Nhiệt lượng là gì? Đặc điểm và công thức tính nhiệt lượng?

1. Nhiệt lượng là gì? 

Theo định nghĩa của vật lý, nhiệt lượng là phần nhiệt năng mà vật nhận được hay mất đi trong quá trình truyền nhiệt. Nhiệt lượng của một vật thu vào để làm nóng lên phụ thuộc vào ba yếu tố sau:

– Khối lượng của vật: Nếu khối lượng của vật càng lớn thì nhiệt lượng của vật thu vào cũng càng lớn.

– Độ tăng nhiệt độ: Càng lớn thì nhiệt lượng mà vật thu vào cũng càng lớn.

– Chất cấu tạo nên vật: Mỗi chất có một nhiệt dung riêng khác nhau, cho biết nhiệt lượng cần thiết để làm cho 1kg chất đó tăng thêm 1 độ C.

Đơn vị đo lường chính của nhiệt lượng là joule (J), nhưng cũng có thể sử dụng các đơn vị khác như calorie (cal) hoặc kilowatt-giờ (kWh) để đo lường năng lượng nhiệt. Nhiệt lượng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như vật lý, hóa học, nhiệt động học, và trong các ứng dụng thực tế như công nghệ năng lượng và quá trình nhiệt.

2. Nhiệt lượng có những đặc điểm chính nào?

– Nhiệt lượng cao: Điều này có nghĩa là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu trong bơm.

– Nhiệt lượng riêng thấp: Tức nhiệt lượng riêng cao loại trừ nhiệt bốc hơi của nước được giải phóng và tạo thành trong cả quá trình đốt cháy mẫu nhiên liệu.

– Nhiệt dung của nhiệt lượng kế và lượng nhiệt cần thiết để đốt nóng nhiệt lượng kế lên 1ºC khi ở điều kiện tiêu chuẩn (còn gọi là giá trị nước của nhiệt lượng kế)

3. Công thức tính nhiệt lượng:

Nhiệt lượng được tính bằng công thức sau:

Q = m.c.∆t

Trong đó:

– Q là nhiệt lượng, đơn vị là Jun (J) hoặc Kilo Jun (KJ).

– m là khối lượng của vật, đơn vị là kilôgam (kg).

– c là nhiệt dung riêng của chất, đơn vị là J/kg.K. Nhiệt dung riêng cho biết nhiệt lượng cần thiết để làm cho 1kg chất tăng thêm 1 độ C.

– ∆t là biến thiên nhiệt độ, bằng hiệu số giữa nhiệt độ cuối và nhiệt độ đầu của vật, đơn vị là độ C hoặc K.

Công thức này có ý nghĩa là: khi một vật nhận hay toả một lượng nhiệt Q, thì khối lượng của vật nhân với nhiệt dung riêng của chất và nhân với biến thiên nhiệt độ sẽ bằng Q. Nếu biết hai trong ba yếu tố m, c và ∆t, ta có thể tính được yếu tố còn lại.

Ví dụ: Nếu năng suất toả nhiệt của than đá là 5.10^6 J/kg, có nghĩa là khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg than đá, sẽ toả ra một lượng nhiệt là 5.10^6 J.

4. Phân loại nhiệt lượng:

Nhiệt lượng có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào nguồn gốc, cách truyền và tính chất của nhiệt lượng. Một số loại nhiệt lượng phổ biến nhất là:

– Nhiệt lượng cấp: là nhiệt lượng được trao đổi khi một vật thể thay đổi nhiệt độ của nó, nhưng không thay đổi trạng thái tổng hợp. Nhiệt lượng cấp được tính bằng công thức Q = mc∆T, trong đó Q là nhiệt lượng, m là khối lượng, c là nhiệt dung riêng và ∆T là biến thiên nhiệt độ.

