Nhiệt động lực học là khoa học về năng lượng, nhiệt, nhiệt độ, và cách vật chất chảy giữa các trạng thái. Bốn định luật, xếp theo một thứ tự kỳ lạ, tổ chức toàn bộ môn này: định luật 0 nói rằng cân bằng nhiệt có tính bắc cầu (nếu A = B và B = C thì A = C), điều này biện minh cho sự tồn tại của nhiệt độ như một số duy nhất; định luật 1 nói rằng năng lượng được bảo toàn, rằng ΔU = Q − W (nhiệt vào trừ công ra làm thay đổi nội năng hệ); định luật 2 nói rằng tổng entropy của hệ cô lập không bao giờ giảm — nhiệt tự phát chảy từ nóng sang lạnh, không bao giờ ngược lại; và định luật 3 nói rằng entropy của hệ đạt cực tiểu ở độ không tuyệt đối, có thể tiến gần nhưng không bao giờ chạm tới. Sáu máy tính trong bảng này bao quát các phương trình làm việc: định luật khí lý tưởng và định luật khí tổng hợp, nhiệt dung, giãn nở nhiệt theo ba hình học, chuyển đổi đơn vị nhiệt độ, và hiệu suất Carnot.
Định luật thứ nhất là sổ sách, định luật thứ hai là hướng: định luật thứ nhất bảo toàn năng lượng (bạn không thể thắng); định luật thứ hai nói rằng ngay cả năng lượng được bảo toàn hoàn hảo cũng trở nên không khả dụng để sinh công (bạn không thể hòa vốn). Cùng nhau chúng đặt ra các quy tắc mà mọi động cơ, tủ lạnh và phản ứng hóa học phải tuân theo.
Định luật khí lý tưởng — PV = nRT
Với một chất khí đủ loãng và đủ nóng để các phân tử gần như không tương tác, áp suất, thể tích, số mol và nhiệt độ tuyệt đối liên hệ với nhau bởi PV = nRT, với R = 0,082057 L·atm/(mol·K) (hoặc 8,314 J/(mol·K) trong đơn vị SI). Mẫu mặc định (V = 22,4 L, n = 1 mol, T = 273,15 K) cho P ≈ 1,0007 atm — thể tích mol chuẩn 22,4 L chính xác vì đó là thể tích của 1 mol khí lý tưởng ở 1 atm và 0°C. Định luật này đúng tuyệt đối với khí lý tưởng, và gần đúng với không khí, oxy và nhiều khí thực khác ở nhiệt độ phòng và áp suất vừa phải. Ở áp suất cao hoặc nhiệt độ thấp, lực liên phân tử và kích thước phân tử hữu hạn có ý nghĩa, và phương trình van der Waals (P + a/V²)(V − b) = nRT hiệu chỉnh bằng hai tham số thực nghiệm. Ba định luật khí còn lại (Boyle, Charles, Gay-Lussac) là trường hợp đặc biệt của PV = nRT ở T, V hoặc P không đổi; định luật khí tổng hợp P1V1/T1 = P2V2/T2 xử lý thay đổi cả ba cùng lúc.
Truyền nhiệt — Q = m·c·ΔT
Nhiệt hấp thụ bởi một vật khối lượng m và nhiệt dung riêng c thay đổi nhiệt độ ΔT là Q = m·c·ΔT, tính bằng joule. Nhiệt dung riêng là năng lượng trên mỗi kilôgam trên mỗi kelvin; giá trị cao nổi tiếng của nước 4.186 J/(kg·K) làm nó một bộ đệm nhiệt tuyệt vời. Mẫu mặc định (1 kg nước, 4.186 J/(kg·K), ΔT = 50 K) cho Q ≈ 209.300 J (209,3 kJ) — năng lượng cần để làm nóng 1 L nước máy lạnh đến mức nóng dễ chịu. Các vật liệu khác khác biệt rõ rệt: nhôm 900 J/(kg·K), đồng 385, sắt 450, thủy tinh 840 — kim loại nóng nhanh và nguội nhanh, nước ấm chậm và tỏa nhiệt chậm. Con số 4.186 là lý do túi nước nóng giữ ấm lâu, vì sao nhiệt độ đại dương chỉ thay đổi chậm qua các mùa, và vì sao khí hậu ven biển ôn hòa hơn lục địa.
