Nội dung

Chương VII CÁC QUÁ TRÌNH KHÔNG CÂN BẰNG §7.1. QUÁ TRÌNH KHÔNG CÂN BẰNG Quá trình không cân bằng là quá trình trong đó có tham gia các trạng thái không cân bằng. Môn nhiệt động học nghiên cứu các trạng thái và các quá trình không cân bằng gọi là nhiệt động học không cân bằng. Một quá trình như thế không thể biểu diễn bằng đường cong trên các đồ thị mà trục tọa độ là các tham số trạng thái, vì ở trạng thái không cân bằng có những tham số trạng thái không có giá trị xác định. Thí dụ, một khối khí không cân bằng thì thể tích vẫn xác định, nhưng nhiệt độ và áp suất có thể không xác định, chúng nhận các giá trị khác nhau ở các khu vực khác nhau trong hệ. Trong một quá trình bé, biến thiên entropy của hệ có thể phân làm hai phần dS = deS + diS, (1.1) với deS là entropy từ môi trường chuyển vào, deS = δQ/T, diS là entropy nội sinh, theo nguyên lý II thì diS ≥ 0. Thay hai kết quả này vào (1.1) cho dS - δQ/T ≥ 0, tức dS ≥ δQ T . (1.2) Hệ thức này đã nêu ở §3 Ch.V. Một hệ cô lập thì đặc trưng của quá trình không cân bằng là làm hệ chuyển dần về cân bằng. Tác dụng của môi trường ngoài lên hệ có thể làm cho nó càng mất cân bằng mạnh, nhưng diễn biến trong hệ vẫn là xu hướng chuyển về cân bằng. Đun nóng một bình nước mà lửa chỉ đốt từ đáy bình là một thí dụ. Như vậy đặc trưng cơ bản của quá trình không cân bằng là tồn tại các dòng vận chuyển của các đại lượng không cân bằng. Chẳng hạn, khi nhiệt độ không cân bằng thì năng lượng nhiệt vận chuyển, khi mật độ hạt không cân bằng thì bản thân các hạt vận chuyển,... Dòng vận chuyển được đo bằng lượng vận chuyển của đại lượng vật lý (đang bị mất cân bằng) qua một đơn vị diện tích vuông góc trong một đơn vị thời gian. Các đại lượng này được ký hiệu chung là Ji, trong đó chỉ số i nhận một số giá trị nào đó. Nguyên nhân tạo nên dòng vận chuyển là do mất cân bằng, hay chênh lệch, của đại lượng vật lý. Các độ chênh lệch này có tên là lực. Ta hãy biểu thị X1, X2,... là các lực mà các dòng Ji phụ thuộc vào, ta có Ji = fi (X1, X2,... ). (1.3) Người ta chứng minh được rằng số thành phần của dòng luôn bằng số thành phần của lực. Nếu mức độ mất cân bằng không lớn lắm thì các lực X1, X2,... là nhỏ, ta có thể khai triển dòng theo chúng, chỉ giữ lại các hạng thức bậc nhất (các số hạng bậc không không có nếu giả thiết rằng khi không có độ chênh lệch thì không có dòng). Ji = ∑L ik Xk . (1.4) k Như vậy dòng biểu thị tuyến tính qua các lực. Phần nhiệt động học nghiên cứu các quá trình không cân bằng trong đó các dòng thỏa mãn hệ thúc (1.2) gọi là nhiệt động học tuyến tính. 47 http://www.ebook.edu.vn Sau đây chúng ta sẽ xét một số quá trình của nhiệt động học tuyến tính. §7.2. KHUẾCH TÁN Sự chênh lệch đầu tiên mà chúng ta xét tới là chênh lệch về mật độ hạt n, hay khối lượng riêng ρ. Giả thiết giữa hai điểm A và B cách nhau một đoạn