CẢM ỨNG NHIỆT: KHÁI NIỆM, CÔNG THỨC VÀ CÁC BÀI TẬP ĐÃ GIẢI - VẬT LÝ - 2025

Các nhiệt hợp lý là năng lượng nhiệt cung cấp cho một đối tượng bằng nhiệt độ của nó để gia tăng. Nó ngược lại với nhiệt tiềm ẩn, trong đó nhiệt năng không làm tăng nhiệt độ nhưng thúc đẩy sự thay đổi pha, ví dụ từ rắn sang lỏng.

Một ví dụ làm rõ khái niệm. Giả sử chúng ta có một chậu nước ở nhiệt độ phòng là 20 ° C. Khi ta đặt nó lên bếp, nhiệt lượng cung cấp sẽ làm tăng nhiệt độ của nước từ từ cho đến khi nhiệt độ sôi của nước lên đến 100 ° C (nhiệt độ sôi của nước bằng mực nước biển). Nhiệt được cung cấp được gọi là nhiệt cảm nhận.

Nhiệt làm ấm bàn tay là nhiệt hợp lý. Nguồn: Pixabay

Khi nước đạt đến điểm sôi, nhiệt do đầu đốt cung cấp không còn làm tăng nhiệt độ của nước, nhiệt độ này vẫn ở 100 ° C. Trong trường hợp này, nhiệt năng được cung cấp được đầu tư vào việc làm bay hơi nước. Nhiệt được cung cấp là tiềm ẩn vì nó không làm tăng nhiệt độ mà thay vào đó gây ra sự thay đổi từ pha lỏng sang pha khí.

Thực tế là nhiệt lượng hợp lý cần thiết để đạt được một sự thay đổi nhất định về nhiệt độ tỷ lệ thuận với sự biến đổi đó và với khối lượng của vật thể.

Khái niệm và công thức

Người ta đã quan sát thấy rằng ngoài khối lượng và sự chênh lệch nhiệt độ, nhiệt cảm nhận còn phụ thuộc vào vật liệu. Vì lý do này, hằng số tỷ lệ giữa nhiệt lượng cảm nhận và tích của sự chênh lệch nhiệt độ và khối lượng được gọi là nhiệt dung riêng.

Lượng nhiệt hợp lý được cung cấp cũng phụ thuộc vào cách thức thực hiện quá trình. Ví dụ, sẽ khác nếu quá trình được thực hiện ở thể tích không đổi so với ở áp suất không đổi.

Công thức cho nhiệt lượng cảm nhận được trong một quá trình đẳng tích, nghĩa là ở áp suất không đổi, như sau:

Q = cp. m (T f - T i)

Trong phương trình trên, Q là nhiệt lượng cảm thụ được cung cấp cho vật khối lượng m, nhiệt độ này đã nâng nhiệt độ ban đầu T _i đến giá trị cuối cùng Tf. Trong phương trình trước cũng xuất hiện cp, là nhiệt dung riêng của vật liệu ở áp suất không đổi vì quá trình này đã được thực hiện theo cách này.

Cũng lưu ý rằng nhiệt cảm nhận là dương khi nó bị vật thể hấp thụ và làm tăng nhiệt độ.

Trong trường hợp nhiệt được cung cấp cho một chất khí được bao bọc trong một thùng cứng, quá trình này sẽ là đẳng tích, nghĩa là ở thể tích không đổi; và công thức nhiệt hợp lý sẽ được viết như sau:

Q = c v. m. (T f - T i)

Hệ số đoạn nhiệt γ

Thương số giữa nhiệt dung riêng ở áp suất không đổi và nhiệt dung riêng ở thể tích không đổi đối với cùng một vật liệu hoặc chất được gọi là hệ số đoạn nhiệt, thường được ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp gamma γ.

Hệ số đoạn nhiệt lớn hơn hệ số thống nhất. Nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của một vật nặng một gam trong một quá trình đẳng tích lớn hơn trong một quá trình đẳng tích.

Điều này là do 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 cũng thường được xác định. Đây là nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của cơ thể đó lên một độ C.

Nhiệt dung C

Nhiệt dung được ký hiệu là C đô, còn nhiệt dung riêng bằng c nhỏ. Mối quan hệ giữa cả hai đại lượng là:

C = c⋅ m

Trong đó m là khối lượng của vật thể.

Nhiệt riêng của mol cũng được sử dụng, được định nghĩa là lượng nhiệt hợp lý cần thiết để tăng nhiệt độ của một mol chất lên một độ C hoặc Kelvin.

Nhiệt riêng trong chất rắn, chất lỏng và chất khí

Nhiệt dung riêng mol của hầu hết các chất rắn có giá trị gần gấp 3 lần R, trong đó R là hằng số khí phổ. R = 8,314472 J / (mol *).

Ví dụ, nhôm có nhiệt dung riêng theo mol 24,2 J / (mol ℃), đồng 24,5 J / (mol ℃), vàng 25,4 J / (mol ℃) và sắt mềm 25,1 J / (mol ℃). Lưu ý rằng các giá trị này gần với 3R = 24,9 J / (mol ℃).

Ngược lại, đối với hầu hết các chất khí, nhiệt dung riêng mol gần bằng n (R / 2), với n là số nguyên và R là hằng số khí phổ quát. Số nguyên n liên quan đến số bậc tự do của phân tử tạo nên chất khí.

Ví dụ, trong một khí lý tưởng cấu tạo, mà phân tử của nó chỉ có ba bậc tự do tịnh tiến, thì nhiệt dung riêng của mol ở thể tích không đổi là 3 (R / 2). Nhưng nếu nó là một khí lý tưởng điatom thì có thêm hai độ quay, do đó cv = 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 giữ: cp = cv + R.

