10 vạn câu hỏi vì sao vật lý

10 vạn câu hỏi vì sao vật lý

61. Vì sao áp tai lên đường ray có thể nghe tiếng xe lửa ở rất xa?

Muốn biết có xe lửa từ xa chạy đến hay không, công nhân đường sắt hoặc hành khách thường áp tai lên đường ray lắng nghe. Nếu nghe thấy âm thanh thì không lâu sau đó xe lửa sẽ xình xịch chạy đến. Đó là vì sao vậy? Hoá ra là cái đó có quan hệ với tốc độ truyền âm thanh.

Chúng ta biết rằng, sự lan truyền của âm thanh có một tốc độ nhất định. Nhưng trong cuộc sống hằng ngày, có vẻ như âm thanh vừa phát ra là bạn nghe thấy ngay. Ví dụ như: bạn chuyện trò mặt đối mặt với người trong gia đình, thưởng thức tiết mục trên tivi v.v. Đó là do nguồn âm (vật thể phát ra âm thanh) ở rất gần chúng ta. Nếu nguồn âm cách chúng ta xa một chút, chẳng hạn xem máy đóng cọc làm việc ở xa, không khó gì mà bạn không nhận thấy, sau khi búa hơi rơi xuống một chớp mắt thì bạn mới nghe thấy tiếng va đập của búa hơi vào cọc gỗ.

Sự lan truyền của âm thanh chẳng những có tốc độ nhất định, mà trong môi trường khác nhau thì tốc độ đó cũng khác nhau. Ví dụ, trong không khí âm thanh có thể truyền vào khoảng 340 m/s; trong nước nó đạt tới 1440 m/s, còn trong đường ray thì nhanh hơn nữa, khoảng 5000 m/s. Tốc độ xe lửa nói chung là 100 - 200 km/h, có nghĩa là trong khoảng 60 m/s, chậm hơn rất nhiều so với tốc độ truyền âm trong đường ray. Nếu ở cách chúng ta 5 km có một đoàn xe lửa chạy tới, cần phải có thời gian hơn 80 giây thì xe lửa mới chạy đến trước mặt chúng ta; nếu đứng nghe thì phải gần 15 giây mới nghe thấy tiếng xe lửa; còn nếu áp tai lên đường ray thì chỉ cần khoảng một giây là có thể nghe thấy tiếng rì rì của xe lửa rồi.

Hơn nữa, cường độ âm thanh còn bị suy giảm trong quá trình truyền lan. Khi truyền trong không khí, âm thanh toả ra tứ phía xung quanh, suy giảm rất nhanh. Khi bạn nghe thấy tiếng xe lửa thì nó đã đến gần, vội vội vàng vàng thường gây ra thảm hoạ. Do tác dụng định hướng của đường ray đối với âm thanh, sự suy giảm của âm thanh trong đường ray diễn ra tương đối chậm. Khi bạn áp tai lên đường ray nghe thấy âm thanh của xe lửa, bạn liền biết xe lửa đang chạy tới. Khi ấy nó cách chúng ta còn rất xa, bạn sẽ được an toàn.

Vậy nếu dùng mắt mà nhìn thì sao? Ánh sáng truyền nhanh hơn âm thanh rất nhiều. Với khoảng cách 5 km, ánh sáng chỉ cần 0,000017 giây là truyền đến rồi! Song do các nguyên nhân như sự che khuất của đường chân trời, che phủ của lớp sương và màn bụi, sự uốn khúc của đường ray, cản trở của công trình kiến trúc, dãy núi, khóm cây, v.v. nên chúng ta không sao có thể nhìn thấy rõ xe lửa ở nơi xa ngoài 5 km. Cho nên, muốn phán đoán có xe lửa từ xa chạy đến hay không thì phương pháp đơn giản dễ làm nhất là áp tai lên đường ray lắng nghe thử xem.

Từ khoá: Xe lửa; Đường ray; Tốc độ âm thanh; Sự lan truyền của âm thanh.

