Nhiệt dung riêng (Specific heat capacity)

Đơn vị:

Đơn vị SI của nhiệt dung riêng là joule trên kilôgam trên kelvin (J/kg.K). Một số đơn vị khác cũng được sử dụng như calo trên gam trên độ Celsius (cal/g.°C). Cần lưu ý rằng 1 calo bằng 4.186 joule. Công thức liên hệ giữa nhiệt lượng (Q), khối lượng (m), nhiệt dung riêng (c) và sự thay đổi nhiệt độ (ΔT) là:

$Q = mc\Delta T$

Công thức tính nhiệt lượng

Nhiệt lượng (Q) cần thiết để thay đổi nhiệt độ của một vật được tính theo công thức:

$Q = mc\Delta T$

Trong đó:

• $Q$ là nhiệt lượng (J)
• $m$ là khối lượng của vật (kg)
• $c$ là nhiệt dung riêng của chất (J/kg.K)
• $\Delta T$ là sự thay đổi nhiệt độ (K hoặc °C). $\Delta T = T_{cuối} – T_{đầu}$

Ý nghĩa của nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng thể hiện khả năng hấp thụ và tỏa nhiệt của một chất.

• Giá trị nhiệt dung riêng cao: Chất có nhiệt dung riêng cao cần nhiều nhiệt hơn để tăng nhiệt độ và sẽ tỏa ra nhiều nhiệt hơn khi nguội đi so với chất có nhiệt dung riêng thấp. Ví dụ, nước có nhiệt dung riêng khá cao (4186 J/kg.K), do đó nó được sử dụng làm chất làm mát hiệu quả. Điều này cũng giải thích tại sao vùng ven biển thường có nhiệt độ ôn hòa hơn so với vùng nội địa.
• Giá trị nhiệt dung riêng thấp: Chất có nhiệt dung riêng thấp dễ dàng thay đổi nhiệt độ khi được cung cấp hoặc mất nhiệt. Ví dụ, kim loại thường có nhiệt dung riêng thấp, vì vậy chúng nóng lên và nguội đi nhanh chóng.

Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng của một chất có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm:

• Nhiệt độ: Nhiệt dung riêng của một số chất có thể thay đổi theo nhiệt độ. Sự thay đổi này thường không đáng kể trong một khoảng nhiệt độ hẹp, nhưng có thể trở nên quan trọng ở nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp.
• Áp suất: Áp suất cũng có thể ảnh hưởng đến nhiệt dung riêng, đặc biệt là đối với chất khí. Sự ảnh hưởng của áp suất thường rõ rệt hơn ở áp suất cao.
• Trạng thái của chất: Nhiệt dung riêng của một chất có thể khác nhau ở các trạng thái khác nhau (rắn, lỏng, khí). Ví dụ, nhiệt dung riêng của nước đá, nước lỏng và hơi nước là khác nhau.

Ví dụ

Để tăng nhiệt độ của 1 kg nước lên 1°C, cần cung cấp 4186 J nhiệt. Điều này có nghĩa là nhiệt dung riêng của nước là 4186 J/kg.K.

Ứng dụng

Hiểu biết về nhiệt dung riêng rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

• Kỹ thuật: Thiết kế hệ thống sưởi ấm và làm mát, lựa chọn vật liệu cho các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, vật liệu có nhiệt dung riêng cao được sử dụng trong các hệ thống sưởi ấm để lưu trữ nhiệt.
• Nấu ăn: Hiểu tại sao một số thực phẩm nấu nhanh hơn những loại khác. Ví dụ, kim loại có nhiệt dung riêng thấp nên nóng lên nhanh chóng, giúp thức ăn chín nhanh hơn.
• Khí tượng: Dự đoán mô hình thời tiết và khí hậu. Nhiệt dung riêng của nước biển đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa khí hậu toàn cầu.

So sánh nhiệt dung riêng với nhiệt dung

Nhiệt dung (heat capacity) là lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của một vật lên một độ. Nó phụ thuộc vào cả khối lượng và nhiệt dung riêng của vật. Công thức tính nhiệt dung là:

$C = mc$

Trong đó:

• $C$ là nhiệt dung (J/K)
• $m$ là khối lượng (kg)
• $c$ là nhiệt dung riêng (J/kg.K)

Sự khác biệt chính là nhiệt dung riêng là một thuộc tính của chất, trong khi nhiệt dung là thuộc tính của vật.

Nhiệt dung riêng ở thể tích hằng định và áp suất hằng định

Đối với chất khí, ta cần phân biệt giữa nhiệt dung riêng ở thể tích hằng định ($c_v$) và nhiệt dung riêng ở áp suất hằng định ($c_p$).

• Nhiệt dung riêng ở thể tích hằng định ($c_v$): là lượng nhiệt cần cung cấp cho một đơn vị khối lượng chất khí để tăng nhiệt độ lên một độ khi thể tích được giữ không đổi. Trong trường hợp này, toàn bộ nhiệt lượng được sử dụng để tăng nội năng của chất khí.
• Nhiệt dung riêng ở áp suất hằng định ($c_p$): là lượng nhiệt cần cung cấp cho một đơn vị khối lượng chất khí để tăng nhiệt độ lên một độ khi áp suất được giữ không đổi. Trong trường hợp này, một phần nhiệt lượng được sử dụng để tăng nội năng, và phần còn lại được sử dụng để thực hiện công khi chất khí giãn nở.

