BÀI 4: NHIỆT DUNG RIÊNG (VẬT LÍ 12)
Bài học thuộc Chương I: Vật Lí Nhiệt (GDPT 2018) giúp học sinh hiểu rõ khái niệm nhiệt dung riêng, công thức tính nhiệt lượng $Q = mc\Delta T$, phương pháp đo nhiệt dung riêng trong phòng thí nghiệm và ứng dụng điều hòa khí hậu thực tế của nước.
I. KHÁI NIỆM NHIỆT DUNG RIÊNG
1. Hiện tượng thực tế
Vào buổi trưa hè nắng gắt, khi đi dạo trên bãi biển, ta cảm thấy cát ở bờ biển rất nóng ($45^\circ\text{C}$), trong khi nước biển lại khá mát ($25^\circ\text{C}$), mặc dù cả cát và nước biển đều nhận cùng một lượng bức xạ mặt trời như nhau. Sự khác biệt này là do tính chất hấp thụ nhiệt của hai chất hoàn toàn khác nhau.
2. Định nghĩa Nhiệt dung riêng
Trong đó: $Q$ là nhiệt lượng thu/tỏa ($\text{J}$), $m$ là khối lượng ($\text{kg}$), $c$ là nhiệt dung riêng ($\text{J/kg.K}$), $\Delta T = t_2 - t_1$ là độ biến thiên nhiệt độ ($^\circ\text{C}$ hoặc $\text{K}$).
II. Ý NGHĨA VẬT LÝ & SO SÁNH NHIỆT DUNG RIÊNG
Chất có nhiệt dung riêng lớn hơn thì cần truyền nhiều nhiệt lượng hơn để tăng cùng một độ chia nhiệt độ, đồng thời nó cũng giữ nhiệt tốt hơn (nguội đi chậm hơn).
| Chất | Nhiệt Dung Riêng $c$ ($\text{J/kg.K}$) | Ý Nghĩa Thực Tế |
|---|---|---|
| Nước tinh khiết | $4180$ | Rất lớn! Nước hấp thụ và tích trữ nhiệt lượng rất cao, nóng lên chậm và nguội đi cũng chậm. |
| Rượu (Ethanol) | $2500$ | Nóng lên nhanh hơn nước khi nhận cùng nhiệt lượng. |
| Dầu ăn | $2000$ | Nóng lên nhanh gấp khoảng 2 lần nước khi nhận cùng nhiệt lượng. |
| Đất, Cát | $800$ | Nhỏ! Cát nóng lên rất nhanh dưới ánh nắng và nguội đi rất nhanh về đêm. |
| Đồng (Cu) | $380$ | Dẫn nhiệt tốt, nóng lên rất nhanh. |
III. THÍ NGHIỆM ĐO NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA NƯỚC
Bố trí thí nghiệm gồm: Bình nhiệt lượng kế chứa khối lượng nước $m$, dây nung điện trở đun nước với công suất $P$ ổn định đo bằng oát kế, nhiệt kế và đồng hồ bấm giây $\tau$.
1. Điện năng tỏa ra từ dây nung trong thời gian $\tau$: $Q = P \cdot \tau$.
2. Nhiệt lượng nước thu vào để tăng từ nhiệt độ $t_1$ lên $t_2$: $Q = m \cdot c \cdot (t_2 - t_1)$.
3. Bỏ qua hao phí nhiệt ra môi trường, áp dụng định luật bảo toàn năng lượng:
$$P \cdot \tau = m \cdot c \cdot (t_2 - t_1) \Rightarrow c = \frac{P \cdot \tau}{m \cdot (t_2 - t_1)}$$
🔬 MÔ PHỎNG THỰC HÀNH ĐO NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA NƯỚC
Bộ dụng cụ chuẩn SGK Kết nối tri thức: Biến thế nguồn 12V DC, Oát kế, Cân điện tử, Nhiệt lượng kế bóc tách 3D, Nhiệt kế điện tử & Cần khuấy.
📌 Lưu ý thực hành: Giá trị Nhiệt dung riêng của nước lý thuyết là c = 4180 J/(kg·K). Công suất đun của thiết bị được duy trì ổn định P = 40 W.
IV. BÀI TẬP VẬN DỤNG VÀ VÍ DỤ MINH HỌA
Tính nhiệt lượng cần thiết để đun nóng $2\text{ kg}$ nước từ nhiệt độ $25^\circ\text{C}$ đến $100^\circ\text{C}$ (biết nhiệt dung riêng của nước là $c = 4200\text{ J/kg.K}$).
Lời giải:
Độ biến thiên nhiệt độ: $\Delta t = 100 - 25 = 75^\circ\text{C}$.
Áp dụng công thức tính nhiệt lượng:
$$Q = m \cdot c \cdot \Delta t = 2 \times 4200 \times 75 = 630.000\text{ J} = 630\text{ kJ}$$
👉 Đáp số: $630\text{ kJ}$.
Câu hỏi: Tại sao các động cơ ô tô, xe máy thường sử dụng hệ thống tuần hoàn nước để làm mát động cơ thay vì dùng các chất lỏng khác?
Lời giải:
Vì nước có nhiệt dung riêng rất lớn ($c \approx 4180\text{ J/kg.K}$), nên cùng một khối lượng nước chảy qua động cơ có khả năng hấp thụ một lượng nhiệt rất lớn mà nhiệt độ của nước tăng lên không quá nhiều, giúp hạ nhiệt động cơ an toàn và hiệu quả.