Kiến thức
Nêu được ý nghĩa vật lí và đơn vị của nhiệt dung riêng; vận dụng đúng hệ thức \(Q=mc\Delta T\) trong quá trình vật nhận hoặc tỏa nhiệt mà không chuyển thể.
HAT Physics Learning · VẬT LÍ 12 · KẾT NỐI TRI THỨC
BÀI 04 · NHIỆT DUNG RIÊNG
Nhiệt lượng · Độ tăng nhiệt độ · Thực hành đo nhiệt dung riêng của nước
01 · MỤC TIÊU
Hiểu nhiệt dung riêng, biết thiết kế và xử lí thí nghiệm đo
Kĩ năng
Nhận biết dụng cụ đo; ghi thời gian, công suất và nhiệt độ; vẽ đồ thị \(t-\tau\), xác định độ dốc và tính nhiệt dung riêng của nước.
Thực hành khoa học
So sánh giá trị đo và tham khảo; đánh giá nguồn sai số, hạn chế mô hình, nguyên tắc an toàn điện–nhiệt trong thực hành.
Cốt lõi: Trong quá trình không chuyển thể, khi \(c\) coi như không đổi trên khoảng khảo sát, độ lớn nhiệt lượng trao đổi \(|Q|=mc|\Delta T|\). Với quy ước đại số \(Q=mc(T_2-T_1)\): \(Q>0\) vật nhận nhiệt, \(Q<0\) vật tỏa nhiệt.
02 · KIẾN THỨC TRỌNG TÂM
Khái niệm, hệ thức và thực hành đo nhiệt dung riêng
I. Khái niệm nhiệt dung riêng
Để tăng nhiệt độ của hai vật có cùng khối lượng và cùng độ tăng nhiệt độ, nhiệt lượng cần cung cấp có thể khác nhau tùy chất. Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kg chất để nhiệt độ tăng thêm 1 K (hay 1 °C), trong điều kiện không chuyển thể.
Quan sát: Đun nóng hai khối bằng nhau bằng cùng công suất, cùng thời gian trong mô hình lí tưởng. Chất có nhiệt dung riêng nhỏ hơn thường tăng nhiệt độ nhiều hơn, nếu không có thay đổi trạng thái hay thất thoát nhiệt.
(1) Nhiệt lượng làm đổi nhiệt độ\[\boxed{Q=mc\Delta T=mc(T_2-T_1)}\]
Với m (kg), c (J/(kg·K)), độ biến thiên nhiệt độ ΔT (K hoặc °C). Q được hiểu là nhiệt lượng vật nhận (có dấu); công thức chỉ áp dụng nếu không có chuyển thể và c coi như không đổi.
(2) Nhiệt dung riêng\[\boxed{c=\frac{Q}{m\Delta T}}\]
Khi ΔT khác 0 và Q, ΔT lấy theo cùng quy ước dấu. Trong thí nghiệm tăng nhiệt độ, Q > 0, ΔT > 0.
(3) Nhiệt dung của vật\[\boxed{C=mc\quad (\mathrm{J/K})}\]
C là nhiệt dung của cả vật, phụ thuộc khối lượng; khác với nhiệt dung riêng c là đặc trưng chất.
(4) Tính độ biến thiên nhiệt độ\[\boxed{\Delta T=\frac{Q}{mc}}\]
Giới hạn: m > 0, c > 0; nhiệt độ cuối phải nằm trong khoảng trạng thái pha và phạm vi giá trị c sử dụng.
