Nhiệt dung riêng và nhiệt ẩn
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| latent heat/ˈleɪtənt hiːt/ | nhiệt ẩn |
| specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ | nhiên dung tích phân tử |
| change of state/tʃeɪndʒ ɒv steɪt/ | thay đổi trạng thái |
| specific latent heat/spəˈsɪfɪk ˈleɪtənt hiːt/ | nhiệt ẩn riêng |
| fusion/ˈfjuːʒn/ | nóng chảy |
| vaporisation/ˌveɪpəraɪˈzeɪʃn/ | hơi hóa |
Nóng sôi chậm, nguội lạnh cũng chậm
- Một chiếc thìa kim loại nóng lên trong vài giây; một nồi nước cần mất vài phút.
- Và nước sôi vẫn giữ nguyên ở $100\ °\text{C}$ ngay cả khi nó đang sủi bọt bay hơi.
- Hai khái niệm giải thích hiện tượng này: dung lượng nhiệt và nhiệt ẩn.
Nhiệt dung riêng
- $c$ = năng lượng để nâng 1 kg lên 1 K: $Q = mc\Delta T$.
- Định nghĩa trong đề thi: "năng lượng cần thiết trên mỗi đơn vị khối lượng để nâng nhiệt độ thêm một kelvin (hoặc một độ)".
- Nhiệt dung riêng của nước $c \approx 4200\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}\cdot\text{K}}$ cao — nó nóng lên và làm lạnh chậm.
Nhiệt dung riêng của nước vượt trội so với kim loại — đó là lý do tại sao nó nóng và nguội chậm
Năng lượng để làm nóng: E = mcΔT
Chọn một vật liệu, đặt khối lượng và mức tăng nhiệt độ, sau đó đọc năng lượng. Nước cần nhiều năng lượng hơn hẳn so với các kim loại.
Nhiệt dung riêng
Q = mcΔT
Năng lượng nhiệt cần thiết tỷ lệ thuận với mức tăng nhiệt độ — độ dốc phụ thuộc vào khối lượng và nhiệt dung riêng của vật liệu.
Cần bao nhiêu năng lượng để làm $2.0\ \text{kg}$ nước tăng $10\ \text{K}$? (Sử dụng $c = 4200\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}\cdot\text{K}}$.)
Độ khó 2/5 · 140 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
$Q = mc\Delta T = 2.0 \times 4200 \times 10 = 84000\ \text{J}$.
Nước có nhiệt dung riêng cao so với hầu hết các kim loại.
Độ khó 1/5 · 100 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Nước ~4200 so với nhôm ~900, đồng ~385 J/(kg·K) — nước cần nhiều năng lượng hơn mỗi kelvin.
Đường cong gia nhiệt
- Cung cấp nhiệt đều đặn thì nhiệt độ tăng — ngoại trừ trong quá trình thay đổi trạng thái.
- Tại đó, nhiệt độ giữ không đổi: năng lượng đi vào việc phá vỡ liên kết, chứ không phải làm tăng nhiệt độ.
Khi một chất rắn đang tan, nhiệt độ của nó:
Độ khó 1/5 · 100 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Trong quá trình biến đổi trạng thái, năng lượng dùng để phá vỡ liên kết thay vì làm tăng nhiệt độ, nên nhiệt độ giữ nguyên.
Nhiệt ẩn riêng
- $L$ = năng lượng để thay đổi trạng thái của 1 kg ở nhiệt độ không đổi: $Q = mL$ — cụm từ cuối cùng này là một phần của định nghĩa.
- Nóng chảy $L_{\text{f}}$ (đông tan); hóa hơi $L_{\text{v}}$ (sôi).
- $L_{\text{v}} > L_{\text{f}}$ vì hai lý do: sự hóa hơi phải tách rời các phân tử hoàn toàn, và hơi nước thực hiện công đẩy lùi không khí khi giãn nở.
Cần bao nhiêu năng lượng để làm tan $0.10\ \text{kg}$ băng ở $0\ °\text{C}$? (Sử dụng $L_{\text{f}} = 3.34 \times 10^{5}\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}}$.)
Độ khó 2/5 · 140 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
$Q = mL_{\text{f}} = 0.10 \times 3.34 \times 10^{5} = 3.34 \times 10^{4}\ \text{J}$.
