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. CÁC DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI
1. Phương pháp giải & Các công thức cơ bản:
- Công thức tính nhiệt dung riêng của một chất: $$c = \frac{Q}{m \cdot \Delta T} = \frac{Q}{m \cdot (t_2 - t_1)}$$ Đơn vị trong hệ SI: Nhiệt dung riêng $c$ ($\text{J/(kg.K)}$ hoặc $\text{J/(kg.}^\circ\text{C)}$), nhiệt lượng $Q$ ($\text{J}$), khối lượng $m$ ($\text{kg}$), nhiệt độ $t$ ($^\circ\text{C}$ hoặc $\text{K}$).
- Khi đun nóng bằng năng lượng điện (biến thế nguồn, Oát kế, dòng điện qua dây điện trở): $$Q = P \cdot t = U \cdot I \cdot t = m \cdot c \cdot \Delta t \Rightarrow c = \frac{P \cdot t}{m \cdot \Delta t} = \frac{U \cdot I \cdot t}{m \cdot \Delta t}$$ Trong đó: $P$ là công suất điện ($\text{W}$), $t$ là thời gian đốt nóng ($\text{s}$), $U$ là hiệu điện thế ($\text{V}$), $I$ là cường độ dòng điện ($\text{A}$).
- Trường hợp nước chảy liên tục qua buồng đốt nóng với lưu lượng khối lượng $\mu = \frac{m}{t}$ ($\text{kg/s}$): $$P = \mu \cdot c \cdot (t_2 - t_1) \Rightarrow t_2 = t_1 + \frac{P}{\mu \cdot c}$$
📝 Ví dụ 1:
Người ta thực hiện thí nghiệm xác định nhiệt dung riêng của đồng với khối lượng miếng đồng là $850\text{ g} = 0,85\text{ kg}$. Lúc đầu, nhiệt độ của miếng đồng là $12^\circ\text{C}$. Sử dụng bộ phận đốt nóng có công suất $40\text{ W}$, thời gian đốt nóng để miếng đồng tăng tới $30^\circ\text{C}$ là $146\text{ giây}$. Bỏ qua hao phí nhiệt ra môi trường. Tính nhiệt dung riêng của đồng.
💡 Hướng dẫn giải:
- Độ tăng nhiệt độ của miếng đồng: $\Delta t = 30 - 12 = 18^\circ\text{C}$.
- Nhiệt lượng do bộ phận đốt nóng cung cấp: $Q = P \cdot t = 40 \times 146 = 5840\text{ J}$.
- Nhiệt dung riêng của đồng thu được từ thí nghiệm:
$$c = \frac{P \cdot t}{m \cdot \Delta t} = \frac{40 \times 146}{0,85 \times 18} = \frac{5840}{15,3} \approx 381,7\text{ J/(kg.K)}$$Kết luận: Nhiệt dung riêng của đồng tính được là $381,7\text{ J/(kg.K)}$.
📝 Ví dụ 2:
Một khay sắt có khối lượng $1,2\text{ kg}$ được cách điện và làm nóng bằng máy sưởi công suất $500\text{ W}$ trong thời gian $4\text{ phút}$. Nhiệt độ của khay tăng từ $22^\circ\text{C}$ đến $45^\circ\text{C}$. Xác định nhiệt dung riêng của sắt (bỏ qua mất mát nhiệt ra môi trường).
💡 Hướng dẫn giải:
- Đổi thời gian: $t = 4\text{ phút} = 240\text{ s}$. Độ tăng nhiệt độ: $\Delta t = 45 - 22 = 23^\circ\text{C}$.
- Áp dụng công thức truyền nhiệt năng lượng điện:
$$Q = P \cdot t = m \cdot c \cdot \Delta t \Rightarrow c = \frac{P \cdot t}{m \cdot \Delta t}$$ $$c = \frac{500 \times 240}{1,2 \times 23} = \frac{120000}{27,6} \approx 434,8\text{ J/(kg.K)}$$Kết luận: Nhiệt dung riêng của sắt bằng $434,8\text{ J/(kg.K)}$.
📝 Ví dụ 3:
Một bình đun nước nóng bằng điện có công suất $9,0\text{ kW} = 9000\text{ W}$. Nước chảy qua buồng đốt của bình với lưu lượng $0,59\text{ kg/s}$. Nhiệt độ của nước khi đi vào buồng đốt là $15^\circ\text{C}$. Cho nhiệt dung riêng của nước $c = 4180\text{ J/(kg.K)}$. Tính nhiệt độ của nước khi ra khỏi buồng đốt.
💡 Hướng dẫn giải:
- Xét trong khoảng thời gian $t = 1\text{ s}$, khối lượng nước đi qua buồng đốt là $m = 0,59\text{ kg}$.
- Nhiệt lượng do dòng điện cung cấp trong $1\text{ s}$ là $Q = P \cdot 1 = 9000\text{ J}$.
