NHIỆT: CÔNG THỨC VÀ ĐƠN VỊ, ĐẶC ĐIỂM, CÁCH ĐO, VÍ DỤ - VẬT LÝ - 2026

Các nhiệt trong vật lý được định nghĩa là năng lượng nhiệt chuyển bất cứ khi nào họ đối tượng tiếp xúc hoặc các chất được ở nhiệt độ khác nhau. Sự chuyển giao năng lượng này và tất cả các quá trình liên quan đến nó, là đối tượng nghiên cứu của nhiệt động lực học, một nhánh quan trọng của vật lý.

Nhiệt là một trong nhiều dạng năng lượng sử dụng và là một trong những dạng quen thuộc nhất. Vậy nó đến từ đâu? Câu trả lời nằm ở các nguyên tử và phân tử cấu tạo nên vật chất. Những hạt bên trong sự vật không tĩnh. Chúng ta có thể hình dung chúng như những hạt nhỏ được liên kết bởi lò xo mềm, có khả năng co lại và co giãn một cách dễ dàng.

Nguyên tử và phân tử dao động bên trong các chất, được chuyển thành nội năng. Nguồn: P. Tippens. Vật lý: Khái niệm và ứng dụng.

Bằng cách này, các hạt có thể dao động và năng lượng của chúng có thể dễ dàng truyền sang các hạt khác, và cả từ vật thể này sang vật thể khác.

Nhiệt lượng mà cơ thể hấp thụ hoặc giải phóng phụ thuộc vào bản chất của chất, khối lượng của nó và sự chênh lệch nhiệt độ. Nó được tính như thế này:

Trong đó Q là nhiệt lượng truyền đi, m là khối lượng của vật, C _e là nhiệt dung riêng của chất và ΔT = T _{cuối cùng} - T _{ban đầu} , tức là chênh lệch nhiệt độ.

Giống như tất cả các dạng năng lượng, nhiệt được đo bằng jun, trong Hệ thống quốc tế (SI). Các đơn vị thích hợp khác là: ergs trong hệ thống cgs, Btu trong hệ thống của Anh, và calo, một thuật ngữ thường được sử dụng cho hàm lượng năng lượng của thực phẩm.

Đặc tính nhiệt

Nhiệt từ lửa trại là năng lượng truyền. Nguồn: Pixabay

Có một số khái niệm chính cần ghi nhớ:

-Năng lượng là năng lượng chuyển tiếp. Các vật thể không có nhiệt, chúng chỉ giải phóng hoặc hấp thụ nó tùy thuộc vào trường hợp. Những gì các vật thể có là năng lượng bên trong, nhờ cấu hình bên trong của chúng.

Đến lượt nó, nội năng này bao gồm động năng liên quan đến chuyển động dao động và thế năng, đặc trưng cho cấu hình phân tử. Theo cấu hình này, một chất sẽ truyền nhiệt nhiều hơn hoặc ít hơn một cách dễ dàng và điều này được phản ánh qua nhiệt riêng C _e , giá trị đã được đề cập trong phương trình để tính Q.

-Khái niệm quan trọng thứ hai là nhiệt luôn truyền từ vật nóng nhất sang vật lạnh nhất. Kinh nghiệm chỉ ra rằng nhiệt từ cà phê nóng luôn truyền đến sứ của cốc và đĩa, hoặc kim loại của thìa mà nó được khuấy, không bao giờ ngược lại.

- Nhiệt lượng truyền hoặc hấp thụ phụ thuộc vào khối lượng của cơ thể. Thêm cùng một lượng calo hoặc jun vào một mẫu có khối lượng X không nóng theo cách khác có khối lượng là 2X.

Nguyên nhân? Có nhiều hạt hơn trong mẫu lớn hơn và trung bình mỗi hạt chỉ nhận được một nửa năng lượng của mẫu nhỏ hơn.

Cân bằng nhiệt và bảo toàn năng lượng

Kinh nghiệm cho ta biết rằng khi ta để hai vật ở nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau thì sau một thời gian nhiệt độ của cả hai sẽ như nhau. Sau đó, có thể nói rằng các vật thể hoặc hệ thống, như cũng có thể được gọi là chúng, đang ở trạng thái cân bằng nhiệt.