II. Giá trị tham khảo và giới hạn áp dụng
| Chất | c gần đúng (J/(kg·K)) | Lưu ý |
|---|---|---|
| Nước lỏng | 4 200 | Giá trị tham khảo, phụ thuộc điều kiện; không dùng qua chuyển thể. |
| Nước đá | 2 100 | Giá trị tham khảo, phụ thuộc điều kiện; không dùng qua chuyển thể. |
| Không khí | 1 000 | Giá trị tham khảo, phụ thuộc điều kiện; không dùng qua chuyển thể. |
| Thủy tinh | 840 | Giá trị tham khảo, phụ thuộc điều kiện; không dùng qua chuyển thể. |
| Sắt | 440 | Giá trị tham khảo, phụ thuộc điều kiện; không dùng qua chuyển thể. |
| Đồng | 380 | Giá trị tham khảo, phụ thuộc điều kiện; không dùng qua chuyển thể. |
| Chì | 130 | Giá trị tham khảo, phụ thuộc điều kiện; không dùng qua chuyển thể. |
Chú ý: Giá trị trong bảng được làm tròn để học tập. Cần tránh trộn đơn vị g với kg, phút với giây; nước đá và nước lỏng có nhiệt dung riêng khác nhau.
III. Thực hành đo nhiệt dung riêng của nước
Dụng cụ: bình nhiệt lượng kế cách nhiệt chứa nước, dây điện trở đun nóng, oát kế đo công suất, nguồn điện, nhiệt kế hoặc cảm biến nhiệt và đồng hồ thời gian. Đo khối lượng nước, ghi nhiệt độ ban đầu, bật nguồn và khuấy nhẹ; cứ 60 giây ghi công suất và nhiệt độ, tiếp tục ít nhất 5–7 mốc. Vẽ đồ thị nhiệt độ theo thời gian, kẻ đường gần đúng qua các điểm đo; chọn hai điểm M, N trên đường thẳng để tìm độ dốc.
(5) Năng lượng điện cung cấp\[\boxed{Q_{\mathrm{điện}}=\overline P\,\Delta\tau}\]
Công suất P (W), thời gian τ (s). Nếu công suất thay đổi đáng kể: Q=ΣPᵢΔτᵢ hoặc lấy diện tích đồ thị P–τ, không tự ý thay bằng giá trị đầu.
(6) Thực hành xác định c của nước\[\boxed{c_{\mathrm{đo}}\approx\frac{\overline P\,\Delta\tau}{m\Delta T}}\]
Công thức gần đúng của thí nghiệm, xem điện năng tỏa ở dây đốt truyền hết cho nước; không tính nhiệt dung nhiệt lượng kế và thất thoát nhiệt. Khi có thất thoát, c đo có thể lớn hơn giá trị thực.
(7) Dùng độ dốc đồ thị nhiệt độ – thời gian\[\boxed{k=\frac{\Delta T}{\Delta\tau},\quad c_{\mathrm{đo}}\approx\frac{\overline P}{mk}}\]
Trên đoạn đun có công suất gần như không đổi; k (K/s) là độ dốc của đường thẳng khớp dữ liệu thực nghiệm.
(8) Sai lệch tương đối so với tham khảo\[\boxed{\delta=\frac{|c_{\mathrm{đo}}-c_{\mathrm{ref}}|}{c_{\mathrm{ref}}}\times 100\%}\]
Chỉ là độ lệch so với giá trị tham khảo, không đồng nghĩa độ không đảm bảo đo. Báo cáo cần nêu sai số dụng cụ, thất thoát nhiệt, nhiệt lượng hấp thụ bởi bình, sự không đồng nhất nhiệt độ.
Kiểm soát phép đo: Ngắt điện trước khi điều chỉnh thiết bị; không chạm dây đốt nóng; toàn bộ điện trở phải ngập nước khi cấp nguồn. Công thức đo gần đúng chỉ đúng khi công suất cung cấp ổn định, khuấy đều và tổn thất nhỏ. Nếu biết hiệu suất truyền nhiệt η và nhiệt dung bình Cb, mô hình nâng cao: \(\eta\overline P\Delta au=(mc+C_b)\Delta T\).
IV. Tám ví dụ hướng dẫn
Ví dụ 1 · Nhiệt lượng làm nóng nước – Đun 0,50 kg nước từ 20 °C lên 40 °C; c=4200 J/(kg·K).
