Nhiệt hiện là hình thức truyền năng lượng dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ của vật thể mà không làm thay đổi trạng thái vật lý của nó. Trong quá trình này, lượng nhiệt trao đổi tỷ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ của vật thể. Để tính nhiệt hiện, chúng ta sử dụng công thức Q = mcΔT, trong đó Q là lượng nhiệt, m là khối lượng của vật thể, c là nhiệt dung riêng và ΔT là sự thay đổi nhiệt độ. Bài viết này sẽ đề cập đến các khái niệm, công thức và ví dụ về các bài tập đã giải liên quan đến nhiệt hiện, giúp hiểu và giải quyết các bài toán này.
Cách tính nhiệt lượng hữu hiệu: công thức và phép tính cần thiết để xác định năng lượng nhiệt.
Nhiệt độ cảm nhận được: khái niệm, công thức và bài tập đã giải.
O cảm biến calo là năng lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của một chất mà không làm thay đổi trạng thái vật lý của nó, tức là không nóng chảy hoặc bay hơi. Để tính nhiệt hiện, chúng ta sử dụng công thức sau:
Q = m * c * ΔT
Trong đó:
- Q là nhiệt lượng cảm nhận, tính bằng Joule (J) hoặc calo (cal);
- m là khối lượng của chất, tính bằng gam (g);
- c là nhiệt dung riêng của chất, tính bằng J/(g·°C) hoặc cal/(g·°C);
- ΔT là sự thay đổi nhiệt độ của chất, tính bằng độ C (°C).
Để xác định nhiệt lượng hiện, chỉ cần nhân khối lượng của chất với nhiệt dung riêng và độ thay đổi nhiệt độ. Dưới đây là một ví dụ tính toán:
Giả sử chúng ta có một mẫu nước có khối lượng 100g, nhiệt dung riêng là 4,18 J/(g·°C), và nhiệt độ của nó tăng thêm 10°C. Để tính nhiệt hiện, chúng ta sử dụng công thức:
Q = 100g * 4,18 J/(g·°C) * 10°C = 418 J
Do đó, nhiệt lượng cảm nhận cần thiết để tăng nhiệt độ của mẫu nước này thêm 10°C là 418 Joule.
Ý nghĩa và định nghĩa của nhiệt độ cảm nhận: tìm hiểu thêm về khái niệm cơ bản này trong nhiệt động lực học.
Nhiệt độ cảm nhận được là một dạng năng lượng nhiệt liên quan trực tiếp đến sự thay đổi nhiệt độ của vật thể, mà không có bất kỳ thay đổi nào về trạng thái vật lý. Nói cách khác, nhiệt độ cảm nhận được là nhiệt lượng mà các giác quan của chúng ta cảm nhận được, chẳng hạn như khi chúng ta cầm một tách cà phê nóng.
Trong nhiệt động lực học, nhiệt hiện được biểu diễn bằng công thức:
Q = mcΔT
Trong đó:
Q = lượng nhiệt cảm nhận được (tính bằng Joule)
m = khối lượng cơ thể (kg)
c = nhiệt dung riêng của vật liệu (tính bằng J/kg°C)
ΔT = biến thiên nhiệt độ (tính bằng °C)
Để tính nhiệt hiện, chỉ cần nhân khối lượng của vật với nhiệt dung riêng của vật liệu và sự thay đổi nhiệt độ. Điều này cho phép chúng ta xác định lượng nhiệt năng cần thiết để tăng hoặc giảm nhiệt độ của vật.
Thông qua các bài tập thực hành, bạn có thể hiểu rõ hơn về cách nhiệt hiện hoạt động trong các tình huống khác nhau. Các bài tập đã giải giúp củng cố khái niệm và áp dụng công thức một cách chính xác, đảm bảo hiểu rõ hơn về nhiệt động lực học.
Sử dụng công thức Q MCT để tính toán toán học một cách hiệu quả.
Khi nói về nhiệt hiện, chúng ta đang nói đến lượng nhiệt cần thiết để thay đổi nhiệt độ của một chất mà không làm thay đổi trạng thái vật lý của nó. Để tính lượng nhiệt này, chúng ta có thể sử dụng công thức Q = MCT, trong đó Q là nhiệt hiện, M là khối lượng của chất, C là nhiệt dung riêng của chất, và T là độ biến thiên nhiệt độ.
Để thực hiện phép tính hiệu quả bằng công thức Q = MCT, chỉ cần nhân khối lượng của chất với độ thay đổi nhiệt độ và nhiệt dung riêng của chất đó. Ví dụ, nếu chúng ta có một mẫu nước có khối lượng 100g, nhiệt dung riêng là 4,18 J/g°C, và nhiệt độ tăng thêm 10°C, chúng ta có thể tính nhiệt hiện như sau:
Q = M x C x T
Q = 100g x 4,18 J/g°C x 10°C
Q = 4180 J
Do đó, lượng nhiệt hữu hiệu cần thiết để tăng nhiệt độ của mẫu nước lên 10°C là 4180 J.