Do đó, $c_p$ luôn lớn hơn $c_v$. Đối với khí lý tưởng, mối quan hệ giữa $c_p$ và $c_v$ được cho bởi:

$c_p – c_v = R$

Trong đó:

• $R$ là hằng số khí.

Nhiệt dung riêng của một số chất phổ biến (ở 25°C)

Phương pháp đo nhiệt dung riêng

Có nhiều phương pháp để đo nhiệt dung riêng của một chất. Một phương pháp phổ biến là phương pháp calorimetry. Phương pháp này dựa trên việc đo sự thay đổi nhiệt độ của một lượng nước đã biết khi một mẫu vật được làm nóng đến một nhiệt độ nhất định rồi được thả vào nước. Bằng cách áp dụng nguyên lý bảo toàn năng lượng, ta có thể tính được nhiệt dung riêng của mẫu vật.

Bảng nhiệt dung riêng của một số chất khác

Có thể tìm thấy bảng nhiệt dung riêng của nhiều chất khác nhau trong các sách giáo khoa, tài liệu tham khảo và trên internet.

• Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2018). Fundamentals of Physics. John Wiley & Sons.
• Young, H. D., & Freedman, R. A. (2019). University Physics with Modern Physics. Pearson.
• Serway, R. A., & Jewett, J. W. (2018). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. Cengage Learning.
• Tipler, P. A., & Mosca, G. (2008). Physics for Scientists and Engineers. W. H. Freeman.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao nhiệt dung riêng của nước lại cao bất thường so với các chất lỏng khác?

Trả lời: Nhiệt dung riêng cao của nước là do liên kết hydro giữa các phân tử nước. Liên kết hydro là một loại liên kết tương đối mạnh, cần một lượng năng lượng đáng kể để phá vỡ. Khi nhiệt được cung cấp cho nước, một phần năng lượng được sử dụng để phá vỡ các liên kết hydro này, thay vì làm tăng động năng của các phân tử nước (và do đó làm tăng nhiệt độ). Kết quả là, cần một lượng nhiệt lớn hơn để tăng nhiệt độ của nước so với các chất lỏng khác không có liên kết hydro mạnh như vậy.

Làm thế nào để tính toán nhiệt lượng cần thiết để chuyển đổi một chất từ trạng thái rắn sang lỏng, hoặc từ lỏng sang khí, có tính đến nhiệt dung riêng?

Trả lời: Để tính toán tổng nhiệt lượng cần thiết, bạn cần phải tính đến cả nhiệt dung riêng và nhiệt nóng chảy (đối với quá trình chuyển đổi rắn-lỏng) hoặc nhiệt hóa hơi (đối với quá trình chuyển đổi lỏng-khí). Công thức tổng quát là:

$Q = mc\Delta T + mL$

Trong đó:

• $Q$ là tổng nhiệt lượng
• $m$ là khối lượng
• $c$ là nhiệt dung riêng
• $\Delta T$ là sự thay đổi nhiệt độ
• $L$ là nhiệt nóng chảy hoặc nhiệt hóa hơi.

Sự khác biệt giữa nhiệt dung và nhiệt dung riêng là gì? Cho ví dụ.

Trả lời: Nhiệt dung (C) là lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của một vật lên 1 độ C (hoặc 1K). Nhiệt dung riêng (c) là lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của một đơn vị khối lượng chất lên 1 độ C (hoặc 1K). Ví dụ, nhiệt dung của một khối sắt 1kg có thể là 450 J/K, trong khi nhiệt dung riêng của sắt là 450 J/kg.K. Điều này có nghĩa là cần 450J để tăng nhiệt độ của khối sắt đó lên 1K.

Tại sao $c_p$ luôn lớn hơn $c_v$ đối với chất khí?

Trả lời: Ở áp suất không đổi ($c_p$), một phần năng lượng được cung cấp cho chất khí được sử dụng để thực hiện công giãn nở, đẩy lùi môi trường xung quanh. Trong khi đó, ở thể tích không đổi ($c_v$), toàn bộ năng lượng được cung cấp đều được dùng để tăng nội năng (và do đó làm tăng nhiệt độ). Do đó, cần nhiều năng lượng hơn để tăng nhiệt độ của chất khí ở áp suất không đổi so với ở thể tích không đổi, dẫn đến $c_p > c_v$.

Nhiệt dung riêng có ứng dụng gì trong kỹ thuật?

Trả lời: Nhiệt dung riêng có nhiều ứng dụng quan trọng trong kỹ thuật, ví dụ như:

• Thiết kế hệ thống sưởi ấm và làm mát: Lựa chọn chất lỏng làm mát phù hợp trong động cơ, hệ thống điều hòa không khí, v.v.
• Lựa chọn vật liệu: Xác định vật liệu phù hợp cho các ứng dụng cụ thể, ví dụ như vật liệu chịu nhiệt cho động cơ, vật liệu cách nhiệt cho nhà cửa.
• Lưu trữ năng lượng nhiệt: Thiết kế hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt sử dụng vật liệu có nhiệt dung riêng cao.
• Gia công kim loại: Tính toán nhiệt lượng cần thiết để làm nóng kim loại đến nhiệt độ mong muốn trong quá trình gia công.