Nhiệt động học là một ngành khoa học nghiên cứu các quy luật về sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác, từ phần này sang phần khác của hệ, những hiệu ứng năng lượng gây nên bởi các quá trình vật lý và hóa học khác nhau, sự phụ thuộc của chúng vào điều kiện tiến hành các quá trình cũng như khả năng, chiều hướng và giới hạn của các quá trình tự tiến hành (tự diễn biến), trong những điều kiện nhất định.
Cơ sở chủ yếu của nhiệt động học là hai nguyên lý I và II. Hai nguyên lý này được xây dựng trên cơ sở khái quát hóa các kinh nghiệm thực tiễn trong nhiều thế kỷ của loài người, nó không thể chứng minh được bằng lý luận, vì vậy nó mang tính chất tiên đề. Sự đúng đắn của các nguyên lý đó được chứng thực ở chỗ mọi hệ quả suy ra một cách logic từ chúng phù hợp với lý thuyết và thực tế. Ngoài hai nguyên lý I và II, nguyên lý III của nhiệt động học được xây dựng vào đầu thế kỷ XX (1906) và không mang tính chất tổng quát như nguyên lý I và II, tuy nhiên nó có ý nghĩa quan trọng trong việc phân tích các quá trình hóa học, cũng như góp phần giải quyết nhiều vấn đề mà chỉ dựa vào hai nguyên lý I và II thì chưa đủ. Những hệ quả của nguyên lý III có ý nghĩa khoa học và thực tế to lớn, nó cho phép tính giá trị entropi tuyệt đối của các đơn chất, hợp chất và tính hằng số cần bằng của các phản ứng hóa học.
Nguyên lý không của nhiệt động học xuất hiện sau ba nguyên lý trên vào những năm 30 của thế kỷ XX, nó đề cập tới nguyên lý về cân bằng nhiệt, tính chất và điều kiện cân bằng nhiệt, khẳng định sự tồn tại của nhiệt độ. Phạm vi ứng dụng của nguyên lý này khá rộng rãi và mang tính chất khái quát.
Nhiệt động học như một môn khoa học độc lập ra đời giữa thế kỷ XIX, tuy rằng một số định luật quan trọng của nhiệt động học như định luật Hess (Hess’s Law), nguyên lý Carnot (The Carnot Principles) đã được phát minh trước đó.
Trong giai đoạn phát triển ban đầu, nhiệt động học chỉ nghiên cứu mối quan hệ giá nhiệt và công, nghĩa là giữa lượng nhiệt do vật thể tham gia quá trình nhận vào hay thải ra và lượng công sản sinh ra do kết quả của những quá trình tiến hành trong những điều kiện xác định. Mối quan hệ này được đề cập tới đầu tiên cùng với sự ra đời và phổ biến rộng rãi của máy hơi nước. Những dạng khác của năng lượng trong giai đoạn ấy hầu như chưa được đề cập tới trong nhiệt động học.
Về sau, với sự phát hiện và nghiên cứu những dạng năng lượng khác nhau như năng lượng hóa học, năng lượng bức xạ, năng lượng điện v.v… nhiệt động học dần dần nghiên cứu thêm những dạng năng lượng này, trong các đối tượng khác nhau. Phạm vi ứng dụng thực tiễn của phương pháp nhiệt động học ngày một rộng rãi, chẳng những máy hơi nước, những quá trình biến đổi cơ năng thành nhiệt năng, được nghiên cứu dựa trên các nguyên lý của nhiệt động học, mà ngay cả máy làm lạnh, máy ép, động cơ đốt trong, động cơ phản lực v.v…, cũng như được nghiên cứu dựa trên các nguyên lý này. Nhiệt động học nghiên cứu không những mặt cân bằng năng lượng, mà cả các mặt khác như khả năng, chiều hướng và giới hạn của các quá trình tự diễn biến trong những điều kiện cho sẵn, ví dụ các quá trình xảy ra trong nguyên tố Ganvani, quá trình điện li, các phản ứng hóa học, các hiện tượng hóa học khí quyển, một số quá trình hóa học trong cơ thể động vật và thực vật v.v…
Nhiệt động học được cấu thành bởi nhiệt động học đại cương, nhiệt động học kỹ thuật và nhiệt động học hóa học. Trong đó, nhiệt động học đại cương nghiên cứu lý thuyết tổng quát về nhiệt động học, các lý thuyết này chủ yếu áp dụng để khảo sát các đối tượng vật lý như điện tử, bức xạ… và tính chất của các thể rắn, lỏng, khí. Nhiệt động học kỹ thuật đề cập đề tương quan giữa nhiệt và công cơ học trong các chu trình của động cơ nhiệt, chủ yếu nghiên cứu lý thuyết động cơ nhiệt, máy hơi nước, động cơ đốt trong, xây dựng và hoàn thiện các động cơ đó. Nhiệt động hóa học dựa vào những địnhluậ cơ bản của nhiệt động học để khảo sát các hiện tượng hóa học, đặc biệt và các hiện tượng hóa lý. Nhiệt động học hóa học nghiên cứu chủ yếu những vấn đề của nhiệt hóa học, cân bằng pha và cân bằng hóa học.
