh n?ng cung c p thông tin vG tính ch t
nhit và hành vi nhit ca v$t liu trong các quá trình công ngh
mà còn có th cung c p thông tin vG r t nhiGu tính ch t hoá lý khác
ca v$t liu và các quá trình liên quan.
Hin ti ch:a có mt tài liu ti"ng Vit nào, k c sách tham
kho, sách giáo khoa và sách chuyên kho, vi"t chuyên vG phân
tích nhit, trong khi nhu c0u tìm hiu vG nó ngày càng nhiGu, v#i
nh(ng m6c và trình khác nhau, t8 c s@, nguyên lý t#i khai
thác, 6ng dDng. Do v$y, ngoài mDc ích chính ca chuyên kho
này là trình bày các k"t qu 6ng dDng phân tích nhit trong nghiên
c6u v$t liu, ni dung, b cDc cMng nh: cách trình bày ca chuyên
kho còn Nng th<i h:#ng t#i mDc ích tr@ thành giáo trình, sách
tham kho cho các i t:;ng nghiên c6u, ging dy trong các lOnh
v)c khác nhau ca khoa h5c và công ngh v$t liu, có liên quan
nhiGu t#i phân tích nhit, nh: hoá lý, hoá v$t liu, hoá d:;c, hoá
d0u, hoá sinh, hoá công nghip, hoá thB nh:Png, ,a hoá, v.v
Ni dung ca chuyên kho :;c chia làm 3 ch:ng:
Ch:ng I: C s nhit ng lc hc, gi#i thiu mt cách
i c:ng các khái nim c bn ca nhit ng l)c h5c, gi#i
hn @ các ni dung tr)c ti"p liên quan t#i phân tích nhit và
các 6ng dDng ca nó trong nghiên c6u v$t liu.
Ch:ng II: C s Phân tích nhit, trình bày các khái nim
.c thù và c bn ca phân tích nhit, bao gNm nguyên lý,
c u to thi"t b,, gin N nhit và ,nh h:#ng 6ng dDng ca
phân tích nhit nói chung trong ó tr5ng tâm là các kE thu$t
phân tích nhit thông dDng.
Ch:ng III: Các ng dng phân tích nhit trong nghiên
cu vt liu, là ni dung chính ca chuyên kho. Các k"t
qu :;c gi#i thiu t:ng i phong phú c vG cách th6c
khai thác, 6ng dDng phân tích nhit, cMng nh: vG i t:;ng
v$t liu, :;c l)a ch5n, h thng và tóm t>t t8 các công
trình ca tác gi và Nng tác gi ã công b trong th<i gian
1995 2005, d:#i dng các bài toán c l$p vG 6ng dDng
phân tích nhit trong nghiên c6u v$t liu.
Tác gi chân thành cám n các Nng nghip ti Vin Khoa h5c
và Công ngh Vit Nam vG s) h;p tác và cho phép s^ dDng trong
chuyên kho này mt ph0n các ni dung ã công b chung. Tác gi
.c bit cám n giáo s: Nguy_n H(u Phú và giáo s: Nguy_n Xuân
Phúc vG nh(ng góp ý t$n tình và sâu s>c sau khi 5c bn tho. Tác
gi cMng cám n kE thu$t viên qun lý và v$n hành h thi"t b, phân
tích nhit Shimadzu TA50, Vin Hoá h5c, vG các d( liu minh
ho
.
Dù h"t s6c c g>ng, nh:ng cun sách không th không còn s
su t. Tác gi hoan nghênh m5i góp ý cun sách :;c hoàn thin
hn.
Hà Ni, tháng 11/2007.
Tác gi
Phn ln gin nhit s dng trong chuyên kho này $%c
trích in l&i t' phn m(m Shimadzu TA50-WSI vi 3n v4, chú
thích, … nguyên bn b9ng ti:ng Anh.
Chng I
I C NG NHIT NG LC HC CHO PHÂN
TÍCH NHIT
Nhit ng lc hc là ngành khoa hc nghiên cu các quá trình
bin i vt cht theo quan i!m n#ng l$%ng, da trên mt s) *nh
lut c+ b,n c-a t nhiên, gi là các *nh lut nhit ng lc hc.
Các *nh lut có tính tng quát cao này mô t, m) i quan h có tính
quy lut gi4a các 5i l$%ng vt lý 7c tr$ng cho các tính cht c+
b,n c-a vt cht, trong ó quan trng nht là các tính cht nhit, có
ngu8n g)c là chuy!n ng nhit c-a các phân t;, nguyên t;, và
$%c nghiên cu ch- yu b<ng các k= thut khác nhau c-a ph$+ng
pháp phân tích nhit.
Phân tích nhit $%c xem là mt công c@ thc nghim quan trng,
Au tay trong nghiên cu nhit ng lc hc. Ng$%c l5i, toàn b c+ sB
lý thuyt cCng nh$ nguyên lý ng d@ng c-a phân tích nhit D u $%c
xây dng da trên các quy lut c+ b,n c-a nhit ng lc hc. Vì vy,
trong ch$+ng Au tiên c-a chuyên kh,o này vD phân tích nhit và các
ng d@ng c-a phân tích nhit trong khoa hc vt liu, mt s) khái
nim c+ b,n c-a nhit ng lc hc sF $%c h th)ng và giGi thiu
mt cách khái l$%c.
M7c dù phân tích nhit, k! c, lý thuyt và thc nghim, cCng nh$
các )i t$%ng vt liu, các quá trình công ngh vGi vt liu Du liên
quan ch7t chF tGi nhiDu khái nim c-a nhit ng lc hc, nh$ng
nhit ng lc hc là mt ngành khoa hc rt bao quát và rng lGn,
$%c giGi thiu B nh4ng mc khác nhau trong rt nhiDu giáo trình,
do vy trong khuôn kh giGi h5n c-a chuyên kh,o này chJ có th! D
cp và nhn m5nh tGi các khái nim rt c+ b,n c-a nhit ng lc
hc, có liên quan trc tip hay gián tip tGi phân tích nhit.
Nh4ng kin thc nhit ng lc hc $%c trình bày trong ch$+ng
này $%c chn la và diKn gi,i trong m)i quan h ch7t chF vGi phân
Nguyn Tin Tài
2
tích nhit, ,m b,o tính th)ng nht và h th)ng vGi 2 ch$+ng sau c-a
chuyên kh,o, 8ng thMi là c+ sB ! ng$Mi c có th! hi!u sâu nguyên
lý phân tích nhit, ý nghNa c-a các d4 liu thc nghim phân tích
nhit và cách ng d@ng h4u hiu các công c@ phân tích nhit trong
nghiên cu vt liu.
