Bài 4. Nhiệt dung riêng

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng của một chất là nhiệt lượng cần truyền cho 1 kg chất đó để nhiệt độ tăng thêm 1°C (hay 1 K).

• Kí hiệu: c

• Đơn vị: J/(kg·K)

1.2. Công thức nhiệt lượng

$$\text{Q=mc}\Delta t$$

Trong đó:

• $Q$: nhiệt lượng (J)

• $m$: khối lượng (kg)

• $c$: nhiệt dung riêng (J/kg.K)

• $\Delta t$: độ tăng hoặc giảm nhiệt độ (°C hoặc K)

1.3. Ý nghĩa của nhiệt dung riêng

• $c$ càng lớn → chất nóng lên và nguội đi càng chậm.

• $c$ càng nhỏ → chất nóng lên và nguội đi nhanh hơn.

1.4. Ứng dụng

Nước có nhiệt dung riêng lớn nên được dùng làm chất tải nhiệt và chất làm mát.

Một số giá trị thường gặp

• Nước: $4200\text{ J/(kg.K)}$

• Không khí: $1000\text{ J/(kg.K)}$

• Thủy tinh: $840\text{ J/(kg.K)}$

• Sắt: $440\text{ J/(kg.K)}$

• Đồng: $380\text{ J/(kg.K)}$

• Chì: $130\text{ J/(kg.K)}$

2. HIỂU SÂU BẢN CHẤT

💡 Nhiệt lượng cần cung cấp cho vật phụ thuộc vào:

• Khối lượng của vật.

• Độ tăng nhiệt độ của vật.

• Bản chất chất làm vật (nhiệt dung riêng).

💡 Nước có nhiệt dung riêng lớn nên:

• Hấp thụ nhiều nhiệt mà nhiệt độ tăng chậm.

• Tỏa nhiều nhiệt mà nhiệt độ giảm chậm.

• Thích hợp dùng làm chất làm mát trong nhiều hệ thống.

💡 Ứng dụng: Nước có nhiệt dung riêng lớn nên được dùng làm chất tải nhiệt và chất làm mát.

• Nước được dùng để làm mát động cơ.

• Nước giúp điều hòa khí hậu ven biển.

💡 Trong công thức $\text{Q=mc}\Delta t$:

• $\Delta \mathrm{t>0}$: vật thu nhiệt.

• $\Delta \mathrm{t<0}$: vật tỏa nhiệt.

3. GHI NHỚ NHANH

• Nhiệt dung riêng đặc trưng cho khả năng thu nhiệt của chất.

• Công thức cơ bản:

$$\text{Q=mc}\Delta t$$

$c$ lớn → nóng lên chậm, nguội đi chậm.

• Nước có nhiệt dung riêng rất lớn: $c_{\text{nước}}\text{=4200}\text{ J/(kg.K)}$

• $1^{\circ }C$ và $1K$ có cùng độ lớn nên: $\Delta t{(}^{\circ }\mathrm{C)=}\Delta \text{T(K)}$

4. LƯU Ý CHO HỌC SINH

• Luôn đổi khối lượng về đơn vị kg trước khi tính toán.

• Trong công thức

$$\text{Q=mc}\Delta t$$phải dùng độ biến thiên nhiệt độ $\Delta t$, không dùng nhiệt độ đầu hoặc nhiệt độ cuối.

• Nhiệt dung riêng càng lớn thì chất nóng lên và nguội đi càng chậm.

• Công thức $\text{Q=mc}\Delta t$ chỉ áp dụng khi vật thay đổi nhiệt độ mà không xảy ra sự chuyển thể.

5. Mở rộng và nâng cao – Dành cho học sinh giỏi và thi đánh giá năng lực

5.1. Nhiệt dung của một vật

Nhiệt dung C của một vật là nhiệt lượng cần truyền cho vật để nhiệt độ của vật tăng thêm 1 K (hoặc 1 °C).

$$\text{C =}\frac{Q}{\mathrm{\Delta T}}\text{= mc}$$

Đơn vị của nhiệt dung là J/K. Nhiệt dung phụ thuộc cả khối lượng và bản chất của vật, còn nhiệt dung riêng c là đại lượng đặc trưng cho vật liệu.

