Chủ đề III. Nhiệt

Các hạt cấu tạo nên chất chuyển động không ngừng và hỗn độn; chuyển động này được gọi là chuyển động nhiệt. Nhiệt độ càng cao, các hạt nhìn chung chuyển động nhiệt càng nhanh. Hình vẽ dùng chấm và mũi tên chỉ là mô hình để giải thích, không phải ảnh chụp nguyên tử. Ngay ở 0 °C, các hạt vẫn chuyển động; không nhầm mốc nhiệt độ Celsius với việc hết chuyển động.

Năng lượng nhiệt của vật, theo cách dùng trong bài học, là tổng động năng do chuyển động nhiệt của các hạt cấu tạo nên vật. Nội năng gồm động năng chuyển động nhiệt và thế năng tương tác giữa các hạt. Vì vậy không định nghĩa nội năng chỉ là năng lượng do cả vật chuyển động từ nơi này sang nơi khác, cũng không bỏ qua phần thế năng tương tác.

Nhiệt độ và nội năng không phải cùng một đại lượng. Hai lượng nước khác nhau ở cùng nhiệt độ có thể có nội năng khác nhau vì số lượng hạt khác nhau. Khi xét cùng một vật trong điều kiện không có biến đổi pha, tăng nhiệt độ thường đi kèm tăng nội năng. Không dùng việc so nhiệt độ của hai vật khác chất, khác khối lượng để kết luận ngay vật nào có nội năng lớn hơn.

Nội năng có thể thay đổi khi vật nhận hoặc truyền năng lượng bằng cách truyền nhiệt, và khi thực hiện công trong những quá trình thích hợp. Cốc nước ấm lên khi nhận năng lượng từ vật nóng hơn là ví dụ truyền nhiệt; xoa hai bàn tay làm tay ấm lên liên quan ma sát và thực hiện công. Cần nhận diện quá trình, không chỉ nhìn kết quả nhiệt độ tăng rồi cho rằng nguyên nhân giống nhau.

Joulemeter trong thí nghiệm học tập đo năng lượng điện được cung cấp cho thiết bị, thường theo đơn vị joule J. Khi dùng bộ đun làm nóng nước, số đo cho biết năng lượng điện đã cấp, không mặc nhiên bằng toàn bộ năng lượng nước nhận. Một phần còn làm nóng dụng cụ hoặc truyền ra môi trường. Cần kiểm tra cách đặt lại số, giá trị đầu và cuối theo hướng dẫn của bộ thí nghiệm.

Một bảng thực hành nên ghi lượng nước, nhiệt độ đầu, nhiệt độ sau và năng lượng cấp trong cùng điều kiện đo. Để so sánh các lần, giữ các yếu tố cần thiết như bộ dụng cụ, lượng nước và cách khuấy tương tự nếu phương án yêu cầu. Thao tác với bộ đun do giáo viên hướng dẫn; không chạm bộ phận nóng hay tự dùng điện gia dụng. Kết luận phải phù hợp dữ kiện và sai khác thực nghiệm.

Trong các quá trình truyền nhiệt tự nhiên đang xét, năng lượng truyền từ vật hoặc vùng có nhiệt độ cao hơn sang nơi có nhiệt độ thấp hơn. Quá trình có thể tiếp tục cho tới khi các phần đạt trạng thái cân bằng nhiệt thích hợp. Nhiệt không phải một chất lỏng chảy từ vật này sang vật khác; đó là cách truyền năng lượng, cần phân biệt với việc chuyển cả vật nóng tới nơi khác.

Dẫn nhiệt là sự truyền năng lượng qua tương tác giữa các hạt, không kèm chuyển dời cả khối chất từ vùng này sang vùng kia. Kim loại thường dẫn nhiệt tốt; gỗ, nhựa và không khí bị giữ trong các lỗ nhỏ thường dẫn nhiệt kém hơn trong điều kiện ứng dụng. Vì vậy tay cầm nồi có thể dùng vật liệu dẫn nhiệt kém, còn phần đáy nồi dùng vật liệu dẫn nhiệt tốt.

Đối lưu là sự truyền nhiệt nhờ chuyển động thành dòng của chất lỏng hoặc chất khí. Khi đun nước từ phía dưới trong điều kiện thông thường, vùng nước nóng hơn thường nhẹ hơn trên cùng thể tích nên chuyển động lên, vùng lạnh hơn chuyển xuống, tạo dòng. Chất rắn không có dòng đối lưu như chất lỏng hoặc khí vì các phần của nó không chảy thành dòng theo cách đó.