Lời giải: \(Q=0{,}50\cdot 4200\cdot(40-20)=42\,000\ \mathrm J\).
Ví dụ 2 · Tính nhiệt dung riêng – Một khối 0,25 kg nhận 11 000 J, tăng 100 K, không chuyển thể.
Lời giải: \(c=Q/(m\Delta T)=11000/(0{,}25\cdot100)=440\ \mathrm{J/(kg\cdot K)}\).
Ví dụ 3 · Tăng nhiệt độ khi nhận nhiệt – Một khối đồng 0,20 kg nhận 3 800 J; c=380 J/(kg·K).
Lời giải: \(\Delta T=3800/(0{,}20\cdot380)=50\ \mathrm K\).
Ví dụ 4 · Khối lượng từ dữ kiện – Lượng nước nhận 25 200 J, tăng 20 K; c=4200 J/(kg·K).
Lời giải: \(m=25200/(4200\cdot20)=0{,}30\ \mathrm{kg}\).
Ví dụ 5 · Năng lượng của điện trở – Dây đun điện công suất 21 W hoạt động 420 s; giả sử P không đổi.
Lời giải: \(Q_{\mathrm{điện}}=P\Delta\tau=21\cdot420=8820\ \mathrm J\).
Ví dụ 6 · Tính c từ thí nghiệm gần đúng – Đun 0,15 kg nước bằng điện trở 15 W trong 420 s, nhiệt độ tăng 10 °C.
Lời giải: \(c_{\mathrm{đo}}\approx15\cdot420/(0{,}15\cdot10)=4200\ \mathrm{J/(kg\cdot K)}\).
Ví dụ 7 · Độ dốc đồ thị – Trong mô hình nước 0,20 kg, P=21 W, đường nhiệt độ tăng 0,025 K/s.
Lời giải: \(c\approx21/(0{,}20\cdot0{,}025)=4200\ \mathrm{J/(kg\cdot K)}\).
Ví dụ 8 · Ảnh hưởng thất thoát nhiệt – Dây đun cấp 6 300 J, chỉ 90% truyền cho nước 0,15 kg; bỏ qua bình.
Lời giải: \(\Delta T\approx0{,}90\cdot6300/(0{,}15\cdot4200)=9\,\mathrm K\). Nếu giả định toàn bộ 6300 J vào nước thì suy ra c lớn hơn giá trị thực.
Phân biệt: Khi nước đang sôi hoặc nước đá đang nóng chảy, năng lượng có thể dùng cho chuyển thể; không được máy móc dùng \(Q=mc\Delta T\) cho toàn bộ giai đoạn. Những tình huống đó thuộc Bài 05, 06.
03 · QUAN SÁT VÀ MÔ PHỎNG
Thí nghiệm ảo – đo và xử lí nhiệt dung riêng
Nguyên tắc: Lựa chọn điều kiện, dự đoán kết quả, rồi thay thông số để kiểm chứng. Mô phỏng không đo nước thật. Các số liệu có thể nhiễu nhẹ và tính đến một phần thất thoát để học sinh nhận xét sai lệch.
01
Nhiệt dung riêng quyết định tốc độ tăng nhiệt
Giả sử toàn bộ nhiệt điện cung cấp làm nóng vật, không chuyển thể. Quan sát cùng công suất nhưng chất có c khác nhau sẽ tăng nhiệt độ khác nhau.
Nhiệt lượng cung cấp30 000 J
Độ tăng nhiệt độ14,29 K
Nhiệt độ cuối (bắt đầu 20 °C)34,29 °C
Nhiệt dung C=mc2 100 J/K
02
Đo nhiệt dung riêng của nước – bảng và đồ thị thí nghiệm
Bình nhiệt lượng kế chứa nước, điện trở đun, nguồn điện, oát kế, nhiệt kế. Nhấn Ghi sau 60 s để thu các cặp số; nhiệt độ có nhiễu đọc nhỏ. Sau ít nhất ba mốc đo, dùng đường hồi quy tìm độ dốc và suy ra c.
| Lần đo | Thời gian τ (s) | P (W) | Nhiệt độ t (°C) |
|---|---|---|---|
| Chưa có số liệu. Nhấn nút Ghi sau 60 s. | |||
Độ dốc k—
c đo gần đúng—
c tham khảo4 200 J/(kg·K)
Độ lệch so tham khảo—
Mỗi khi đổi thông số, phép đo sẽ được đặt lại để dữ liệu không bị trộn.