62. Vì sao cây sáo có thể thổi ra bản nhạc?

Các nhạc cụ như acmônica, viôlông, piano v.v. có thể tấu ra các loại bản nhạc, chúng ta không cảm thấy kì lạ, vì trong acmônica có lưỡi gà, viôlông có dây đàn, trong piano có những dây thép thô, mảnh khác nhau. Chính là sự rung động của các vật thể như lưỡi gà, dây đàn, dây thép v.v. đã sinh ra các loại âm thanh, tấu ra các bản nhạc êm tai.

Vậy một cây sáo làm bằng ống trúc, bên trong chẳng hề có thứ gì cả, chỉ có vài cái lỗ khoét trên ống, sao cũng có thể thổi ra bản nhạc nhỉ?

Âm thanh là do vật thể dao động gây nên. Lưỡi gà, dây đàn hoặc dây thép dao động có thể phát ra âm thanh. Cũng cùng một nguyên lí như vậy, khi chất lỏng và chất khí xảy ra dao động mạnh, cũng sẽ phát ra âm thanh.

Bên trong cây sáo tuy chỉ là không khí, nhưng lại là một cột không khí không nhìn thấy được. Khi nó bị ngoại lực kích động, sẽ phát ra âm thanh theo một tần số nhất định. Cột không khí càng dài, tần số càng thấp, âm điệu của âm thanh phát ra thấp; cột không khí càng ngắn, tần số càng cao, âm điệu của âm thanh phát ra cũng càng cao. Khi bạn đặt môi lên lỗ thổi, thổi ra một luồng hơi vừa dẹt vừa hẹp để kích động cột không khí trong cây sáo, nó liền phát ra âm thanh. Nếu bịt hết tất cả sáu cái lỗ, bên trong cây sáo liền hình thành một cột không khí dài nhất, âm điệu của âm thanh phát ra thấp nhất; nếu bạn lần lượt buông rời các lỗ cách lỗ thổi từ xa đến gần, cột không khí sẽ cái sau ngắn hơn cái trước và âm thanh phát ra cũng tiếng sau cao hơn tiếng trước. Người thổi sáo dựa vào kí hiệu của bản nhạc, buông ra hoặc bịt lại các lỗ khác nhau, làm cho cột không khí chợt dài chợt ngắn, sẽ thổi ra bản nhạc êm tai.

Người diễn tấu còn có thể dùng cách "thổi siêu", tức là gia tăng áp lực thổi, có thể thổi ra âm thanh cao hơn một quãng tám so với âm gốc. Ví dụ thổi âm "đô", ngón tay không đổi, vận dụng cách thổi tiêu, có thể thổi ra âm "đô" cao. Cho nên, cây sáo tuy chỉ có 6 lỗ, nhưng ở trong tay người diễn tấu tài hoa, vẫn có thể thổi ra các bản nhạc réo rắt du dương cơ đấy!

Từ khoá: Cây sáo; Âm thanh; Bản nhạc; Âm điệu; Cột không khí.

63. Bạn có thể dùng cốc nước làm một giàn đàn chuông mô phỏng không?

Nếu bạn là người ưa thưởng thức âm nhạc, chắc bạn biết tên gọi của nhiều loại nhạc cụ, như đàn gõ (trên dây), đàn nguyệt, đàn tì bà, đàn nhị, thụ cầm, piano, viôlông, ôboa v.v. Bạn đã nghe nói đến "đàn chuông" bao giờ chưa?

Đàn chuông là một trong những loại nhạc cụ cổ xưa của Trung Quốc. Âm điệu của đàn chuông vô cùng trang nghiêm, đĩnh đạc, hài hoà. Năm 1978, các nhà khảo cổ Trung Quốc đã khai quật được rất nhiều cổ vật trong một ngôi mộ đầu thời kì Chiến quốc ở huyện Tuỳ (nay là thành phố Tuỳ Châu), tỉnh Hồ Bắc. Trong số cổ vật đó có một giàn đàn chuông kích cỡ lớn, có thể gọi là quý hiếm trên đời.