I. 1. M u v" nhi$t & ng l(c h*c cho phân tích nhi$t
Khái nim nhit ng lc hc (Thermodynamics) $ %c William
Thomson dùng lAn Au tiên vào n#m 1849 khi nghiên cu các quá
trình xXy ra trong ng c+ h+i n$Gc, nh$ng nDn móng c-a nhit ng
lc hc ã $%c D cp sGm h+n, ngay tZ n#m 1823, khi Sadi Carnot
lAn Au tiên tìm cách xác *nh quan h chuy!n i nhit l$%ng thành
công c+ hc. Ngành khoa hc mGi này ã $%c hình thành tZ gi4a th
k] 19 nh$ là mt tt yu ! gi,i quyt các b t^c k= thut liên quan tGi
quá trình chuy!n i gi4a nhit l$%ng và công c+ hc. Thành công
rc r_ kh`ng *nh vai trò quan trng và tng quát c-a nhit ng lc
hc g^n liDn vGi phát minh máy h+i n$Gc, mB $Mng cho cuc cách
m5ng công nghip cu)i th k] 19, làm thay i h`n bc tranh t ng th!
c-a s phát tri!n xã hi $ + ng 5i.
Tên gi nhit ng lc hc Thermodynamics, có ngu8n g)c tZ
ting Hy L5p: Thermos = nhit (heat), Dynamis = lc, sc m5nh
(power). Nó ph,n ánh b,n cht và )i t$%ng chính c-a ngành khoa
hc này là nghiên cu ngu8n g)c c-a các quá trình nhit. Nói mt
cách tng quát h+n, nhit ng lc hc là môn khoa hc nghiên cu
các quá trình bin i c-a th giGi vt cht xét theo b,n cht n#ng
l$%ng, hay nói theo cách ng$%c l5i là nghiên cu các quá trình bin
i n#ng l$%ng g^n liDn vGi các bin i vt cht.
N#ng l$%ng c-a mii vt th! bao g8m 3 phAn: ng n#ng (liên quan
tGi chuy!n ng c-a vt th!, ví d@ chic xe chuy!n ng 60km/h có
ng n#ng lGn h+n khi nó ch5y vGi 40km/h), th n#ng (liên quan tGi
v* trí c-a vt th! trong tr$M ng nào ó, th$Mng là trng tr$Mng trái t,
ví d@ hòn á B Jnh núi cao có th n#ng lGn h+n th n#ng c-a chính
hòn á ó khi B chân núi) và d5ng th 3 là ni n#ng (liên quan tGi
nhit, ví d@ c)c n$Gc nóng có ni n#ng lG n h+ n c)c n$Gc l5nh).
niDu kin c-a các bài toán nhit ng lc hc th$Mng $%c thoa
mãn ! có th! bo qua ng n#ng và th n#ng. Do ó, ni n#ng là )i
t$%ng chính c-a nhit ng lc h c. VD b,n cht, ni n#ng cCng chính
C
h ng I. i cng nhit ng lc hc cho phân tích nhit
3
là ng n#ng, nh$ng là ng n#ng xét theo góc vi mô, ng n#ng
c-a các phân t;, nguyên t; cu t5o nên vt th!, khác vGi ng n#ng
c-a chính vt th! xét mt cách vN mô nh$ tr$Mng h%p ng n#ng c-a
chic xe nêu B ví d@ trên.
Chuy!n ng c-a các phân t;, nguyên t; cu t5o nên vt th! diKn
ra không ngZng và $%c gi là chuy!n ng nhit. Không mt quá
trình vt cht nào diKn ra trong vC tr@ mà trong ó không có chuy!n
ng nhit. B,n thân s t8n t5i c-a vt th! cCng là tng hoà c-a các
quá trình cân b<ng vi mô ho7c vN mô và không th! tách rMi chuy!n
ng nhit.
Trong phAn lGn tài liu ting Vit, chúng ta vqn th$Mng gi t^t
nhit ng lc hc là nhit ng hc và các tính tZ liên quan nh$
thông s) nhit ng lc hc, hàm nhit ng lc hc, cCng $%c gi
t^t là thông s) nhit ng, hàm nhit ng. Nói chung, cách gi t^t
nh<m 5 t tin l%i trong s; d@ng này không gây nên s nhAm lqn nào,
trB thành thói quen và ã $%c chp nhn. Nh$ng trong mt s) lNnh
vc nht *nh c-a khoa hc t nhiên, trong ó có phân tích nhit, bên
c5nh khái nim nhit ng lc hc (thermal dynamics,
thermodynamics), còn t8n t5i khái nim nhit ng hc (thermal
kinetics, thermokinetics), là mt khái nim có liên quan ch7t chF
nh$ng hoàn toàn khác vGi nhit ng lc hc, do vy không th! dùng
chung mt tZ ! chJ 2 khái nim khác nhau. Dù vy, ! +n gi,n và
tin l%i, trong chuyên kh,o này vqn s; d@ng theo truyDn th)ng cách
gi t^t nhit ng lc hc là nhit ng hc, còn khái nim ng hc
xét trong m)i liên quan tGi tính cht nhit (thermal kinetics,
thermokinetics) t5m d*ch là ng hc nhit.
K! tZ khi ra Mi, nhit ng hc ã không ngZng phát tri!n, tZ
nhit ng hc c i!n trong giai o5n Au, tip sau là nhit ng hc
th)ng kê và n;a cu)i th k] 20 là s ra Mi c-a nhit ng hc các
quá trình không cân b<ng.
Trong giai o5n Au, nhit ng hc ch- yu nghiên cu các quy
lut chuy!n i c+ nhit, da trên các *nh lut có tính khái quát
cao c-a nhit ng hc, áp d@ng cho vt th! vN mô g8m l$%ng lGn các
phAn t; vi mô mà không tính n hành vi c-a mii phAn t; vi mô
thành phAn. Ngày nay, ng$Mi ta xem cách tip cn nh$ vy là c i!n
và t$+ng ng vGi nó là lNnh v c nhit ng hc c i!n.
N#m 1871, Clausius và Maxwell ã kt h%p nhit ng hc c
i!n vGi vt lý th)ng kê ! xây dng nên mt nhánh mGi c-a nhit
Nguyn Tin Tài
4
ng hc, có tên nhit ng hc th)ng kê (Statistical
Thermodynamics). Da vào các quy lut th)ng kê, nhit ng hc
th)ng kê phân tích các quá trình x,y ra vGi tZng phân t;, nguyên t;
riêng bit ! tìm ra các quy lut chung cho c, tp h%p phân t;, nh<m
gi,i thích tính cht c-a c, h. So vGi nhit ng hc c i!n, nhit
ng hc th)ng kê cho phép nhn $%c nh4ng hi!u bit sâu s^c h+n
vD b,n cht vt lý c-a các quá trình nhit ng cCng nh$ b,n cht c-a
chính các 5i l$%ng nhit ng h c.