Nhiệt hóa hơi lớn hơn nhiệt hóa lỏng vì:
Độ khó 1/5 · 100 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Tan chảy chỉ làm nới lỏng các liên kết; sôi tách hoàn toàn các hạt và hơi giãn nở ngược lại áp suất không khí.
Nối mỗi thuật ngữ với định nghĩa mà người chấm bài đánh dấu.
Độ khó 2/5 · 140 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
"Ở nhiệt độ không đổi" là yếu tố phân biệt nhiệt ẩn với việc gia nhiệt, và nếu bỏ sót cụm từ này sẽ bị mất điểm dù công thức đã đúng.
Bài toán nhiều bước
- Làm nóng xuyên qua quá trình thay đổi trạng thái được chia thành các bước.
- Sử dụng $Q = mc\Delta T$ cho từng phần dốc, và $Q = mL$ tại mỗi đoạn ngang — sau đó cộng chúng lại.
Chia đường cong gia nhiệt thành các giai đoạn dốc (mcΔT) và ngang (mL), sau đó cộng các mức năng lượng
Trong quá trình biến đổi trạng thái, năng lượng được $Q = m$____ (không phải $mc\Delta T$).
Độ khó 1/5 · 100 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Biến đổi pha diễn ra ở nhiệt độ không đổi, nên hãy dùng $Q = mL$ ở đó; dùng $mc\Delta T$ cho các phần dốc (phần thay đổi nhiệt độ).
Ví dụ minh họa: một viên đá trong thức uống
Một viên đá $37.0\ \text{g}$ ở $0.0\ °\text{C}$ được thả vào $250\ \text{g}$ nước ở $24.0\ °\text{C}$ trong bình chịu nhiệt cách nhiệt. Tìm nhiệt độ cuối cùng. Lấy $L_{\text{f}} = 3.34 \times 10^{5}\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}}$ và $c = 4200\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}\,\text{K}}$.
- Làm tan đá trước: $mL = 0.037 \times 3.34 \times 10^{5} = 12\,400\ \text{J}$, ở $0\ °\text{C}$.
- Sau đó làm nóng nước tan từ $0$ đến $T$: $0.037 \times 4200 \times T = 155\,T$.
- Nước ấm cung cấp cả hai, làm mát từ $24$ đến $T$: $0.250 \times 4200 \times (24 - T) = 25\,200 - 1050\,T$.
- Cân bằng: $12\,400 + 155\,T = 25\,200 - 1050\,T$, nên $1205\,T = 12\,800$ và $T = 10.6\ °\text{C}$.
- Kiểm tra: kết quả cao hơn nhiều so với $0$ (tất cả đá đã tan) và thấp hơn $24$. Bỏ sót bước làm tan sẽ dẫn đến kết quả $21\ °\text{C}$ — lỗi phổ biến nhất.
$20\ \text{g}$ băng ở $0\ °\text{C}$ được thêm vào $200\ \text{g}$ nước ở $30\ °\text{C}$ trong cốc cách nhiệt. Lấy $L_{\text{f}} = 3.3 \times 10^{5}\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}}$ và $c = 4200\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}\,\text{K}}$. Nhiệt độ cuối cùng là bao nhiêu, tính theo °C?
Độ khó 2/5 · 140 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Tan chảy: $0.020 \times 3.3 \times 10^{5} = 6600\ \text{J}$. Sau đó $6600 + 0.020 \times 4200 \times T = 0.200 \times 4200 \times (30 - T)$, nên $6600 + 84T = 25200 - 840T$, cho kết quả $T = 20.1\ °\text{C}$.
Xếp thứ tự các giai đoạn năng lượng để biến băng -10 C thành hơi nước.
Độ khó 3/5 · 200 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Mỗi giai đoạn sử dụng một công thức khác nhau và một hằng số khác nhau. Việc áp dụng mc(delta T) xuyên suốt quá trình biến đổi trạng thái, hoặc dùng mL cho sự gia tăng nhiệt độ, là lỗi phổ biến.
Cần bao nhiêu năng lượng để làm tan 0,20 kg băng ở 0 C? (Nhiệt hóa lỏng 3,3e5 J/kg) Hãy đưa ra đáp án theo kJ.
