Bài 4. Nhiệt dung riêng trang 20, 21, 22 Vật Lí 12 Kết nối tri thức

1. Phân tích hiện tượng:

Theo đề bài, chúng ta có cùng một điều kiện về khối lượng ($m = 1\\text{ kg}$) và cùng một độ tăng nhiệt độ ($\\Delta T = 1^\\circ\\text{C}$), nhưng nhiệt lượng $Q$ cung cấp cho nước và rượu lại khác nhau. Điều này chứng tỏ rằng với cùng một lượng chất và cùng một mức tăng nhiệt độ, có chất cần nhiều năng lượng hơn, có chất cần ít năng lượng hơn.

2. Xác định đại lượng vật lí:

Trong Vật lí, đại lượng đặc trưng cho khả năng hấp thụ nhiệt của một chất được gọi là nhiệt dung riêng.

Định nghĩa: Nhiệt dung riêng của một chất là nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kg chất đó để nhiệt độ của nó tăng thêm $1\text{ K}$ (hoặc $1^\\circ\text{C}$).

Công thức liên hệ:
$$Q = m \cdot c \cdot \Delta T$$\nTrong đó:
- $Q$: Nhiệt lượng cung cấp (J)
- $m$: Khối lượng của chất (kg)
- $c$: Nhiệt dung riêng của chất ($\text{J/kg.K}$)
- $\Delta T$: Độ tăng nhiệt độ ($\text{K}$ hoặc $^\circ\text{C}$)

3. Kết luận:

Đại lượng vật lí dùng để mô tả sự khác biệt về nhiệt lượng cần thiết để làm nóng các chất khác nhau (như nước và rượu) chính là nhiệt dung riêng. Ví dụ, nước có nhiệt dung riêng rất lớn ($\\approx 4200\\text{ J/kg.K}$), trong khi rượu có nhiệt dung riêng thấp hơn nhiều ($\\approx 2400\\text{ J/kg.K}$), đó là lý do tại sao cần nhiều nhiệt lượng hơn để đun nóng nước so với rượu khi cùng khối lượng và cùng độ tăng nhiệt độ.

Nội dung bài học nhấn mạnh rằng mỗi chất có một nhiệt dung riêng khác nhau. Trong đời sống, hiện tượng này thể hiện rõ nhất qua sự chênh lệch về tốc độ thay đổi nhiệt độ giữa các chất khác nhau khi cùng nhận một lượng nhiệt.

Ví dụ 1: Hiện tượng gió biển và gió đất

Đây là ví dụ điển hình nhất về sự khác biệt giữa nhiệt dung riêng của nước và đất (cát).

• Ban ngày: Cả đất và nước biển cùng nhận năng lượng bức xạ từ Mặt Trời. Tuy nhiên, nhiệt dung riêng của nước rất lớn ($c_{nước} \approx 4200 \text{ J/kg.K}$), trong khi nhiệt dung riêng của cát thấp hơn nhiều. Do đó, cát nóng lên nhanh hơn nước. Không khí trên đất nóng lên, nở ra và bay lên cao, tạo ra vùng áp suất thấp. Không khí mát từ biển thổi vào đất tạo thành gió biển.
• Ban đêm: Đất nguội đi nhanh hơn nước. Nước biển lúc này giữ nhiệt tốt hơn và ấm hơn đất. Không khí trên biển nóng hơn sẽ bay lên, không khí mát từ đất thổi ra biển tạo thành gió đất.

Ví dụ 2: Sử dụng nước làm chất làm mát trong động cơ ô tô

Nước có nhiệt dung riêng rất lớn, nghĩa là nó có khả năng hấp thụ một lượng nhiệt khổng lồ từ động cơ mà nhiệt độ của chính nó chỉ tăng lên một chút. Điều này giúp nước làm mát hiệu quả, ngăn chặn động cơ bị quá nhiệt và hỏng hóc.

Kết luận:

Việc hiểu về nhiệt dung riêng giúp con người chọn lựa vật liệu phù hợp cho các mục đích khác nhau: dùng kim loại (nhiệt dung riêng thấp) để dẫn nhiệt nhanh (nồi, chảo) và dùng nước (nhiệt dung riêng cao) để điều hòa nhiệt độ hoặc làm mát.

