Nhiệt năng là gì? Công thức tính nhiệt năng? Ứng dụng của nó?

Nhiệt năng là một trong những dạng năng lượng được sử dụng nhiều nhất trong đời sống hiện nay. Kiến thức về nhiệt năng cũng là một phần trong chương trình dạy học môn Vật lý tại Việt Nam. Vậy Nhiệt năng là gì? Công thức tính nhiệt năng? Ứng dụng của nó ra sao? Qua bài viết dưới đây, Luật Dương Gia sẽ giải đáp vấn đề này:

1. Nhiệt năng là gì?

Nhiệt năng là một đại lượng được học trong môn vật lý. Về mặt khái niệm, nhiệt năng là năng lượng được tổng hợp từ tất cả động năng mà một vật chất tạo ra nhờ chuyển động từ các hạt cấu tạo nên nó.

Những chuyển động này bao gồm chuyển động của khối tâm phân tử, dao động của các hạt cấu tạo với quỹ đạo lấy hạt nhân của nguyên tử làm tâm và chuyển động quay của các phân tử quanh khối tâm. Tổng các động năng phát sinh từ các chuyển động kể trên được gọi là nhiệt năng.

Do đó có thể thấy nhiệt năng sẽ phụ thuộc vào động năng. Ngoài ra, nhiệt năng và nhiệt độ cũng có mối liên hệ chặt chẽ. Cụ thể, khi một vật có nhiệt độ tăng cao thì các hạt phân tử cấu trúc nên vật chất đó chuyển động nhanh hơn, từ đó tạo ra nhiệt năng lớn hơn. Bởi vậy, nhiệt năng hay còn được gọi là năng lượng nhiệt.

Đơn vị của nhiệt năng là jun (J).

2. Nhiệt lượng là gì? 

Một phần liên quan trực tiếp đến nhiệt năng là nhiệt lượng. Nhiệt lượng là phần nhiệt năng mà vật nhận thêm vào hay mất đi trong quá trình truyền nhiệt của vật.

Nhiệt lượng của 1 vật thu vào để làm nóng lên phụ thuộc vào 3 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: Nếu độ tăng nhiệt của vật càng lớn thì nhiệt lượng mà vật thu vào cũng càng lớn.

– Chất cấu tạo nên vật.

Kí hiệu nhiệt lượng là Q, đơn vị của nhiệt lượng là J (Jun), 1 kJ = 1000 J. (Trên thực tế cũng có nhiều đơn vị khác dùng để đo nhiệt lượng và ta hoàn toàn có thể quy đổi lẫn nhau).

Nhiệt lượng có những đặc điểm nổi bật sau:

– Nhiệt lượng cần thu để phục vụ cho quá trình làm nóng lên sẽ bị phụ thuộc nhiều vào khối lượng của vật, độ tăng nhiệt độ của vật cũng như nhiệt dung riêng của chất liệu làm ra vật.

– 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:

Công thức để tính được nhiệt lượng là:

Trong đó:

Q: là nhiệt lượng mà vật thu vào hoặc toả ra. Có đơn vị là Jun (J).

m: là khối lượng của vật, được đo bằng kg.

c: là nhiệt dung riêng của chất, được đo bằng J/kg.K (Nhiệt dung riêng của một chất có thể cho biết nhiệt lượng cần thiết để có thể làm cho 1kg chất đó tăng thêm 1 độ C).

∆t là độ thay đổi nhiệt độ hay nói khác là biến thiên nhiệt độ (Độ C hoặc K)

• ∆t = t2 – t1
• ∆t > 0 : vật toả nhiệt
• ∆t < 0 : vật thu nhiệt

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

4. Các cách để một vật thay đổi nhiệt năng là gì?

Cũng như các đại lượng vật lý khác, nhiệt năng của một vật có thể thay đổi nhờ một số tác động nhất định.

4.1. Thực hiện công:

Một ví dụ dễ thực hiện nhất với hoạt động thức hiện công để thay đổi nhiệt năng là xoa hai bàn tay vào nhau trong những ngày lạnh để giữ ấm cho tay.

Điều này rất dễ nhận biết vì khi chúng ta xoa chúng với nhau, khi xoa càng nhanh thì ta càng thấy hai tay ấm lên nhanh hơn. Tức là nhiệt năng của tay đã được thay đổi theo chiều hướng tăng.

Về bản chất, các hạt cấu trúc, phân tử trong tay chúng ta dao động nhiều hơn, chuyển động nhanh hơn làm tăng nhiệt năng, và hiển nhiên, nếu chúng ta ngưng xoa tay thì tự động nhiệt độ sẽ hạ xuống.

Quay về ngày xưa thời trung cổ ông cha ta dùng que và rơm khô để tạo lửa. Đây chính là hoạt động thực hiện công, cọ xát que với rơm khô làm các phân tử chuyển động nhanh hơn, nóng dần lên từ đó có thể tạo ra nhiệt độ cao và lửa.

Có thể thấy, phần lớn các hành động cọ xát vật chất đều sẽ khiến nhiệt năng của vật đó tăng lên.

