TRUYỀN NHIỆT: ĐỊNH LUẬT, HÌNH THỨC TRUYỀN, VÍ DỤ - VẬT LÝ - 2026

Có sự truyền nhiệt khi năng lượng đi từ vật này sang vật khác do sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật. Quá trình truyền nhiệt chấm dứt ngay khi nhiệt độ của các phần tiếp xúc bằng nhau hoặc khi phần tiếp xúc giữa chúng bị loại bỏ.

Phần năng lượng truyền từ vật này sang vật khác trong một khoảng thời gian nhất định được gọi là nhiệt lượng truyền. Cơ thể này có thể truyền nhiệt cho cơ thể khác hoặc có thể hấp thụ nhiệt lượng nhưng nhiệt lượng luôn đi từ cơ thể có nhiệt độ cao nhất sang cơ thể có nhiệt độ thấp nhất.

Hình 1. Trong lửa trại có ba cơ chế truyền nhiệt: dẫn truyền, đối lưu và bức xạ. Nguồn: Pixabay.

Các đơn vị của nhiệt cũng giống như đơn vị của năng lượng và trong hệ đo lường quốc tế (SI), nó là jun (J). Các đơn vị nhiệt thường được sử dụng khác là calo và BTU.

Đối với các định luật toán học chi phối sự truyền nhiệt, chúng phụ thuộc vào cơ chế tham gia trao đổi.

Khi nhiệt truyền từ vật này sang vật khác, tốc độ trao đổi nhiệt tỷ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ. Đây được gọi là định luật dẫn nhiệt Fourier, dẫn đến định luật làm lạnh Newton.

Các hình thức / cơ chế truyền nhiệt

Chúng là những cách mà nhiệt có thể được trao đổi giữa hai cơ thể. Ba cơ chế được công nhận:

-Điều khiển

-Con đối lưu

-Sự bức xạ

Trong một cái nồi như hình trên, có ba cơ chế truyền nhiệt sau:

-Kim loại trong nồi bị nung nóng chủ yếu bằng hiện tượng dẫn điện.

-Nước và không khí bị đối lưu nóng lên và bốc lên.

-Người ở gần nồi bị đốt nóng do bức xạ phát ra.

Điều khiển

Sự dẫn nhiệt xảy ra hầu hết ở chất rắn và đặc biệt là kim loại.

Ví dụ, bếp trong nhà bếp truyền nhiệt cho thức ăn bên trong nồi thông qua cơ chế dẫn nhiệt qua kim loại của đáy và thành kim loại của hộp đựng. Trong sự dẫn nhiệt không có sự vận chuyển vật chất mà chỉ có năng lượng.

Đối lưu

Cơ chế đối lưu là đặc trưng của chất lỏng và chất khí. Các chất này hầu như luôn luôn ít đặc hơn ở nhiệt độ cao hơn, vì lý do này có sự vận chuyển nhiệt từ các phần chất lỏng nóng hơn đến các vùng cao hơn với các phần chất lỏng lạnh hơn. Trong cơ chế đối lưu có sự vận chuyển vật chất.

Sự bức xạ

Về phần mình, cơ chế bức xạ cho phép trao đổi nhiệt giữa hai vật thể ngay cả khi chúng không tiếp xúc. Ví dụ ngay lập tức là Mặt trời, nó làm nóng Trái đất thông qua khoảng không gian trống giữa chúng.

Tất cả các cơ thể đều phát ra và hấp thụ bức xạ điện từ. Nếu bạn có hai vật thể ở nhiệt độ khác nhau, thậm chí ở trong chân không, sau một thời gian chúng sẽ đạt đến nhiệt độ như nhau do sự trao đổi nhiệt bằng bức xạ điện từ.

Tốc độ truyền nhiệt

Trong hệ thống cân bằng nhiệt động lực học, tổng nhiệt lượng trao đổi với môi trường có ý nghĩa để hệ chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác.

Mặt khác, trong quá trình truyền nhiệt, người ta chú ý đến hiện tượng quá độ, khi các hệ chưa đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt. Điều quan trọng cần lưu ý là nhiệt lượng trao đổi trong một khoảng thời gian nhất định tức là có tốc độ truyền nhiệt.

Ví dụ

- Ví dụ về sự dẫn nhiệt

Trong dẫn nhiệt, nhiệt năng được truyền qua va chạm giữa các nguyên tử và phân tử của vật liệu, cho dù đây là chất rắn, chất lỏng hay chất khí.

Chất rắn dẫn nhiệt tốt hơn chất khí và chất lỏng. Trong kim loại có các êlectron tự do có thể chuyển động qua kim loại.

Vì các electron tự do có tính linh động lớn nên chúng có khả năng truyền động năng qua va chạm hiệu quả hơn, đó là lý do tại sao kim loại có độ dẫn nhiệt cao.

Theo quan điểm vĩ mô, độ dẫn nhiệt được đo bằng lượng nhiệt truyền trên một đơn vị thời gian, hay dòng nhiệt lượng H:

Hình 2. Sự dẫn nhiệt qua một thanh. Chuẩn bị bởi Fanny Zapata.

Nhiệt lượng H tỉ lệ với tiết diện của diện tích A và sự biến thiên của nhiệt độ trên một đơn vị khoảng cách dọc.

Phương trình này được áp dụng để tính dòng nhiệt lượng H của một thanh như trong hình 2, nằm giữa hai nhiệt lượng T ₁ và T ₂ tương ứng, trong đó T ₁ > T ₂ .