- Độ tăng nhiệt độ của nước:
$$\Delta t = t_2 - t_1 = \frac{Q}{m \cdot c} = \frac{9000}{0,59 \times 4180} = \frac{9000}{2466,2} \approx 3,65^\circ\text{C}$$- Nhiệt độ nước ra khỏi buồng đốt:
$$t_2 = t_1 + \Delta t = 15 + 3,65 = 18,65^\circ\text{C}$$Kết luận: Nhiệt độ của nước khi ra khỏi buồng đốt là $18,65^\circ\text{C}$.
📝 Ví dụ 4:
Học sinh tiến hành thí nghiệm đo nhiệt dung riêng của nước với $150\text{ g} = 0,15\text{ kg}$ nước, nhiệt độ ban đầu $62,0^\circ\text{C}$. Đun bằng dây điện trở có số chỉ Vôn kế $U = 1,60\text{ V}$ và Ampe kế $I = 2,50\text{ A}$. Sau khoảng thời gian $8\text{ phút } 48\text{ giây}$, nhiệt độ nước tăng lên $65,5^\circ\text{C}$. Bỏ qua nhiệt lượng mà bình và đũa khuấy thu vào. Tính nhiệt dung riêng của nước thu được từ thí nghiệm này.
💡 Hướng dẫn giải:
- Đổi thời gian đun: $t = 8 \times 60 + 48 = 528\text{ s}$. Độ tăng nhiệt độ: $\Delta t = 65,5 - 62,0 = 3,5^\circ\text{C}$.
- Công suất tiêu thụ điện: $P = U \cdot I = 1,60 \times 2,50 = 4,0\text{ W}$.
- Nhiệt dung riêng của nước xác định từ thí nghiệm:
$$c_{\text{nước}} = \frac{U \cdot I \cdot t}{m \cdot \Delta t} = \frac{1,60 \times 2,50 \times 528}{0,15 \times 3,5} = \frac{2112}{0,525} \approx 4022,86\text{ J/(kg.K)}$$Nhận xét: Giá trị thu được $4022,86\text{ J/(kg.K)}$ có sự sai lệch nhỏ so với giá trị lý thuyết $4180\text{ J/(kg.K)}$ do hao phí nhiệt ra môi trường xung quanh.
1. Quy trình thực hiện thí nghiệm chuẩn SGK GDPT 2018:
- Bộ dụng cụ: Biến thế nguồn, Oát kế (đo công suất và tích hợp bấm thời gian), nhiệt kế điện tử/cảm biến nhiệt độ ($\pm 0,1^\circ\text{C}$), nhiệt lượng kế nhựa vỏ xốp có dây điện trở, cân điện tử.
- Các bước tiến hành:
- Cân khối lượng nước $m$ đổ vào nhiệt lượng kế sao cho dây điện trở ngập hoàn toàn.
- Lắp cảm biến nhiệt độ và nối Oát kế với nhiệt lượng kế và nguồn điện.
- Bật nguồn điện, khuấy liên tục để nước nóng đều.
- Cứ sau $1\text{ phút}$, ghi lại công suất $P$, thời gian $t$ và nhiệt độ $T$.
- Xác định qua độ dốc đồ thị Nhiệt độ - Thời gian ($T - t$): $$T(t) = \left(\frac{P}{m \cdot c}\right) \cdot t + T_0 = k \cdot t + T_0 \Rightarrow c = \frac{P}{m \cdot k}$$ Trong đó $k = \tan\alpha$ là hệ số góc (độ dốc) của đường thẳng thực nghiệm trên đồ thị $T(t)$.
📝 Ví dụ 5:
Trong thí nghiệm đo nhiệt dung riêng của nước với $m = 0,25\text{ kg}$ nước, công suất Oát kế $P = 35\text{ W}$. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ $T$ ($^\circ\text{C}$) theo thời gian đun $t$ ($\text{s}$) là đường thẳng đi qua hai điểm $(0\text{ s}, 25^\circ\text{C})$ và $(300\text{ s}, 35^\circ\text{C})$. Hãy xác định hệ số góc $k$ của đồ thị và tính nhiệt dung riêng của nước.
💡 Hướng dẫn giải:
- Độ dốc (hệ số góc) $k$ của đồ thị $T - t$:
$$k = \frac{\Delta T}{\Delta t} = \frac{35 - 25}{300 - 0} = \frac{10}{300} = \frac{1}{30}\text{ (}^\circ\text{C/s)}$$- Áp dụng công thức tính nhiệt dung riêng theo độ dốc đồ thị:
$$k = \frac{P}{m \cdot c} \Rightarrow c = \frac{P}{m \cdot k} = \frac{35}{0,25 \times \frac{1}{30}} = \frac{35}{\frac{1}{120}} = 35 \times 120 = 4200\text{ J/(kg.K)}$$Kết luận: Nhiệt dung riêng của nước xác định từ đồ thị là $4200\text{ J/(kg.K)}$.