1. Giải thích về việc dùng dầu trong máy biến thế:

Trong máy biến thế, ngoài chức năng tản nhiệt, chất lỏng làm mát còn phải đóng vai trò là chất cách điện để ngăn chặn hiện tượng phóng điện giữa các cuộn dây và vỏ máy. Nước là chất dẫn điện (đặc biệt là nước không tinh khiết), nếu dùng nước sẽ gây ra ngắn mạch, chập cháy cực kỳ nguy hiểm. Dầu biến thế không chỉ có khả năng tản nhiệt tốt mà còn là chất cách điện tuyệt vời, đảm bảo an toàn cho thiết bị.

2. Giải thích hiện tượng gió biển và gió đất:

Dựa vào Bảng 4.1, nhiệt dung riêng của nước lớn hơn nhiều so với nhiệt dung riêng của đất. Điều này có nghĩa là nước nóng lên chậm hơn và nguội đi chậm hơn so với đất.

• Ban ngày: Đất nóng lên nhanh hơn nước $\Rightarrow$ Không khí trên đất liền nóng hơn, nở ra và bay lên cao, tạo vùng áp suất thấp. Không khí mát từ biển (áp suất cao hơn) thổi vào đất liền $\rightarrow$ Gió biển (gió mát).
• Ban đêm: Đất nguội đi nhanh hơn nước $\Rightarrow$ Không khí trên mặt biển lúc này nóng hơn, bay lên cao, tạo vùng áp suất thấp. Không khí từ đất liền (áp suất cao hơn) thổi ra biển $\rightarrow$ Gió đất (gió ấm).

3. Bài toán tính toán:

a) Tính nhiệt lượng cần truyền:
Khối lượng của 20 lít nước là: $m = D \cdot V = 1000 \text{ kg/m}^3 \cdot (20 \cdot 10^{-3} \text{ m}^3) = 20 \text{ kg}$.
Độ tăng nhiệt độ: $\Delta T = 70^\circ\text{C} - 20^\circ\text{C} = 50^\circ\text{C}$.
Lấy nhiệt dung riêng của nước $c \approx 4180 \text{ J/kg.K}$ (theo SGK).
Nhiệt lượng cần truyền là:
$Q = mc\Delta T = 20 \cdot 4180 \cdot 50 = 4\,180\,000 \text{ J} = 4,18 \text{ MJ}$.

b) Tính thời gian truyền nhiệt:
Công suất thiết bị $P = 2,5 \text{ kW} = 2500 \text{ W}$.
Hiệu suất $\eta = 80\% = 0,8$.
Nhiệt lượng có ích mà thiết bị cung cấp trong thời gian $t$ là: $Q = \eta \cdot P \cdot t$.
$\Rightarrow t = \frac{Q}{\eta \cdot P} = \frac{4\,180\,000}{0,8 \cdot 2500} = \frac{4\,180\,000}{2000} = 2090 \text{ s}$.
Đổi ra phút: $t \approx 34,83 \text{ phút}$ (khoảng 34 phút 50 giây).

Kết luận:
a) Nhiệt lượng cần truyền là $4,18 \text{ MJ}$.
b) Thời gian đun nước là $2090 \text{ s}$.

Dưới đây là câu trả lời chi tiết cho các câu hỏi trong Hoạt động 2 trang 21 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức:

1. Các đại lượng cần đo để xác định nhiệt dung riêng của nước:
Từ hệ thức (4.3): $Q = mc(T_2 - T_1) \Rightarrow c = \frac{Q}{m(T_2 - T_1)}$, để xác định nhiệt dung riêng $c$ của nước, ta cần đo các đại lượng sau:

• Khối lượng nước ($m$): Sử dụng cân điện tử để đo khối lượng nước đổ vào bình.
• Nhiệt độ ban đầu ($T_1$): Nhiệt độ của nước trước khi cung cấp nhiệt lượng.
• Nhiệt độ cuối ($T_2$): Nhiệt độ của nước sau khi đun nóng đến trạng thái cân bằng.
• Nhiệt lượng cung cấp ($Q$): Thông qua việc đo hiệu điện thế ($U$), cường độ dòng điện ($I$) và thời gian đun ($t$).

