Bài 4: Nhiệt dung riêng và phép đo
Cùng một nhiệt lượng, kim loại và nước có thể tăng nhiệt độ rất khác nhau. Nắm chắc c, Q và cách đo để giải đúng mọi bài nhiệt dung riêng.
HỌC XONG BÀI NÀY
- Nêu được ý nghĩa và đơn vị của nhiệt dung riêng.
- Tính Q = mcΔT với điều kiện không chuyển thể.
- Mô tả quy trình xác định c từ điện năng và độ tăng nhiệt độ.
Kiến thức nền tảng
Nhiệt dung riêng c mô tả lượng năng lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của 1 kg chất lên 1 K trong điều kiện quy định. Giá trị c đặc trưng cho chất, trạng thái và khoảng nhiệt độ khảo sát; trong nhiều bài THPT coi c không đổi.
Nhiệt dung riêng c cho biết năng lượng cần để 1 kg chất tăng 1 K, khi không chuyển thể và trong điều kiện xét. Nếu có bình chứa, năng lượng của bình cũng phải được tính; nếu công suất nhiệt hữu ích không bằng công suất điện, cần thêm hiệu suất hoặc hiệu chỉnh tổn thất.
Đo nhiệt dung và nhiệt chuyển thể
Ghi khối lượng, nhiệt độ ban đầu/cuối, điện áp, dòng điện, thời gian; khuấy nhẹ để nhiệt độ đều, đặt cảm biến đúng cách và hạn chế trao đổi với môi trường. Từ đồ thị T–t khi cấp nhiệt ổn định, độ dốc gần P/(mc) nếu bỏ qua bình và tổn thất. Đoạn chuyển thể dùng thời gian và công suất hữu ích. Sai số lặp lại được đánh giá qua độ phân tán; sai lệch do mất nhiệt không tự hết bằng việc đo nhiều lần.
Quy trình xử lí bài đo nhiệt dung riêng
- Xác định khối lượng mẫu m; đo nhiệt độ đầu và cuối trong đoạn không chuyển thể.
- Tính năng lượng điện E = PΔτ, hoặc E = UIΔτ khi U và I ổn định.
- Nếu bỏ qua bình và thất thoát: c = E/(mΔT). Nếu bình có nhiệt dung C và hiệu suất η đã biết: ηE = (mc + C)ΔT.
- Với nhiều mốc đo, vẽ T theo thời gian τ; lấy độ dốc s từ đường phù hợp các điểm. Khi mô hình phù hợp, c = (ηP/s − C)/m.
Phải dùng công suất trung bình nếu công suất thay đổi. Sai lệch do thất thoát nhiệt thường làm giá trị c tính từ toàn bộ điện năng lớn hơn giá trị thực; lấy trung bình nhiều lần không tự loại được sai lệch này.
Bảng kiến thức cần nhớ
| Nội dung | Ghi nhớ | Điều kiện |
|---|---|---|
| Tăng nhiệt | Q = mc(T₂ − T₁) | Không chuyển thể; c coi không đổi |
| Có bình nhiệt dung C | Q = (mc + C)ΔT | C tính J/K |
| Đo bằng điện | c = ηPt − CΔTmΔT | Mô hình hiệu suất đã biết |
Phóng to hình ↗
Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1. Đun 0,5 kg nước
Cho c = 4200 J/(kg·K), tăng từ 20 lên 60 °C, bỏ qua bình và thất thoát. Q = 0,5 × 4200 × 40 = 84 000 J = 84 kJ. Kiểm đơn vị: kg × J/(kg·K) × K = J.
Ví dụ 2. Tính thời gian khi có hiệu suất
Bếp 700 W, hiệu suất 80%, cung cấp 84 kJ hữu ích cho nước. Công suất hữu ích là 560 W; thời gian t = 84 000/560 = 150 s. Nếu dùng trực tiếp 700 W sẽ đánh giá thời gian thấp hơn thực tế theo mô hình đề.
Luyện tập và đề ôn liên quan
Tự kiểm tra
Cùng nhận 1 kJ, hai mẫu cùng khối lượng có c lớn hơn thì tăng nhiệt nhiều hay ít hơn?
Xem đáp án và cách kiểm
Ít hơn, vì ΔT = Q/(mc), với các giả thiết không chuyển thể và không thất thoát.
ĐỌC SÂU HƠN · KẾT NỐI VỚI BÀI TẬP
Công thức trọng tâm và điều kiện áp dụng
Nhiệt lượng trong một pha
Không có chuyển thể; c coi không đổi trên khoảng nhiệt độ xét.
