Không độ Celsius và không độ tuyệt đối là gì?

Trong cuộc sống thường ngày và trong kĩ thuật sản xuất, người ta hay dùng nhiệt kế để đo nhiệt độ một vật thể. Ví dụ, thầy thuốc dùng cái cặp nhiệt để đo nhiệt độ cơ thể của bệnh nhân. Nó là một loại nhiệt kế. Vậy thì nhiệt độ trên nhiệt kế được xác định như thế nào? Quan sát tỉ mỉ cái cặp nhiệt độ thì có thể phát hiện, bên trong nó có một cột thuỷ ngân rất mảnh gọi là chất đo nhiệt. Khi cái cặp nhiệt độ tiếp xúc với khoang miệng của người bệnh, cột thuỷ ngân liền có thể sinh ra giãn nở vì nhiệt độ ở chỗ đó. Vì vậy, độ dài của cột thuỷ ngân có thể dùng để biểu thị nhiệt độ của khoang miệng. Ngoài ra, còn phải đánh dấu số độ vào bên cạnh cột thuỷ ngân thì mới có thể chỉ ra trị số nhiệt độ một cách xác đáng. Muốn có độ khắc, trước hết phải có vị trí bắt đầu. Chọn lựa chất đo nhiệt, xác định độ bắt đầu, đánh dấu độ khắc, ba yếu tố này hợp thành cách biểu thị định lượng của nhiệt kế đối với nhiệt độ. Cách biểu thị loại này gọi là thang nhiệt độ.

Thang nhiệt độ Celsius là một loại thang tương đối thông dụng hiện nay. Nhiệt kế làm theo thang nhiệt độ này gọi là nhiệt kế Celsius. Cái cặp nhiệt là một ví dụ điển hình của nhiệt kế Celsius. Trong nhiệt kế Celsius, điểm đóng băng của nước được lấy làm điểm bắt đầu. Đó tức là không độ Celsius. Kí hiệu bằng 0°C, điểm sôi của nước được định là 100 độ Celsius, kí hiệu là 100°C, rồi chia độ cao cột thuỷ ngân giữa 0°C và 100°C thành 100 phần bằng nhau, mỗi một vạch là 1°C.

Thang nhiệt độ nhiệt động học là một loại thang thông dụng quốc tế không lệ thuộc vào chất đo nhiệt và đặc tính đo nhiệt. Nhiệt kế do nó xác định gọi là nhiệt kế nhiệt động học, đơn vị biểu thị bằng K. Năm 1990, thang nhiệt độ quốc tế quy định, nhiệt độ điểm ba pha của nước là 273,15 K của thang nhiệt độ nhiệt động học. Vì sao lại quy định con số đó chứ không phải con số nào khác nhỉ?

Nguyên nhân là, trong thế kỉ XVIII – XIX, từ thực nghiệm, các nhà vật lí đã phát hiện, một lượng chất khí nhất định trong điều kiện thể tích không đổi, hễ nhiệt độ xuống thấp 1°C thì áp suất giảm đi 1/273,15 của áp suất lúc 0°C; còn trong điều kiện áp suất không đổi, hễ nhiệt độ xuống thấp 1°C thì thể tích giảm đi 1/273,15 lúc ở 0°C. Từ đó có thể suy ra, khi nhiệt độ từ 0°C bắt đầu hạ xuống đến –273,15°C thì có thể định ra điểm không của thang nhiệt độ nhiệt động học, tức là độ không tuyệt đối.

Trong xã hội hiện đại, kĩ thuật nhiệt độ thấp đang được ứng dụng rộng rãi. Ví dụ như người ta lợi dụng tủ lạnh gia đình để bảo quản thức ăn. Nhiệt độ trong tủ lạnh nói chung có thể đạt tới –15 ~ –20°C. Trong nghiên cứu khoa học cũng cần tới nhiệt độ thấp, và còn rất thấp nữa kia. Ví dụ, chỉ có trong điều kiện –200°C thì nhà nghiên cứu khoa học mới thu được chất siêu dẫn.

Theo đà phát triển của kĩ thuật nhiệt độ thấp, con người hết lần này đến lần khác tiến công vào thế giới nhiệt độ thấp, áp sát với nhiệt độ ngày càng thấp hơn. Hiện nay, con người đã đạt tới kỉ lục nhiệt độ thấp là 10-8 K và còn không ngừng bước những bước thăm dò trong việc khám phá nhiệt độ cực thấp. Như vậy là tự nhiên xuất hiện một câu hỏi: con người có thể đạt tới 0°K của thang nhiệt độ nhiệt động học, cũng tức là có thể đạt tới không độ tuyệt đối hay không?

Từ mấy chục năm trước, thông qua một số lượng lớn thực nghiệm, các nhà khoa học đã rút ra một kết luận phổ biến, tức là không thể nào đạt được không độ tuyệt đối, hoặc nói cách khác là không thể nào thực hiện quá trình hữu hạn làm lạnh một vật thể tới không độ tuyệt đối. Kết luận này được gọi là định luật thứ ba của nhiệt động học.

Định luật thứ ba của nhiệt động học là định luật quy nạp rút ra được từ kết quả của sự tổng kết một lượng lớn các thực nghiệm. Nó có thể dùng được rộng rãi. Vì sao không độ tuyệt đối là không thể nào đạt được? Các nhà khoa học đã chứng minh, không độ tuyệt đối vốn không phải là một nhiệt độ thực tế. Đó là một suy luận đối với quá trình hạ nhiệt thực tế. Về mặt lí thuyết, nhiệt độ suy ra đó là giới hạn thấp nhất của nhiệt độ mà bất cứ vật thể nào cũng có thể đạt được. Về mặt thực tế, con người có thể thông qua đủ mọi cố gắng tới gần độ không tuyệt đối, song không thể nào đạt được độ không tuyệt đối.

Từ khoá: Thang nhiệt độ; Thang nhiệt độ; Celsius; Thang nhiệt độ nhiệt động học; Độ không tuyệt đối; Kĩ thuật nhiệt độ thấp; Định luật thứ ba của