Các quy lut c-a nhit ng hc c i!n cCng nh$ nhit ng hc
th)ng kê chJ áp d@ng cho các h và các quá trình thoa mãn iDu kin
cân b<ng, bao g8m cân b<ng nhit, cân b<ng c+ hc và cân b<ng hóa
hc, vì vy còn $%c gi chung là nhit ng hc các quá trình cân
b<ng hay +n gi,n là nhit ng hc cân b<ng. Trên thc t, iDu kin
cân b<ng nhit ng không ph,i lúc nào cCng $ %c thoa mãn. Ngay
c, khi cân b<ng ã $%c xác lp thì do nh4ng nguyên nhân nào ó
cân b<ng cCng rt dK b* phá v_, h chuy!n sang tr5ng thái không cân
b<ng, ! sau ó tin tGi xác lp mt tr5ng thái cân b<ng mGi. “nng
yên là t5m thMi, chuy!n ng là vNnh viKn” chính là qui lut bin
chng c-a s t8n t5i và phát tri!n c-a th giGi vt cht. Nh$ng trong
nhit ng hc cân b<ng, ng$Mi ta hoàn toàn không quan tâm tGi s
mt cân b<ng, tc là không quan tâm tGi khía c5nh ng hc c-a các
quá trình.
n! gi,i quyt bài toán không cân b<ng nêu trên, mt ngành khoa
hc mGi Nhit ng hc các quá trình không cân b<ng, hay gi v^n
t^t là nhit ng hc không cân b<ng ã $%c hình thành vào n;a
sau c-a th k] 20.
VD nguyên t^c, có th! thc hin nh4ng x; lý nht *nh, +n gi,n
ho7c phc t5p, ! chuy!n i các 5i l$%ng, các quy t^c c-a nhit
ng hc cân b<ng sang nhit ng hc không cân b<ng. Hai gi,i
pháp thích h%p th$Mng $%c áp d@ng cho m@c ích trên: Mt là chia
nho h thành các h con, hai là $a thêm các thành phAn ph@ thuc
thMi gian vào trong các bi!u thc nhit ng hc cân b<ng.
Gi,i pháp chia h thành các h con $%c thc hin sao cho iDu
kin cân b<ng $%c thoa mãn vGi mii h con thành phAn. Khi ó, tính
cht c-a h nhit ng không cân b<ng sF là tng tính cht c-a các h
con cân b<ng. Gi,i pháp này có th! áp d@ng cho c, các h gAn cân
b<ng cCng nh$ các h xa cân b<ng.
C
h ng I. i cng nhit ng lc hc cho phân tích nhit
5
Gi,i pháp b sung bin s) thMi gian sF dqn n các bài toán ng
hc nhit. Ng$Mi ta th$Mng chia phAn ph@ thuc thMi gian làm 2 thành
phAn, ng vGi 2 quá trình là quá trình chuy!n d*ch (transportation) và
quá trình h8i ph@c (relaxation). Các quá trình này $%c áp d@ng !
tính toán các thông s) nhit ng hc c-a h, nh$ nhit , áp sut,
thành phAn.
Thông s) nhit ng hc c+ b,n trong các mô hình và tính toán
không cân b<ng là entropy S, hay chính xác h+n là vi phân theo thMi
gian c-a entropy (dS/dt). Trong nhit ng hc, entropy bi!u th* mc
mt trt t c-a h theo thMi gian ho7c không gian. Trong phân tích
nhit, ng$Mi ta th$Mng chia 5i l$%ng này thành 2 phAn:
dt
Sd
dt
Sd
dt
dS
ie
+=
(1.1)
Trong ó, s) h5ng th nht mô t, quá trình trao i nhit, s) h5ng
th hai mô t, quá trình trao i cht. ChJ s) d$Gi e là ! diKn t, quá
trình trao i nhit th$Mng x,y ra gi4a h và bên ngoài (external),
trong khi chJ s) d$Gi i diKn t, các quá trình trao i cht, th$Mng là
gi4a các thành phAn thuc b,n thân h (internal). K= thut phân tích
thay i kh)i l$%ng theo nhit (TGA) sF D cp chi tit trong m@c
II.6 chính là công c@ ! ánh giá s) h5ng th hai, liên quan tGi trao
i cht, còn s) h5ng th nht có th! $%c vit l5i thành:
dt
T
dQ
dt
Sd
e
.
=
(1.2)
Trong ó, Q là nhit l$%ng, T là nhit .
Phân tích nhit l$%ng vi sai quét (DSC), sF D cp trong m@c II.5,
là mt trong các k= thut c-a phân tích nhit, thích h%p ! kh,o sát s)
h5ng liên quan tGi quá trình trao i nhit l$%ng này.
PhAn lGn thc nghim phân tích nhit $%c tin hành trong iDu
kin không cân b<ng ho7c gAn cân b<ng. May m^n là trong nhiDu bài
toán phân tích nhit, các quá trình diKn ra rt chm, hay - chm, nên
vqn có th! áp d@ng mt cách gAn úng nh$ vGi h cân b<ng, vGi
nh4ng hiu chJnh nho. M7c dù nhit ng hc không cân b<ng, hay
còn gi là nhit ng hc bt thun ngh*ch, óng vai trò quan trng
trong phân tích nhit, k! c, vD lý thuyt cCng nh$ thc nghim,
Nguyn Tin Tài
6
nh$ng lý thuyt Ay - c-a nó t$+ng )i phc t5p, nên không n<m
trong ph5m vi chuyên kh,o này.
Bên c5nh cách chia nhit ng hc thành nhit ng hc c i!n,
nhit ng hc th)ng kê, nhit ng hc cân b<ng và nhit ng hc
không cân b<ng nh$ nêu trên, ng$Mi ta còn chia nhit ng hc thành
nhit ng hc 5i c$+ng, nhit ng hc k= thut và nhit ng hc
hóa hc.
Vì các *nh lut c-a nhit ng hc có tính tng quát rt cao, ng
d@ng $%c cho nhiDu lNnh vc, 8ng thMi, khoa hc và kin thc c-a
con ng$Mi vD th giGi vt cht ngày càng rng h+n, sâu s^c h+n, nên
nhit ng hc cCng ngày càng $%c mB rng và ng d@ng có hiu
qu,, không nh4ng cho các ngành khoa hc thc nghim và khoa hc
ng d@ng mà cho c, nhiDu lNnh vc khoa hc khác. Rt nhiDu ngành
khoa hc mGi da trên nhit ng hc ã ra Mi, nh$ nhit ng hc
sinh hc (Biological Thermodynamics), nhit ng hc khí quy!n
(Atmospheric Thermodynamics), nhit ng hc h) en (Black Hole
Thermodynamics), nhit ng hc môi tr$Mng (Environmental
Thermodynamics), v.v…
I.2. M&t s1 khái ni$m và 6 i l7ng c b9n c: a nhi$t &ng h*c
I.2.1. H nhit ng hc
n)i t$%ng c-a nhit ng hc là các vt th! vN mô, gi là h nhit
ng hc, hay gi v^n t^t là h, bao g8m mt l$%ng - lGn các thành
phAn vi mô nh$ phân t;, nguyên t;. Mt h nhit ng hc có th! là
h 8ng th! hay h d* th!, h 8ng nht hay h không 8ng nht, h
óng, h mB hay h cô lp.
H 8ng th! là h mà các tính cht c-a nó ho7c là không i trong
toàn h, ho7c là thay i Du liên t@c gi4a các phAn c-a h, hoàn toàn
không có nh4ng m7t phân cách bên trong h. Nu bên trong h t8n t5i
nh4ng m7t phân cách thì h là d* th!. N$G c B th! long ho7c n$Gc á
cha trong bình là ví d@ c-a h 8ng th!, trong khi n$Gc long và n$Gc
á cha trong cùng mt bình l5i là ví d@ vD h d* th!.