Độ khó 2/5 · 140 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
E = mL = 0,20 x 3,3e5 = 6,6e4 J = 66 kJ, tất cả ở 0 C và không có sự thay đổi nhiệt độ nào. Trong giai đoạn này không có delta T.
Ví dụ minh họa: làm nóng một khối vật ở áp suất không đổi
Một khối kim loại $2.0\ \text{kg}$ được làm nóng thêm $100\ \text{K}$ ở áp suất khí quyển ($1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$) và giãn nở thêm $1.0 \times 10^{-6}\ \text{m}^{3}$. Nó hấp thụ $7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$ năng lượng nhiệt.
- Công mà khối vật thực hiện lên không khí: $p\Delta V = 1.0 \times 10^{5} \times 1.0 \times 10^{-6} = 0.10\ \text{J}$ — vậy công thực hiện lên khối vật là $-0.10\ \text{J}$ (nó giãn nở, đẩy không khí đi).
- Định luật thứ nhất: sự gia tăng năng lượng nội là $q + W = 7.8 \times 10^{4} - 0.1 \approx 7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$.
- Nhiệt dung riêng: $c = \dfrac{q}{m\Delta T} = \dfrac{7.8 \times 10^{4}}{2.0 \times 100} = 390\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}\,\text{K}}$ — đồng.
- Kiểm tra: đối với chất rắn, công giãn nở rất nhỏ, nên làm nóng ở áp suất không đổi và thể tích không đổi gần như cho cùng một $c$. Đối với khí, sự chênh lệch là lớn, đó là ý nghĩa của chủ đề tiếp theo.
$Q = mc\Delta T$ không có công thức cho sự thay đổi trạng thái — tại vùng ngang (nhiệt độ không đổi) hãy dùng $Q = mL$ với $\Delta T = 0$. Giữ khối lượng tính bằng kg khi $c$ nằm trong $\dfrac{\text{J}}{\text{kg}\,\text{K}}$. Và một định nghĩa cần các điều kiện: "trên mỗi đơn vị khối lượng" và "trên mỗi độ tăng nhiệt độ" đối với $c$; "trên mỗi đơn vị khối lượng" và "ở nhiệt độ không đổi" đối với $L$.
Những cụm từ nào bắt buộc phải xuất hiện trong định nghĩa đầy đủ về nhiệt hóa hơi riêng? Chọn tất cả các đáp án đúng.
Độ khó 2/5 · 140 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Nhiệt ẩn là năng lượng trên mỗi đơn vị khối lượng để biến đổi trạng thái ở nhiệt độ không đổi. "Mỗi kelvin" thuộc về nhiệt dung riêng, nơi mà nhiệt độ có sự thay đổi.
Đo $c$ và $L$ trong phòng thí nghiệm
- Gia nhiệt điện: $Q = VIt$ (hoặc $Pt$) từ bộ gia nhiệt nhúng; vẽ đồ thị nhiệt độ theo thời gian và sử dụng độ dốc, để có thể hiệu chỉnh sự mất nhiệt.
- Đối với $L_{\text{v}}$: đun nóng chất lỏng ở nhiệt độ sôi và đo khối lượng bay hơi trong một khoảng thời gian cố định; lặp lại ở mức công suất thứ hai để phần nhiệt thất thoát, giống nhau trong cả hai lần chạy, được triệt tiêu.
- Nguồn sai số: năng lượng thất thoát ra môi trường và vào bình chứa, cùng sự bay hơi trước khi đạt điểm sôi — hãy để thiết bị ổn định và chỉ đọc số khi nhiệt độ đã bền vững.
Bạn đã nắm vững
- $Q = mc\Delta T$ thay đổi nhiệt độ (năng lượng trên mỗi đơn vị khối lượng trên mỗi kelvin); $c$ của nước cao
- trong quá trình thay đổi trạng thái nhiệt độ không đổi: $Q = mL$ (năng lượng trên mỗi đơn vị khối lượng ở nhiệt độ không đổi)
- $L_{\text{v}} > L_{\text{f}}$ (sôi tách hoàn toàn các phân tử và thực hiện công chống lại áp suất khí quyển); hãy làm tan chảy trước, sau đó gia nhiệt, trong bài toán trộn