2. Nguồn gốc của nhiệt lượng mà nước thu được:
Nhiệt lượng mà nước trong bình nhiệt lượng kế thu được lấy từ nhiệt năng do dòng điện chạy qua dây điện trở (điện trở nhiệt) tỏa ra. Khi dòng điện chạy qua, điện năng được chuyển hóa thành nhiệt năng, làm nóng dây dẫn và truyền nhiệt cho nước xung quanh.

3. Cách xác định nhiệt lượng mà nước thu được:
Nhiệt lượng $Q$ mà nước thu được được tính gián tiếp thông qua công thức tính điện năng tiêu thụ của dây điện trở (trong điều kiện bỏ qua nhiệt lượng tỏa ra môi trường và nhiệt dung của bình):
$Q = U \cdot I \cdot t$
Trong đó:
$- U$: Hiệu điện thế giữa hai đầu dây điện trở (V).
$- I$: Cường độ dòng điện chạy qua dây (A).
$- t$: Thời gian dòng điện chạy qua dây (s).

4. Mô tả các bước tiến hành thí nghiệm:

1. Bước 1: Chuẩn bị và đo khối lượng. Cân khối lượng của bình nhiệt lượng kế rỗng, sau đó đổ một lượng nước vào và cân lại để tính khối lượng nước $m$.
2. Bước 2: Lắp đặt thiết bị. Đặt nhiệt kế và dây điện trở vào trong bình nhiệt lượng kế. Kết nối dây điện trở với nguồn điện, ampe kế (đo $I$) và vôn kế (đo $U$).
3. Bước 3: Đo nhiệt độ ban đầu. Đợi một thời gian để nước ổn định và ghi lại nhiệt độ ban đầu $T_1$.
4. Bước 4: Cung cấp nhiệt lượng. Bật nguồn điện, đồng thời khởi động đồng hồ bấm giờ. Theo dõi giá trị $U$ và $I$ trên các thiết bị đo.
5. Bước 5: Đo nhiệt độ cuối. Sau một khoảng thời gian $t$, tắt nguồn điện. Khuấy nhẹ nước để nhiệt độ phân bố đều và ghi lại nhiệt độ cao nhất đạt được là $T_2$.
6. Bước 6: Tính toán. Áp dụng công thức $c = \frac{UIt}{m(T_2 - T_1)}$ để tính nhiệt dung riêng của nước.

Dưới đây là hướng dẫn chi tiết để thực hiện hoạt động vẽ đồ thị và xác định các giá trị theo hình 4.2 SGK:

Bước 1: Vẽ đồ thị nhiệt độ $t$ theo thời gian $\tau$

1. Thiết lập hệ trục tọa độ: Trục hoành (trục $\tau$) biểu diễn thời gian (đơn vị: giây $s$), trục tung (trục $t$) biểu diễn nhiệt độ (đơn vị: $^\circ\text{C}$).
2. Biểu diễn các điểm thực nghiệm: Căn cứ vào bảng số liệu thu được từ thí nghiệm, đánh dấu các điểm $(\tau_i, t_i)$ lên mặt phẳng tọa độ.
3. Vẽ đường thẳng đi gần nhất: Dùng thước kẻ một đường thẳng đi qua trung tâm của đám mây điểm thực nghiệm sao cho tổng khoảng cách từ các điểm đến đường thẳng là nhỏ nhất.

Bước 2: Chọn hai điểm M, N và xác định giá trị

Để đảm bảo độ chính xác cao, ta nên chọn hai điểm $M$ và $N$ nằm xa nhau trên đường thẳng đi gần nhất. Ví dụ (giá trị giả định minh họa cho cách làm):

• Tại điểm M: Dóng vuông góc xuống trục hoành và trục tung, ta xác định được: $\tau_M = 130\text{ s}$ và $t_M = 25^\circ\text{C}$.
• Tại điểm N: Dóng vuông góc xuống trục hoành và trục tung, ta xác định được: $\tau_N = 270\text{ s}$ và $t_N = 55^\circ\text{C}$.

