Nhiệt độ, nhiệt dung riêng, nhiệt nóng chảy riêng, nhiệt hóa hơi riêng

Chủ đề này cho nhiều câu tính toán nhất của phần Vật lí nhiệt: đổi nhiệt độ, tính nhiệt lượng, bài toán cân bằng nhiệt có hoặc không có chuyển thể. Đề thường có 2–3 câu ở phần I, một câu đúng/sai dựa trên thí nghiệm đo nhiệt dung riêng hoặc nhiệt hóa hơi riêng, và 1–2 câu trả lời ngắn. Nắm chắc ba công thức $Q = mc\,\Delta T$, $Q = \lambda m$, $Q = Lm$ là lấy được phần lớn số điểm.

Kiến thức trọng tâm

Nhiệt độ và các thang nhiệt độ

• Nhiệt độ cho biết mức độ nóng, lạnh của vật. Theo mô hình động học phân tử, nhiệt độ càng cao thì động năng trung bình của chuyển động nhiệt của phân tử càng lớn.
• Khi hai vật tiếp xúc, nhiệt năng truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp cho tới khi hai vật có cùng nhiệt độ (cân bằng nhiệt).
• Thang Celsius (°C): hai mốc là nhiệt độ nước đá đang tan ($0\,^\circ\text{C}$) và nhiệt độ nước sôi ($100\,^\circ\text{C}$) ở áp suất tiêu chuẩn.
• Thang Kelvin (K, nhiệt độ tuyệt đối, đơn vị SI): $0\,\text{K}$ là nhiệt độ không tuyệt đối, ứng với $-273{,}15\,^\circ\text{C}$; không có nhiệt độ nào thấp hơn. Khoảng chia 1 K bằng khoảng chia $1\,^\circ\text{C}$.

Ở một số nước còn dùng thang Fahrenheit: $t\,(^\circ\text{F}) = 1{,}8\,t\,(^\circ\text{C}) + 32$.

Nhiệt lượng và nhiệt dung riêng

Nhiệt lượng cần cung cấp để vật khối lượng $m$ tăng nhiệt độ thêm $\Delta T$ (không chuyển thể):

Nhiệt dung riêng $c$ của một chất là nhiệt lượng cần để làm $1\,\text{kg}$ chất đó tăng thêm $1\,\text{K}$.

Nước có nhiệt dung riêng rất lớn nên nóng lên và nguội đi chậm: nước được dùng làm chất làm mát động cơ, túi chườm; vùng ven biển ít chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm.

Cân bằng nhiệt (hệ cô lập, bỏ qua trao đổi nhiệt với môi trường): $Q_\text{tỏa} = Q_\text{thu}$.

Nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt hóa hơi riêng

Khi đông đặc hay ngưng tụ, vật tỏa ra đúng nhiệt lượng $\lambda m$ hay $Lm$ đó. Vì vậy bỏng hơi nước $100\,^\circ\text{C}$ nặng hơn bỏng nước sôi: hơi nước ngưng tụ trên da tỏa thêm nhiệt lượng rất lớn.

Bốn giai đoạn trên hình (lấy nhiệt dung riêng của nước đá là $2100\,\text{J/(kg·K)}$, của nước là $4200\,\text{J/(kg·K)}$):

Thí nghiệm đo nhiệt dung riêng

1. Cân khối lượng $m$ của chất lỏng, đổ vào nhiệt lượng kế; ghi nhiệt độ ban đầu.
2. Bật nguồn, khuấy đều; ghi năng lượng điện $E$ trên joulemeter (hoặc công suất $P$ và thời gian $\tau$, khi đó $E = P\tau$) và nhiệt độ sau mỗi khoảng thời gian.
3. Tính $c = \dfrac{E}{m\,\Delta T} = \dfrac{P\tau}{m\,\Delta T}$; hoặc vẽ đồ thị $t$ theo $\tau$, đọc độ dốc $k = \dfrac{\Delta t}{\Delta\tau}$ rồi tính $c = \dfrac{P}{mk}$.

Đo nhiệt hóa hơi riêng của nước: đặt bình nước đang sôi có que đun công suất $P$ lên cân điện tử; sau thời gian $\tau$, khối lượng nước giảm $\Delta m$, suy ra $L = \dfrac{P\tau}{\Delta m}$. Nhiệt lượng hao phí ra môi trường làm $c$, $L$ tính được lớn hơn giá trị thật (vì $E$ đo được gồm cả phần hao phí); bọc cách nhiệt, khuấy đều, làm hai lần với hai công suất khác nhau giúp giảm sai số.

Dạng bài thường gặp trong đề thi

Dạng 1: Đổi nhiệt độ, độ biến thiên nhiệt độ

Xem lời giải

Độ biến thiên nhiệt độ theo hai thang bằng nhau: $\Delta T = \Delta t = 12 - (-2) = 14\,\text{K}$. Chọn A.

B là lỗi coi $-2$ như $+2$; C, D là lỗi cộng thêm 273 vào một hiệu nhiệt độ (chỉ cộng 273 khi đổi một giá trị nhiệt độ).

