Nguyễn Hoàng Hải, ĐHQGHN 4/1/2025 >**Mục đích** >Nghiên cứu sự chuyển pha của nước để thấy sự chuyển pha tuân theo ba quy luật cơ bản của Chủ nghĩa duy vật biện chứng. ## Ba quy luật cơ bản của Triết học Mác-Lênin 1. Quy luật thống nhất và đấu tranh của các mặt đối lập. 2. Quy luật sự thay đổi về lượng dẫn đến sự thay đổi về chất. 3. Quy luật phủ định của phủ định. 4. Xem [[Ba quy luật cơ bản]] của Triết học Mác-Lênin. ## Ví dụ: chuyển pha của nước Thông thường, nước có thể ở một trong ba trạng thái: rắn, lỏng, khí. Xem [[Nước là một chất lỏng]].  Hình 1: Giản đồ pha của nước ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau. Đường nằm ngang màu đỏ là giản đồ pha tại áp suất khí quyển 1 atm (1 bar). Chúng ta sẽ xem xét chuyển pha ở áp suất này. ### Các khái niệm 1. "Sự vật" xem xét là "trạng thái", còn gọi là "pha" của nước như là tập hợp các phân tử H$_2$O. Ở các điều kiện nhất định, nước có thể ở các trạng thái khác nhau. Ở đây chúng ta xem xét sự thay đổi của nhiệt độ, các thông số trạng thái khác như áp suất (áp suất khí quyển khoảng 1 atm, xem Hình 1), số lượng phân tử nước là không thay đổi. 2. "Lượng" chính là "nhiệt độ", là đại lượng vật lí vĩ mô mà chúng ta có thể quan sát. "Động năng" của một phân tử nước là đại lượng vật lí vi mô tỉ lệ với nhiệt độ nhờ vào hằng số Boltzmann: $mv^2/2=3kT/2$. Lượng thay đổi tức là nhiệt độ thay đổi, đồng nghĩa với động năng của phân tử nước thay đổi. Chú ý: động năng ở đây là động năng trung bình, thực tế sự phân bố của động năng không đơn giản mà tuân theo phân bố Maxwell-Boltzmann. 3. "Chất" của sự vật mà chúng ta muốn xem xét là gì? Trong vật lí, sự khác biệt giữa các pha được xác định bởi một đại lượng gọi là "tham số trật tự" $\eta$ (order parameter), một khái niệm do nhà vật lí người Nga là Landau đưa ra vào năm 1937. Tham số trật tự có thể là thể tích, entropy. Dưới đây chúng ta sẽ xem xét tham số trật tự là thể tích. 4. Sự chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác gọi là "sự chuyển pha". Để nghiên cứu chuyển pha, người ta phải tính năng lượng tự do Gibbs. Chuyển pha của nước là chuyển pha loại 1 bởi tham số trật tự là đạo hàm bậc 1 của năng lượng tự do biến đổi đột ngột tại điểm chuyển pha: $v=\partial G/\partial P|_T$. Chú ý: năng lượng tự do Gibbs thay đổi liên tục nhưng đạo hàm bậc 1 của nó thì thay đổi gián đoạn (bước nhảy) ở điểm chuyển pha (Hình 2). 5. Giải thích theo tham số trật tự là cách giải thích vĩ mô. Tuy nhiên tại sao tham số đó lại thay đổi đột ngột (gián đoạn) ở điểm chuyển pha? Chúng ta cần có cách giải thích vi mô để hiểu hơn quá trình vật lí xảy ra. Ba trạng thái rắn-lỏng-khí của nước có sự khác biệt quan trọng: tương tác giữa các phân tử nước. Sự thay đổi tương tác ở các pha khác nhau dẫn đến các tính chất đặc trưng cho các pha là khác nhau. Do đó, tương tác giữa các phân tử chính là chất, là đặc tính để phân biệt các trạng thái của nước. 7. Chất là sự khác biệt giữa các pha: 1. Khí: các phân tử H$_2$O có thể chuyển động tự do, giữa chúng hầu như không có tương tác tức là không có lực hút, lực đẩy. Khi chúng đến gần nhau chúng ta có thể coi gần đúng là chúng va chạm đàn hồi để nhanh chóng rời xa nhau. Chất = phân tử nước chuyển động tự do, không có tương tác. 2. Lỏng: các phân tử nước có tương tác với nhau thông qua liên kết hydrogen nhưng chúng vẫn có thể chuyển động tự do mặc dù không thể chuyển động tự do như trạng thái khí. Một phân tử nước này vừa có dao động tại chỗ vừa có thể thay đổi tương tác với nhiều phân tử nước khác. Do đó, dù có tương tác nhưng nước lỏng vẫn có thể