AB = Δx, có khối lượng riêng ρ1 và ρ2 khác nhau và ρ1 > ρ2 (Hình 7.1). Hiện tượng vận chuyển khối lượng gọi là khuếch tán. Ta hãy tính khối lượng khuếch tán, xét cho chất khí hoặc chất lỏng.. Gọi ΔM là khối lượng vận chuyển qua ΔS trong khoảng thời gian Δt. Có thể đánh giá được rằng ΔM tỉ lệ với độ chênh lệch khối lượng riêng Δρ = ρ2 - ρ1 = - (ρ1 - ρ2), tỉ lệ với ΔS và Δt, tỉ lệ ngược với Δx, tức là ΔM = − D Δρ ΔS Δt Δx (2.1) Hình 7.1 trong đó D là một hệ số dương, gọi là hệ số khuếch tán, dấu trừ có trước công thức vì Δρ < 0, tỉ số Δρ/Δx gọi là gradien khối lượng riêng. Gradien là biến đổi trên một đơn vị độ dài, công thức G chung là d/dx, hoặc tổng quát là d / dr . Có thể tính hệ số khuếch tán như sau. Hãy chọn Δx bằng hai lần quãng đường tự do trung bình λ để khi vượt qua ΔS phân tử va chạm ít nhất một lần. Để tiện hãy coi trong hệ chỉ có một loại phân tử. Số phân tử vận chuyển qua ΔS trong Δt là ΔN = 1 v ΔS Δt (n1 − n2 ) 6 ở đây là vận tốc trung bình, thừa số 1/6 có mặt do chia đều cho 6 hướng. Mặt khác n1 – n2 = - Δn = - (Δn/Δx)Δx = - (Δn/Δx)2 λ . Ký hiệu mo là khối lượng một phân tử thì ΔM = moΔN và moΔn = Δρ. Từ đó tính được khối lượng khuếch tán ΔM = − 1 Δρ vλ ΔS Δt. 3 Δx (2.2) So sánh (2.1) và (2.2) cho biểu thức sau đây của hệ số khuếch tán D = 1 vλ. 3 (2.3) Dòng khối lượng thường ký hiệu là JM, theo định nghĩa thì JM = ΔM/(ΔSΔt), từ (2.1) rút ra G Δρ dρ JM = − D , hay J M = − D , dạng vectơ: J M = − D ∇ρ , (2.4) dx Δx trong đó ∇ρ là gradien ba chiều của khối lượng riêng ρ: ⎛ ∂ρ ∂ρ ∂ρ ⎞ ∇ρ = ⎜ , , ⎟. ⎝ ∂x ∂y ∂z ⎠ 48 http://www.ebook.edu.vn §5.3. NỘI MA SÁT Xét khối chất khí hoặc chất lỏng có cấu tạo một loại phân tử và chảy theo phương ngang trên Hình 7.2, vận tốc phân tử tại A là u1, tại B là u2, với u2 > u1. Xu hướng cân bằng vận tốc chảy dẫn tới vận tốc lớp A tăng lên, vận tốc lớp B giảm đi. Trên lớp tiếp xúc giữa hai lớp với diện tích ΔS xuất hiện một lực gọi là lực nội ma sát ΔF. Hiển nhiên ΔF tỉ lệ với Δu và ΔS, tỉ lệ ngược với Δx, nên ΔF = −η Δu ΔS . Δx (3.1) Hệ số tỉ lệ η là hệ số nội ma sát, còn gọi là hệ số nhớt. Ta tính hệ số này. Số phân tử vận chuyển qua ΔS trong Δt là ΔN = 1 n v ΔS Δt. 6 Hình 7.2 Từ đó xung lượng vận chuyển qua ΔS trong Δt là Δ P = n v ΔS Δt mo (u1 − u2 ) / 6 . Nhưng u1 - u2 = - (Δu / Δ x) 2λ nên 1 3 Δu ΔS Δt . Δx (3.2) 1 3 Δu ΔS . Δx (3.3) ΔP = − ρ v λ Lực ΔF = ΔP/Δt: ΔF = − ρ v λ Đối chiếu biểu thức này với (3.1) cho kết quả sau về hệ số nội ma sát η = 1 ρ vλ. 3 (3.4) §7.4. TRUYỀN NHIỆT Xét sự truyền nhiệt giữa hai điểm có nhiệt độ T1 và T2, với T1 > T2. Sự chênh lệch nhiệt độ dẫn tới vận chuyển năng lượng nhiệt. Lập luận giống như các tiết trên dẫn đến biểu thức sau đây cho lượng nhiệt truyền Q = −χ ΔT ΔS Δt Δx (4.1) trong đó χ là hệ số truyền nhiệt. Hệ số truyền nhiệt được tính như sau cho chất khí. Số hạt