Tính nhiệt dung riêng
Giả sử đã trừ tổn thất và nhiệt lượng của bình nếu có.
1. Công thức, đơn vị và điều kiện
Q đo bằng joule (J), m tính bằng kg, ΔT là độ biến thiên nhiệt độ theo K hoặc °C; c có đơn vị J/(kg·K). Khi vật nhận nhiệt, ΔT dương; khi vật nguội đi, có thể tính độ lớn nhiệt lượng tỏa ra bằng mc(Tđầu − Tcuối).
Nếu mẫu đang nóng chảy hoặc sôi thì phải xét nhiệt chuyển thể riêng. Không lấy Q = mcΔT để tính nhiệt lượng nóng chảy hoặc hóa hơi khi ΔT bằng 0.
2. Thực hành đo nhiệt dung riêng
Với điện trở đun nóng, đo khối lượng nước m, hiệu điện thế U, cường độ dòng điện I và thời gian t; điện năng cung cấp xấp xỉ E = UIt khi U và I gần như ổn định. Nếu bỏ qua mất nhiệt và nhiệt do bình chứa hấp thụ, có thể ước lượng c ≈ UIt/(mΔT).
Thực tế, một phần điện năng dùng để làm nóng bình, phần khác thất thoát ra ngoài. Nếu biết nhiệt dung Cb của bình và hiệu suất truyền nhiệt η, cân bằng năng lượng gần đúng:
Để giảm sai số: khuấy đều, đo nhiều thời điểm, tránh đặt cảm biến sát điện trở, cách nhiệt bình và lặp lại thí nghiệm. Khi vẽ T theo thời gian, độ dốc nhiệt độ còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt dung bình và công suất thực tế.
3. Tại sao nước giúp điều hòa nhiệt độ?
Nước có nhiệt dung riêng tương đối lớn (thường dùng xấp xỉ 4 180–4 200 J/(kg·K)), nên với cùng khối lượng và cùng độ tăng nhiệt độ, nước cần nhiều nhiệt lượng hơn nhiều kim loại. Vì thế biển, hồ nước và hệ thống làm mát bằng nước có khả năng tích trữ, trao đổi lượng nhiệt đáng kể.
4. Ví dụ tính đúng đơn vị
- Khối lượng đã ở đơn vị kg; ΔT = 40 − 25 = 15 K.
- Q = 0,35 × 4 200 × 15 = 22 050 J.
- Đổi thành 22,05 kJ. Chưa có chuyển thể nên không dùng λ hoặc L.
Những lỗi học sinh thường mắc
- Dùng khối lượng gram mà không đổi sang kilogram.
- Cộng 273,15 vào ΔT của quá trình tăng/giảm nhiệt.
- Bỏ qua nhiệt dung của bình đo hoặc hiệu suất khi đề đã cho.
- Dùng Q = mcΔT cho đoạn nhiệt độ không đổi khi chuyển thể.
Liên hệ thực tế
Đun nồi nước trên bếp điện, thiết kế bình giữ nhiệt và hệ thống tản nhiệt động cơ đều liên quan đến nhiệt dung riêng. Khi thực nghiệm, nhiệt kế chỉ nhiệt độ còn oát kế cung cấp dữ liệu điện năng, hai số đo đóng vai trò khác nhau.
Sơ đồ tư duy Bài 4
Mỗi nhánh ghi rõ kiến thức, điều kiện hoặc lỗi dễ nhầm — em có thể mở bản vector lớn để đọc chi tiết.
Đọc sơ đồ bằng chữ
- Ý nghĩa của c: Năng lượng tăng 1 K cho 1 kg · Đơn vị J/(kg·K) · Tùy chất và trạng thái
- Công thức: Q = mcΔT · m đổi về kg · ΔT tính theo K hoặc °C
- Đo thực nghiệm: Đo m, U, I, t, nhiệt độ · Điện năng E = UIt · Khuấy đều, cách nhiệt
- Sai số: Bình cũng hấp thụ nhiệt · Nguồn nhiệt bị thất thoát · Lặp đo và xử lý dữ liệu
- Ứng dụng: Nước có c khá lớn · Hệ thống làm mát · So sánh vật liệu
- Nhận diện: Một pha → mcΔT · Chuyển thể → mλ hoặc mL · Có hiệu suất thì nhân η
HIỂU RỒI THÌ LUYỆN
Tự kiểm tra kiến thức Bài 4
Học theo từng câu, chọn Đúng/Sai từng ý và mở lời giải sau khi tự làm. Bộ câu hỏi được biên soạn tương ứng với bài này.