Vì sao đàn chuông cần phải dùng một giàn chuông lớn nhỏ khác nhau nhỉ? Đó chính là vì muốn chúng phát ra những âm thanh có âm điệu khác nhau. Chúng ta biết rằng số lần rung động của vật thể trong một đơn vị thời gian càng nhiều, tức là tần số càng cao, thì âm thanh càng chói, hoặc là nói âm thanh càng cao. Còn về sự cao thấp của tần số thì lại được quyết định bởi khối lượng, hình dạng hình học và kích thước của vật thể. Giàn đàn chuông này, chuông to thì tần số thấp, phát sinh ra âm thanh vang vọng mà trầm hùng; chuông nhỏ thì tần số cao, phát ra âm thanh thánh thót và cao vút. Mỗi một cái chuông đều thay mặt cho một âm điệu, phối hợp vào với nhau sẽ thành ra một giàn nhạc cụ.

Chúng ta có thể dùng cốc nước làm một giàn đàn chuông mô phỏng.

Phương pháp làm rất đơn giản, chỉ cần lấy một chục chiếc cốc pha lê giống nhau, trong cốc đựng nước với mức độ đầy vơi khác nhau, rồi sắp xếp lần lượt theo thứ tự lượng nước trong cốc. Xong xuôi đâu đấy, bạn cầm một chiếc đũa gõ vào các chiếc cốc là chúng sẽ phát ra những âm thanh có âm điệu khác nhau.

Âm thanh từ chiếc cốc phát ra, chủ yếu là do sự rung động của thành cốc. Tuy rằng hình dạng, kích thước và chất liệu của những chiếc cốc này như nhau, song mực nước vơi đầy trong mỗi chiếc một khác. Điều đó tương đương với sự thay đổi khối lượng của thành cốc, vì vậy âm điệu phát ra lúc cao, lúc thấp. Nước rót vào càng đầy, khối lượng càng lớn, thì âm điệu càng thấp. Có sự trợ giúp của nước cũng rất tốt, đó là lượng nước rót vào nhiều hay ít có thể điều tiết, xác định âm điệu tương đối dễ dàng. Sau khi hiệu chỉnh âm điệu là đã có được một giàn đàn chuông mô phỏng rồi.

Ngay bây giờ bạn hãy bắt tay làm thử xem, và diễn tấu một khúc nhạc bằng giàn đàn chuông mô phỏng cho mọi người cùng thưởng thức.

Từ khoá: Âm điệu; Giàn đàn chuông; Tần số.

64. Vì sao hiệu quả âm hưởng của nhà hát lớn Thượng Hải đặc biệt tốt?

Nhà hát lớn Thượng Hải là một toà thánh đường nghệ thuật âm nhạc kết hợp phong cách kiến trúc Trung Quốc và phương Tây. Dáng vẻ bên ngoài của nó thanh thoát, phóng khoáng như những nốt nhạc hài hoà bay bổng, bốn bên dùng kính tấm lớn trong suốt làm tường, lung linh như thuỷ tinh cung. Bước vào nhà hát lớn, bức tranh tường mang đậm sắc thái dân tộc làm cho người xem cảm thụ được bầu không khí nghệ thuật thấm đậm. Tổng diện tích nhà hát lớn đạt 65 nghìn mét vuông, bên trong có một sảnh đường lớn 1800 chỗ ngồi, một kịch trường vừa 500 chỗ ngồi, một kịch trường nhỏ 200 chỗ ngồi và 10 buồng diễn tập, luyện nhạc có kích thước khác nhau. Nhà hát lớn chẳng những đẹp đẽ hoa lệ về hình tượng tổng thể, mà còn thể hiện hết tầm đặc sắc của những buổi trình diễn ba lê, ca kịch và nhạc giao hưởng bằng hiệu quả nghe nhìn tuyệt vời của mình. Thế thì, xét từ góc độ âm học kiến trúc, nhà hát lớn Thượng Hải làm thế nào đạt tới hiệu quả âm hưởng tốt đẹp nhỉ?