truyền từ A đến B qua ΔS trong Δt là 49 http://www.ebook.edu.vn Δ N12 = 1 n v ΔS Δt. 6 Từ đó năng lượng chuyển từ A đến B qua ΔS trong Δt E12 = Δ N12ε1 = = 1 i n v1ΔS Δt. k BT1 6 2 8k BT1 i i k BT1 n v1ΔS Δt = n ΔS Δt.k BT1 π m0 12 12 i k B3/ 2 n ΔS Δt T13/ 2 . = 3 2π m0 Hình 7.3 Năng lượng vận chuyển E21 từ B đến A xác định bằng công thức tương tự trong đó hoán vị các chỉ số 1 và 2. Hiệu năng lượng vận chuyển sẽ là Δ E = E12 - E21 = i k B3/ 2 n Δ S Δt (T13/ 2 − T23/ 2 ) . 3 2π m0 Vì T13/ 2 − T23/ 2 = T13/ 2 − T23/ 2 3T 1/ 2 ΔT 2λ , Δx = − 2 Δx Δx nên i k B3/ 2 i k B3/ 2 3T 1/ 2 ΔT ΔT ΔE = − n Δ S Δt n λ T 1/ 2 Δ S Δt . 2λ = − 2 Δx Δx 3 2π m0 2π m0 Nhưng theo (II.8.2) thì n λ = 1/( 2π d 2 ) , d là đường kính phân tử, kết quả là ΔE = − χ = i k B3/ 2 ΔT T 1/ 2 Δ S Δt , 3/ 2 2 Δx 2 m0 π d i k B3/ 2 ik i k B3/ 2 n λ T 1/ 2 = B nλ v = T 1/ 2 . 3/ 2 2 4 2π m0 2 m0 π d (4.2) (4.3) §7.5. NHIỆT ĐỘNG HỌC XA CÂN BẰNG Đặc điểm chung của các trạng thái xa cân bằng: 1. Sinh entropy mạnh, 2. Dòng Ji phụ thuộc vào lực Xk một cách phi tuyến. Nhiệt động học xa cân bằng còn gọi là nhiệt động học phi tuyến. Khi các dòng đủ mạnh và cạnh tranh nhau có thể làm xuất hiện các trạng thái dừng (không cân bằng) có các cấu trúc xác định. Các cấu trúc này thể hiện bằng các hình thái đối xứng nào 50 http://www.ebook.edu.vn đó, nói cách khác, hệ tồn tại trong trạng thái vĩ mô dừng với một trật tự xác định. Vì các cấu trúc này tồn tại khi hệ xa cân bằng nên gọi là các cấu trúc tiêu hao. Người ta còn gọi đây là hiện tượng tự tổ chức của các hệ số lớn. Như vậy khi hệ không cân bằng mạnh thì lại có thể xuất hiện trật tự. Theo lý luận nhiệt động học thì ở trạng thái có trật tự, entropy phải giảm thiểu. Phân tích cho thấy quả thật ở các trạng thái dừng có xuất hiện cấu trúc tiêu hao thì entropy S có cực tiểu địa phương. Một trong các thí dụ điển hình của cấu trúc tiêu hao là hiện tượng Benard, mô tả trên các hình 7.4 và 7.5. Lấy một bình thủy tinh hình trụ có đáy rộng, đựng một ít nước (Hình 7.4). Đun nóng bình bằng ngọn lửa phân bố thật đều từ đáy. Như thế đáy bình giữ nhiệt độ T1 còn mặt trên của nước có nhiệt độ T2, chênh lệch nhiệt độ là ΔT = T1 - T2. Khi ΔT nhỏ hơn một giá trị (ΔT)c nào đó thì dẫn nhiệt từ đáy bình thực hiện bằng truyền nhiệt thông thường (dựa trên va chạm phân tử). Khi ΔT vượt qua giá trị tới hạn (ΔT)c thì hệ mất cân bằng quá mạnh, thực hiện dẫn nhiệt phải có thêm quá trình đối lưu. Trên Hình 7.4 các dòng đối lưu trong bình nước được chỉ ra bằng các đường cong có mũi tên. Sự cạnh tranh của các dòng đối lưu làm cho mặt nước có cấu trúc như bề mặt tổ ong (Hình 7.5). Hình 7.5 Hình 7.4 Một cấu trúc như thế tồn tại được chừng nào đảm bảo được điều kiện ΔT > (ΔT)c. Khi các điều kiện đảm bảo kiểu như thế không còn thì cấu trúc tự tan rã. Một thí dụ khác là phản ứng hóa học