Giãn nở nhiệt — ΔL = α·L0·ΔT
Chất rắn giãn nở theo nhiệt độ theo ba cách tùy hình học: dài ΔL = αL0ΔT, diện tích ΔA = 2αA0ΔT, thể tích ΔV = 3αV0ΔT, với α là hệ số tuyến tính. Mẫu mặc định (1 m thép, α = 12×10−6/K, ΔT = 100 K) cho ΔL ≈ 1,2 mm — đủ nhỏ để bỏ qua trong mộc dân dụng, đủ lớn để làm nứt cầu thép vào mùa đông nếu không có khe giãn nở. Nhôm giãn nở gấp đôi (23×10−6/K), đồng và đồng thau ở giữa, thủy tinh thấp với 9×10−6/K. Chất lỏng thường giãn nở nhiều hơn chất rắn (thủy ngân 182, nước hành xử bất thường dưới 4°C), và chất khí tuân theo định luật khí lý tưởng thay vì bất kỳ định luật giãn nở tuyến tính nào. Khe giãn nở trên đường ray xe lửa, dải lưỡng kim trong bộ điều nhiệt, và cột thủy ngân dâng trong nhiệt kế đều do α điều khiển.
Chuyển đổi nhiệt độ — bốn thang, hai mốc
Bốn thang nhiệt độ làm việc là Celsius (điểm đóng băng và sôi của nước ở 1 atm là 0 và 100), Fahrenheit (dải tương tự với mốc khác, vẫn chuẩn ở Mỹ), Kelvin (thang tuyệt đối, dùng cho mọi phép tính vật lý), và Rankine (thang Fahrenheit tuyệt đối). Mẫu mặc định (100°C) cho 373,15 K, 212°F, và 671,67°R. Quy tắc chuyển đổi: K = °C + 273,15; °F = °C × 9/5 + 32; °R = °F + 459,67. Độ không tuyệt đối là 0 K = −273,15°C = −459,67°F = 0°R, nhiệt độ mà chuyển động nhiệt cổ điển dừng lại; định luật 3 nói rằng không quá trình hữu hạn nào thực sự đạt tới nó, chỉ có thể tiến gần hơn bao giờ hết.
Hiệu suất Carnot — cận trên cho mọi động cơ
Chu trình Carnot, chạy giữa bể nóng ở Th và bể lạnh ở Tc, là động cơ nhiệt hiệu quả nhất có thể hoạt động giữa hai nhiệt độ đó, với hiệu suất η = 1 − Tc/Th (nhiệt độ tuyệt đối). Mẫu mặc định (Th = 500 K, Tc = 300 K) cho η ≈ 40%. Một động cơ thực đốt khí tự nhiên ở 1500 K và xả ra môi trường 300 K có giới hạn Carnot 80%; nhà máy điện chu trình kết hợp thực đạt 60%. Không động cơ nào vượt được Carnot — phát biểu này suy ra trực tiếp từ định luật 2 và giải thích vì sao động cơ vĩnh cửu là bất khả thi. Máy bơm nhiệt và tủ lạnh chạy cùng vật lý và có hệ số hiệu suất COP = Th/(Th − Tc) ở chế độ sưởi, hoặc Tc/(Th − Tc) khi làm lạnh, cũng bị giới hạn bởi cùng giới hạn thuận nghịch. Đó là lý do COP của máy bơm nhiệt có thể vượt 1: nó di chuyển nhiệt thay vì chuyển đổi, cung cấp 3–4 joule hơi ấm cho mỗi joule điện.
Những hiểu lầm phổ biến
- Nhiệt và nhiệt độ là một. Nhiệt là năng lượng đang chuyển; nhiệt độ là động năng trung bình của các phân tử. Một bồn nước ấm chứa nhiệt (năng lượng) nhiều hơn hẳn một que pháo hoa ở 1500 °C, vì khối lượng có tính. Nhiệt dung riêng là hệ số chuyển đổi để cùng một thay đổi nhiệt độ đòi hỏi lượng nhiệt khác nhau một cách rất lớn cho các vật liệu khác nhau.
- Lạnh chảy từ lạnh sang nóng. Nhiệt luôn chảy từ nóng sang lạnh. Cảm giác "lạnh chảy" là nhiệt từ tay bạn đi vào môi trường xung quanh cho đến khi nhiệt độ cân bằng.
- Entropy có nghĩa là hỗn loạn. Cách diễn giải phổ biến này gây hiểu nhầm. Entropy là logarit của số vi trạng thái tương thích với một vĩ trạng thái — một phép đếm chính xác, không phải thước đo mơ hồ của sự hỗn loạn. Chất khí có entropy cao hơn chất rắn vì vị trí của chúng phân tán hơn.
- Động cơ có thể đạt hiệu suất 100% bằng cách giảm ma sát. Ma sát là một phần tổn thất, nhưng tổn thất không thể loại bỏ là nhiệt thải vào bể lạnh. Ngay cả động cơ không ma sát theo chu trình thuận nghịch Carnot cũng bị giới hạn bởi 1 − Tc/Th.
Công cụ liên quan: Vật lý hiện đại cho cơ học thống kê đằng sau entropy, Cân bằng cho cầu nối ΔG = −RT ln K giữa nhiệt động lực học và tính tự phát của phản ứng, và Chuyển đổi đơn vị để đổi giữa calo, joule, BTU và electron-volt.