H 8ng nht là h có các tính cht nh$ nhau trong toàn h. Nu
không thoa mãn iDu kin trên thì h là không 8ng nht. niDu kin
! h tht s là 8ng nht rt khó $%c thoa mãn tính theo tt c, các
tính cht 7c tr$ng cho h, ngay c, vGi các h có kích th$Gc nho. Do
C
h ng I. i cng nhit ng lc hc cho phân tích nhit
7
ó, th$M ng ng$Mi ta giGi h5n xem h là 8ng nht xét theo mt ho7c
mt vài tính cht xác *nh nào ó mà ng$Mi ta quan tâm, ví d@ 8ng
nht vD thành phAn, vD màu s^c hay nhit mà không tính n mc
8ng nht c-a các thông s) khác.
H 8ng nht ch^c ch^n là h 8ng th!, nh$ng h 8ng th! không
ch^c ch^n là h 8ng nht. Ví d@ c)c n$Gc mu)i là h 8ng th!, trong
c)c n$Gc mu)i không t8n t5i các m7t phân cách, nh$ng n8ng mu)i
hay nhit n$Gc mu)i có th! khác nhau gi4a phAn trên và phAn d$Gi
c)c, do ó h là không 8ng nht.
Xét theo kh, n#ng trao i vt cht và n#ng l$%ng gi4a h và môi
tr$Mng, ng$Mi ta phân bit ra h mB, h óng và h cô lp. H mB là
h có th! trao i c, vt cht và n#ng l$%ng vGi môi tr$Mng, ví d@ nh$
c)c n$Gc ! trên m7t bàn có th! trao i c, nhit cCng nh$ n$Gc vGi
khí quy!n (Hình 1.1.a). VGi h óng, n#ng l$%ng có th! $%c trao i
gi4a h và môi tr$Mng, nh$ng không có trao i vt cht, ví d@ nh$ l
kín ng hóa cht có th! trao i nhit qua thành l nh$ng không trao
i vt cht vGi môi tr$Mng (Hình 1.1.b). H cô lp là h hoàn toàn
cách ly vGi môi tr$Mng, c, vD n#ng l$%ng và vt cht. N$Gc ng
trong phích kín, b,o ôn t)t b<ng chân không, có th! xem gAn úng là
h cô lp (Hình 1.1.c).
Hình 1.1: Minh ha khái nim h m' (a), h óng (b) và h cô l/p (c).
Nguyn Tin Tài
8
Trong phân tích nhit, nguMi ta không nh4ng quan tâm n iDu
kin h có là 8ng nht hay không, mà còn 7c bit quan tâm n
iDu kin h là óng, mB hay cô lp. niDu kin lý t$Bng cho phân tích
nhit là h cô lp, nh$ng nó chJ có ý nghNa lý thuyt hay mô hình vì
thc t khó 5t $%c h cô lp tht s. Trên thc t, các phép o phân
tích nhit Du $%c thc hin ho7c là trên h mB, ho7c là h óng
ho7c gAn óng.
I.2.2.Trng thái, quá trình và thông s nhit ng hc
Tr5ng thái t8n t5i c-a mt h $%c xác *nh bBi tp h%p các tính cht
vN mô c-a h. Nu các tính cht vN mô c-a h không thay i theo thMi
gian, ta có tr5ng thái cân b<ng nhit ng. Tr$Mng h%p riêng c-a cân
b<ng nhit ng là khi trong h vqn t8n t5i các thông l$%ng (chuy!n
d*ch), nh$ng là các thông l$%ng dZng, không i theo thMi gian, ó là
tr5ng thái dZng hay còn gi là cân b<ng ng. nây chính là tr5ng thái
ph bin trong th c nghim phân tích nhit.
Khi mt ho7c nhiDu tính cht c-a h, hay nói cách khác là khi iDu
kin t8n t5i tr5ng thái c-a h thay i, h sF chuy!n sang tr5ng thái
mGi. S thay i c-a h tZ mt tr5ng thái này sang tr5ng thái khác, có
th! qua mt ho7c nhiDu tr5ng thái trung gian, gi là quá trình nhit
ng hc.
Nu tr5ng thái Au và cu)i c-a quá trình là nh$ nhau, quá trình là
khép kín hay còn gi là chu trình. Ng$%c l5i, quá trình là mB nu
tr5ng thái Au và cu)i khác nhau.
Mt iDu thú v* là hai khái nim quá trình (bin i, diKn tin) và
cân b<ng (n *nh, không i) có ý nghNa ng$%c nhau l5i th)ng nht
nhau trong khái nim quá trình cân b<ng c-a nhit ng hc. Mt quá
trình $%c xem là cân b<ng nu trong diKn tin, su)t tZ Au n cu)i,
h luôn luôn chJ lch không áng k! khoi tr5ng thái cân b<ng.
Nu quá trình diKn ra theo mt chiDu (chiDu thun), r8i sau ó theo
chiDu ng$%c l5i (chiDu ng$%c), tr,i qua cCng chính nh4ng tr5ng thái
trung gian nh$ khi theo chiDu thun, nh$ng vGi trình t ng$%c l5i, mà
không ! l5i bt k} s thay i nào cho môi tr$Mng, thì $%c gi là
quá trình thun ngh*ch. Ng$Mi ta cCng dK dàng chng minh $%c r<ng
mi quá trình thun ngh*ch Du là các quá trình cân b<ng.
Trong nhit ng hc, nht là trong phân tích nhit, ng$Mi ta còn
quan tâm tGi mt s) quá trình 7c bit khác, ó là các quá trình `ng
C
h ng I. i cng nhit ng lc hc cho phân tích nhit
9
áp, `ng nhit và o5n nhit. Quá trình `ng áp là quá trình x,y ra khi
áp sut c-a h không thay i (p=const). T$+ng t, quá trình x,y ra
khi nhit không i $%c gi là quá trình `ng nhit (T=const),
còn quá trình o5n nhit là quá trình diKn ra khi không có trao i
nhit c-a h vGi môi tr$Mng. Trên thc t, nht là vGi thc nghim
phân tích nhit, cCng gi)ng nh$ tr$Mng h%p iDu kin ! h là cô lp,
th$Mng chúng ta chJ có th! 5t n iDu kin gAn o5n nhit, gAn `ng
nhit hay gAn `ng áp ch không th! 5t n các iDu kin tuyt )i.
Ví d@, quá trình diKn ra trong iDu kin gAn o5n nhit tc là khi s
trao i nhit rt nho ho7c quá trình xXy ra rt nhanh.
Mii tr5ng thái hay quá trình $%c xác *nh b<ng mt tp h%p các
tính cht. Thông th$Mng, mii tính cht $%c 7c tr$ng bBi 1 5i
l$%ng vt lý nht *nh. Trong nhit ng hc, các 5i l$%ng vt lý xác
*nh tr5ng thái hay quá trình c-a h $%c gi là các thông s) nhit
ng hc.
Các thông s) nhit ng hc xác *nh tr5ng thái c-a h gi là
thông s) tr5ng thái hay hàm tr5ng thái, giá tr* c-a chúng không ph@
thuc diKn tin c-a quá trình mà chJ ph@ thuc i!m khBi Au và kt
thúc quá trình, nh$ th! tích (V), nhit (T), áp sut (p).