4.2. Truyền nhiệt:

Truyền nhiệt là một trong những hiện tượng vật lý cũng rất dễ nhận biết trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Nó đơn giản như việc chúng ta để tay gần lò sưởi hay bếp lửa sẽ thấy tay ấm hơn.

Hay khi chúng ta cho đồng xu vào một chén nước nóng thì nhiệt độ từ nước nóng đã truyền sang cho đồng xu, làm cho nhiệt năng của đồng xu tăng lên.

Truyền nhiệt là quá trình chỉ xuất hiện trong trường hợp hai đối tượng có mức nhiệt chênh lệch nhau. Và hiển nhiên rằng vật có nhiệt độ cao hơn sẽ truyền qua vật có nhiệt độ thấp hơn.

5. Ứng dụng của nhiệt năng:

Năng lượng là yếu tố không thể thiếu trong mọi hoạt động của con người, nó là thước đo quan trọng cho sự phát triển của xã hội. Năng lượng có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như: điện năng (năng lượng của dòng chuyển động có hướng của các điện tử tự do), cơ năng (năng lượng của các chuyển động cơ học, với hai hình thức chủ yếu là động năng và thế năng), hóa năng (năng lượng từ các phản ứng hóa học), quang năng (năng lượng quang học) hay nhiệt năng. Trong đó nhiệt năng đặc biệt được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp sản xuất lẫn sinh hoạt hàng ngày.

Một số ứng dụng của nhiệt năng trong thực tế có thể kể đến như:

– Các thiết bị phục vụ nấu nướng như: nồi cơm điện, nồi chiên không dầu, lò vi sóng, bếp từ, bếp điện,…

– Để sấy khô tóc khi vừa tắm xong, sấy quần áo khi trời nồm ẩm (máy sấy, máy hút ẩm, tủ sấy); để làm mát không khí về mùa hè (quạt hơi nước, máy lạnh – điều hòa nhiệt độ chạy chiều làm mát).

– Thiết bị sử dụng trong quán café: bình đun nước siêu tốc, máy pha cà phê,…

– Ứng dụng trong bảo quản thực phẩm như máy sấy khô, tủ chống ẩm, máy hút ẩm, làm lạnh, làm đông bảo quản thức ăn, thực phẩm (tủ lạnh, tủ đông)…

– Hay một số thiết bị sưởi ấm, sử dụng trong mùa đông như máy sưởi, bình nóng lạnh, chăn điện,…

Trong những ứng dụng về nhiệt năng ở trên đều thuộc quá trình chuyển hóa năng lượng. Sự chuyển hóa năng lượng liên tục xảy ra giữa điện năng sang cơ năng, cơ năng sang nhiệt năng. Qua đó ta thấy được các nguồn năng lượng khác nhau đều có mối quan hệ chặt chẽ với nhau.

6. Giải bài tập nhiệt năng Vật lý 8 – Bài 21:

Câu 1: Khi để bầu nhiệt kế vào luồng khí phun mạnh ra từ một quả bóng thì mực thủy ngân trong nhiệt kế dâng lên hay tụt xuống. Tại sao?

Trả lời: Mực thủy ngân trong nhiệt kế tụt xuống vì không khí phun mạnh ra từ quả bóng thực hiện công sẽ đẩy các phân tử khí xung quanh bầu nhiệt kế văng ra xa, làm cho mật độ không khí xung quanh bầu nhiệt kế giảm, nên tổng động năng của các phân tử khí sẽ giảm xuống. Quá trình đó làm cho nhiệt năng giảm đi.

Câu 2: Nhỏ một giọt nước đang sôi vào một cốc đựng nước ấm thì nhiệt năng của giọt nước và của nước trong cốc thay đổi như thế nào?

Trả lời: Nhiệt năng của giọt nước giảm, của nước trong cốc tăng.

Câu 3: Khi chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên vật chuyển động nhanh lên thì đại lượng nào của vật không tăng?

Trả lời: Khối lượng của vật không tăng vì khi chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên vật nhanh lên thì nhiệt độ, nhiệt năng và thể tích của vật đều tăng (thể tích tăng lên do khoảng cách các phân tử tăng theo).

Câu 4: Gạo đang nấu trong nồi và gạo đang xát đều nóng lên. Hỏi về mặt thay đổi nhiệt năng thì có gì giống nhau, khác nhau trong hai hiện tượng trên?

Trả lời:

Sự giống nhau: Nhiệt năng đều tăng.

Sự khác nhau: Khi nấu nhiệt năng tăng do truyền nhiệt, khi xát nhiệt tăng do nhận công.

Câu 5: Ở giữa một ống thủy tinh được hàn kín có một giọt thủy ngân. Người ta quay lộn ngược ống nhiều lần. Hỏi nhiệt độ của giọt thủy ngân có tăng lên hay không? Tại sao?

Trả lời: Nhiệt độ của giọt thủy ngân tăng do khi ta quay lộn ngược ống nhiều lần thủy ngân ma sát với thủy tinh. Đó là sự tăng nhiệt năng do nhận được công.