Ý nghĩa của việc chọn M và N: Việc xác định các giá trị này cho phép ta tính toán độ dốc của đường thẳng: $\frac{\Delta t}{\Delta \tau} = \frac{t_N - t_M}{\tau_N - \tau_M}$. Độ dốc này tỉ lệ nghịch với nhiệt dung riêng $c$ của chất cần đo, giúp ta tính toán chính xác giá trị $c$ thông qua công thức: $c = \frac{P}{m} \cdot \frac{\tau_N - \tau_M}{t_N - t_M}$.

Vì đề bài không cho số liệu cụ thể từ kết quả thí nghiệm của học sinh, tôi sẽ giả định một bộ số liệu thực tế thường gặp trong phòng thí nghiệm vật lí THPT để minh họa chi tiết các bước tính toán.

Giả thiết số liệu thí nghiệm:

• Khối lượng nước: $m = 0,2\text{ kg}$ (200g).
• Điện áp: $U = 12,0\text{ V}$; Cường độ dòng điện: $I = 2,0\text{ A}$.
• Thời điểm bắt đầu đo $\tau_M = 0\text{ s}$, thời điểm kết thúc $\tau_N = 150\text{ s} \Rightarrow \Delta \tau = 150\text{ s}$.
• Nhiệt độ ban đầu $t_M = 25,0^{\circ}C$, nhiệt độ sau $t_N = 29,5^{\circ}C \Rightarrow \Delta t = 4,5^{\circ}C$.

Bước 1: Tính giá trị trung bình của công suất dòng điện
Công suất điện cung cấp cho dây nóng là:
$\overline{P} = U \cdot I = 12,0 \cdot 2,0 = 24,0\text{ (W)}$

Bước 2: Tính nhiệt dung riêng của nước
Áp dụng hệ thức đã cho:
$c_{H_2O} = \frac{\overline{P}(\tau_N - \tau_M)}{m(t_N - t_M)} = \frac{24,0 \cdot (150 - 0)}{0,2 \cdot (29,5 - 25,0)} = \frac{3600}{0,2 \cdot 4,5} = \frac{3600}{0,9} = 4000\text{ (J/kg.K)}$

Bước 3: Xác định sai số của phép đo
Giả sử sai số dụng cụ: $\Delta m = 0,001\text{kg}, \Delta P = 0,2\text{W}, \Delta \tau = 1\text{s}, \Delta t = 0,1^{\circ}C$.
Sai số tương đối được tính theo công thức cộng sai số tương đối của các phép nhân/chia:
$\delta c = \frac{\Delta P}{\overline{P}} + \frac{\Delta \tau}{\Delta \tau} + \frac{\Delta m}{m} + \frac{\Delta t}{\Delta t} = \frac{0,2}{24} + \frac{1}{150} + \frac{0,001}{0,2} + \frac{0,1}{4,5} \approx 0,0083 + 0,0067 + 0,005 + 0,0222 \approx 0,0422$ (tức 4,22%).
Sai số tuyệt đối: $\Delta c = c \cdot \delta c = 4000 \cdot 0,0422 \approx 168,8\text{ J/kg.K}$.
Kết quả viết dưới dạng: $c = 4000 \pm 169\text{ J/kg.K}$.

Bước 4: So sánh và giải thích
- So sánh: Theo Bảng 4.1, nhiệt dung riêng của nước là $c_{H_2O} \approx 4180\text{ J/kg.K}$. Kết quả thực nghiệm ($4000\text{ J/kg.K}$) thấp hơn giá trị chuẩn.
- Giải thích: Sự sai khác này thường do các nguyên nhân sau:
1. Thất thoát nhiệt: Một phần nhiệt lượng từ dây nóng truyền ra vỏ cốc và môi trường xung quanh thay vì truyền hết cho nước.
2. Nhiệt dung của cốc: Một phần năng lượng điện được dùng để làm nóng cốc chứa nước, nhưng trong công thức trên ta coi như chỉ làm nóng nước.
3. Sai số dụng cụ: Nhiệt kế hoặc đồng hồ bấm giờ có độ chính xác hạn chế.