Nhiệt dung là đại lượng cộng được: khi ghép nhiều vật cùng biến thiên một lượng nhiệt độ, nhiệt dung của hệ bằng tổng nhiệt dung của các vật.

5.2. Nhiệt dung của hệ gồm nhiều vật

Với hệ gồm các vật có khối lượng mᵢ và nhiệt dung riêng cᵢ, bỏ qua trao đổi nhiệt với môi trường và chưa xảy ra chuyển thể:

$$C_{\mathrm{hệ}}\text{= Σmᵢcᵢ}$$

Nếu quy ước toàn bộ hệ có khối lượng m = Σmᵢ và nhiệt dung riêng hiệu dụng c_hd thì:

$$c_{\mathrm{hd}}=\frac{C_{\mathrm{hệ}}}{m}=\frac{\text{Σmᵢcᵢ}}{\mathrm{\Sigma mᵢ}}$$

c_hd là trung bình có trọng số theo khối lượng, không phải trung bình cộng đơn giản của các nhiệt dung riêng thành phần.

5.3. Phương trình cân bằng nhiệt

Trong một hệ cô lập về nhiệt, tổng đại số nhiệt lượng mà các vật trao đổi bằng không. Quy ước Q > 0 khi vật nhận nhiệt và Q < 0 khi vật tỏa nhiệt:

$$\text{ΣQ = 0}$$

Khi thả vật nóng vào chất lỏng lạnh trong nhiệt lượng kế, nếu không có chuyển thể và bỏ qua thất thoát nhiệt:

$$\text{m₁c₁(T₁ -}{T}_{\mathrm{cb}}\text{) = (m₂c₂ +}{C}_{\mathrm{nlk}})(T_{\mathrm{cb}}\text{- T₂)}$$

Trong đó $C_{\mathrm{nlk}}$ là nhiệt dung của nhiệt lượng kế và các bộ phận cùng tham gia trao đổi nhiệt. Nếu bỏ qua $C_{\mathrm{nlk}}$ khi nó không nhỏ, kết quả xác định nhiệt dung riêng sẽ bị sai lệch có hệ thống.

Nhiệt độ cân bằng luôn nằm giữa các nhiệt độ ban đầu nếu hệ không có nguồn sinh nhiệt, không chuyển thể và các nhiệt dung đều dương.

5.4. Hiệu chỉnh thí nghiệm dùng dây đốt điện

Trong mô hình lí tưởng, điện năng do dây đốt cung cấp hoàn toàn làm tăng nội năng của mẫu: $\text{Q = Pτ = mcΔT}$. Trong thí nghiệm thực, bình chứa và cảm biến cũng nóng lên, đồng thời hệ truyền nhiệt ra môi trường:

$$\text{Pτ = (mc +}{C}_{\text{dụng cụ}}\text{)ΔT +}{Q}_{\text{hao phí}}$$

Nếu công suất P gần như không đổi và tổn hao nhiệt còn nhỏ ở giai đoạn đầu, độ dốc của đồ thị nhiệt độ theo thời gian cho phép ước lượng:

$$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{d\tau }}\approx \frac{P}{\text{mc +}{C}_{\text{dụng cụ}}}$$

Đồ thị nhiệt độ theo thời gian trong thí nghiệm xác định nhiệt dung riêng. Nguồn: SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức.

• Dùng phần gần tuyến tính của đồ thị; không nên chỉ lấy một cặp số liệu đơn lẻ.

• Cách nhiệt tốt, khuấy đều và đặt cảm biến không chạm dây đốt để giảm sai số.

• Đo hoặc hiệu chuẩn nhiệt dung của bình chứa nếu cần kết quả chính xác.

• Khi nhiệt độ mẫu càng chênh lệch với môi trường, tốc độ thất thoát nhiệt thường càng lớn.

