Bài 4. Nhiệt dung riêng, nhiệt nóng chảy riêng, nhiệt hóa hơi riêng

Nhiệt lượng cần truyền cho một vật để nóng lên hoặc chuyển thể phụ thuộc vào một số yếu tố quan trọng, và nó có thể được xác định bằng một số phương pháp khác nhau.

Dung lượng nhiệt: Dung lượng nhiệt của một vật là khả năng của nó để lưu trữ nhiệt. Dung lượng nhiệt càng lớn, vật đó càng cần lượng nhiệt lớn để tăng nhiệt độ. Dung lượng nhiệt thường được đo bằng J/kg·K (joule trên mỗi kilogram độ Kelvin).

Nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối cùng: Sự thay đổi nhiệt độ của vật từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ cuối cùng sẽ quyết định lượng nhiệt lượng cần truyền. Công thức cơ bản là: Q = m.c.∆T

Loại chất liệu: Các chất liệu khác nhau có dung lượng nhiệt khác nhau. Do đó, loại chất liệu của vật cũng ảnh hưởng đến lượng nhiệt cần truyền.

Pha của chất liệu: Nếu chất liệu đang chuyển từ một pha sang pha khác (ví dụ: từ rắn sang lỏng hoặc từ lỏng sang hơi), lượng nhiệt cần truyền sẽ bao gồm cả nhiệt lượng chuyển pha. Công thức thêm vào có thể là: Q = m.L

Áp suất và thể tích: Trong một số trường hợp, áp suất và thể tích của vật cũng có thể ảnh hưởng đến lượng nhiệt cần truyền, đặc biệt là khi có sự chuyển động

Việc xác định lượng nhiệt lượng cần truyền thông thường được thực hiện thông qua các thí nghiệm hoặc tính toán dựa trên các thông số vật lý của vật.

- Ví dụ 1: Đun nóng 1 lít nước từ 20°C lên 100°C:

Khối lượng nước (m) = 1 kg (Vì 1 lít nước có khối lượng xấp xỉ 1 kg)

Nhiệt độ ban đầu (t₁) = 20°C

Nhiệt độ cuối cùng (t₂) = 100°C

Nhiệt dung riêng của nước (c) = 4200 J/kg.K

Nhiệt lượng cần cung cấp (Q) được tính bằng công thức:

Q = m.c.(t₂ - t₁)

Q = 1.4200.(100°C - 20°C)

Q = 336000 J

- Ví dụ 2: Đun nóng 2 kg kim loại từ 30°C lên 80°C:

Khối lượng kim loại (m) = 2 kg

Nhiệt độ ban đầu (t₁) = 30°C

Nhiệt độ cuối cùng (t₂) = 80°C

Giả sử nhiệt dung riêng của kim loại là 800 J/kg.K

Nhiệt lượng cần cung cấp (Q) được tính bằng công thức:

Q = m.c.(t₂ - t₁)

Q = 2.800.(80°C - 30°C)

Q = 400000 J

Nhận xét:

Từ hai ví dụ trên, ta thấy nhiệt lượng cần cung cấp để đun nóng vật tỉ lệ thuận với khối lượng của vật.

Nhiệt lượng cần cung cấp cũng tỉ lệ thuận với độ tăng nhiệt độ của vật (t2 - t1).

Loại vật liệu (chất liệu) cũng ảnh hưởng đến nhiệt lượng cần cung cấp. Mỗi vật liệu có nhiệt dung riêng khác nhau.

Ngoài ra:

Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng vật cũng phụ thuộc vào phương thức đun nóng. Ví dụ, đun bằng bếp gas sẽ tốn nhiều nhiệt lượng hơn so với đun bằng bếp điện.

Trong thực tế, luôn có hao phí nhiệt lượng trong quá trình đun nóng. Do đó, nhiệt lượng thực tế cần cung cấp sẽ cao hơn so với nhiệt lượng tính toán theo công thức.

- Nhiệt lượng: là năng lượng mà vật thu vào hoặc tỏa ra khi thay đổi nhiệt độ. Đơn vị của nhiệt lượng là Joule (J).

- Khối lượng: là lượng chất chứa trong vật. Đơn vị của khối lượng là kilôgam (kg).

- Độ chênh lệch nhiệt độ: là hiệu số giữa nhiệt độ cuối và nhiệt độ đầu của vật. Đơn vị của độ chênh lệch nhiệt độ là Kelvin (K).

- Nhiệt dung riêng: là đại lượng nhiệt vật lý đặc trưng cho khả năng tích trữ nhiệt của vật liệu. Nhiệt dung riêng của một chất được xác định là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của 1 kg chất đó lên 1 K.