Tính dẫn nhiệt của vật liệu

Dưới đây là danh sách độ dẫn nhiệt của một số vật liệu tính bằng watt trên mét trên kelvin: W / (m. K)

Nhôm -------- 205

Đồng --------- 385

Bạc ---------- 400

Thép ---------– 50

Nút chai hoặc sợi thủy tinh - 0,04

Bê tông hoặc kính ----- 0,8

Gỗ ----- 0,05 đến 0,015

Không khí --------– 0,024

- Ví dụ về nhiệt đối lưu

Trong đối lưu nhiệt, năng lượng được truyền do chuyển động của chất lưu, ở các nhiệt độ khác nhau, có khối lượng riêng khác nhau. Ví dụ, khi đun sôi nước trong nồi, nước gần đáy tăng nhiệt độ nên nở ra.

Sự giãn nở này làm cho nước nóng tăng lên, trong khi nước lạnh đi xuống để chiếm không gian còn lại của nước nóng dâng lên. Kết quả là một chuyển động tuần hoàn tiếp tục cho đến khi nhiệt độ của tất cả các mức bằng nhau.

Đối lưu là yếu tố quyết định sự chuyển động của các khối khí lớn trong khí quyển Trái đất và cũng quyết định sự lưu thông của các dòng biển.

- Ví dụ về bức xạ nhiệt

Trong các cơ chế truyền nhiệt bằng dẫn truyền và đối lưu, cần có sự hiện diện của vật liệu để nhiệt được truyền. Ngược lại, trong cơ chế bức xạ, nhiệt có thể truyền từ cơ thể này sang cơ thể khác qua chân không.

Đây là cơ chế mà Mặt trời, ở nhiệt độ cao hơn Trái đất, truyền năng lượng đến hành tinh của chúng ta trực tiếp thông qua chân không của không gian. Bức xạ đến với chúng ta thông qua sóng điện từ.

Tất cả các vật liệu đều có khả năng phát ra và hấp thụ bức xạ điện từ. Tần số phát ra hoặc hấp thụ cực đại phụ thuộc vào nhiệt độ của vật liệu và tần số này tăng theo nhiệt độ.

Bước sóng ưu thế trong quang phổ phát xạ hoặc hấp thụ của vật đen tuân theo định luật Wien, định luật này nói rằng bước sóng ưu thế tỷ lệ nghịch với nhiệt độ cơ thể.

Mặt khác, công suất (tính bằng oát) mà cơ thể phát ra hoặc hấp thụ nhiệt năng bằng bức xạ điện từ tỷ lệ với công suất thứ tư của nhiệt độ tuyệt đối. Đây được gọi là định luật Stefan:

P = εAσT ⁴

Trong biểu thức trên, σ là hằng số Stefan và giá trị của nó là 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴ . A là diện tích bề mặt của phần thân và ε là độ phát xạ của vật liệu, một hằng số không thứ nguyên có giá trị từ 0 đến 1 và phụ thuộc vào vật liệu.

Bài tập đã giải quyết

Xét thanh trong hình 2. Giả sử thanh dài 5 cm, bán kính 1 cm, làm bằng đồng.

Thanh được đặt giữa hai bức tường giữ nhiệt độ không đổi. Bức tường thứ nhất có nhiệt độ T1 = 100ºC, còn bức tường kia ở T2 = 20ºC. Mục đích:

a.- Giá trị của dòng nhiệt H

b.- Nhiệt độ của thanh đồng ở cách 2 cm, cách 3 cm và 4 cm có nhiệt độ T1.

Giải pháp cho

Vì thanh đồng được đặt giữa hai bức tường mà các bức tường của chúng luôn duy trì nhiệt độ như nhau thì có thể nói rằng nó ở trạng thái dừng. Nói cách khác, dòng nhiệt H có cùng giá trị đối với bất kỳ thời điểm nào.

Để tính dòng điện này, chúng tôi áp dụng công thức liên hệ dòng điện H với sự khác biệt về nhiệt độ và chiều dài của thanh.

Diện tích mặt cắt ngang là:

A = πR ² = 3,14 * (1 × 10 ^-2 m) ² = 3,14 x 10 ^-4 m ²

Nhiệt độ chênh lệch giữa hai đầu thanh là

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x 10 ^-2 m

H = 385 W / (m K) * 3,14 x 10 ^-4 m ² * (80K / 5 x 10 ^-2 m) = 193,4 W

Dòng điện này giống nhau tại bất kỳ điểm nào trên thanh và tại bất kỳ thời điểm nào, vì đã đạt đến trạng thái ổn định.

Giải pháp b

Trong phần này, chúng ta được yêu cầu tính nhiệt độ Tp tại một điểm P nằm cách bức tường T ₁ một khoảng Xp .

Biểu thức cung cấp nhiệt lượng H tại điểm P là:

Từ biểu thức này, Tp có thể được tính bằng:

Hãy tính nhiệt độ Tp tại các vị trí lần lượt là 2 cm, 3 cm và 4 cm, thay vào các giá trị số:

• Tp = 340,6K = 67,6 ° C; 2 cm từ T1
• Tp = 324,4K = 51,4 ° C; 3 cm từ T1
• Tp = 308,2K = 35,2 ° C; 4 cm từ T1

Người giới thiệu

1. Figueroa, D. 2005. Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 5. Chất lỏng và Nhiệt động học. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Vật lý: Cái nhìn về thế giới. Phiên bản rút gọn thứ 6. Học tập Cengage.
3. Lay, J. 2004. Vật lý đại cương cho kỹ sư. USACH.
4. Mott, R. 2006. Cơ học chất lỏng. lần thứ 4. Phiên bản. Giáo dục Pearson.
5. Strangeways, I. 2003. Đo lường Môi trường Tự nhiên. lần 2. Phiên bản. Nhà xuất bản Đại học Cambridge.
6. Wikipedia. Dẫn nhiệt. Phục hồi từ: es.wikipedia.com