Belousov-Zhabotinsky. Phản ứng này phức tạp, nhưng vai trò trung tâm là ba quá trình hóa học sau: CH2(COOH)2 + 6Ce4+ + 2H2O → 2CO2 + HCOOH + 6Ce3+ + 6H+, 10Ce 3+ + + 2HBrO3 + 10H → 10Ce 4+ + Br2 + 6H2O , CH2(COOH)2 + Br2 → CHBr(COOH)2 . (5.1a) (5.1b) (5.1c) Phản ứng (5.1b) là tự xúc tác. Chọn liều lượng sao cho phản ứng (5.1a) và (5.1b) diễn ra với cùng tốc độ, nên lượng Ce4+ sinh ra trong (5.1b) bù lại lượng ion ấy mất đi trong (5.1a). Như vậy lượng ion Ce3+ giữ không đổi trong hệ. Axit bromomalonic CHBr(COOH)2 tạo thành trong phản ứng (5.1c) kết hợp với Ce3+ sẽ cản trở phản ứng (5.1b), dẫn tới giảm lượng Ce4+. Chất cản trở không bền và phân tích thành CO2 và axit dibromoacetic. Khi đó phản ứng tự xúc tác (5.1b) lại tiếp tục. Kết quả là diễn ra quá trình biến đổi thuận và ngược giữa hai loại ion cerium: Ce4+ ↔ Ce3+. (5.2) Trong nước các ion Ce4+ có màu lam còn các ion Ce3+ màu đỏ. Khi còn xa cân bằng thì các phản ứng (5.1) làm cho nước trong bình biến đổi màu dần từ lam sang đỏ và sau đó ngược lại. 51 http://www.ebook.edu.vn Đó là một cấu trúc tiêu hao, biến đổi theo thời gian, với chu kỳ khoảng 4 phút. Cấu trúc này sẽ mất dần khi hệ tiến tới cân bằng. Người ta cho rằng các vành bụi của Sao Thổ là một cấu trúc tiêu hao theo quan điểm của nhiệt động học không cân bằng: nhiệt bức xạ từ Mặt Trời là nguồn năng lượng tạo nên quá trình không cân bằng ấy. Theo trên thì cấu trúc tiêu hao hình thành trên cơ sở ba điều kiện: 1/. Hệ mở, luôn trao đổi với môi trường ngoài. 2/. Trạng thái ở xa cân bằng, quan hệ dòng và lực là phi tuyến. 3/. Sản sinh entropy ứng với một cực tiểu địa phương. Theo lý luận như thế, khi các phân tử hữu cơ họp lại để tạo thành một tế bào thì chính là hình thành một cấu trúc tiêu hao. Các tế bào họp lại để tạo thành một cơ thể sống cũng là hình thành một cấu trúc tiêu hao. Đó là cách thức mà nhiệt động học xa cân bằng tham vọng giải thích sự hình thành và phát triển của sự sống. Nói chung ở các hệ số lớn mà ba điều kiện nêu trên thỏa mãn thì đều có khả năng hình thành các cấu trúc tiêu hao. 52 http://www.ebook.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Đàm Trung Đồn, Phạm Viết Kính: Vật lý phân tử và nhiệt động học. NXB Đại học và THCN, Hà Nội 1974. 2. Lương Duyên Bình: Vật lý đại cương Tập I: Cơ-Nhiệt. NXB Giáo dục, Hà Nội 2007. 3. A. Kikoin, I. Kikoin: Molecular Physics. Mir Publishers, Moscow 1978. 4. Л.Д. Ландау, А.И. Ахиезер, Е.М. Лифшиц: Курс общей физики. Механика и молекулярная физика. Изд. Наука, Москва 1978. 5. B. Linder: Thermodynamics. Wiley-Interscience Publ., New York 2004. 6. W. Nolting: Statistische Physik. Springer Verl., Berlin 2002. 7. P. Glansdorff, I. Prigogine: Thermodynamic Theory of Structure, Stability and Fluctuations. Wiley-Interscience Publ., London 1971. 53 http://www.ebook.edu.vn 54 http://www.ebook.edu.vn