Bài hướng dẫn vật lý cơ bản

Bài viết về nhiệt kế và thang đo nhiệt độ

1. Nhiệt kế

Dụng cụ dùng để đo nhiệt độ là nhiệt kế. Có nhiều loại nhiệt kế, nhưng nguyên lý hoạt động thì giống nhau. Thông thường, chúng ta sử dụng các vật thể đo nhiệt, là những vật chất thay đổi theo nhiệt độ. Nếu nhiệt độ của vật thể thay đổi, hình dạng và kích thước của vật thể cũng thay đổi. Hầu hết các nhiệt kế sử dụng các vật thể có thể giãn nở hoặc co lại khi nhiệt độ thay đổi. Nhiệt kế thường dùng bao gồm các ống thủy tinh, trong đó có cồn hoặc thủy ngân ở giữa ống. Khi nhiệt độ tăng, cồn hoặc thủy ngân trong ống giãn nở làm cho chiều dài cột cồn hoặc thủy ngân tăng lên. Ngược lại, khi nhiệt độ giảm, chiều dài cột cồn hoặc thủy ngân giảm xuống. Bên ngoài ống thủy tinh có các con số là thang đo của nhiệt kế. Con số hiển thị ở đầu trên của cột cồn hoặc thủy ngân cho biết giá trị nhiệt độ của vật thể đang được đo.

Tìm hiểu thêm

Bài viết về Định luật thứ không của nhiệt động lực học

Cho đến nay, chúng ta mới chỉ quan sát được trạng thái cân bằng nhiệt giữa hai vật thể tiếp xúc với nhau.

Để hiểu rõ hơn về khái niệm cân bằng nhiệt, chúng ta hãy xem xét ba vật thể (ví dụ vật thể A, vật thể B và vật thể C). Chẳng hạn, vật thể B và vật thể C không chạm vào nhau, nhưng vật thể A tiếp xúc với vật thể B và vật thể A tiếp xúc với vật thể C. Quan sát hình ảnh bên dưới. Vì các vật thể A và B không tiếp xúc với nhau nên chúng ở trạng thái cân bằng nhiệt, do đó vật thể A và vật thể C cũng ở trạng thái cân bằng nhiệt. Vậy vật thể B và C, mặc dù không tiếp xúc với nhau, cũng ở trạng thái cân bằng nhiệt? Nếu chỉ sử dụng logic, ta có thể nói rằng vật thể B và vật thể C cũng ở trạng thái cân bằng nhiệt, ngay cả khi chúng không tiếp xúc. Vật thể A và vật thể B ở trạng thái cân bằng nhiệt, có nghĩa là nhiệt độ của vật thể A bằng nhiệt độ của vật thể B.

Tìm hiểu thêm

Bài viết về định nghĩa nhiệt độ và cân bằng nhiệt

Định nghĩa về nhiệt độ

Bạn đã bao giờ chạm vào đá chưa? Bạn cảm thấy thế nào khi tay chạm vào đá? Còn nếu thứ bạn chạm vào là lửa thì sao? Khi chạm vào đá, tay bạn sẽ cảm thấy lạnh, khi chạm vào lửa, tay bạn sẽ cảm thấy nóng. Nóng, ấm, mát, lạnh là những trạng thái nào?

Khái niệm về nhiệt độ bắt nguồn từ cảm giác nóng và lạnh mà xúc giác mang lại. Dựa trên cảm nhận đó, ta nói một vật nóng hơn vật khác hoặc một vật lạnh hơn vật khác. Vật nóng có nhiệt độ cao hơn, trong khi vật lạnh có nhiệt độ thấp hơn. Vật càng lạnh thì nhiệt độ càng thấp. Ngược lại, vật càng nóng thì nhiệt độ càng cao. Nhiệt độ là thước đo độ nóng hoặc lạnh của một vật. Trong môn lý thuyết động học chất khí, bạn sẽ hiểu sâu hơn về định nghĩa của nhiệt độ; điều gì xảy ra với các phân tử trong một vật khiến nó có cảm giác nóng, ấm, mát hoặc lạnh.