5.5. Nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ và trạng thái

Công thức Q = mcΔT giả sử c gần như không đổi trong khoảng nhiệt độ đang xét. Nếu c thay đổi đáng kể theo nhiệt độ thì phải dùng biểu thức tổng quát:

$$\text{Q = m}\sum _{\mathrm{T₁}}^{\mathrm{T₂}}\text{c(T)dT}$$

Có thể định nghĩa nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng từ T₁ đến T₂:

$$c_{\mathrm{tb}}=\frac{Q}{\left[m\left(T_2-T_1\right)\right]}$$

Cùng một chất có thể có nhiệt dung riêng khác nhau ở thể rắn, lỏng và khí. Khi xảy ra chuyển thể, không được áp dụng duy nhất $\text{Q = mcΔT}$ cho toàn bộ quá trình; phần nhiệt lượng chuyển thể sẽ được học ở các bài tiếp theo.

5.6. Quán tính nhiệt và vai trò đặc biệt của nước

Vật có nhiệt dung C lớn cần trao đổi nhiều nhiệt lượng hơn để thay đổi cùng một lượng nhiệt độ, nên thường nóng lên và nguội đi chậm hơn trong cùng điều kiện truyền nhiệt. Khả năng “chống lại” sự thay đổi nhiệt độ này thường được gọi là quán tính nhiệt.

• Nước có nhiệt dung riêng lớn nên được dùng làm chất tải nhiệt và chất làm mát trong nhiều thiết bị.

• Biển và hồ góp phần điều hòa nhiệt độ vùng ven bờ vì khối nước lớn hấp thụ, tích trữ và giải phóng một lượng nhiệt đáng kể.

• Túi chườm nóng chứa nước giữ ấm lâu; ngược lại, vật có nhiệt dung nhỏ thường đổi nhiệt độ nhanh hơn.

5.7. Ước lượng độ không đảm bảo khi đo nhiệt dung riêng

Với phương pháp điện, nếu bỏ qua nhiệt dung dụng cụ và hao phí, c = Pτ/(mΔT). Độ không đảm bảo tương đối cực đại có thể ước lượng gần đúng bởi:

$$\text{δc ≈ δP + δτ + δm + δ(ΔT)}$$

Trong đó δx = Δx/x là độ không đảm bảo tương đối của đại lượng x. Vì ΔT là hiệu của hai số đo nhiệt độ, chọn độ tăng nhiệt quá nhỏ thường làm sai số tương đối của ΔT lớn; nhưng tăng nhiệt quá cao lại làm hao phí nhiệt ra môi trường tăng. Cần chọn khoảng đo hợp lí.

5.8. Câu hỏi tư duy nâng cao

1. Hai vật làm bằng cùng một chất, vật A có khối lượng gấp đôi vật B. So sánh nhiệt dung và nhiệt dung riêng của hai vật.

2. Trộn 0,20 kg nước ở 80 °C với 0,30 kg nước ở 20 °C trong bình cách nhiệt. Bỏ qua nhiệt dung của bình. Tính nhiệt độ cân bằng.

3. Trong phép đo bằng dây đốt, nếu bỏ qua nhiệt dung của bình chứa thì giá trị nhiệt dung riêng tính được thường lớn hơn hay nhỏ hơn giá trị thật?

4. Vì sao khi xử lí số liệu nên xác định độ dốc từ nhiều điểm trên đoạn gần tuyến tính của đồ thị T–τ?

5. Có thể dùng công thức Q = mcΔT cho giai đoạn nước đang sôi ở áp suất không đổi không? Giải thích.

Gợi ý ngắn: (1) C_A = 2C_B, còn c_A = c_B; (2) 44 °C; (3) lớn hơn vì nhiệt lượng cấp còn làm nóng bình; (4) giảm ảnh hưởng của sai số ngẫu nhiên; (5) không, khi sôi nhiệt độ gần như không đổi và nhiệt lượng dùng cho chuyển thể.