Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 4)

Nhiệt động lực học và entropy

Ngoài việc khám phá lực điện từ, nghiên cứu năng lượng ở dạng nhiệt còn đưa đến một cuộc cách mạng khoa học khác ở thế kỉ 19. Cái sau này gọi là các định luật của nhiệt động lực học trình làng một số khái niệm sẽ tỏ ra thiết yếu đối với thuyết lượng tử.

Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học giải thích năng lượng được bảo toàn như thế nào khi thêm nhiệt vào một hệ kín: năng lượng toàn phần của hệ bằng nhiệt cung cấp, trừ đi bất kì công nào đã thực hiện (những biến đổi vật lí đối với môi trường xung quanh).

Trong khi đó, định luật thứ hai về cơ bản mô tả nhiệt sẽ luôn chảy như thế nào từ hệ nóng hơn sang hệ lạnh hơn. Thật vậy, định luật này mô tả entropy, một số đo lượng mất trật tự trong hệ. Rồi định luật thứ ba giải thích entropy tiến tới zero như thế nào khi nhiệt độ trong một hệ ở sát không độ tuyệt đối. Những quan niệm về bảo toàn năng lượng và entropy này sẽ được trình bày kĩ hơn ở phần sau.

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học phát biểu rằng các hệ luôn có xu hướng trở nên kém tổ chức hơn theo thời gian, trừ khi có năng lượng ở bên ngoài can thiệp vào. Chẳng hạn, một vết nhỏ nước nóng sẽ có xu hướng tự nhiên lan tỏa ra môi trường xung quanh lạnh hơn, trừ khi nó được đựng trong bình chứa.

Vật đen

Vào giữa thế kỉ 19, việc nghiên cứu những cách để các vật phát ra sóng điện từ đã dẫn tới khái niệm lí tưởng về vật đen bức xạ. Đây là một vật vừa hấp thụ hoàn hảo vừa phát xạ hoàn hảo. Nhà vật lí Đức Max Planck tìm thấy rằng bề mặt của một vật đen càng nóng, thì năng lượng ánh sáng phát ra càng cao. Vì thế, những vật ở nhiệt độ phòng chủ yếu phát sáng hồng ngoại, còn những vật nóng đến hàng nghìn độ phát xạ chủ yếu là những bước sóng nhìn thấy, và những vật nóng nhất thì phát ra ánh sáng tử ngoại hoặc thậm chí những bước sóng ngắn hơn, ví dụ như tia X.

Một ngôi sao thường được xem là thứ gần nhất trong tự nhiên với một vật đen hoàn hảo. Các ngôi sao biểu hiện mối liên hệ nhiệt độ-năng lượng đang tác dụng: những ngôi sao nguội hơn phát ra ánh sáng đỏ hơn và những bước sóng hồng ngoại, còn những ngôi sao nóng hơn có xu hướng ngả về màu xanh và bước sóng tử ngoại. Những nỗ lực nghiên cứu cái xảy ra với các vật đen ở những nhiệt độ cao nhất là mấu chốt cho sự ra đời của thuyết lượng tử.

Vật lí Lượng tử Tốc hành | Gemma Lavender

Nguồn Thư viện Vật lý