Các thông s) mà giá tr* c-a chúng không nh4ng ph@ thuc tr5ng
thái Au và cu)i c-a quá trình mà còn ph@ thuc diKn tin c-a quá
trình, nh$ nhit l$% ng Q hay công c+ hc A, gi là các thông s) quá
trình. Chúng không ph,i là các thông s) tr5ng thái.
Các thông s) nhit ng hc còn $%c phân chia thành thông s)
cng tính và thông s) không cng tính
. Thông s) cng tính là thông
s) mà giá tr* c-a nó thay i khi lGn c-a h thay i, nói cách khác
là giá tr* c-a chúng t] l vGi kh)i l$%ng.Ví d@, mt h, $%c t5o thành
tZ 2 h con có th! tích V b<ng nhau, sF có th! tích là V+V=2V ch
không ph,i là V. Nh$ vy th! tích V là thông s) cng tính.
Thông s) không có cng tính là các thông s) không ph@ thuc
kích th$Gc h, không t] l vGi kh)i l$%ng h. Ví d@, mt h, $%c t5o
Tính t ting Anh tng ng là intensive và extensive. Trong
các tài li%u ting Vi%t có nhi)u cách g*i khác nhau +,i v-i
thông s, nhi%t +/ng h*c, nh thông s, n/i và thông s, ngo1i
hay thông s, c2ng tính và thông s, qu4ng tính, thông s,
c2ng +/ và thông s, dung +/.
Nguyn Tin Tài
10
thành tZ 2 h con cùng có nhit T, sF có nhit chung cCng là T
ch không ph,i là T+T=2T. Nhit là thông s) không có cng tính.
Trên b,ng 1.1 nêu ra các thông s) nhit ng hc c+ b,n nht cùng
vGi mt s) 7c tr$ng quan trng c-a các thông s) này. Các 7c tr$ng
quan trng nht $%c lit kê trong b,ng g8m ký hiu, phân lo5i thông
s) (có cng tính hay không, là thông s) tr5ng thái hay thông s) quá
trình), +n v* SI và kh, n#ng xác *nh chúng b<ng các công c@ phân
tích nhit (trc tip hay gián tip). Thông tin trên b,ng cho thy vai
trò quan trng c-a phân tích nhit trong nghiên cu nhit ng hc. 5
trong s) 8 thông s) lit kê trong b,ng có th! xác *nh trc tip b<ng
các k= thut khác nhau c-a phân tích nhit.
B1ng 1.1: Danh sách các bin trng thái quan trng
liên quan t7i phân tích nhit.
Tên Ký
hiu
Thông s: n v; Xác ;nh b=ng
phân tích nhit
N>ng l?ng U Cng tính, trng
thái
J Trc tip
Nhit T Không cng
tính, trng thái
K Trc tip
ThC tích V Cng tính, trng
thái
m
3
Trc tip
Áp suGt P Không cng
tính, trng thái
Pa Gián tip
S: mole N Cng tính, trng
thái
mol Gián tip
Kh:i l?ng M Cng tính, trng
thái
Kg Trc tip
Nhit l?ng Q Cng tính, quá
trình
J Trc tip
Công W Cng tính, quá
trình
J Gián tip
Trong s) các thông s) có th! xác *nh trc tip b<ng phân tích
nhit, nhit l$%ng và nhit là 2 thông s) quan trng nht )i vGi c,
phân tích nhit cCng nh$ nhit ng hc và sF $%c phân tích k=
trong phAn d$Gi ây.
C
h ng I. i cng nhit ng lc hc cho phân tích nhit
11
I.2.3. Nhit l!"ng
nAu tiên cAn phân bit nhit l$%ng và nhit , là hai khái nim rt
dK lqn ln. S nhAm lqn 2 khái nim này không chJ thuc vD l*ch
s;, khi con ng$Mi ch$a hi!u rõ b,n cht nhit và nhit l$%ng,
mà còn t8n t5i ngay c, n ngày nay. Ch`ng h5n, m7c dù trong
ting Anh, nhit l$%ng (heat) và nhit (temperature) là hai tZ
hoàn toàn khác nhau, nh$ng trong tZ i!n Webster, mt trong s)
các tZ i!n rt thông d@ng và có uy tín )i vGi các n$Gc nói ting
Anh, nhit l$%ng vqn $%c *nh nghNa là mc nóng, ! chJ mc
nóng l5nh c-a phòng B, khí hu hay thMi tit, m7c dù úng ra thì
mc nóng ph,i hi!u là nhit
.
Trong ting Vit, s nhAm lqn nh$ trên hAu nh$ không x,y ra,
m7c dù b,n thân hai tZ nhit l$%ng và nhit có phAn chung nhau
là “nhit”. Nh$ng trên thc t, chúng ta vqn th$Mng nói: o nhit,
nhit k, thang o nhit, h5 nhit, …. m7c dù úng ra ph,i là: o
nhit , nhit k, thang o nhit , h5 nhit . CCng có th!
hi!u ây là mt cách nói t^t.
n! phân bit b,n cht nhit l$%ng và nhit , chúng ta quan sát
2 thí nghim rt +n gi,n sau:
Thí nghim 1: Dùng 2 èn c8n gi)ng nhau, mt ! )t nóng mt
8ng xu kim lo5i và mt ! un sôi mt bình n$Gc. Sau mt kho,ng
thMi gian nht *nh, 8 ng xu trB nên nóng o còn bình n$Gc nóng lên
ho7c sôi. Rõ ràng, 8ng xu nóng o có nhit (temperature) cao h+n
nhiDu so vGi bình n$Gc, nh$ng ng$%c l5i, bình n$Gc l5i có th! nhn và
cha nhiDu nhit l$%ng (heat) h+n 8ng xu.
Thí nghim 2: nun mt chic m bên trong cha lqn á (n$Gc
á) và n$Gc, ã cân b<ng nhit B 0
0
C. no nhit c-a n$Gc trong
m cho thy, m7c dù m n$Gc nhn nhit tZ bp nh$ng ban Au
nhit c-a n$Gc trong m l5i không t#ng. Bo qua phAn nhit làm
nóng m ban Au thì nhit tZ bp ã $%c dùng ! làm tan á
thành n$Gc, nh$ vy n$Gc có nhn nhit nh$ng nhit c-a nó
Nguyên v7n ting Anh trong Webster’s dictionary: “Heat –
much hotness; great warmth; as, the heat of this room is
unbearable; hot weather or climate; as, the heat of the tropics;
the heat of the day”.
Nguyn Tin Tài
12
không t#ng. Sau ó, khi á ã tan ht, l$%ng nhit mà n$Gc nhn tZ
bp mGi có tác d@ng làm cho nhit n$Gc trong m t#ng lên.
Hai thí nghim trên cho thy nhit l$%ng và nhit là hai khái
nim c+ b,n c-a nhit ng hc, chúng có liên quan rt ch7t chF
vGi nhau, nh$ng chúng không ph,i là mt, chúng là nh4ng thông
s) hoàn toàn khác nhau c-a các quá trình nhit, mô t, nh4ng m7t
khác nhau c-a vt cht.
