Trong vật lý, khái niệm "nhiệt" liên quan đến sự truyền nhiệt năng giữa các vật thể khác nhau. Do những quá trình này, xảy ra quá trình làm nóng và làm mát các cơ thể, cũng như sự thay đổi trạng thái tập hợp của chúng. Hãy để chúng tôi xem xét chi tiết hơn câu hỏi nhiệt là gì.
Khái niệm khái niệm
Nhiệt là gì? Mỗi người có thể trả lời câu hỏi này theo quan điểm hàng ngày, nghĩa là theo khái niệm đang xem xét các cảm giác mà anh ta có khi nhiệt độ môi trường tăng lên. Trong vật lý, hiện tượng này được hiểu là quá trình truyền năng lượng gắn liền với sự thay đổi cường độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử và nguyên tử hình thành nên cơ thể.
Nói chung, chúng ta có thể nói rằng nhiệt độ cơ thể càng cao, thì năng lượng bên trong nó càng được tích trữ nhiều hơn và nó có thể truyền nhiệt cho các vật thể khác nhiều hơn.
Nhiệt và nhiệt độ
Biết câu trả lời cho câu hỏi nhiệt là gì, nhiều người có thể nghĩ rằng khái niệm này giống với khái niệm "nhiệt độ", nhưng thực tế không phải vậy. Nhiệt là động năng, nhiệt độ là đơn vị đo nàynăng lượng. Vì vậy, quá trình truyền nhiệt phụ thuộc vào khối lượng của chất, vào số lượng các hạt tạo nên nó, cũng như vào loại của các hạt này và tốc độ chuyển động trung bình của chúng. Đổi lại, nhiệt độ chỉ phụ thuộc vào thông số cuối cùng trong số các thông số được liệt kê.
Sự khác biệt giữa nhiệt độ và nhiệt độ rất dễ hiểu nếu bạn tiến hành một thí nghiệm đơn giản: bạn cần đổ nước vào hai bình sao cho một bình đầy và bình kia chỉ đầy một nửa. Cho cả hai bình lên lửa, quan sát thấy bình nào ít nước hơn thì bắt đầu sôi trước. Để cho nồi thứ hai sôi, nó sẽ cần thêm một lượng nhiệt từ ngọn lửa. Khi cả hai bình đều sôi, bạn có thể đo nhiệt độ của chúng, nhiệt độ của chúng sẽ giống nhau (100oC), nhưng cần nhiều nhiệt hơn để một bình đầy có thể đun sôi nước trong đó.
Đơn vị nhiệt
Theo định nghĩa của nhiệt trong vật lý, người ta có thể đoán rằng nó được đo bằng đơn vị tương tự như năng lượng hoặc công, nghĩa là, bằng jun (J). Ngoài đơn vị chính là nhiệt lượng, trong cuộc sống hàng ngày bạn có thể thường xuyên nghe đến calo (kcal). Khái niệm này được hiểu là nhiệt lượng cần truyền cho một gam nước để nhiệt độ của nó tăng thêm 1 kelvin (K). Một calo tương đương với 4,184 J. Bạn cũng có thể nghe về lượng calo lớn và nhỏ, tương ứng là 1 kcal và 1 calo.
Khái niệm về nhiệt dung
Biết nhiệt lượng là gì, chúng ta hãy xem xét một đại lượng vật lý đặc trưng trực tiếp cho nó - nhiệt dung. Theo khái niệm này,vật lý có nghĩa là lượng nhiệt phải được truyền cho hoặc lấy từ một cơ thể để nhiệt độ của cơ thể thay đổi 1 kelvin (K).
Nhiệt dung của một vật cụ thể phụ thuộc vào 2 yếu tố chính:
- về thành phần hóa học và trạng thái tập hợp mà cơ thể được trình bày;
- khối lượng của anh ấy.
Để làm cho đặc tính này không phụ thuộc vào khối lượng của một vật, trong vật lý nhiệt học đã đưa ra một đại lượng khác - nhiệt dung riêng, xác định lượng nhiệt mà một vật nhất định truyền vào hoặc nhận vào trên 1 kg khối lượng của nó khi nhiệt độ thay đổi 1 K.
Để thể hiện rõ ràng sự khác biệt về nhiệt dung riêng của các chất khác nhau, ví dụ, lấy 1 g nước, 1 g sắt và 1 g dầu hướng dương và đun nóng chúng. Nhiệt độ sẽ thay đổi nhanh nhất đối với mẫu sắt, sau đó đối với giọt dầu và kéo dài đối với nước.
Lưu ý rằng nhiệt dung riêng không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học của chất, mà còn phụ thuộc vào trạng thái tập hợp của nó, cũng như các điều kiện vật lý bên ngoài mà nó được coi là (áp suất không đổi hoặc thể tích không đổi).