Trong nhiệt động hóa học, nhiệt hóa học nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học và hóa lý như phản ứng hóa học, các quá trình trung hòa và hòa tan, nhiệt dung của các đơn và hợp chất, năng lượng liên kết và mối liên hệ giữa hiệu ứng nhiệt và các phản ứng hóa học. Cân bằng pha nghiên cứu các điều kiện và tính chất của cân bằng pha trong các hệ dị thể, những quy luật của các quá trình như kết tinh, nóng chảy, hóa hơi, thăng hoa, chuyển hóa dạng thù hình. Cân bằng hóa học nghiên cứu về những điều kiện cân bằng và diễn biến của các phản ứng hóa học cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cân bằng. Ngoài ra, nhiệt động hóa học còn nghiên cứu các tính chất và quy luật cơ bản của các loại dung dịch và ứng dụng thực tế của chúng.
Trong hóa học, nhiệm vụ chủ yếu của nhiệt động học là xuất phát từ các điều kiện cho sẵn của một phản ứng hóa học, dự đoán chiều hướng và giới hạn của phản ứng hóa học. Trong nhiều trường hợp người ta không cần tiến hành thí nghiệm hoặc không thể thí nghiệm, chỉ cần dựa và các dữ kiện đã biết về hiệu ứng nhiệt của quá trình, áp dụng phương pháp nhiệt động hóa học cũng có thể tính toán để biết được khả năng, chiều hướng và giới hạn của phản ứng cần nghiên cứu. Từ đó rút ngắn thời gian và tiết kiệm công sức về những thí nghiệm mà trong tính toán nhiệt động hóa học đi tới kết luận là một phản ứng nào đó không thể xảy ra trong những điều kiện đã cho.
Ví dụ:
1. Sự khử sắt (III) oxide bằng carbon oxide (CO) có thể biểu diễn bằng phương trình hóa học:$$Fe_2O_3 + 3CO to 2Fe + 3CO_2$$Trong khí thoát ra ở ống khỏi có nhiều carbon oxide mà trong thế kỷ trước người ta cho rằng là kết quả của sự khử không hoàn toàn do lò không đủ cao, do đó không đủ thời gian tiếp xúc giữa khí CO và quặng. Để khắc phục nhược điểm trên, người ta đã xây dựng lò rất cao (tới 30m ở Anh), nhưng kết quả vẫn không tốt hơn, hàm lượng khí CO trong khí thải ra vẫn không giảm sút. Nhờ các kết quả tính toán nhiệt động học, người ra mới hiểu được rằng, trong các điều kiện của lò cao, phản ứng khử nói trên không thể tiến hành đến cùng, và việc CO chiếm lượng đáng kể trong khí thải ra là không thể tránh khỏi.
2. Cuối thế kỷ trước, nhiều thí nghiệm điều chế kim cương nhân tạo từ than chì đã được tiến hành và đều thất bại. Về sau người ta mới hiểu được rằng, sở dĩ thất bại là vì tạo các điều kiện nhiệt độ, áp suất đã tiến hành thí nghiệm thì dạng thù hình than chì bền hơn so với kim cương. Các tính toán nhiệt động học cho thấy, sự chuyển hóa giữa hai dạng thù hình than chì và kim cương đạt trạng thái cân bằng tại 25$$^{circ}$$C và áp suất gần 15’000 atm. Trong thực tế, việc chuyển than chì thành kim cương phải được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ trên 1’500$$^{circ}$$Cvà áp suất khoảng 60’000 atm với sự có mặt của chất xúc tác (Ni+Cr…)
Trong thế kỷ trước, nhiệt động học đã được hình thành và được gọi là nhiệt động học cổ điển. Đến thế kỷ XX, cùng với việc đi sâu vào cấu trúc vi mô của vật chất, đã xuất hiện môn vật lý thống kê. Việc ứng dụng vật lý thống kê để khảo sát các hệ vĩ mô gồm một số rất lớn tiểu phân ở trạng thái cân bằng đưa đến sự hình thành một ngành mới là nhiệt động học thống kê. Dựa vào những dữ kiện quang phổ và cấu tạo phân tử, nguyên tử, đồng thời sử dụng những định luật về xác suất và thống kê, nhiệt động học thông kê cho phép giải thích được ý nghĩa vật lý của các đại lượng nhiệt động, tính được giá trị của các đại lượng đó.
Nhiệt động học cổ điển nghiên cứu các tính chất và quy luật của các quá trình, các hệ ở trạng thái cân bằng, nghĩa là các thông số của chúng không biến đổi theo thời gian, nói cách khác, thông số thời gian không có mặt trong các phương trình nhiệt động đặc trưng cho quá trình hay trạng thái của hệ nghiên cứu. Trong thực tế, các quá trình phụ thuộc vào thời gian. Vì vậy, khoảng 30 năm gần đây đã ra đời môn khoa học mới, chuyên nghiên cứu về tính chất của các quá trình bất thuận nghịch và ứng dụng của chúng, đó là môn nhiệt động học các quá trình bất thuận nghịch.
Trích Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế, Hóa Lí tập I, NXB Giáo dục 2002