Về mặt thiết kế âm học, người thiết kế sắp đặt trên sân khấu một cái chụp phản xạ âm thanh cỡ lớn, có thể tránh cho sóng âm tán thoát ra không gian xung quanh một cách hữu hiệu. Như vậy, sân khấu rộng lớn sâu thẳm, đầu sân khấu hình toả ra, trần nhà treo hình sóng, tất cả như một cái kèn phát lệnh khổng lồ, truyền các hoà âm âm nhạc một cách chân thực về phía khán giả.

Về mặt khống chế thời gian hắt tiếng vang, nhà hát áp dụng thiết kế hắt tiếng vang có thể thay đổi, tiên tiến nhất, trong tường bên của sảnh đường lớn có bố trí rèm hấp thu âm thanh diện rộng khoảng 300 mét vuông. Khi biểu diễn ca kịch, rèm này từ từ hạ xuống để hấp thu sóng âm, làm cho thời gian hắt tiếng vang của sảnh đường lớn rút ngắn đến 1,3 ~ 1,4 giây, nhờ đó tầng nấc của tiếng ca được rõ ràng. Khi diễn tấu nhạc giao hưởng, rút tấm rèm lên, làm cho thời gian hắt tiếng vang trong sảnh đường lớn tăng lên đến 1,8 ~ 1,9 giây nhằm đảm bảo cho khí thế tiếng nhạc giao hưởng mộc mạc, đầy ắp và mạnh mẽ.

Về mặt khống chế tiếng ồn, trong kết cấu kiến trúc, người thiết kế đã cách li hoàn toàn sân khấu và sảnh đường lớn với các buồng phòng bên cạnh, cách âm, xử lí chống rung đối với phòng máy và các thiết bị trong phòng máy, và bố trí nhiều đường ống trừ khử âm thanh, để đảm báo tiếng ồn trong sảnh đường lớn dưới mức 25 đêxiben.

Nhà hát lớn Thượng Hải sừng sững trên quảng trường Nhân dân, từ ngày khánh thành mở cửa đến nay, đã được các nhà âm nhạc Trung Quốc và ngoại quốc cùng khán thính giả đồng thanh ca ngợi. Nó đã góp thêm phong thái mới cho thành phố Thượng Hải đang trên đà phát triển.

Từ khoá: Nhà hát lớn Thượng Hải ; Âm học kiến trúc; Hiệu quả âm hưởng.

65. Thang nhiệt độ được xác định như thế nào?

Chúng ta biết rằng, nhiệt kế có thể được dùng để đo nhiệt độ của vật thể là bao nhiêu độ, song thang nhiệt độ biểu thị trên nhiệt kế đã được xác định như thế nào nhỉ?

Người đầu tiên định ra thang nhiệt độ là nhà vật lí người Đức, Fahrenheit. Ông lấy nhiệt độ ở hai điểm - băng tan chảy và nước sôi, làm hai điểm cơ bản rồi chia độ lên trên nhiệt kế thuỷ ngân. Trên cột thuỷ ngân, ông chia khoảng cách giữa hai điểm nhiệt độ thành 180 vạch nhỏ, mỗi vạch nhỏ là 1 độ. Đó là độ Fahrenheit, biểu thị bằng "F". Tuy nhiên, ông không đặt điểm băng tan là 0°F, mà là 32°F, như vậy điểm sôi của nước là 212°F. Hiện nay, thang nhiệt độ Fahrenheit vẫn còn được sử dụng ở các nước và khu vực như Anh, Châu Bắc Mĩ, Châu Đại Dương, Nam Phi v.v.

Cách xác định thang nhiệt độ thứ hai là do nhà thiên văn người Thuỵ Điển, Celsius, đề xuất năm 1742. Nhiệt kế và hai điểm nhiệt độ cơ bản mà ông chọn dùng hoàn toàn giống như Fahrenheit, vẫn là điểm băng tan và điểm sôi của nước, song Celsius lại chia đều cột thuỷ ngân thành 100 vạch, mỗi vạch là 1°C. Ông đặt điểm tan chảy của băng là 0°C, như vậy điểm sôi của nước là 100°C. Rõ ràng là thang nhiệt độ của Celsius sử dụng tiện lợi hơn thang nhiệt độ Fahrenheit. Hiện nay, đa số các nước trên thế giới đều dùng loại thang nhiệt độ này.