di chuyển để có hình dạng của bình chứa nó. Chất = phân tử nước chuyển động tự do, có tương tác linh động. 3. Rắn: giữa các phân tử nước đá có tương tác nhưng sự tương tác giữa phân tử nước này với phân tử nước khác cố định không thay đổi làm cho nước rắn có hình dạng cố định. Chất = phân tử nước không di chuyển, có tương tác cố định. Nước đá có nhiệt độ khác nhau là bởi động năng của phân tử có được ở dạng dao động xung quanh vị trí cố định. 8. Các mặt đối lập: 1. Lực hút giữa các phân tử nước có được nhờ liên kết hydrogen, là một tương tác lưỡng cực-lưỡng cực (xem [[Liên kết hoá học]]). 2. Lực đẩy đến từ động năng của các phân tử nước. Mặc dù phát biểu trên không hoàn toàn chính xác nhưng với một gần đúng chúng ta có thể coi như vậy.  Hình 2: Giản đồ thể tích-nhiệt độ của nước. Đường màu đen cho thấy sự thay đổi đột ngột của thể tích ở điểm chuyển pha. ### Phân tích triết học #### Trạng thái cân bằng nhiệt động Hai mặt đối lập là lực hút và lực đẩy cùng tồn tại trong nước. Chúng có khuynh hướng đối ngược nhau. Tại một nhiệt độ nào đó, ví dụ ở nhiệt độ phòng, một bình nước ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Khi đó lực hút và lực đẩy cân bằng làm cho thể tích của nước không thay đổi. Ở bề mặt nước, quá trình bay hơi xuất hiện. Khi đó, một số phân tử nước có năng lượng đủ lớn sẽ tách ra khỏi bề mặt để trở thành phân tử khí. Quá trình bay hơi xảy ra ở các nhiệt độ khác nhau, nhưng chỉ xảy ra ở bề mặt lỏng-khí. #### Thay đổi trạng thái: lượng đổi chất đổi Giả sử chúng ta tăng nhiệt độ từ thấp đến cao để xem nước đá chuyển pha thế nào. Khi nhiệt độ tăng lên, các phân tử nước có thêm động năng. Động năng tăng chút ít nước đã vẫn là nước đá. Động năng có thể làm cho phân tử dao động ở vị trí cố định của chúng nhưng chưa đủ làm cho phân tử dịch chuyển sang chỗ khác. Lượng thay đổi chưa dẫn đến thay đổi về chất. Chất ở đây là vị trí cố định của phân tử nước. Nhiệt độ tăng lớn hơn 0 độ C (điểm nút), phân tử có đủ động năng thoát khỏi vị trí cố định. Giữa các phân tử nước vẫn có tương tác là liên kết hydrogen nhưng một phân tử nước có tương tác với nhiều phân tử nước khác. Ở đây có sự thay đổi về chất: vị trí của phân tử không còn cố định. Phân tử có thể chuyển động tự do mặc dù vẫn có liên kết. Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ tăng chút ít, nước có thể nóng lên nhưng vẫn là nước. Quá trình hoá hơi ở bề mặt diễn ra và tăng theo nhiệt độ. Lượng thay đổi nhưng không có sự thay đổi về chất. Tiếp tục tăng nhiệt độ đến nhiệt độ sôi 100 độ C (điểm nút), động năng của phân tử thắng được liên kết hydrogen giữa chúng làm cho phân tử nước hoá hơi trong lòng chất lỏng. Ở đây có sự thay đổi về chất: phân tử chuyển động tự do và không có liên kết. #### Phủ định của phủ định Chuyển pha thứ nhất: nóng chảy để tạo ra nước lỏng là sự phủ định lần 1. Chuyển pha thứ hai: hoá hơi để tạo ra hơi nước là sự phủ định lần 2. Có phủ định lần 3 không? Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ, động năng sẽ làm cho các điện tử thoát khỏi sức hút tĩnh điện của hạt nhân và đi ra khỏi nguyên tử. Lúc này nguyên tử bị ion hoá. Phân tử nước H$_2$O không còn tồn tại. Chúng ta thu được một trạng thái gọi là plasma, là hỗn hợp gồm các ion mang điện. Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ nữa thì sao? Chúng ta không trao đổi ở đây bởi lúc đó không còn là phân tử nước nữa. Tính phổ biến của quy luật: cách giải thích về chuyển pha từ cái nhìn vĩ mô dựa trên tham số trật tự và vi mô dựa trên tương tác phân tử có thể được sử dụng để giải thích cho các chất khác.