Sử dụng công thức Q = MCT, chúng ta có thể thực hiện các phép tính toán học một cách hiệu quả để xác định lượng nhiệt hiện trong các chất và tình huống khác nhau. Điều quan trọng cần nhớ là nhiệt dung riêng thay đổi tùy thuộc vào chất, vì vậy điều quan trọng là phải sử dụng đúng giá trị để có được kết quả chính xác.
Mô hình toán học mô tả nhiệt độ cảm nhận và các tính chất vật lý và nhiệt của nó.
Nhiệt cảm là hình thức truyền năng lượng nhiệt gây ra sự thay đổi nhiệt độ trong một hệ thống mà không cần thay đổi pha. Để mô tả nhiệt cảm về mặt toán học, chúng ta sử dụng phương trình:
Q = m * c * ΔT
Trong đó:
Q là lượng nhiệt hữu hình được truyền đi,
m là khối lượng của vật liệu đang xét,
c là nhiệt dung riêng của vật liệu, thay đổi tùy theo chất, và
ΔT là sự thay đổi nhiệt độ.
Điều quan trọng cần lưu ý là nhiệt dung riêng là một đặc tính vật lý phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và được biểu thị bằng J/kg°C hoặc cal/g°C. Nhiệt dung riêng của vật liệu càng cao thì cần càng nhiều nhiệt năng để tăng nhiệt độ lên một giá trị nhất định.
Hơn nữa, tính chất nhiệt của vật liệu cũng ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt. Ví dụ, vật liệu có độ dẫn nhiệt cao truyền nhiệt dễ dàng hơn vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp.
Để tính nhiệt hiện trong một bài toán, chỉ cần thay các giá trị khối lượng, nhiệt dung riêng và độ biến thiên nhiệt độ vào công thức trên. Hãy cùng giải một bài tập minh họa:
Một khối sắt có khối lượng 2 kg nhận được một lượng nhiệt năng làm tăng nhiệt độ của nó thêm 20 °C. Biết rằng nhiệt dung riêng của sắt là 450 J/kg °C, hỏi khối sắt đã truyền cho khối sắt một lượng nhiệt lượng hiện là bao nhiêu?
Sử dụng công thức Q = m * c * ΔT:
Q = 2 kg * 450 J/kg°C * 20°C = 18000 J
Do đó, lượng nhiệt hữu ích truyền cho khối sắt là 18000 Joule.
Nhiệt lượng cảm nhận: khái niệm, công thức và bài tập đã giải
O cảm biến calo là nhiệt năng cung cấp cho một vật khi nhiệt độ của vật tăng lên. Nó ngược lại với nhiệt ẩn, trong đó nhiệt năng không làm tăng nhiệt độ mà thúc đẩy sự chuyển pha, ví dụ, từ rắn sang lỏng.
Một ví dụ minh họa rõ hơn khái niệm này. Giả sử chúng ta có một nồi nước ở nhiệt độ phòng (20°C). Khi đặt lên bếp, nhiệt lượng cung cấp sẽ từ từ làm tăng nhiệt độ của nước cho đến khi đạt 100°C (nhiệt độ sôi của nước ở mực nước biển). Nhiệt lượng này được gọi là nhiệt lượng hiện.
Khi nước đạt đến điểm sôi, nhiệt lượng do đầu đốt cung cấp không còn làm tăng nhiệt độ của nước nữa, mà vẫn giữ nguyên ở mức 100°C. Trong trường hợp này, nhiệt lượng cung cấp được đầu tư vào quá trình bay hơi của nước. Nhiệt lượng cung cấp là nhiệt ẩn vì nó không làm tăng nhiệt độ mà chỉ gây ra sự chuyển đổi từ pha lỏng sang pha khí.
Một thực tế thực nghiệm cho thấy nhiệt lượng cảm nhận cần thiết để đạt được sự thay đổi nhiệt độ nhất định tỉ lệ thuận với sự thay đổi đó và với khối lượng của vật thể.
Khái niệm và công thức
Người ta quan sát thấy rằng, ngoài khối lượng và chênh lệch nhiệt độ, nhiệt hiện còn phụ thuộc vào vật liệu. Vì lý do này, hằng số tỷ lệ giữa nhiệt hiện và tích khối lượng do chênh lệch nhiệt độ gây ra được gọi là nhiệt dung riêng.
Lượng nhiệt hữu hình cung cấp cũng phụ thuộc vào cách thức thực hiện quy trình. Ví dụ, nó sẽ khác nhau nếu quy trình được thực hiện ở thể tích không đổi so với áp suất không đổi.