- Công thức tính nhiệt dung riêng:

\(c = \frac{Q}{{m.\Delta T}} = \frac{Q}{{m.({t_2} - {t_1})}}\)

Trong đó:

c là nhiệt dung riêng (J/kg.K)

Q là nhiệt lượng (J)

m là khối lượng (kg)

t₂ là nhiệt độ cuối (°C)

t₁ là nhiệt độ đầu (°C)

Chứng tỏ:

Từ công thức trên, ta có:

Đơn vị của Q là J

Đơn vị của m là kg

Đơn vị của (t₂ - t₁) là K

Do đó, đơn vị của c là:

c = J/kg.K

Thanh đồng tăng nhiệt độ nhanh hơn cốc nước có cùng khối lượng vì những lý do sau:

- Nhiệt dung riêng:

Nhiệt dung riêng của đồng (387 J/kg.K) cao hơn nhiều so với nước (4200 J/kg.K). Điều này có nghĩa là đồng cần ít nhiệt lượng hơn nước để tăng nhiệt độ lên 1 K.

Ví dụ: Cần cung cấp 387 J nhiệt lượng để làm tăng nhiệt độ của 1 kg đồng lên 1 K, trong khi cần cung cấp 4200 J nhiệt lượng để làm tăng nhiệt độ của 1 kg nước lên 1 K.

- Dẫn nhiệt:

Dẫn nhiệt là khả năng truyền nhiệt của vật liệu. Đồng là chất dẫn nhiệt tốt hơn nước, nghĩa là nhiệt truyền qua đồng nhanh hơn nước.

Do đó, khi cung cấp nhiệt lượng cho thanh đồng và cốc nước, nhiệt sẽ truyền nhanh hơn trong thanh đồng, dẫn đến thanh đồng tăng nhiệt độ nhanh hơn.

- Khối lượng riêng:

Khối lượng riêng của đồng (8960 kg/m³) cao hơn nhiều so với nước (1000 kg/m³).

Điều này có nghĩa là trong cùng một thể tích, đồng có khối lượng lớn hơn nước.

Do đó, khi cung cấp cùng một lượng nhiệt cho thanh đồng và cốc nước có cùng thể tích, thanh đồng sẽ nhận được nhiều nhiệt lượng hơn do có khối lượng lớn hơn, dẫn đến thanh đồng tăng nhiệt độ nhanh hơn.

Ngoài ra:

Hình dạng và diện tích bề mặt của vật cũng ảnh hưởng đến tốc độ tăng nhiệt độ. Ví dụ, một thanh đồng mỏng sẽ tăng nhiệt độ nhanh hơn một thanh đồng dày.

Lưu ý:

Khi so sánh tốc độ tăng nhiệt độ của hai vật, cần đảm bảo các yếu tố khác như hình dạng, diện tích bề mặt, môi trường xung quanh,... là giống nhau.

Nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một miếng nhôm là:

Q = m.c.∆T = 0,810.880.(75-20) = 48360 J

Để xác định nhiệt dung riêng của một chất bằng thực nghiệm thì cần đo khối lượng của chất, nhiệt lượng cung cấp cho chất, độ tăng nhiệt độ của chất.

Nhiệt lượng cung cấp cho nước được xác định qua công suất của nhiệt lượng kế như sau:

Nhiệt lượng cung cấp cho nước (Q) được tính bằng công thức:

Q = P.t

Q: Nhiệt lượng (J)

P: Công suất của nhiệt lượng kế (W)

t: Thời gian đun nước (s)

- Vẽ đồ thị nhiệt độ của nước theo thời gian đun.

Dựa vào bảng số liệu:

Khối lượng nước: 0,136 kg

Công suất đun: 18,2 W

Nhiệt độ nước ban đầu: 27 °C

Đồ thị nhiệt độ của nước theo thời gian đun:

Nhận xét:

Đồ thị là đường thẳng đi lên, thể hiện rằng nhiệt độ nước tăng dần theo thời gian đun.

Độ dốc của đồ thị thể hiện tốc độ tăng nhiệt độ của nước.

- Xác định nhiệt dung riêng của nước qua độ dốc của đồ thị.

\(c = \frac{P}{{m.\Delta T}}\)

c: Nhiệt dung riêng của nước (J/kg.K)

P: Công suất đun (W)

m: Khối lượng nước (kg)

ΔT: Độ tăng nhiệt độ (°C)

Cách xác định:

Chọn hai điểm bất kỳ trên đồ thị. Ví dụ, chọn điểm (180 s, 33 °C) và điểm (900 s, 54 °C).

Tính độ tăng nhiệt độ: ΔT = 54 °C - 33 °C = 21 °C.

Tính thời gian đun: Δt = 900 s - 180 s = 720 s.