Trong l*ch s;, Joseph Black (17281799) là ng$Mi Au tiên tách
b5ch nhit l$%ng và nhit , m7c dù ch$a xác *nh úng b,n cht
c-a chúng và quan h gi4a chúng vGi nhau.
Tr$Gc ht xin nói vD nhit l$%ng. Ngay tZ th k] th 6 tr$Gc
Công nguyên, Lão T;, ng$Mi sáng lp n5o giáo B Trung Hoa ã
xem v5n vt $%c cu t5o tZ 5 tiDn t) (ngC hành) là Kim (kim lo5i),
Mc (gi), Th-y (n$Gc), Ho, (l;a) và Th (t). Các trit gia Hy
L5p c 5i th k] 4 tr$Gc Công nguyên l5i xem cht nhit, cht
long, cht r^n và cht khí, tc là nhit và 3 tr5ng thái t8n t5i c+ b,n
c-a vt cht, là 4 tiDn t) cu t5o nên mi vt (Hình 1.2). Nh$ vy,
c, 2 h th)ng trit hc c 5i c-a ph$+ng nông và ph$+ng Tây
Du ghi nhn l;a/nhit nh$ là mt trong các yu t) c+ b,n cu t5o
nên vC tr@. niDu ó chng to l;a/nhit ã có quan h mt thit vGi
s phát tri!n xã hi loài ng$Mi tZ rt sGm. Dù vy, ! hi!u t$Mng
tn b,n cht c-a nhit, nhân lo5i cCng ph,i tr,i qua mt ch7ng
$Mng rt dài c-a quá trình nhn thc.
Hình 1. 2: Mô t1 vO trP theo trit hc Hy Lp cR i, gSm 4 tiUn t:: Khí (Air),
N7c (Water), Gt (Earth) và LXa (Fire).
C
h ng I. i cng nhit ng lc hc cho phân tích nhit
13
Trong các sách vB còn l$u l5i, khái nim nhit $%c nhà trit
hc Francis Bacon (15611626) nói n rt sGm, ngay tZ n#m
1620. Ông kh`ng *nh “B,n cht c-a nhit hay cht nhit chính là
chuy!n ng ch không ph,i là cái gì khác”
, nh$ng ông ch$a chJ
ra $%c nhit là chuy!n ng c-a cái gì và nó $%c chuy!n ng
t5o ra nh$ th nào. Sau Bacon là thMi k} thuyt cht long nhit do
Lavoisier (17431794) D xut. Trong cu)n sách ni ting “C+ sB
Hóa hc Element of Chemistry”, ông ã mô t, “Caloric” nh$ là
nguyên t) nhit, s†n có trong các ngu8n nhit, nh$ m7t trMi và l;a.
Chúng có kích th$Gc, nh$ng không có kh)i l$%ng và chính chúng
t5o thành cht long nhit. Vt nóng hay l5nh là do vt ó cha
nhiDu hay ít Caloric. Vt giãn nB nhit là do Caloric tZ ngu8n nhit
len vào chim chi trong lòng cht b* )t nóng, làm cho th! tích vt
t#ng nh$ng kh)i l$%ng l5i không i.
Mt trong nh4ng b t^c c-a hc thuyt cht long nhit là không
gi,i thích ni hin t$%ng nhit sinh ra do ma sát. Thí nghim th
nht c-a Count Rumford thc hin n#m 1798, un sôi 26,5 pound
n$Gc chJ b<ng mt chic khoan tay sau 2,5 giM quay nhanh, liên
t@c. Thí nghim th hai, $%c Humphrey Davy thc hin sau ó
mt n#m, khi ông mGi 19 tui, làm tan ch,y 2 c@c n$Gc á chJ
b<ng cách c sát m5nh chúng vào nhau. Trong c, 2 tr$Mng h%p
trên Du không có m7t các ngu8n cp Caloric (l; a hay m7t trMi) mà
chJ có khoan tay hay n$Gc á, Du là các vt hoàn toàn không ph,i
là ngu8n nhit.
ChJ n khi Joule (18191989) phát minh ra quy t^c bin i
t$+ng $+ng C+ Nhit thì b,n cht c-a nhit mGi $%c xem là
tht s sáng to. Trong lo5t thí nghim ni ting c-a mình (hình
1.3), Joule ã kh,o sát s chuy!n i công c+ hc (chuy!n ng
c-a )i trng m làm quay cánh khuy) sang nhit (làm nóng cht
long trong bình). Các tính toán c+ hc +n gi,n cho phép xác *nh
$%c h thc chuy!n i gi4a nhit l$%ng (cal) và công (J), gi là
$+ng l$%ng nhitcông. Nh$ vy, nhit là tr5ng thái chuy!n ng
Nguyên v7n ting Anh: “…the very essence
of heat, or the
substatial self of heat is motion and nothing else”
Novum
organum, Second book.
Nguyn Tin Tài
14
c-a vt cht ch hoàn toàn không ph,i là chính vt cht hay mt
d5ng 7c bit c-a vt cht.
Ngày nay, chúng ta Du bit r<ng nhit l$%ng là n#ng l$%ng
chuy!n gi4a h và môi tr$Mng do có s chênh lch nhit . Nhit
l$%ng, cCng nh$ công, khác vGi nhit (T), áp sut (p) và th! tích
(V), chúng không ph,i là các thông s) tr5ng thái c-a h. Chúng
không $%c tích tr4 trong h mà chJ xut hin và có ý nghNa khi
mô t, s trao i thêm bGt vào ni n#ng c-a h. CCng không th!
chia tách n#ng l$%ng c-a h thành nh4ng phAn ng vGi công và
nh4ng phAn ng vGi nhit, tc là không th! nói h có bao nhiêu
nhit l$%ng hay bao nhiêu công.
Hình 1.3: Mô t1 thí nghim cZa Joule, xác ;nh ng l?ng nhitcông.
VD m7t *nh l$%ng, ban Au, nhit l$%ng $%c ánh giá qua kh,
n#ng làm thay i nhit c-a n$Gc. Calo (vit t^t là cal, ch4 c
vit th$Mng) là l$%ng nhit cAn thit ! t#ng nhit c-a 1g n$Gc
tZ 14,5
o
C lên 15,5
o
C, còn +n v* nhit l$%ng Anh BTU hay Btu
C
h ng I. i cng nhit ng lc hc cho phân tích nhit
15
(British Thermal Units), $%c * nh nghNa là l$%ng nhit cAn !
t#ng 1Lb
n$Gc tZ 63
o
F lên 64
o
F. N#m 1948, sau khi b,n cht
nhit l$%ng ã $%c sáng to, nhit l$%ng cCng nh$ công là nh4ng
d5ng n#ng l$%ng trao i, ng$Mi ta ã th)ng nht chn +n v* o
nhit l$%ng cCng nh$ công là J, cùng +n v* vGi n#ng l$%ng. M7c
dù ã th)ng nht nh$ vy, J ã $%c dùng ngày càng rng rãi trong
các lNnh vc khoa hc, công ngh, nh$ng mt s) +n v* nhit
l$%ng cC vqn còn $%c dùng trong mt s) lNnh vc, ch`ng h5n calo
trong hóa hc, BTU trong công ngh, k= thut l5nh. n7c bit, +n
v* Cal (ch4 C vit hoa) trong dinh d$_ng và thc phXm có giá tr*
b<ng 1.000 cal (ch4 c vit th$Mng).