Cách xác định thang nhiệt độ thứ ba là do nhà vật lí người Anh, Thomson (tức huân tước Kelvin), nêu lên vào năm 1848. Nó là một loại thang nhiệt độ không liên quan gì với đặc tính của vật chất do nhiệt và chủng loại của nhiệt kế, gọi là thang nhiệt độ nhiệt động học. Đơn vị của nó là kelvin, dùng K để biểu thị. Đại hội đo lường quốc tế khoá 11 năm 1960 quy định, thang nhiệt độ nhiệt động học chọn điểm ba pha (hay ba trạng thái) của nước, tức là nhiệt độ 273,15 K khi băng, nước và hơi nước cùng tồn tại làm điểm gốc đo nhiệt độ.

Thang nhiệt độ nhiệt động học và thang nhiệt độ Celsius không có sự khác biệt về thực chất, vì khoảng cách mỗi một độ của chúng bằng nhau, tức là khoảng cách nhiệt độ mà 1 K biểu thị bằng với khoảng cách 1°C. Chỉ có sự khác nhau về cách tính điểm gốc của nhiệt độ. Chúng chỉ chênh nhau một hằng số, đó là 273,15.

Từ khoá: Thang nhiệt độ Celsius; Thang nhiệt độ Fahrenheit; Thang nhiệt độ nhiệt động học; Điểm ba pha của nước.

66. Vì sao nhiệt kế có loại chứa rượu, có loại chứa thuỷ ngân?

Nhiệt kế là khí cụ dùng để đo nhiệt độ. Nhiệt kế thường dùng có: nhiệt kế thuỷ ngân và nhiệt kế rượu. Thuỷ ngân và rượu là phần chủ yếu để tạo thành nhiệt kế, gọi là chất đo nhiệt. Chất đo nhiệt có thể dùng để đo nhiệt độ là vì nó có đặc điểm nóng nở lạnh co. Theo đà nhiệt độ lên cao, thể tích của thuỷ ngân và rượu sẽ giãn nở rõ rệt. Điều đó có thể nhận biết trong nhiệt kế là chiều cao của cột thuỷ ngân hoặc cột rượu tăng lên. Như vậy, chỉ cần khắc lên những độ khắc thích hợp thì người ta có thể đọc ra nhiệt độ tương ứng.

Để cho nhiệt kế có giá trị sử dụng càng lớn, vật chất đo nhiệt cần phải có hai đặc tính lớn: một là, sự biến đổi thể tích của chất đo nhiệt theo sự thay đổi nhiệt độ phải rất nhạy, sao cho có thể đo được sự thay đổi nhiệt độ rất nhỏ; hai là, khi đo nhiệt ở nhiệt độ thấp, chất đo nhiệt không được đông lại thành chất rắn; ngược lại, ở nhiệt độ cao, chất đo nhiệt cũng không được biến thành chất khí. Nếu không thế thì không thể nào dùng nó để đo nhiệt.

Đối với thuỷ ngân và rượu có cùng khối lượng, nếu lần lượt làm cho nhiệt độ của chúng tăng lên 1°C, qua thực nghiệm phát hiện, nhiệt lượng hấp thu của rượu lớn hơn của thuỷ ngân rất nhiều, gấp khoảng 20 lần. Vì vậy, độ nhạy của sự biến đổi theo nhiệt độ của cột thuỷ ngân trong nhiệt kế thuỷ ngân lớn hơn nhiều so với cột rượu trong nhiệt kế rượu. Trong công việc thực nghiệm khoa học hoặc đo nhiệt độ cơ thể người, đo nhiệt lượng hấp thu hoặc giải phóng ra của nhiệt kế rất nhỏ, song lại phải thể hiện ra sự biến đổi của nhiệt độ nên nói chung đều dùng nhiệt kế thuỷ ngân. Còn với sự thay đổi nhiệt độ như nhau, rượu hấp thu nhiều nhiệt lượng, khả năng giãn nở lớn, cho nên sự biến đổi lên xuống của cột rượu rõ rệt hơn nhiều so với cột thuỷ ngân. Khi đo nhiệt độ không khí xung quanh và nhiệt độ nước, nói chung thường dùng nhiệt kế rượu.