Thay số vào công thức:

\(c = \frac{P}{{m.\Delta T}} = \frac{{18,2}}{{0,136.21}} = 637J/kg.K\)

- Xác định nhiệt dung riêng của nước bằng công thức:

\(c = \frac{{P.\Delta t}}{{m.\Delta T}}\)

Lần đo 1:

ΔT = t₂ - t₁ = 33 °C - 27 °C = 6 °C

\(c = \frac{{P.\Delta t}}{{m.\Delta T}} = \frac{{18,2.180}}{{0,136.6}} = 637J/kg.K\)

Lần đo 2:

ΔT = t₂ - t₁ = 39 °C - 27 °C = 12 °C

\(c = \frac{{P.\Delta t}}{{m.\Delta T}} = \frac{{18,2.360}}{{0,136.12}} = 637J/kg.K\)

Lần đo 3:

ΔT = t₂ - t₁ = 44 °C - 27 °C = 17 °C

\(c = \frac{{P.\Delta t}}{{m.\Delta T}} = \frac{{18,2.540}}{{0,136.17}} = 637J/kg.K\)

Lần đo 4:

ΔT = t₂ - t₁ = 49 °C - 27 °C = 22 °C

\(c = \frac{{P.\Delta t}}{{m.\Delta T}} = \frac{{18,2.720}}{{0,136.22}} = 637J/kg.K\)

Lần đo 5:

ΔT = t₂ - t₁ = 54 °C - 27 °C = 27 °C

\(c = \frac{{P.\Delta t}}{{m.\Delta T}} = \frac{{18,2.900}}{{0,136.27}} = 637J/kg.K\)

Kết quả:

Qua 5 lần đo, nhiệt dung riêng của nước đều cho giá trị gần bằng 637 J/kg.K.

- Tính sai số tuyệt đối của phép đo nhiệt dung riêng của nước.

Công thức:

ΔC = |C - C₀|

ΔC: Sai số tuyệt đối (J/kg.K)

C: Giá trị đo được (J/kg.K)

C₀: Giá trị tiêu chuẩn (J/kg.K)

Cách tính:

ΔC = |637 J/kg.K - 4200 J/kg.K| = 3563 J/kg.K

Kết quả:

Sai số tuyệt đối của phép đo nhiệt dung riêng của nước là 3563 J/kg.K.

Lưu ý:

Sai số tuyệt đối cho biết độ chênh lệch giữa giá trị đo được và giá trị tiêu chuẩn.

Sai số càng nhỏ thì phép đo càng chính xác.

- So sánh giá trị nhiệt dung riêng xác định bằng hai cách đã thực hiện.

Giá trị nhiệt dung riêng xác định qua công suất của nhiệt lượng kế là 600000 J/(1 kg.73 °C) = 8219 J/kg.K.

Giá trị nhiệt dung riêng xác định qua độ dốc của đồ thị là 637 J/kg.K.

Có thể xác định được nhiệt dung riêng của nước qua độ dốc của đồ thị nhiệt độ - thời gian đun theo phương án thí nghiệm đã thực hiện dựa vào nguyên lý sau:

Mối liên hệ giữa nhiệt lượng, nhiệt dung riêng, khối lượng, độ tăng nhiệt độ:

Q = c.m.ΔT

Q: Nhiệt lượng (J)

c: Nhiệt dung riêng (J/kg.K)

m: Khối lượng (kg)

ΔT: Độ tăng nhiệt độ (K)

Phương án thí nghiệm:

- Đun nóng một lượng nước có khối lượng xác định (m) bằng một nguồn nhiệt có công suất (P) trong thời gian (t).

- Ghi lại nhiệt độ ban đầu (t₁) và nhiệt độ cuối cùng (t₂) của nước.

- Vẽ đồ thị nhiệt độ - thời gian đun.

- Xác định nhiệt dung riêng:

Độ dốc của đồ thị nhiệt độ - thời gian đun thể hiện tốc độ tăng nhiệt độ của nước:

Độ dốc = \(\frac{{{t_2} - {t_1}}}{t}\)

Tốc độ tăng nhiệt độ cũng bằng:

Tốc độ tăng nhiệt độ = \(\frac{Q}{{m.t}}\)

Thay Q = P.t vào, ta có:

Tốc độ tăng nhiệt độ = \(\frac{P}{{m.t}}\)

Do đó:

Độ dốc = \(\frac{P}{{m.t}} = \frac{{{t_2} - {t_1}}}{t}\)

Sắp xếp lại, ta có:

\(c = \frac{{P.t}}{{m.\Delta T}}\)

Với số liệu được cho ở Bảng 4.2 thì nhiệt dung riêng của nước xác định được là 637 J/kg.K