Bài 4. Nhiệt dung riêng – Tóm tắt Vật lí 12

1. Khái niệm

Khái niệm

Khi một vật trao đổi nhiệt với môi trường, vật có thể thu nhiệt và tăng nhiệt độ, hoặc toả nhiệt và giảm nhiệt độ.
Phần năng lượng mà vật nhận thêm hay mất bớt trong quá trình truyền nhiệt gọi là nhiệt lượng, kí hiệu $Q$ . Đơn vị SI của nhiệt lượng là jun, kí hiệu $\mathrm{J}$ .
Nếu cung cấp cùng một nhiệt lượng cho các chất khác nhau, cùng khối lượng, thì chúng tăng nhiệt độ khác nhau. Chẳng hạn, nước lâu nóng hơn cát khi cùng được đun nóng. Điều đó chứng tỏ mỗi chất có đặc trưng riêng khi trao đổi nhiệt, đó chính là nhiệt dung riêng.
Nhiệt dung riêng $c$ của một chất là nhiệt lượng cần cung cấp cho $1\,\mathrm{kg}$ chất đó để nhiệt độ của nó tăng thêm $1\,{}^\circ\mathrm{C}$ , tức tăng thêm $1\,\mathrm{K}$ . Đơn vị SI của nhiệt dung riêng là $\mathrm{J/(kg\cdot K)}$ .

2. Công thức tính nhiệt lượng

Công thức tính nhiệt lượng.

Nhiệt lượng $Q$ mà một vật thu vào hoặc toả ra trong quá trình thay đổi nhiệt độ được tính bởi:

Q=mc(t_2-t_1)=mc\Delta t.

$m$ là khối lượng của vật; $c$ là nhiệt dung riêng của chất cấu tạo nên vật.
$t_1,t_2$ lần lượt là nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối; $\Delta t=t_2-t_1$ là độ biến thiên nhiệt độ.
Nếu $t_2>t_1$ thì $Q>0$ : vật thu nhiệt. Nếu $t_2<t_1$ thì $Q<0$ : vật toả nhiệt.

Giải thích kí hiệu và đơn vị SI:

Kí hiệu	Nghĩa	Đơn vị SI
$m$	Khối lượng của vật	$\mathrm{kg}$
$c$	Nhiệt dung riêng	$\mathrm{J/(kg\cdot K)}$
$Q$	Nhiệt lượng trao đổi	$\mathrm{J}$
$t_1,t_2$	Nhiệt độ đầu, nhiệt độ cuối	$\mathrm{K}$ hoặc ${}^\circ\mathrm{C}$
$\Delta t$	Độ biến thiên nhiệt độ	$\mathrm{K}$ hoặc ${}^\circ\mathrm{C}$

Lưu ý về đơn vị nhiệt độ

Một độ chia trên thang nhiệt độ Celsius có kích thước bằng một Kelvin, nên độ biến thiên nhiệt độ tính bằng Kelvin hay tính bằng độ C đều cho cùng giá trị $\Delta t$ . Tuy nhiên, trong hệ SI, đơn vị của $\Delta t$ là Kelvin.

Nhiệt dung riêng là đặc trưng của chất

Giá trị $c$ không phụ thuộc vào khối lượng của vật hay vào độ biến thiên nhiệt độ, mà phụ thuộc vào chất cấu tạo nên vật. Với nhiều chất rắn, lỏng trong điều kiện thường, $c$ gần như không đổi.
Nước có nhiệt dung riêng lớn, thường lấy $c=4200\,\mathrm{J/(kg\cdot K)}$ . Vì vậy, nước cần nhiều nhiệt lượng hơn nhiều chất khác để thay đổi cùng một đoạn nhiệt độ.

Thí nghiệm đo nhiệt dung riêng

Đun một lượng chất khối lượng $m$ bằng dây điện trở có công suất $\mathcal{P}$ (đo bằng oát kế hoặc jun kế) trong thời gian $\tau$ , đo độ tăng nhiệt độ $\Delta T$ bằng nhiệt kế. Bỏ qua hao phí, nhiệt lượng chất thu vào $Q=\mathcal{P}\tau$ , suy ra

c=\frac{\mathcal{P}\tau}{m\,\Delta T}.