Bức xạ nhiệt là cách truyền năng lượng bằng bức xạ điện từ, không cần môi trường vật chất, nên có thể truyền qua chân không. Năng lượng từ Mặt Trời tới Trái Đất là ví dụ quan trọng. Bề mặt của vật ảnh hưởng khả năng hấp thụ và phát bức xạ; với các điều kiện khác tương tự, bề mặt sẫm, nhám thường hấp thụ bức xạ tốt hơn bề mặt sáng, bóng trong ví dụ học tập.

Nhiều tình huống có đồng thời ba hình thức. Trong một cốc nước nóng, năng lượng truyền qua thành cốc, theo dòng không khí và bằng bức xạ; nếu nước bay hơi còn có thêm quá trình mang năng lượng ra ngoài. Muốn giữ nhiệt, có thể giảm dẫn nhiệt, hạn chế dòng đối lưu và giảm trao đổi bức xạ bằng cấu tạo phù hợp, thay vì tìm một biện pháp duy nhất cho mọi trường hợp.

So sánh vật liệu giữ nhiệt cần kiểm soát lượng nước, nhiệt độ ban đầu, loại cốc, diện tích bọc, thời gian và điều kiện môi trường. Ghi nhiệt độ ở các mốc giống nhau rồi so mức giảm trong cùng khoảng đo. Chỉ dùng nước ấm và dụng cụ được giáo viên chuẩn bị; không đặt tay vào nước nóng để đo. Kết luận chỉ áp dụng cho các mẫu và điều kiện đã khảo sát.

Nhiều chất rắn, chất lỏng và chất khí nở ra khi nóng lên, co lại khi lạnh đi trong những khoảng nhiệt độ và điều kiện thông thường. Sự nở có thể thể hiện qua chiều dài hoặc thể tích. Khi mô tả, cần nói rõ vật nào được làm nóng và điều kiện có cho phép nó nở tự do không; nếu bị giữ chặt, sự nở có thể tạo lực gây biến dạng.

Các chất rắn khác nhau nở vì nhiệt khác nhau ngay cả khi có kích thước đầu và độ tăng nhiệt độ như nhau. Vì vậy, công trình và máy móc phải dự kiến khe hoặc khớp phù hợp để các bộ phận thay đổi kích thước. Ví dụ minh họa khe giãn nở của cầu, đường ray hoặc sàn cần hiểu theo cấu tạo thực tế; không phải mọi công trình đều dùng một kiểu khe giống nhau.

Chất lỏng cũng thường nở khi nóng lên trong khoảng xét, nên mức chất lỏng trong ống hẹp có thể dâng. Nhiệt kế chất lỏng khai thác sự thay đổi thể tích và được chia độ để đọc nhiệt độ. Bình chứa cũng nở, nên trong phân tích chi tiết cần xét cả bình; ở mô hình đơn giản của bài, hiện tượng thấy được là mức chất lỏng thay đổi theo nhiệt độ.

Chất khí có thể tăng thể tích khi được làm nóng nếu được phép giãn nở và áp suất thích hợp. Nếu khí bị nhốt trong bình kín cứng, không thể nói thể tích bình sẽ tăng tùy ý; áp suất có thể thay đổi. Vì vậy không đun nóng bình kín hoặc đặt pin, bình xịt gần nguồn nhiệt để thử sự nở. Điều kiện chứa khí là một phần quan trọng của cách giải thích.

Băng kép gồm hai lớp kim loại gắn chặt, có mức nở vì nhiệt khác nhau. Khi nhiệt độ thay đổi, hai lớp muốn thay đổi chiều dài khác nhau nên băng cong; trong trường hợp làm nóng, lớp nở nhiều hơn nằm phía ngoài của cung cong. Tính chất này có thể dùng trong thiết bị đóng, ngắt theo nhiệt độ, nhưng không tự tháo thiết bị gia dụng để tìm hiểu khi chưa có hướng dẫn.

Không nên biến quy tắc thường gặp thành khẳng định không có ngoại lệ. Nước có sự nở đặc biệt trong khoảng gần 0 đến 4 °C; vì thế ví dụ hoặc thí nghiệm cần nêu khoảng nhiệt độ xét. Khi đọc số liệu, so kích thước trước và sau, tính độ thay đổi bằng phép trừ và ghi đơn vị. Hình vẽ phóng đại sự nở giúp quan sát nhưng không thể dùng như tỉ lệ đo thật.