Mặt khác, phản ánh về cách tăng nội năng của một hệ cô lập, người ta kết luận rằng có hai cơ chế có thể xảy ra:

i) Làm nóng nó, tức là, truyền năng lượng từ một hệ thống khác.

ii) Thực hiện một số loại công việc cơ học trên nó.

Có tính đến năng lượng được bảo toàn:

Trong khuôn khổ nhiệt động lực học, nguyên lý bảo toàn này được gọi là Định luật thứ nhất của Nhiệt động lực học. Chúng tôi nói rằng hệ thống phải được cách ly, bởi vì nếu không sẽ cần phải xem xét các đầu vào hoặc đầu ra năng lượng khác trong sự cân bằng.

Nhiệt lượng được đo như thế nào?

Nhiệt được đo theo hiệu ứng mà nó tạo ra. Do đó, xúc giác sẽ nhanh chóng thông báo mức độ nóng hay lạnh của đồ uống, thực phẩm hoặc bất kỳ đồ vật nào. Vì truyền hoặc hấp thụ nhiệt dẫn đến thay đổi nhiệt độ, nên việc đo này cho ta biết lượng nhiệt đã được truyền.

Dụng cụ được sử dụng để đo nhiệt độ là nhiệt kế, một thiết bị được trang bị thang chia độ để thực hiện việc đọc. Được biết đến nhiều nhất là nhiệt kế thủy ngân, bao gồm một mao quản thủy ngân nhỏ sẽ nở ra khi bị nung nóng.

Một nhiệt kế có thang đo độ C và độ F. Nguồn: Pixabay.

Tiếp theo, ống mao dẫn chứa đầy thủy ngân được đưa vào một ống thủy tinh có cân và đặt tiếp xúc với cơ thể, nhiệt độ của ống này phải được đo cho đến khi chúng đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt và nhiệt độ của cả hai bằng nhau.

Yêu cầu gì để làm một nhiệt kế?

Để bắt đầu, bạn cần phải có một số đặc tính nhiệt, tức là một đặc tính thay đổi theo nhiệt độ.

Ví dụ, một chất khí hoặc một chất lỏng như thủy ngân, nở ra khi bị nung nóng, mặc dù một điện trở cũng có tác dụng phát nhiệt khi có dòng điện chạy qua nó. Tóm lại, có thể sử dụng bất kỳ tính chất nhiệt kế nào dễ dàng đo được.

Nếu nhiệt độ t tỉ lệ thuận với nhiệt độ X thì có thể viết:

Trong đó k là hằng số tỉ lệ được xác định khi đặt hai nhiệt độ thích hợp và đo các giá trị tương ứng của X. Nhiệt độ thích hợp có nghĩa là dễ lấy trong phòng thí nghiệm.

Khi các cặp (t ₁ , X ₁ ) và (t ₂ , X ₂ ) đã được thành lập, khoảng giữa chúng được chia thành các phần bằng nhau, chúng sẽ là các độ.

Thang đo nhiệt độ

Việc lựa chọn nhiệt độ cần thiết để xây dựng thang đo nhiệt độ được thực hiện với tiêu chí là chúng dễ lấy trong phòng thí nghiệm. Một trong những thang đo được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới là thang độ C, được tạo ra bởi nhà khoa học Thụy Điển Anders Celsius (1701-1744).

0 trên thang độ C là nhiệt độ tại đó nước đá và nước lỏng ở trạng thái cân bằng ở 1 áp suất khí quyển, còn giới hạn trên được chọn khi nước lỏng và hơi nước ở trạng thái cân bằng và ở 1 áp suất khí quyển. Khoảng này được chia thành 100 độ, mỗi độ được gọi là độ bách phân.

Đây không phải là cách duy nhất để xây dựng một quy mô, xa nó. Có các thang đo khác nhau, chẳng hạn như thang độ F, trong đó các khoảng đã được chọn với các giá trị khác. Và có thang đo Kelvin, chỉ có một giới hạn thấp hơn: độ không tuyệt đối.

Độ không tuyệt đối tương ứng với nhiệt độ tại đó mọi chuyển động của các hạt trong một chất chấm dứt hoàn toàn, tuy nhiên, mặc dù nó đã đến khá gần, nó vẫn chưa thể làm lạnh chất nào về độ không tuyệt đối.