3. Phương pháp giải bài tập

Các bước giải bài toán

1.
Xác định các đại lượng đã cho và đại lượng cần tìm: thường là $Q$ , $m$ , $c$ , $t_1$ , $t_2$ hoặc $\Delta t$ .
2.
Xác định vật thu nhiệt hay toả nhiệt. Nếu chỉ cần độ lớn nhiệt lượng, lấy $\Delta t=|t_2-t_1|$ ; nếu cần xét chiều trao đổi, giữ nguyên $\Delta t=t_2-t_1$ để biết dấu của $Q$ .
3.
Thay số vào công thức $Q=mc\Delta t$ với các đơn vị nhất quán: $m$ tính bằng $\mathrm{kg}$ , $c$ tính bằng $\mathrm{J/(kg\cdot K)}$ thì $Q$ thu được jun.
4.
Với quá trình trao đổi nhiệt lí tưởng, bỏ qua sự hao phí: nhiệt lượng do vật nóng toả ra có độ lớn bằng nhiệt lượng do vật lạnh thu vào.

4. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1

Tính nhiệt lượng cần cung cấp để đun nóng $2\,\mathrm{kg}$ nước từ $20\,{}^\circ\mathrm{C}$ đến $100\,{}^\circ\mathrm{C}$ . Lấy nhiệt dung riêng của nước $c=4200\,\mathrm{J/(kg\cdot K)}$ và bỏ qua sự hao phí nhiệt.

Lời giải · 3 bước

Ta có khối lượng nước $m=2\,\mathrm{kg}$ . Độ biến thiên nhiệt độ của nước là

\Delta t=100-20=80\,{}^\circ\mathrm{C}.

Bước 2

Nhiệt lượng nước cần thu vào là

Q=mc\Delta t=2\cdot 4200\cdot 80=672\,000\,\mathrm{J}.

Bước 3

Vậy cần cung cấp cho nước một nhiệt lượng $672\,000\,\mathrm{J}$ .

Ví dụ 2

Một khối kim loại có khối lượng $0{,}5\,\mathrm{kg}$ nguội từ $300\,{}^\circ\mathrm{C}$ xuống $50\,{}^\circ\mathrm{C}$ . Biết nhiệt dung riêng của kim loại đó là $c=460\,\mathrm{J/(kg\cdot K)}$ . Tính nhiệt lượng khối kim loại đã toả ra.

Lời giải · 3 bước

Vì khối kim loại nguội nên $t_2<t_1$ , suy ra $Q<0$ :

Q=mc(t_2-t_1)=0{,}5\cdot 460\cdot(50-300).

Bước 2

Suy ra

Q=0{,}5\cdot 460\cdot(-250)=-57\,500\,\mathrm{J}.

Bước 3

Dấu trừ cho biết khối kim loại toả nhiệt. Độ lớn nhiệt lượng đã toả ra là $57\,500\,\mathrm{J}$ .

Ví dụ 3

Cho hai vật có cùng khối lượng $m=1\,\mathrm{kg}$ , cùng thu một nhiệt lượng $Q=8\,400\,\mathrm{J}$ . Biết nhiệt dung riêng của hai vật lần lượt là $c_1=2\,100\,\mathrm{J/(kg\cdot K)}$ và $c_2=4\,200\,\mathrm{J/(kg\cdot K)}$ . Tính độ tăng nhiệt độ của mỗi vật.

Lời giải · 3 bước

Từ $Q=mc\Delta t$ suy ra

\Delta t=\frac{Q}{mc}.

Bước 2

Vậy

\Delta t_1=\frac{8\,400}{1\cdot 2\,100}=4\,\mathrm{K};

\Delta t_2=\frac{8\,400}{1\cdot 4\,200}=2\,\mathrm{K}.

Bước 3

Cùng khối lượng và cùng nhiệt lượng thu vào, vật có nhiệt dung riêng nhỏ hơn sẽ thay đổi nhiệt độ nhiều hơn.

5. Liên hệ thực tế

Nhờ nhiệt dung riêng lớn, nước cần thu một nhiệt lượng rất lớn mới tăng nhiệt độ đáng kể, nên được dùng làm chất làm mát trong động cơ. Nước cũng giữ nhiệt lâu nên là chất truyền nhiệt hiệu quả trong các hệ sưởi.
Biển, hồ làm điều hòa khí hậu: ban ngày nước nóng lên chậm nên mát hơn đất liền; ban đêm nước nguội đi chậm nên ấm hơn đất liền. Vì thế, vùng ven biển thường ít biến động nhiệt độ hơn vùng sâu trong lục địa.
Cát nóng nhanh và nguội nhanh hơn nước nên trên bãi biển, cát có thể nóng chân trong khi nước biển vẫn mát.

Nhớ nhanh

1. Khái niệm

2. Công thức tính nhiệt lượng

3. Phương pháp giải bài tập

4. Ví dụ minh họa

5. Liên hệ thực tế