B1ng 1.2: ChuyCn Ri n v; o nhit l?ng gi\a J, cal , Cal và BTU.
J BTU cal Cal
1J 1 9,481.10
-4
BTU 0,238cal 239.10
-6
Cal
1BTU 1.055J 1 252cal 0,252Cal
1cal 4,186J 3,96.10
-3
BTU 1 0,001Cal
1Cal 4.186J 3,96 BTU 1.000cal 1
I.2.4.Nhit và thang o nhit :
Khái nim nhit g^n liDn vGi các d5ng thang o nhit . L*ch
s; hình thành các thang o nhit khá phong phú và thú v*. ni!m
chung c-a các thang o nhit là ph,i “ch)t” $%c 1 ho7c 2 i!m
m)c có nhit xác *nh, còn các kho,ng chia là Du nhau (chia
tuyn tính), nh$ng không gi)ng nhau )i vGi các thang o khác
nhau.
Thang o nhit xa x$a nht $%c nói n trong các sách c là
thang chia nhit sinh lý, xut phát tZ nhu cAu cuc s)ng, da
trên tr5ng thái sc khoˆ c-a chính con ng$Mi. Hình 1.4 mô t, l5i
thang chia nhit c x$a và rt *nh tính này.
Nhit c-a ng$Mi có sc khoˆ bình th$Mng (normal, luke
warm) $%c xem là g)c. L5nh (cold) và rt l5nh (icecold) th!
hin s thay i nhit theo mt chiDu, còn m (warm), nóng
Lb: +n vC +o l2ng kh,i lDng Anh M= (pound), vit tGt theo
chH g,c Latinh là Libra. ChuyJn sang h% SI: 1Lb = 453,5923g.
Nguyn Tin Tài
16
(hot) và rt nóng (redhot) là thay i nhit theo chiDu ng$%c
l5i. Lch khoi g)c theo chiDu nào cCng Du ph,n ánh tr5ng thái xu
c-a sc khoˆ (pain). Toàn b thang nhit g8m 2 vùng, vGi 6 i!m
chia rt *nh tính.
Normal
Pain
Pain
ice cold
cold
luke warm
warm
hot
red hot
Hình 1.4: Thang chia nhit cR.
Các thang o nhit tin b h+n $%c D xut tZ gi4a th k]
17. N#m 1664, Hooke công b) thang o nhit vGi i!m g)c là
i!m óng b#ng c-a n$Gc, nh$ng mt n#m sau, n#m 1665,
Huygens l5i D xut chn i!m sôi c-a n$Gc làm g)c.
Th k] 18 tip t@c ghi nhn s ra Mi c-a rt nhiDu thang chia
và nhit k t$+ng ng. N#m 1701, Newton D ngh* thang o
nhit vGi 2 i!m “ch)t” là nhit óng b#ng c-a n$Gc (0
o
) và
nhit c+ th! ng$Mi (12
o
). Vì nhit óng b#ng c-a n$Gc
th$Mng thay i do hin t$%ng quá l5nh (supercooling), nên n#m
1714, Fahrenheit D xut g)c 0
o
là nhit kt tinh c-a mu)i vô
c+, c@ th! là mu)i NH
4
Cl, còn nhit c+ th! ng$Mi $%c quy *nh
là 96
o
. VD sau, 2 m)c này $%c i b<ng 2 m)c mGi: n$Gc óng
b#ng B 32
o
, n$Gc sôi B 212
o
và ký hiu nhit là
o
F, theo ch4 cái
Au c-a tên nhà phát minh. Thang o Fahrenheit hin vqn $%c
dùng th*nh hành B các n$Gc nói ting Anh, ! o nhit n$Gc,
khí hu hay c+ th!, là nh4ng phép o rt thông d@ng trong Mi
C
h ng I. i cng nhit ng lc hc cho phân tích nhit
17
s)ng hàng ngày. Tin l%i c-a thang o này là không cAn n phAn
thp phân khi o nhit c+ th! hay thông báo thMi tit do chia
khá nho và hAu nh$ không cAn n phAn nhit âm khi mô t,
thMi tit, vì nhit óng b#ng c-a n$Gc theo thang o F là +32
o
F.
N#m 1740, Celsius D xut thang o mGi vGi 100
o
là nhit
tan c-a n$Gc á và 0
o
là nhit sôi c-a n$Gc. VD sau, cách chia
“bách phân” này $%c i ng$%c l5i, n$Gc óng b#ng B 0
o
và sôi B
100
o
. Ngày nay, a phAn các nhit k thông d@ng d5ng cht
longth-y tinh Du chia theo thang bách phân.
M7c dù thang o nhit bách phân, vGi ký hiu
o
C, và thang
o Fahrenheit, ký hiu
o
F, ã $%c chp nhn và áp d@ng rng
rãi, 7c bit trong sinh ho5t, nh$ng vqn còn nhiDu iDu bt cp,
nht là )i vGi khoa hc. nó là vn D ngo5i suy thang o cho các
phAn nhit th p và nhit cao, hin t$% ng phi tuyn cho các
vùng nhit này, vn D la chn vt liu vGi 7c tr$ng giãn nB
nhit thích h%p ! ch t5o nhit k. H+n n4a, m7c dù vD s) hc,
30 là gp ôi 15, nh$ ng chúng ta không th! nói ngày có nhit
không khí b<ng 30
o
C nóng gp ôi ngày có nhit không khí
b<ng 15
o
C.
Các vn D nêu trên $%c gi,i quyt gAn nh$ trn v‰n trong
thang o nhit do Thomson D xut vào n#m 1854, da trên lý
thuyt nhit ng hc cht khí. Thang o mGi này mang tên
Kelvin
, vGi ký hiu nhit là ch4 cái Au c-a tên ng$Mi phát
minh, không có ký hiu “” mà chJ là K.
Thang o nhit Kelvin có mt i!m “ch)t” rt 7c bit, ó là
0K. T5i nhit này, mi phân t;, nguyên t; vt cht hoàn toàn b*
“óng b#ng”, tuyt )i không chuy!n ng (xem m@c I.3.4). Chính
vì vy, thang o này còn có tên là thang o nhit tuyt )i và
i!m g)c 7c bit này $%c gi là “nhit không tuyt )i”. n
lGn c-a chia trong thang K $%c *nh nghNa b<ng 1/273,16 giá
tr* nhit c-a i!m ba (triple point) c-a n$Gc.
Nhà vSt lý h*c Anh nUi ting William Thomson +Dc phong bá
t-c n7m 1892. Ông +ã ch*n tên con sông Kelvin cZa quê
hng ông làm tên t-c cho mình: Bá t-c Kelvin (Lord
Kelvin).