Rượu và thuỷ ngân còn có đặc tính khác nhau: rượu "chịu lạnh" rất tốt, ở nhiệt độ –117°C nó mới đông lại thành chất rắn, còn thuỷ ngân ở nhiệt độ –31°C đã đông cứng lại, mất đi tính lưu động. Ở những xứ lạnh, nhiệt độ không khí mùa đông xuống xấp xỉ –40°C, vì vậy, nói chung dùng nhiệt kế rượu đo nhiệt độ không khí thì thích hợp. Song thuỷ ngân cũng có một ưu điểm: nó "chịu nóng" khá hơn rượu. Điểm sôi của thuỷ ngân là 356,72°C; còn rượu khi đến 78,3°C thì sẽ sôi và nhanh chóng hoá hơi. Trong trường hợp đo nhiệt độ cao, rõ ràng là nhiệt kế thuỷ ngân có tác dụng đo nhiệt độ chính xác hơn nhiệt kế rượu.

Từ khoá: Nhiệt kế; Vật chất đo nhiệt; Nóng nở lạnh co; Thuỷ ngân; rượu; Điểm đông cứng; Điểm sôi.

67. Vì sao cột thuỷ ngân trong cặp nhiệt độ cho người không thể tự động hạ xuống?

Cái cặp nhiệt độ thuỷ ngân thường dùng được chế tạo dựa vào nguyên lí nóng nở, lạnh co của thuỷ ngân. Các nhiệt kế dùng để đo nhiệt độ nói chung, như đo nhiệt độ trong phòng, ngoài phòng, đo nhiệt độ nước và bể bơi v.v., cột thuỷ ngân của các nhiệt kế này theo sự thay đổi của nhiệt độ môi trường mà có phản ứng lập tức, lên cao hoặc hạ thấp một cách tự động. Nhưng cái cặp nhiệt độ cho người thì sau khi dùng xong, nhất thiết phải vẩy mạnh tay mấy lần thì cột thuỷ ngân mới hạ xuống được.

Chỗ bí ẩn trong chuyện này là, nói chung đường kính trong của ống thuỷ tinh của nhiệt kế có kích thước như nhau, còn kích thước đường kính trong của ống thuỷ tinh cặp nhiệt phải qua thiết kế đặc biệt. Đặc điểm của nó là chỗ tiếp giáp giữa cột thuỷ ngân và bầu thuỷ ngân đặc biệt nhỏ. Chính vì cách thiết kế này làm cho thuỷ ngân trong bầu của cái cặp nhiệt, khi chịu nhiệt giãn nở, có thể từ khe hẹp nhỏ đó đùn lên rất dễ dàng. Còn gặp khi chịu lạnh co dồn lại thì cột thuỷ ngân chẳng những không thể từ khe hẹp đó rút về một cách thuận lợi, mà dưới tác động co lại của lực tập trung bên trong của bản thân thuỷ ngân, cả cột thuỷ ngân liền bị đứt làm hai đoạn tại chỗ khe hẹp. Đầu trên của đoạn trên vẫn chỉ ra nhiệt độ cơ thể, còn đầu dưới chịu tác động co lại của lực tập trung bên trong không thể tự động chảy trở về bầu thuỷ ngân. Chính vì sự thiết kế và chế tạo như vậy mới giúp cho thầy thuốc có thể đo chính xác nhiệt độ cơ thể của người bệnh, chẩn đoán chính xác bệnh tình. Nếu cái cặp nhiệt cũng giống như kiểu đo nhiệt thông thường, vừa rời khỏi cơ thể người, cột thuỷ ngân liền xảy ra sự thay đổi rõ rệt (tụt ngay xuống), thì cái cặp nhiệt mất giá trị thực dụng.