Công thức tính nhiệt lượng cảm nhận được trong một quá trình đẳng áp , tức là ở áp suất không đổi, như sau:
Q = cp . m ( Tf – Ti )
Trong phương trình trên, Q là nhiệt lượng cảm nhận được cung cấp cho vật có khối lượng m, có nhiệt độ ban đầu cao T i đến cuối giá trị của T f . Hơn nữa, nó có thể được nhìn thấy trong phương trình c p là nhiệt dung riêng ở áp suất không đổi của vật liệu mà quá trình được thực hiện theo cách này.
Ngoài ra, lưu ý rằng nhiệt lượng cảm nhận được là dương khi được vật hấp thụ và làm nhiệt độ tăng lên.
Nếu nhiệt được cung cấp cho khí chứa trong một bình chứa cứng, quá trình sẽ là đẳng tích, nghĩa là ở thể tích không đổi; và công thức nhiệt lượng hiển thị sẽ được viết như sau:
Q = c v. m. ( Tf – Ti )
Hệ số đoạn nhiệt γ
Tỷ số giữa nhiệt dung riêng ở áp suất không đổi và nhiệt dung riêng ở thể tích không đổi của cùng một vật liệu hoặc chất được gọi là hệ số đoạn nhiệt , thường được biểu thị bằng chữ cái Hy Lạp gamma γ.
O hệ số đoạn nhiệt lớn hơn một. Nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một vật có khối lượng một gam lên một độ trong quá trình đẳng áp lớn hơn trong quá trình đẳng tích.
Nguyên nhân là trong trường hợp đầu tiên, một phần nhiệt được sử dụng để thực hiện công cơ học.
Ngoài nhiệt dung riêng, nhiệt dung của vật thể cũng thường được định nghĩa. Đây là lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của vật thể thêm một độ C.
Nhiệt dung C
Công suất sưởi ấm được chỉ định bằng C chữ in hoa, trong khi nhiệt dung riêng được viết thường c . Mối quan hệ giữa hai đại lượng là:
C = c⋅m
sóng m là khối lượng cơ thể.
Nhiệt mol riêng cũng được sử dụng, được định nghĩa là lượng nhiệt hợp lý cần thiết để làm tăng một mol chất lên một độ C hoặc một độ Kelvin.
Nhiệt dung riêng trong chất rắn, chất lỏng và chất khí
Nhiệt dung riêng mol của hầu hết các chất rắn có giá trị gần bằng 3 lần R , Ở đâu R là hằng số khí phổ biến. R = 8,314472 J / (mol ℃) .
Ví dụ, nhôm có nhiệt dung riêng mol 24,2 J/(mol ℃ ), đồng 24,5 J/(mol ℃) , vàng 25,4 J/(mol ℃) và sắt ngọt 25,1 J/(mol ℃) . Lưu ý rằng các giá trị này gần với 3R = 24,9 J / (mol ℃) .
Mặt khác, đối với hầu hết các loại khí, nhiệt dung riêng mol gần bằng n (R / 2) , Ở đâu n là một số nguyên và R là hằng số khí phổ quát. Số nguyên n có liên quan đến số bậc tự do của phân tử tạo nên khí.
Ví dụ, trong một loại khí đơn nguyên tử lý tưởng, phân tử của nó chỉ có ba bậc tự do tịnh tiến, nhiệt mol riêng ở thể tích không đổi là 3 (R / 2) . Nhưng nếu đó là một loại khí hai nguyên tử lý tưởng, thì còn có thêm hai độ quay, do đó c v = 5 (R / 2) .
Trong khí lý tưởng, mối quan hệ sau đây giữa nhiệt dung riêng mol ở áp suất không đổi và thể tích không đổi là đúng: C P = c v + R .
Nước xứng đáng được nhắc đến đặc biệt. Ở trạng thái lỏng ở 25°C, nước có c p = 4,1813 J / (g ℃) , hơi nước ở 100 độ C đã c p = 2,080 J / (g ℃) và nước đá ở nhiệt độ 0 độ C đã c p = 2.050 J / (g ℃) .
Sự khác biệt với nhiệt ẩn
Vật chất có thể tồn tại ở ba trạng thái: rắn, lỏng và khí. Việc thay đổi trạng thái đòi hỏi năng lượng, nhưng mỗi chất phản ứng với năng lượng theo những cách khác nhau, tùy thuộc vào đặc điểm phân tử và nguyên tử của nó.
Khi một chất rắn nóng chảy hoặc một chất lỏng bay hơi, nhiệt độ của vật thể vẫn không đổi cho đến khi tất cả các hạt thay đổi trạng thái.