03
Trao đổi nhiệt trong hệ cách nhiệt – bài tập mở rộng
Hai vật nhiệt độ khác nhau trao đổi nhiệt trong bình cách nhiệt lí tưởng, không chuyển thể. Nhiệt độ cân bằng tính bằng bảo toàn năng lượng.
Nhiệt dung vật A—
Nhiệt dung vật B—
Nhiệt độ cân bằng—
Nhiệt lượng |QA|=|QB|—
Hoạt động mở rộng: không tính nhiệt dung bình, mất mát ra môi trường, nóng chảy hay sôi; không thuộc phép đo c của nước trong SGK.
04 · LUYỆN TẬP
36 bài tự luyện phân hóa + kiểm tra 22 câu chuẩn V4
36 Bài tự luyện
6 Nhóm bài
22 Câu kiểm tra
10 Điểm tối đa
Phần A · Tự luyện 36 bài có đáp số và lời giải
Nhập chỉ kết quả số, không kèm đơn vị; có thể dùng dấu phẩy hoặc chấm thập phân. Đọc kỹ đơn vị được yêu cầu, đổi đúng kg, giây, J, kJ và K trước khi tính. Tự làm trước khi mở lời giải.
0/36 bài đúng
Trang 1/5
Phần B · Bài kiểm tra 22 câu – thang điểm 10
8 ABCD (2 điểm), 4 Đúng/Sai bốn ý (4 điểm), 8 câu trả lời ngắn (2 điểm), 2 tự luận (2 điểm). Đáp án và giải thích được mở sau khi học sinh nộp bài; tự luận đánh giá theo rubric.
05 · HỆ THỐNG HÓA
Bản đồ tư duy – Nhiệt dung riêng
Tổng hợp khái niệm, công thức, quy trình thực hành và phân tích sai số.
Xem bản đồ dạng văn bản
- c: J/(kg·K), không phụ thuộc khối lượng vật.
- Q=mcΔT khi vật không chuyển thể.
- C=mc: nhiệt dung của cả vật.
- Đo c nước: m, P, thời gian, nhiệt độ.
- Đồ thị T–τ: k=ΔT/Δτ; c≈P/(mk).
- Nhận xét thất thoát nhiệt, nhiệt dung bình và sai số dụng cụ.
06 · EM CÓ BIẾT?
Nhiệt dung riêng trong tự nhiên và công nghệ
Nước có nhiệt dung riêng lớn nên với cùng nhiệt lượng trên mỗi kg, nhiệt độ nước thường thay đổi ít hơn nhiều chất khác; đây là một yếu tố ảnh hưởng đến vi khí hậu gần biển và hồ.
Chọn vật liệu nồi còn tùy độ dẫn nhiệt, khối lượng và độ bền. Không thể kết luận nồi nóng nhanh chỉ bằng cách so sánh c.
Bản thân bình và dây khuấy cũng nhận năng lượng, nên ở thí nghiệm thực phải xét nhiệt dung của chúng nếu muốn độ chính xác cao.
Với công suất thay đổi, cần lấy tổng PΔτ theo từng khoảng hoặc tích phân theo thời gian; dùng một giá trị P bất kì có thể gây sai số.
Câu hỏi mở rộng: Vì sao cùng một bếp điện đun nóng cùng khối lượng nước và dầu có thể thu được tốc độ tăng nhiệt độ khác nhau, ngay cả khi chưa xảy ra chuyển thể? Hãy xét nhiệt dung riêng và sự thất thoát nhiệt trước khi kết luận.