Tìm hiểu thêm

Bài viết về các trạng thái vật chất (dựa trên các tính chất vi mô)

Trong cuộc sống thường nhật, chúng ta thường bắt gặp ba trạng thái khác nhau của vật chất. Đó là chất rắn (ví dụ: đá, sắt, v.v.), chất lỏng (nước, xăng, v.v.) và chất khí (không khí, v.v.). Ba trạng thái này có thể được phân biệt dựa trên khả năng duy trì hình dạng và kích thước của chúng.

Chất rắn thường giữ nguyên hình dạng và thể tích cố định. Chất lỏng không giữ nguyên hình dạng mà tự điều chỉnh theo hình dạng của vật chứa. Ví dụ, nếu ta đổ nước vào cốc, hình dạng của nước sẽ thay đổi giống như chiếc cốc. Nếu đổ nước vào bồn tắm, hình dạng của nước cũng sẽ thay đổi giống như bồn tắm. Thể tích của chất lỏng thường không đổi. Một cốc nước nếu được đặt trong bồn tắm, lượng nước vẫn giữ nguyên trong cốc. Hình dạng của nước có thể thay đổi, nhưng thể tích thì không bao giờ thay đổi. Cần lưu ý rằng số lượng chất rắn và chất lỏng có thể thay đổi nếu tác động một lực đủ lớn.

Tìm hiểu thêm

Bài viết về lý thuyết nguyên tử và lý thuyết động năng

Thuyết nguyên tử

Từ hàng nghìn năm trước, người Hy Lạp cổ đại tin rằng mọi chất tinh khiết (như vàng, sắt, v.v.) đều được cấu tạo từ các nguyên tử. Theo họ, nếu một chất tinh khiết được cắt thành những mảnh nhỏ, rồi những mảnh nhỏ đó lại được cắt tiếp, rồi lại cắt tiếp… và cứ thế tiếp diễn, thì sẽ có những mảnh nhỏ nhất không thể cắt nhỏ hơn nữa. Những mảnh nhỏ nhất không thể cắt nhỏ hơn nữa được gọi là nguyên tử. Nguyên tử có nghĩa là “không thể chia nhỏ” (tiếng Hy Lạp).

Vào thời điểm đó, nguyên tử được cho là không thể phân chia thêm. Nhưng sau này, một số nhà khoa học đã phát hiện ra electron và hạt nhân nguyên tử (proton và neutron), do đó giả định rằng nguyên tử không thể phân chia thêm là sai. Vì vậy, nguyên tử bao gồm các electron (mang điện tích âm) và hạt nhân nguyên tử. Electron quay quanh hạt nhân. Bên trong hạt nhân có các proton (mang điện tích dương) và neutron (trung tính hoặc không mang điện tích).

Tìm hiểu thêm

Bài viết về sự thay đổi pha, nhiệt độ tới hạn, điểm ba pha.

Trong phần thảo luận về định luật khí lý tưởng, người ta đã giải thích rằng định luật khí lý tưởng chỉ mô tả chính xác hành vi của khí thực khi áp suất và mật độ của khí thực không quá lớn. Nếu áp suất và mật độ khí thực đủ lớn, định luật khí lý tưởng sẽ cho kết quả không chính xác, tương tự như khi nhiệt độ của khí thực gần đến điểm sôi. Điều này liên quan đến các tương tác xảy ra giữa các phân tử khí thực. Áp suất khí tỷ lệ nghịch với thể tích khí. Khi áp suất khí đủ lớn, thể tích khí sẽ giảm. Vì thể tích khí thấp, khoảng cách giữa các phân tử khí trở nên gần hơn. Khi khoảng cách giữa các phân tử gần hơn, các phân tử sẽ hút nhau. Giống như khi bạn đặt một miếng sắt lên nam châm. Nếu khoảng cách giữa nam châm và sắt đủ xa, nam châm không thể hút sắt. Nhưng nếu khoảng cách giữa nam châm và sắt gần hơn, sắt sẽ bị hút lại gần hơn.