Do đó, một chất có thể đồng thời ở trạng thái cân bằng ở hai pha: rắn-lỏng hoặc lỏng-hơi chẳng hạn. Một lượng chất có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác bằng cách thêm hoặc bớt nhiệt, trong khi nhiệt độ vẫn không đổi.
Nhiệt tác dụng lên vật liệu khiến các hạt vật chất rung động nhanh hơn và tăng động năng. Điều này dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ.
Có thể năng lượng mà chúng hấp thụ quá lớn đến mức chúng không còn trở về vị trí cân bằng nữa và khoảng cách giữa chúng tăng lên. Khi điều này xảy ra, nhiệt độ không tăng, nhưng chất đó chuyển từ thể rắn sang thể lỏng hoặc từ thể lỏng sang thể khí.
Nhiệt lượng cần thiết để điều này xảy ra được gọi là nhiệt ẩn . Do đó, nhiệt ẩn là nhiệt lượng mà một chất có thể thay đổi pha.
Đây là sự khác biệt với nhiệt độ cảm nhận được. Một chất hấp thụ nhiệt độ cảm nhận được sẽ tăng nhiệt độ và duy trì trạng thái như cũ.
Làm thế nào để tính nhiệt ẩn?
Nhiệt ẩn được tính theo công thức:
Q = m.L
sóng L có thể là nhiệt dung riêng của sự bay hơi hoặc sự nóng chảy. Các đơn vị của L là năng lượng/khối lượng.
Các nhà khoa học đã đặt cho nhiệt nhiều tên gọi khác nhau, tùy thuộc vào loại phản ứng mà nó tham gia. Ví dụ, có nhiệt phản ứng, nhiệt cháy, nhiệt đông đặc, nhiệt hòa tan, nhiệt thăng hoa và nhiều tên gọi khác.
Giá trị của nhiều loại nhiệt lượng này đối với các chất khác nhau được lập bảng.
Bài tập đã giải
ví dụ 1
Giả sử bạn có một miếng nhôm nặng 3 kg. Ban đầu nó ở nhiệt độ 20°C và bạn muốn tăng nhiệt độ của nó lên 100°C. Hãy tính nhiệt lượng hữu hiệu cần thiết.
Giải pháp
Trước hết, chúng ta cần biết nhiệt dung riêng của nhôm.
c p = 0,897 J/(g °C)
Vì vậy, lượng nhiệt cần thiết để làm nóng miếng nhôm sẽ là
Q = c p m (Tf – Ti) = 0,897 * 3000 * (100 – 20) J
Q = 215280 J
ví dụ 2
Tính lượng nhiệt cần thiết để đun nóng 1 lít nước từ 25°C đến 100°C ở mực nước biển. Biểu thị kết quả bằng kilocalo.
Giải pháp
Điều đầu tiên cần nhớ là 1 lít nước nặng 1 kg, tức là 1000 gram.
Q = c p m (Tf – Ti) = 4,1813 J / (g oC) * 1000 g * (100 oC – 25 oC) = 313597,5 J
Calo là đơn vị năng lượng được định nghĩa là nhiệt lượng cần thiết để làm nóng một gam nước lên một độ C. Do đó, 1 calo bằng 4,1813 Joule.
Q = 313597,5 J * (1 calo / 4,1813 J) = 75000 calo = 75 kcal .
ví dụ 3
Một vật liệu có khối lượng 360,16 gam được nung nóng từ 37℃ đến 140℃. Nhiệt lượng tỏa ra là 1150 calo.
Tìm nhiệt dung riêng của vật liệu.
Giải pháp
Ta có thể viết nhiệt dung riêng theo nhiệt hiện, khối lượng và sự thay đổi nhiệt độ theo công thức:
c p = Q / (m ΔT)
Thay dữ liệu vào, ta có kết quả sau:
c p = 1150 cal / (360,16 g * (140 ℃ – 37 ℃)) = 0,0310 cal / (g ℃)
Nhưng vì một calo bằng 4,1813 J nên kết quả cũng có thể được biểu thị như sau
c p = 0,130 J / (g ℃)
Người giới thiệu
- Giancoli, D. 2006. Vật lý: Nguyên lý với ứng dụng. 6 th . Biên tập. Prentice Hall. 400-410.
- Kirkpatrick, L. 2007. Vật lý: Một cái nhìn về thế giới. 6 ta Phiên bản tóm tắt. Cengage Learning 156-164.
- Tippens, P. 2011. Vật lý: Khái niệm và ứng dụng. Tái bản lần thứ 7 McGraw Hill 350-368.
- Rex, A. 2011. Cơ sở vật lý. Pearson 309-332.
- Sears, Zemansky. 2016. Vật lý đại học với vật lý hiện đại. 14 th . Tập 1 556-553.
- Serway, R., Vulle, C. 2011. Nguyên tắc cơ bản của Vật lý. 9 na Học tập Cengage. 362-374.