– Nhiệt lượng biến hóa: là nhiệt lượng được trao đổi khi một vật thể thay đổi trạng thái tổng hợp của nó, như từ rắn sang lỏng hay từ lỏng sang khí. Nhiệt lượng biến hóa được tính bằng công thức Q = mL, trong đó Q là nhiệt lượng, m là khối lượng và L là nhiệt biến hóa riêng.

– Nhiệt lượng phóng xạ: là nhiệt lượng được truyền từ một vật thể có nhiệt độ cao hơn sang một vật thể có nhiệt độ thấp hơn bằng cách phát ra các bức xạ điện từ, như ánh sáng hay hồng ngoại. Nhiệt lượng phóng xạ được tính bằng công thức Q = εσAT^4, trong đó Q là nhiệt lượng, ε là hệ số phát xạ, σ là hằng số Stefan-Boltzmann, A là diện tích bề mặt và T là nhiệt độ tuyệt đối.

– Nhiệt lượng dẫn: là nhiệt lượng được truyền từ một vật thể có nhiệt độ cao hơn sang một vật thể có nhiệt độ thấp hơn bằng cách chuyển động của các phân tử hoặc các điện tử trong chất liệu. Nhiệt lượng dẫn được tính bằng công thức Q = kA∆T/L, trong đó Q là nhiệt lượng, k là hệ số dẫn nhiệt, A là diện tích tiếp xúc, ∆T là biến thiên nhiệt độ và L là chiều dài của chất liệu.

– Nhiệt lượng đối lưu: là nhiệt lượng được truyền từ một vật thể có nhiệt độ cao hơn sang một vật thể có nhiệt độ thấp hơn bằng cách chuyển động của các dòng chảy chất khí hoặc chất lỏng. Nhiệt lượng đối lưu được tính bằng công thức Q = hcA∆T, trong đó Q là nhiệt lượng, hc là hệ số trao đổi nhiệt qua đối lưu, A là diện tích tiếp xúc và ∆T là biến thiên nhiệt độ.

5. Các yếu tố ảnh hưởng đến Nhiệt lượng:

Nhiệt lượng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như:

– Thành phần hóa học của chất: các chất có thành phần hóa học khác nhau sẽ có nhiệt lượng khác nhau. Ví dụ, nhiệt lượng của than đá cao hơn nhiệt lượng của gỗ.

– Trạng thái tổng hợp của chất: các chất ở trạng thái khác nhau (rắn, lỏng, khí) sẽ có nhiệt lượng khác nhau. Ví dụ, nhiệt lượng của nước ở trạng thái lỏng cao hơn nhiệt lượng của băng.

– Nhiệt độ ban đầu của chất: nhiệt độ ban đầu càng cao thì nhiệt lượng càng thấp, vì cần ít nhiệt hơn để làm nóng chất lên một đơn vị nhiệt độ. Ví dụ, nhiệt lượng của nước ở 20°C thấp hơn nhiệt lượng của nước ở 10°C.

– Áp suất môi trường: áp suất môi trường càng cao thì nhiệt lượng càng cao, vì cần nhiều nhiệt hơn để làm thay đổi trạng thái tổng hợp của chất. Ví dụ, nhiệt lượng của nước ở áp suất 1 atm cao hơn nhiệt lượng của nước ở áp suất 0.5 atm.

6. Bài tập vận dụng liên quan:

Bài 1: Một bếp điện khi hoạt động bình thường có điện trở là R = 80Ω và cường độ dòng điện chạy qua bếp khi đó là I = 2,5A.

a) Tính nhiệt lượng mà bếp tỏa ra trong 1 giây.

b) Dùng bếp điện để đun sôi 1,5 l nước có nhiệt độ ban đầu là 25 độ C thì sẽ mất 20 phút để đun sôi nước. Coi rằng nhiệt lượng để đun sôi nước là có ích, hãy tính hiệu suất của bếp. Nhiệt dung riêng của nước là C = 4 200J/kg.K.

c) Thời gian sử dụng bếp điện mỗi ngày là 3 giờ. Tính tiền điện phải trả trong 30 ngày cho việc sử dụng bếp điện, nếu giá 1kW.h là 700 đồng.