Tìm hiểu thêm

Van der Waals là tên của một nhà vật lý người Hà Lan, J.D. van der Waals (1837-1923). Phương trình trạng thái Van der Waals là một phương trình trạng thái của chất khí, tương tự như phương trình trạng thái của khí lý tưởng. Sự khác biệt là, phương trình trạng thái của khí lý tưởng không thể cho kết quả chính xác nếu áp suất và mật độ của khí thực đủ lớn. Trong khi đó, phương trình trạng thái Van der Waals có thể cho kết quả chính xác hơn.

Sự tồn tại của phương trình này bắt nguồn từ Van der Waals, người đã nhận ra những hạn chế của phương trình trạng thái lý tưởng. Waals đã sửa đổi phương trình trạng thái của khí lý tưởng bằng cách thêm vào một số yếu tố cũng ảnh hưởng đến điều kiện khí thực khi áp suất và mật độ của khí thực lớn.

Tìm hiểu thêm

Quá trình bay hơi có thể được giải thích bằng lý thuyết động học. Giống như các phân tử khí, các phân tử nước cũng chuyển động. Sự khác biệt là các phân tử nước không thể bị phân tán vì lực hút giữa các phân tử vẫn giữ chúng lại với nhau. Ngược lại, lực hút giữa các phân tử khí rất yếu, do đó các phân tử khí không thể kết hợp lại. Khi chuyển động, các phân tử nước có vận tốc. Có những phân tử nước có tốc độ cao; cũng có những phân tử nước có vận tốc thấp. Sự phân bố vận tốc của các phân tử nước giống với sự phân bố Maxwell.

Hiện tượng bay hơi xảy ra khi tốc độ của các phân tử nước đủ lớn khiến lực hút giữa các phân tử nước không còn đủ sức giữ chúng lại với nhau. Tương tự như tên lửa bay vào không gian, tốc độ của tên lửa đủ lớn khiến lực hấp dẫn của Trái đất không thể giữ nó ở lại trên Trái đất. Lưu ý rằng chỉ những phân tử có vận tốc lớn mới có thể thoát khỏi lực hút giữa các phân tử. Các phân tử có tốc độ nhỏ vẫn liên kết với nhau, giống như nước.

Tìm hiểu thêm

Đun sôi là quá trình chuyển chất lỏng thành khí. Sự sôi xảy ra khi áp suất hơi bão hòa bằng áp suất không khí (áp suất không khí = áp suất khí quyển). Chúng ta chỉ thảo luận về nước sôi. Áp suất hơi bão hòa của nước tỷ lệ thuận với nhiệt độ của nước, nhiệt độ nước càng cao thì áp suất hơi bão hòa càng cao. Khi đun nóng nước, thường xuất hiện các bọt khí nhỏ ở đáy bình. Sự xuất hiện của bọt khí cho thấy sự chuyển đổi từ chất lỏng sang chất khí. Nếu áp suất hơi bão hòa trong bọt khí nhỏ hơn áp suất không khí bên ngoài, bọt khí sẽ co lại và vỡ ra trước khi nổi lên bề mặt. Bọt khí bị phá hủy vì lực đẩy của không khí bên ngoài lớn hơn lực đẩy của hơi nước bên trong bọt khí. Áp suất không khí bên ngoài cao hơn áp suất hơi nước trong bọt khí, do đó lực của không khí bên ngoài lớn hơn (P = F / A).

Tìm hiểu thêm

Độ ẩm cho biết lượng hơi nước trong không khí. Khi trời mưa, không khí rất ẩm vì có nhiều hơi nước. Ngược lại, nếu lượng hơi nước trong không khí rất ít, không khí sẽ khô hanh. Lượng hơi nước trong không khí được biểu thị bằng độ ẩm tương đối.

Độ ẩm tương đối là tỷ lệ giữa áp suất riêng phần của hơi nước và áp suất của hơi nước bão hòa ở một nhiệt độ nhất định (hơi nước là hơi ẩm). Độ ẩm tương đối được biểu thị bằng phần trăm, được thể hiện bằng công thức toán học như sau:

Tìm hiểu thêm