Phương trình chính của quá trình truyền nhiệt
Sau khi giải quyết câu hỏi nhiệt là gì, người ta nên đưa ra biểu thức toán học chính đặc trưng cho quá trình truyền nhiệt của nó đối với hoàn toàn bất kỳ vật thể nào ở bất kỳ trạng thái tập hợp nào. Biểu thức này có dạng: Q=cmΔT, trong đó Q là nhiệt lượng truyền (nhận), c là nhiệt lượng riêng của vật, m -khối lượng của nó, ΔT là sự thay đổi nhiệt độ tuyệt đối, được định nghĩa là sự chênh lệch nhiệt độ cơ thể ở cuối và ở đầu quá trình truyền nhiệt.
Điều quan trọng cần hiểu là công thức trên sẽ luôn có giá trị khi, trong quá trình đang xem xét, vật thể vẫn giữ được trạng thái tập hợp, tức là vật thể đó vẫn là chất lỏng, rắn hoặc khí. Nếu không, không thể sử dụng phương trình.
Thay đổi trạng thái tập hợp của vật chất
Như bạn đã biết, có 3 trạng thái tổng hợp chính mà vật chất có thể là:
- khí;
- lỏng;
- thân rắn.
Để quá trình chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác xảy ra, cơ thể cần thông báo hoặc lấy đi nhiệt lượng từ nó. Đối với các quá trình như vậy trong vật lý, các khái niệm về nhiệt cụ thể của nóng chảy (kết tinh) và sôi (ngưng tụ) đã được đưa ra. Tất cả những đại lượng này xác định lượng nhiệt cần thiết để thay đổi trạng thái tập hợp, giải phóng hoặc hấp thụ 1 kg trọng lượng cơ thể. Đối với các quá trình này, phương trình có giá trị: Q=Lm, trong đó L là nhiệt dung riêng của quá trình chuyển đổi tương ứng giữa các trạng thái của vật chất.
Dưới đây là các tính năng chính của quá trình thay đổi trạng thái tập hợp:
- Các quá trình này diễn ra ở nhiệt độ không đổi, chẳng hạn như sôi hoặc nóng chảy.
- Chúng có thể đảo ngược. Ví dụ, nhiệt lượng mà một cơ thể nhất định hấp thụ để nóng chảy sẽ chính xác bằng lượng nhiệt sẽ tỏa ra môi trường nếu cơ thể này đi qua một lần nữasang trạng thái rắn.
Cân bằng nhiệt
Đây là một vấn đề quan trọng khác liên quan đến khái niệm "sự ấm áp" cần được xem xét. Nếu hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau, thì sau một thời gian, nhiệt độ trong toàn hệ thống sẽ đồng đều và trở nên như nhau. Để đạt được trạng thái cân bằng nhiệt, vật có nhiệt độ cao hơn phải toả nhiệt cho hệ, vật có nhiệt độ thấp hơn phải nhận nhiệt này. Các định luật vật lý nhiệt mô tả quá trình này có thể được biểu thị dưới dạng kết hợp của phương trình truyền nhiệt chính và phương trình xác định sự thay đổi trạng thái tổng hợp của vật chất (nếu có).
Một ví dụ nổi bật về quá trình thiết lập tự phát cân bằng nhiệt là một thanh sắt nóng đỏ được ném vào nước. Trong trường hợp này, bàn là nóng sẽ tỏa nhiệt cho nước cho đến khi nhiệt độ của nó bằng với nhiệt độ của chất lỏng.
Các phương pháp truyền nhiệt cơ bản
Tất cả các quá trình mà con người biết đi cùng với sự trao đổi nhiệt năng xảy ra theo ba cách khác nhau:
- Dẫn nhiệt. Để sự trao đổi nhiệt diễn ra theo cách này, cần có sự tiếp xúc giữa hai vật thể có nhiệt độ khác nhau. Trong vùng tiếp xúc ở cấp độ phân tử cục bộ, động năng được truyền từ vật nóng sang vật lạnh. Tốc độ truyền nhiệt này phụ thuộc vào khả năng dẫn nhiệt của các vật tham gia. Một ví dụ nổi bật về độ dẫn nhiệt làcon người chạm vào một thanh kim loại.
- Đối lưu. Quá trình này đòi hỏi sự chuyển động của vật chất, vì vậy nó chỉ quan sát được ở chất lỏng và chất khí. Thực chất của đối lưu như sau: khi các lớp khí hoặc chất lỏng bị đốt nóng, khối lượng riêng của chúng giảm đi nên có xu hướng dâng lên. Trong quá trình tăng thể tích của chất lỏng hoặc chất khí, chúng truyền nhiệt. Một ví dụ về sự đối lưu là quá trình đun sôi nước trong một ấm đun nước.
- Xạ. Quá trình truyền nhiệt này xảy ra do sự phát ra bức xạ điện từ có tần số khác nhau của một cơ thể bị đốt nóng. Ánh sáng mặt trời là một ví dụ điển hình về bức xạ.