Nguyn Tin Tài
18
B1ng 1.3: ChuyCn Ri n v; o nhit gi\a 3 thang Farenheit (T
F
),
Celcius (T
C
) và Kelvin (T
K
)
T
F
T
C
T
K
T
F
5
9
T
C
+32
5
9
(T
K
273,15)+32
T
C
9
5
(T
F
32)
T
K
273,16
T
K
9
5
(T
F
32)+273,16
T
C
+ 273,16
Nhit là mt trong 7 5i l$%ng c+ b,n trong h th)ng o
l$Mng, g8m kích th$Gc (m), kh)i l$%ng (kg), thMi gian (s), c$Mng
dòng in (A), nhit (K), s) mol (mol) và c$Mng phát
quang (cd). Nó có m7t trong th nguyên c-a rt nhiDu 5i l$%ng
vt lý khác. n lGn c-a nó là vô tn vD phía cao nh$ng l5i có giGi
h5n lý thuyt B phía thp là 0K. GiGi h5n nhit thc nghim
thp nht mà con ng$Mi ã 5t $%c là vào n#m 1992:
0,000.000.002K. Mt iDu thú v* là trong khi nhit có th! thay
i trong ph5m vi rt rng nh$ng ! ,m b,o t8n t5i s s)ng, nhit
trái t hay nhit c+ th! ng$Mi chJ $%c phép thay i trong
mt ph5m vi rt h‰p.
Nhit là mt 5i l$%ng c+ b,n nên thang o, +n v* o cCng
nh$ chuXn nhit ph,i $%c quy *nh th)ng nht và 5t chính
xác cao trong mi h +n v* o l$Mng. Khi thit lp thang o nhit
qu)c t, ng$Mi ta 7c bit l$u ý tGi tính tin d@ng trong s; d@ng
thc t. Do vy, thay vì i!m ch)t duy nht là i!m ba c-a n$Gc,
ng$Mi ta th)ng nht quy *nh mt danh sách các i!m ch)t, tr,i
rng theo toàn thang nhit .
Thang o nhit qu)c t IPTS68 (International Practice
Temperature Scale 1968) ã chn 11 i!m ch)t. Trên b,ng 1.4 là
các thông s) chính c-a thang o nhit qu)c t IPTS68.
C
h ng I. i cng nhit ng lc hc cho phân tích nhit
19
B1ng 1.4: Chue n nhit theo IPTS68.
TT iCm chuen nhit T (
o
C)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
iCm ba cZa Hydro
iCm sôi cZa Hydro ' 33,33 kPa
iCm sôi cZa Hydro ' 101.325 Pa
iCm sôi cZa Neon
iCm ba cZa Oxy
iCm sôi cZa Oxy
iCm ba cZa n7c
iCm sôi cZa n7c
iCm kt tinh cZa Kim ' 101.325 Pa
iCm kt tinh cZa Bc ' 101.325 Pa
iCm kt tinh cZa Vàng ' 101.325 Pa
259,34
256,108
252,87
246,048
218,789
182,962
0,01
100
419,58
961,93
1064,43
B1ng 1.5: Chue n nhit theo ITS’90
.
TT iCm chuen nhit T (
o
C)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
iCm sôi cZa Heli
iCm ba cZa Hydro
iCm sôi cZa Hydro ' 33,33 kPa
iCm sôi cZa Hydro ' 101.325 Pa
iCm ba cZa Neon
iCm ba cZa Oxy
iCm ba cZa Argon
iCm ba cZa ThZy ngân
iCm ba cZa N7 c
iCm kt tinh cZa Gali
iCm kt tinh cZa Indi ' 101.325 Pa
iCm kt tinh cZa Thic ' 101.325 Pa
iCm kt tinh cZa Kim ' 101.325 Pa
iCm kt tinh cZa Nhôm ' 101.325 Pa
iCm kt tinh cZa Bc ' 101.325 Pa
iCm kt tinh cZa Vàng ' 101.325 Pa
iCm kt tinh cZa Sng ' 101.325 Pa
270,15
259,3467
256,15
252,85
248,5939
218,7916
189,3442
38,8344
0,01
29,7646
156,5985
231,928
419,527
660,323
961,78
1064,18
1084,62
Theo Burns G.W. et al.:“ Temperature-Electromotive Force Reference
Functions and Tables for the Letter-Designated Thermocouple Types
Based on the ITS-90”.
Nguyn Tin Tài
20
Sau h+n 20 n#m t8n t5i, n#m 1989, ng$Mi ta ã 7t vn D ph,i
s;a i b sung b tiêu chuXn IPTS68 vì nó b^t Au bc l mt s)
bt cp trong ng d@ng, mt phAn khác là vì nh4ng tin b khoa
hc cho phép con ng$Mi 5t $%c nh4ng chính xác cao h+n
trong xác *nh các i!m nhit chuXn. Vì vy, k! tZ ngày
1/1/1990, IPTS68 ã $%c thay th b<ng ITS’90 (International
Temperature Scale 1990) vGi mt s) hiu chính nho làm t#ng
chính xác các i!m ch)t nhit và thêm bGt mt s) i!m ch)t nhit.
Các thông s) k= thut c- a ITS’ 90 $%c nêu trên b,ng 1.5.
I.3. Các =nh lu>t c b9n c:a nhi$t &ng h*c
Kt qu, tr,i nghim và quan sát lâu dài c-a con ng$Mi tr$Gc các
hin t$%ng và quá trình c-a t nhiên $%c úc kt d$Gi d5ng các
quy lut, trong ó có các quy lut mang tính tng quát cao, gi là
các *nh lut c+ b,n c-a nhit ng hc. Các *nh lut này $%c
xem là các tiên D, không th! tìm ra hay chng minh b<ng lý
thuyt. Tính úng ^n c-a chúng $%c xác nhn tZ thc tiKn, thông
qua các h qu, suy ra tZ các *nh lut này. Dù vy, nói mt cách
ch7t chF, các *nh lut này chJ mô t, xu h$Gng c-a h vN mô.
Trong nhiDu tr$Mng h%p, 7c bit khi qua ng$_ng l$%ng t;, các
*nh lut này có th! b* phá v_.
Nhit ng hc có 4 *nh lut c+ b,n, theo th t là *nh lut s)
không và các *nh lut I, II và III. n*nh lut I và II th$Mng $%c
xem là tng quát, ph d@ng và quan trng nht, còn *nh lut III,
thc cht là *nh lý nhit c-a Nernst, có ph5m vi ng d@ng h‰p
h+n, ch- yu cho nhit hóa hc. Riêng *nh lut s) không, liên
quan tGi cân b<ng nhit, $%c xem là chJ có ý nghNa hình thc và ít
khi $%c nói n.
n*nh lut I nhit ng hc có vai trò 7c bit quan trng )i vGi
phân tích nhit. Nguyên lý c-a nhiDu k= thut phân tích nhit c+
b,n $%c xây dng da trên *nh lut này. Các ni dung c-a phân
tích nhit có liên quan gián tip tGi *nh lut II, trong khi tt c, các
k= thut phân tích nhit Du liên quan tGi các phép o nhit , mà
*nh lut s) không là c+ sB cho các phép o này. Vì vy, thay vì
*nh lut s) không th$Mng $%c nh^c n cu)i cùng nh$ mt ni
dung b sung, thm chí không $%c nh^c n trong các giáo trình