Nước xứng đáng được đề cập đặc biệt. Ở trạng thái lỏng ở 25 ℃, nước có cp = 4,1813 J / (g ℃), hơi nước ở 100 độ C có cp = 2,080 J / (g ℃), và nước đá ở 0 độ C có cp = 2,050 J / (g *).

Sự khác biệt với nhiệt tiềm ẩn

Vật chất có thể ở ba trạng thái: rắn, lỏng và khí. Năng lượng là cần thiết để thay đổi trạng thái, nhưng mỗi chất phản ứng với nó theo một cách khác nhau tùy theo đặc điểm phân tử và nguyên tử của nó.

Khi một chất rắn đang nóng chảy hoặc một chất lỏng đang bay hơi, nhiệt độ của vật không đổi cho đến khi tất cả các hạt thay đổi trạng thái của chúng.

Vì lý do này, có thể một chất ở trạng thái cân bằng trong 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 một ít nhiệt, trong khi nhiệt độ vẫn cố định.

Nhiệt được cung cấp cho một vật liệu làm cho các hạt của nó dao động nhanh hơn và tăng động năng của chúng. Điều này chuyển thành sự gia tăng nhiệt độ.

Có thể do năng lượng chúng thu được quá lớn nên chúng không còn trở lại vị trí cân bằng và độ phân cách giữa chúng tăng lên. Khi xảy ra hiện tượng này nhiệt độ không tăng mà chất đi từ rắn sang lỏng hoặc từ lỏng sang khí.

Nhiệt cần thiết để điều này xảy ra được gọi là nhiệt tiềm ẩn. Do đó, nhiệt ẩn là nhiệt mà một chất có thể thay đổi pha.

Đây là sự khác biệt với nhiệt hợp lý. Một chất hấp thụ nhiệt cảm giác làm tăng nhiệt độ và giữ nguyên trạng thái.

Làm thế nào để tính toán nhiệt ẩn?

Nhiệt tiềm ẩn được tính theo phương trình:

Trong đó L có thể là nhiệt riêng của hóa hơi hoặc nhiệt của nhiệt hạch. Đơn vị của L là năng lượng / khối lượng.

Các nhà khoa học đã đặt cho nhiệt nhiều cái tên, tùy thuộc vào loại phản ứng mà nó tham gia. Ví dụ, có nhiệt của phản ứng, nhiệt đốt cháy, nhiệt hóa rắn, nhiệt dung dịch, nhiệt thăng hoa, và nhiều nhiệt khác.

Các giá trị của nhiều loại nhiệt này đối với các chất khác nhau được lập bảng.

Bài tập đã giải

ví dụ 1

Giả sử a có một miếng nhôm khối lượng 3 kg. Ban đầu nó ở 20 ° C và bạn muốn tăng nhiệt độ của nó lên 100 ° C. Tính nhiệt lượng cần thiết.

Giải pháp

Đầu tiên chúng ta cần biết nhiệt dung riêng của nhôm

cp = 0,897 J / (g ° C)

Khi đó nhiệt lượng cần thiết để đốt nóng miếng nhôm sẽ là

Q = cpm (Tf - Ti) = 0,897 * 3000 * (100 - 20) J

Q = 215 280 J

Ví dụ 2

Tính nhiệt lượng cần thiết để đun nóng 1 lít nước từ 25 ° C đến 100 ° C ở mực nước biển. Biểu thị kết quả cũng bằng kilocalories.

Giải pháp

Điều đầu tiên cần nhớ là 1 lít nước nặng 1 kg, tức là 1000 gram.

Q = cpm (Tf - Ti) = 4,1813 J / (g ℃) * 1000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597,5 J

Calo là một đơn vị năng lượng được định nghĩa là nhiệt lượng hợp lý cần thiết để tăng một gam nước lên một độ C. Do đó, 1 calo bằng 4,1813 Joules.

Q = 313597,5 J * (1 cal / 4,1813 J) = 75000 cal = 75 kcal.

Ví dụ 3

Một miếng vật liệu có khối lượng 360,16 gam được nung nóng từ 37 ℃ đến 140 ℃. Nhiệt năng được cung cấp là 1150 calo.

Làm nóng mẫu. Nguồn: tự làm.

Tìm nhiệt dung riêng của vật liệu.

Giải pháp

Chúng ta có thể viết nhiệt dung riêng dưới dạng hàm của nhiệt lượng cảm, khối lượng và độ biến thiên của nhiệt độ theo công thức:

cp = Q / (m ΔT)

Thay thế dữ liệu, chúng tôi có những điều sau:

cp = 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 bằng

cp = 0,130 J / (g ℃)

Người giới thiệu

1. Giancoli, D. 2006. Vật lý: Các nguyên tắc với ứng dụng. 6 ^ngày . Ed. Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Vật lý: Cái nhìn về thế giới. 6 ^ta Viết tắt Chỉnh sửa. Học tập Cengage. 156-164.
3. Tippens, P. 2011. Vật lý: Khái niệm và Ứng dụng. thứ 7. Phiên bản sửa đổi. Đồi McGraw. 350 - 368.
4. Rex, A. 2011. Cơ bản của Vật lý. Lề. 309-332.
5. Sears, Zemansky. 2016. Vật lý Đại học với Vật lý hiện đại. 14 ^thứ . Khối lượng 1. 556-553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Cơ bản về Vật lý. 9 ^na Cengage Learning. 362-374.