Chất nhiệt
München, 1798. Bá tước Rumford xem người ta khoan nòng pháo trong xưởng vũ khí và đặt ra một câu hỏi tính toán. Nếu nhiệt là một chất thấm trong kim loại thì trữ lượng của nó có hạn, và việc khoan đến lúc nào đó sẽ thôi sinh nhiệt. Ông lấy một mũi khoan cùn, đặt nòng vào thùng nước, và sau hai giờ rưỡi nước sôi. Ông thay nước — lại sôi.
Chất nhiệt là một vật chất không trọng lượng mà Lavoisier đưa vào bảng các chất đơn giản của mình. Người ta tin rằng nó chảy từ nóng sang lạnh và được bảo toàn trong lúc ấy. Lượng của nó đo bằng calo: một calo làm một gam nước nóng thêm một độ. Thuyết này cho ra những bảng nhiệt dung đúng, thậm chí cả lý thuyết động cơ nhiệt của Carnot. Nhưng thí nghiệm của Rumford cho thấy chừng nào còn thực hiện công thì còn thu được nhiệt mãi không hết.
| Ký hiệu | caloric · calorique · đơn vị đo cal |
| Tính thế nào | theo khối lượng băng tan và độ nóng lên của nước · Q = c·m·ΔT |
| Điều được giả định | bảo toàn: rời một vật bao nhiêu thì vào vật khác bấy nhiêu |
| Ra đời và bị bỏ | calorique — Lavoisier, 1789 · thí nghiệm Rumford — 1798 · đương lượng cơ — Joule, 1843—1850 |
| Cách viết ngày nay | nhiệt là một dạng năng lượng, tính bằng jun · 1 cal = 4,184 J · ISO 80000-5 |
| Giá trị điển hình | 79,7 cal — làm tan một gam băng · 540 cal — làm bay hơi một gam nước · 2000 kcal — khẩu phần một ngày |
01 · Định nghĩa
Chất lưu không trọng lượng của nhiệt
Theo hệ thống cuối thế kỷ XVIII, chất nhiệt nằm trong các vật và chảy từ vật nóng sang vật lạnh. Các hạt của nó đẩy nhau — vì thế nhiệt lan ra và vật nở ra khi nóng lên. Mỗi chất chứa chất nhiệt một khác: sắt cần ít hơn nước mười lần để nóng thêm một độ.
Ẩn nhiệt của Black cũng được giải thích: băng đang tan nhận chất nhiệt mà không nóng lên, vậy chất nhiệt đi vào ở dạng liên kết. Mọi tính toán của hệ thống dựa trên một giả định — chất nhiệt được bảo toàn. Chính giả định ấy phải bỏ đi. Các công thức nhiệt dung vẫn còn hiệu lực; chỉ có điều nhiệt nay được tính là năng lượng.
Nhiệt trên cân, không cần nhiệt kế
Ở giữa là một mẫu nóng trong buồng băng; màu của nó tùy nhiệt độ. Màu xanh ngọc là băng và nước tan, nước chảy xuống chiếc cốc bên dưới — nhiệt được tính từ khối lượng nước ấy. Lớp vỏ ngoài cũng bằng băng, che thí nghiệm khỏi hơi ấm của căn phòng. Những chấm màu hổ phách là chất nhiệt như người ta hình dung: nó đi từ mẫu sang băng cho tới khi mẫu nguội về không.
Chất nhiệt giải thích mọi thứ — cho tới khi người ta bắt đầu khoan
Ở đây chất nhiệt được vẽ như người ta hình dung: 260 hạt màu hổ phách của một chất lưu không trọng lượng. Trong ba thí nghiệm đầu, số hạt không đổi; chúng chỉ chảy sang vật khác, làm vật nở ra hoặc ẩn vào băng đang tan. Vòng tròn rỗng là chất nhiệt liên kết, lớp xanh ngọc là băng. Ở thí nghiệm thứ tư, mũi khoan sinh ra những hạt mới, màu trắng, từ hư không — và sổ sách không còn khớp. Thanh trượt điều khiển thí nghiệm; các con số dưới cảnh được tính bằng calo như thời ấy.
Nòng pháo không nguội
Ở giữa là máy khoan của xưởng vũ khí. Ngựa đi vòng tròn; cối quay ngựa kéo qua một bánh xe lớn và một bánh răng nhỏ làm quay nòng pháo đồng thanh. Nòng đặt trong thùng nước, mũi khoan cùn ép vào lòng nòng. Màu tím nhạt là công cơ học: truyền động, trục, công suất của ngựa. Màu hổ phách là nhiệt sinh ra ở điểm ma sát: các hạt bốc từ mũi khoan lên qua nước. Màu xanh ngọc là nước và nhiệt độ của nó. Bên phải, màn hình ghi lại sự nóng lên của nước, bên dưới là sổ sách chất nhiệt. Theo thuyết, trữ lượng chất nhiệt trong nòng có hạn. Thanh cho thấy lẽ ra trữ lượng ấy đã phải hết bao nhiêu. Thời gian nhanh gấp 120 lần: một giây là hai phút. Nếu 20 s không chạm vào gì, các thí nghiệm sẽ tự chạy.
—
02 · Quy đổi
| {n} | {v} | {note} |
Calo có nhiều loại. Calo nhiệt hóa đúng 4,184 J, calo quốc tế 4,1868 J, calo mười lăm độ 4,1855 J. Chênh lệch chỉ vài phần mười phần trăm. Trong công việc chính xác người ta ghi rõ loại calo — hay tốt hơn, viết thẳng bằng jun.
Gam băng và nước sôi là thước đo của thời ấy: nhiệt được nhìn thấy như thế. Làm tan một gam băng tốn 79,7 cal, làm bay hơi một gam nước ở 100 °C khoảng 540 cal. Hơi nước làm bỏng nặng hơn nước sôi chính vì 540 ấy.
03 · Bậc độ lớn
04 · Dụng cụ đo
05 · Quy tắc viết
06 · Các đơn vị lân cận
Chất nhiệt đã ra đi, nhưng để lại di sản. Carnot tìm ra giới hạn của động cơ nhiệt khi coi chất nhiệt được bảo toàn — và công thức vẫn đúng đến nay. Công và nhiệt hóa ra là cùng một đại lượng, và từ tỉ số giữa nhiệt và nhiệt độ đã nảy sinh entropy.
07 · Phần lịch sử
Thuyết chất nhiệt không làm hỏng một phép đo nào: nhiệt lượng kế đo nhiệt được truyền, chứ không đo một chất. Vì vậy các bảng nhiệt dung của Lavoisier và Laplace sống lâu hơn thuyết. Chỉ có giả định bảo toàn bị bỏ; còn đơn vị đo — calo — vẫn được giữ.
Calo được định nghĩa qua nước và có nhiều phiên bản: ở 15 °C, trung bình từ 0 đến 100 °C, calo quốc tế. Năm 1948, Đại hội Cân đo Quốc tế khuyến nghị biểu thị nhiệt bằng jun. Calo ở lại trên bao bì thực phẩm và trong các sổ tay cũ.
Danh mục đại lượng
toàn bộ chỉ mục →Bảy đơn vị cơ sở của SI
Một giọt axit đổi màu nước ép, muối nhuộm màu ngọn lửa, nước đóng băng sau một cú gõ. Bên dưới là mọi trang của Simetrium, theo ngành và theo thứ tự chữ cái.
Mở chỉ mục →