Hướng dẫn giải:

a) Nhiệt lượng mà bếp tỏa ra trong 1 giây:

Q = I2.R.t = 2,52.80.1 = 500J

b) Nhiệt lượng mà bếp tỏa ra trong 20 phút

Qtp = Q.20.60 = 600000J

Nhiệt lượng cần để đun sôi lượng nước: 

Qi = m.c.∆t = m.c.(t2 – t1) = 4200.1,5.(100 – 25) = 472500J

Hiệu suất của bếp:

H = Qi/Qtp = 472500/600000 = 78,75 %.

c) Lượng điện năng mà bếp tiêu thụ trong 30 ngày, tính theo đơn vị kW.h là:

A = P.t = 500.30.3 = 45000 W.h = 45 kW.h

Vậy số tiền điện phải trả là:

T = 45.700 = 315000 đồng

Bài 2: Một ấm điện có ghi 220V – 1000W được sử dụng với hiệu điện thế 220V để đun sôi 2l nước từ nhiệt độ ban đầu 20 độ C. Hiệu suất đun sôi của ấm là 90%, trong đó nhiệt lượng cung cấp để đun sôi nước được coi là có ích.

a) Tính nhiệt lượng cần cung cấp để đun sôi lượng nước trên, Cho biết nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K.

b) Tính nhiệt lượng mà ấm điện đã tỏa ra khi đó.

c) Tính thời gian cần thiết để đun sôi lượng nước trên.

Hướng dẫn giải:

a) Nhiệt lượng cần cung cấp để đun sôi lượng nước trên là:

Qi = m.c.∆t = m.c.(t2 – t1) = 4200.2.(100-20) = 672000J

b) Nhiệt lượng mà ấm đã tỏa ra khi đó là:

H = Qi/Qtp => Qtp = Qi/H = 672000/ (90/100) = 746700J

c) Thời gian cần thiết để đun sôi lượng nước trên:

Qtp = A = P.t => t = Qtp/P = 746700/1000 ≈ 747s

Bài 3: Người ta đưa 1 miếng một sắt vào 1 cái lò có khối lượng 22,3 gam vào 1 cái lò để xác định nhiệt độ của nó. Khi miếng sắt có nhiệt độ bằng nhiệt độ của lò, người ta lấy ra và thả vào nhiệt kế 450g, nước ở 15oC, nhiệt độ của nước tăng lên 22,5 độ C. Hãy xác định nhiệt độ ban đầu của lò.

Hướng dẫn giải:

+ Nhiệt lượng tỏa ra:

QFe = mFe.CFe. (t2 -t) = 10,7t2 – 239,8

+ Nhiệt lượng thu vào:

QH2O = mH2O. CH2O . (t-t1) = 14107.5 (J)

+ Áp dụng phương trình cân bằng ta có:

Qtỏa = QThu

<=> 10,7 t2 – 239,8 = 14107,5

=> t2 = 1340,9 oC

Bài 4: Một cốc nhôm m = 100g chứa 300 nước ở nhiệt độ 20 độ C. Người ta thả vào cốc 1 thìa đường khối lượng 75g vừa rút ra từ nôi nước sôi 100 độ. Hãy xác định nhiệt độ của nước trong cốc khi có sự cân bằng nhiệt. Bó các hao phí nhiệt ra ngoài. Cho biết nhiệt dung riêng của nước là 4190J/kg.K, của nhôm là 880 J/kg.K, của đồng là 380 J/kg.K.

Hướng dẫn giải:

– Nhiệt lượng tỏa ra:

QCu = mCu. Ccu. (t2-t) = 2850 – 28,5t

– Nhiệt lượng thu vào:

QH2O = mH2O. CH2O . (t – t2) = 1257t- 25140

QAl = mAl. CAl. (t-t1) = 88t- 1760

+ Áp dụng phương trình cân bằng ta có:

Qtỏa = Qthu = 280 – 288,5t = 1257t – 25140 + 88t – 1760