Dạng 2: Tính nhiệt lượng, thời gian đun, hiệu suất

Xem lời giải

1. $2{,}0\,\text{L}$ nước có $m = 2{,}0\,\text{kg}$.
2. Nhiệt lượng nước thu: $Q = mc\,\Delta T = 2{,}0\cdot4200\cdot75 = 630\,000\,\text{J}$.
3. Công suất có ích: $P_\text{ci} = 0{,}9\cdot1500 = 1350\,\text{W}$.
4. $\tau = \dfrac{Q}{P_\text{ci}} = \dfrac{630\,000}{1350} \approx 466{,}7\,\text{s} \approx 7{,}8$ phút.

Đáp số: 7,8.

Dạng 3: Cân bằng nhiệt không chuyển thể

Xem lời giải

Gọi $t$ là nhiệt độ cân bằng ($20 < t < 100$).

$$0{,}2\cdot880(100 - t) = 0{,}4\cdot4200(t - 20)$$

$$\begin{gathered} 17\,600 - 176t = 1680t - 33\,600 \\ \Rightarrow t = \frac{51\,200}{1856} \approx 27{,}6\,^\circ\text{C} \end{gathered}$$

Kiểm tra: $t$ nằm giữa 20 và 100, hợp lí. Nước có nhiệt dung riêng lớn nên nhiệt độ cân bằng gần nhiệt độ ban đầu của nước.

Dạng 4: Cân bằng nhiệt có chuyển thể

Xem lời giải

1. Nhiệt lượng để tan hết nước đá: $\lambda m_1 = 3{,}34\cdot10^{5}\cdot0{,}050 = 16\,700\,\text{J}$.
2. Nhiệt lượng tối đa nước tỏa ra khi nguội đến $0\,^\circ\text{C}$: $0{,}30\cdot4200\cdot40 = 50\,400\,\text{J} > 16\,700\,\text{J}$ → nước đá tan hết, nhiệt độ cuối $t > 0\,^\circ\text{C}$.
3. Phương trình cân bằng:

Với $0{,}30\cdot4200 = 1260$ và $0{,}050\cdot4200 = 210$ (J/K):

$$1260\,(40 - t) = 16\,700 + 210\,t$$

$$\begin{gathered} 50\,400 - 1260t = 16\,700 + 210t \\ \Rightarrow t = \frac{33\,700}{1470} \approx 22{,}9\,^\circ\text{C} \end{gathered}$$

Dạng 5: Thí nghiệm và đọc số liệu (đúng/sai)

Xem lời giải

a) Đúng. Mỗi phút nhiệt độ tăng khoảng $6\,^\circ\text{C}$, các điểm nằm gần một đường thẳng.

b) Sai. $Q = P\tau = 50\cdot300 = 15\,000\,\text{J}$ (phải đổi 5 phút = 300 s; $250$ là kết quả của phép nhân $50\cdot5$).

c) Đúng. Độ dốc $k = \dfrac{55{,}1 - 25{,}0}{5} \approx 6{,}02$ (°C mỗi phút), tức $k \approx 0{,}100\,\text{K/s}$.

$$\begin{gathered} c = \frac{P}{mk} = \frac{50}{0{,}25\cdot0{,}100} \\ c \approx 1{,}99\cdot10^{3}\,\text{J/(kg·K)} \end{gathered}$$

d) Sai. Có hao phí thì nhiệt độ tăng chậm hơn (độ dốc nhỏ hơn), mà phép tính coi toàn bộ $P\tau$ đã truyền cho X, nên $c$ tính được lớn hơn giá trị thật.

Lỗi thường gặp

Mẹo làm bài

Tự kiểm tra nhanh

1. Đổi $27\,^\circ\text{C}$ và $-73\,^\circ\text{C}$ sang kelvin.

Xem đáp án

$300\,\text{K}$ và $200\,\text{K}$.

2. Nhiệt lượng cần để làm nóng $500\,\text{g}$ đồng từ $20\,^\circ\text{C}$ lên $120\,^\circ\text{C}$ ($c = 380\,\text{J/(kg·K)}$)?

Xem đáp án

$Q = 0{,}5\cdot380\cdot100 = 19\,000\,\text{J} = 19\,\text{kJ}$.

3. Nhiệt lượng cần để $2\,\text{kg}$ nước đá ở $0\,^\circ\text{C}$ tan hết ($\lambda = 3{,}34\cdot10^{5}\,\text{J/kg}$)?

Xem đáp án

$Q = \lambda m = 6{,}68\cdot10^{5}\,\text{J}$.

4. Nhiệt lượng cần để $100\,\text{g}$ nước ở $100\,^\circ\text{C}$ hóa hơi hoàn toàn ($L = 2{,}26\cdot10^{6}\,\text{J/kg}$)?

Xem đáp án

$Q = Lm = 2{,}26\cdot10^{6}\cdot0{,}1 = 2{,}26\cdot10^{5}\,\text{J}$.

5. Cùng khối lượng, cùng nhận một nhiệt lượng, vì sao cát ngoài bãi biển nóng lên nhanh hơn nước biển?

Xem đáp án

Nhiệt dung riêng của cát nhỏ hơn nhiều so với nước, nên với cùng $Q$ và $m$, $\Delta T = \dfrac{Q}{mc}$ của cát lớn hơn.