Ví dụ

Mọi người đều trải qua nhiệt hàng ngày, trực tiếp hoặc gián tiếp. Ví dụ khi bạn uống một ly nước nóng, giữa trưa nắng, kiểm tra nhiệt độ của động cơ ô tô, trong một căn phòng đầy người và trong vô số tình huống khác.

Trên Trái đất, nhiệt là cần thiết để duy trì các quá trình sống, cả nhiệt đến từ Mặt trời và nhiệt từ bên trong hành tinh.

Tương tự như vậy, khí hậu được thúc đẩy bởi những thay đổi về năng lượng nhiệt xảy ra trong khí quyển. Nhiệt của Mặt Trời không đến mọi nơi như nhau, ở vĩ độ xích đạo nó tỏa ra nhiều hơn ở các cực, vì vậy không khí nóng nhất ở vùng nhiệt đới bốc lên và di chuyển theo hướng Bắc và Nam, để đạt được cân bằng nhiệt. điều đó đã được nói về trước đây.

Bằng cách này, các luồng không khí được thiết lập ở các tốc độ khác nhau, vận chuyển mây và mưa. Mặt khác, sự va chạm đột ngột giữa mặt trận không khí nóng và lạnh gây ra các hiện tượng như bão, lốc xoáy và cuồng phong.

Ngược lại, ở một mức độ gần hơn, sức nóng có thể không được chào đón như hoàng hôn trên bãi biển. Nhiệt gây ra các vấn đề vận hành trong động cơ ô tô và bộ vi xử lý máy tính.

Nó cũng làm thất thoát năng lượng điện trong cáp dẫn và vật liệu giãn nở, đó là lý do tại sao nhiệt luyện rất quan trọng trong mọi lĩnh vực kỹ thuật.

Bài tập

- Bài tập 1

Nhãn của một loại kẹo ghi rằng nó cung cấp 275 calo. Kẹo này tương đương với bao nhiêu năng lượng tính bằng jun?

Giải pháp

Lúc đầu, calo đã được đề cập như một đơn vị cho nhiệt. Thực phẩm chứa năng lượng thường được đo bằng các đơn vị này, nhưng lượng calo trong chế độ ăn thực sự là kilocalories.

Tương đương như sau: 1 kcal = 4186 J, và kết luận rằng kẹo có:

275 kilocalories x 4186 joule / kilocalorie = 1,15 10 ⁶ J.

- Bài tập 2

100 g một kim loại được nung nóng đến 100 ° C và cho vào nhiệt lượng kế có 300 g nước ở 20 ° C. Nhiệt độ mà hệ thu được khi đạt trạng thái cân bằng là 21,44 ° C. Yêu cầu bạn xác định nhiệt dung riêng của kim loại, giả sử nhiệt lượng kế không hấp thụ nhiệt.

Giải pháp

Trong tình huống này, kim loại tỏa nhiệt, chúng ta sẽ gọi là Q đã _cho và dấu (-) được đặt trước nó để biểu thị sự mất mát:

Về phần mình, nước trong nhiệt lượng kế hấp thụ nhiệt, sẽ được ký hiệu là hấp thụ Q:

Năng lượng được bảo toàn, từ đó nó theo sau:

Từ câu lệnh, bạn có thể tính ΔT:

Quan trọng: 1 ºC có cùng kích thước với 1 kelvin. Sự khác biệt giữa hai thang đo là thang Kelvin là tuyệt đối (độ Kelvin luôn luôn dương).

Nhiệt dung riêng của nước ở 20ºC là 4186 J / kg. K và với nhiệt này có thể tính được:

Để kết luận, nhiệt dung riêng của kim loại được giải phóng:

Người giới thiệu

1. Bauer, W. 2011. Vật lý cho Kỹ thuật và Khoa học. Tập 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physics II: Tiếp cận bằng năng lực. Đồi McGraw.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Vật lý: Cái nhìn về thế giới. 6 ^ta Viết tắt Chỉnh sửa. Học tập Cengage.
4. Knight, R. 2017. Vật lý cho các nhà khoa học và kỹ thuật: Phương pháp tiếp cận chiến lược. Lề.
5. Tippens, P. 2011. Vật lý: Khái niệm và Ứng dụng. Phiên bản thứ 7. Đồi Mcgraw