Cái cặp nhiệt sau khi dùng xong, có thể chúc đầu nó xuống, vẩy mạnh tay vài lần. Đó là cách lợi dụng quán tính, làm cho thuỷ ngân của đoạn trên xông qua khe hẹp trở về bầu thuỷ ngân. Có điều khi vẩy tay cũng phải chú ý đến hướng và mức độ dùng sức thì mới có thể đạt được hiệu quả tốt.

Từ khoá: Nhiệt kế; Cái cặp nhiệt. Nóng nở lạnh co; Lực tập trung bên trong; Quán tính.

68. 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 nhiệt động học.

69. Vì sao nước ngầm ấm vào mùa đông, mát vào mùa hè?

Nước ngầm đông ấm hè mát, tại sao vậy? Chẳng lẽ nước ngầm lại có thể tự động điều chỉnh được nhiệt độ?

Nước ngầm là nước ở sâu bên dưới mặt đất vài chục mét, thậm chí sâu hơn nữa. Nhiệt độ của nó không khác mấy với nhiệt độ của nham thạch và thổ nhưỡng ở sâu dưới đất. Do nước ngầm được bao bọc bởi lớp đất khá dày, nó không thể trực tiếp hấp thu nhiệt từ trong khí quyển trên mặt đất, cũng khó có thể tán phát nhiệt lượng vào khí quyển, sự truyền nhiệt của thổ nhưỡng ở sâu dưới đất lại rất chậm, vì vậy nước ngầm hầu như giữ được nhiệt độ không đổi, và không có thể tự động điều chỉnh nhiệt độ.

Khi nước ngầm được bơm lên mặt đất, do nhiệt độ mặt đất và lớp khí quyển bốn mùa trong năm có sự biến đổi rất lớn, con người liền sinh ra cảm giác nóng lạnh khác nhau đối với nước ngầm. Mùa đông, nhiệt độ không khí thấp hơn nhiệt độ nước ngầm, cho nên người ta cảm thấy nước ngầm ấm hơn một ít; mùa hè nhiệt độ không khí cao hơn nhiệt độ nước ngầm, người ta liền cảm thấy nước ngầm mát hơn một ít.

Trên thực tế, nếu dùng nhiệt kế thử đo nhiệt độ nước ngầm ở chỗ nóng dưới đất (ví dụ như nước giếng) thì sẽ nhận thấy, nhiệt độ nước ngầm mùa hè cũng cao hơn ở mùa đông. Chỉ có điều sự biến đổi nhiệt độ nói chung chỉ có 3 – 4°C, không lớn như sự biến đổi về chênh lệch nhiệt độ trên mặt đất mà thôi.

Từ khoá: Nước ngầm; Nhiệt độ.

70. Mùa hè, vì sao xe đạp dễ nổ lốp?

Mùa hè, khi xe đạp đang đi trên đường, đột nhiên "bụp" một tiếng, lốp xe nổ rồi. Đó là điều rất phiền phức đối với người đi xe đạp. Nếu người đi xe đạp ấy biết nguyên lí không khí giãn nở vì nhiệt, anh ta có thể tìm cách tránh được sự cố như vậy.

Mùa hè, chẳng những không khí rất nóng, ngay cả mặt đất cũng bị Mặt Trời nung đốt, nóng rát. Không khí trong săm xe đạp sau khi bị nóng giãn nở sẽ liên tục ép nén vào săm, muốn thoát ra ngoài. Nếu đúng lúc áp suất không khí trong săm xe quá mạnh, hoặc săm lốp xe có chỗ yếu mỏng, thì nó sẽ tuôn ào ra, xé rách săm lốp xe.

Hơn nữa, trong mùa hè nhiệt độ sáng sớm và giữa trưa, trong nhà và bên ngoài chênh nhau rất lớn. Buổi sáng bạn bơm căng săm lốp xe trong nhà, rồi đi ra đường, không khí trong săm lốp xe giãn nở vì nhiệt, liền cố tìm một lối thoát ra, rốt cuộc chỉ có cách làm nổ săm lốp mà thôi. Cho nên, trong ngày hè oi bức, nhất thiết bạn không nên bơm xe đạp đến mức quá căng cứng lên.

Từ khoá: Xe đạp; Săm lốp xe; Giãn nở.