Bài học

Năng lượng nhiệt và nhiệt độ

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân biệt được nhiệt độ và năng lượng nhiệt, đọc đúng nhiệt kế, và giải thích được nhiệt độ liên quan thế nào tới chuyển động của các hạt cấu tạo nên vật.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở lớp 6, môn Khoa học tự nhiên đã giới thiệu mô hình hạt: mọi chất được cấu tạo từ vô số hạt vô cùng nhỏ (phân tử, nguyên tử) luôn chuyển động không ngừng. Em cũng đã biết cách đọc nhiệt kế y tế và nhiệt kế thí nghiệm. Bài này dùng lại đúng mô hình hạt đó để giải thích nhiệt độ là gì, thay vì chỉ dừng ở việc đọc số trên nhiệt kế.

Khởi động

Nhúng một tay vào chậu nước ấm, tay kia vào chậu nước lạnh trong nửa phút, rồi cùng nhúng cả hai tay vào một chậu nước ở nhiệt độ phòng. Tay vừa ở nước ấm sẽ thấy chậu nước phòng lạnh, còn tay vừa ở nước lạnh lại thấy nó ấm. Cảm giác nóng lạnh của tay có đáng tin để xác định nhiệt độ thật của nước hay không?

Kiến thức trọng tâm

Nhiệt độ là đại lượng vật lí cho biết mức độ nóng, lạnh của một vật, đo bằng nhiệt kế, đơn vị thường dùng là độ Celsius (°C). Cảm giác của bàn tay không khách quan — thí nghiệm ở phần khởi động vừa cho thấy điều đó — nên nhiệt kế mới là dụng cụ đo chuẩn, dựa trên sự giãn nở của chất lỏng (thuỷ ngân, rượu màu) theo nhiệt độ, hoặc dựa trên cảm biến điện tử ở các loại nhiệt kế hiện đại.

Theo mô hình hạt, mọi vật được cấu tạo từ vô số hạt chuyển động hỗn loạn, không ngừng theo mọi hướng — chuyển động này gọi là chuyển động nhiệt. Nhiệt độ của vật càng cao thì các hạt cấu tạo nên vật chuyển động càng nhanh. Đó là lí do nước nóng bốc hơi nhanh hơn nước lạnh: phân tử nước chuyển động nhanh hơn nên dễ thoát khỏi bề mặt chất lỏng hơn.

Năng lượng nhiệt của một vật là năng lượng ứng với chuyển động không ngừng của tất cả các hạt cấu tạo nên vật đó. Cần phân biệt rạch ròi với nhiệt độ: năng lượng nhiệt không chỉ phụ thuộc nhiệt độ mà còn phụ thuộc số lượng hạt, tức là phụ thuộc cả khối lượng của vật. Hai vật cùng nhiệt độ nhưng khối lượng khác nhau có năng lượng nhiệt khác nhau — vật khối lượng lớn hơn có nhiều hạt chuyển động hơn nên năng lượng nhiệt lớn hơn, dù mỗi hạt chuyển động nhanh y hệt nhau.

(Lên đến chương trình Vật lí THPT, đại lượng này được gọi chính xác và mở rộng hơn là nội năng — gồm cả động năng lẫn thế năng tương tác giữa các hạt. Ở lớp 8, ta chỉ cần nắm năng lượng nhiệt gắn liền với chuyển động hỗn loạn của hạt là đủ; đây là kiến thức bổ trợ, không phải nội dung phải kiểm tra.)

**Nhiệt độ** là đại lượng vật lí cho biết mức độ nóng, lạnh của một vật, đo bằng nhiệt kế, đơn vị thường dùng là độ Celsius (°C). Cảm giác của bàn tay không khách quan — thí nghiệm ở phần khởi động vừa cho thấy điều đó — nên nhiệt kế mới là dụng cụ đo chuẩn, dựa trên sự giãn nở của chất lỏng (thuỷ ngân, rượu màu) theo nhiệt độ, hoặc dựa trên cảm biến điện tử ở các loại nhiệt kế hiện đại. Theo mô hình hạt, mọi vật được cấu tạo từ vô số hạt chuyển động hỗn loạn, không ngừng theo mọi hướng — chuyển động này gọi là chuyển động nhiệt. Nhiệt độ của vật càng cao thì các hạt cấu tạo nên vật chuyển động càng nhanh. Đó là lí do nước nóng bốc hơi nhanh hơn nước lạnh: phân tử nước chuyển động nhanh hơn nên dễ thoát khỏi bề mặt chất lỏng hơn. **Năng lượng nhiệt** của một vật là năng lượng ứng với chuyển động không ngừng của tất cả các hạt cấu tạo nên vật đó. Cần phân biệt rạch ròi với nhiệt độ: năng lượng nhiệt không chỉ phụ thuộc nhiệt độ mà còn phụ thuộc số lượng hạt, tức là phụ thuộc cả khối lượng của vật. Hai vật cùng nhiệt độ nhưng khối lượng khác nhau có năng lượng nhiệt khác nhau — vật khối lượng lớn hơn có nhiều hạt chuyển động hơn nên năng lượng nhiệt lớn hơn, dù mỗi hạt chuyển động nhanh y hệt nhau. (Lên đến chương trình Vật lí THPT, đại lượng này được gọi chính xác và mở rộng hơn là *nội năng* — gồm cả động năng lẫn thế năng tương tác giữa các hạt. Ở lớp 8, ta chỉ cần nắm năng lượng nhiệt gắn liền với chuyển động hỗn loạn của hạt là đủ; đây là kiến thức bổ trợ, không phải nội dung phải kiểm tra.)

Ví dụ

So sánh nhiệt độ và năng lượng nhiệt của hai khối nước

1
Một chậu chứa 4 lít nước và một cốc chứa 0,2 lít nước cùng ở nhiệt độ 30°C (đo bằng cùng một nhiệt kế). So sánh nhiệt độ và năng lượng nhiệt của hai khối nước này.
2
Ta có cả chậu nước và cốc nước đều được đo là 30°C. Vậy nhiệt độ của hai khối nước bằng nhau.
3
Chậu nước có khối lượng nước lớn hơn cốc nước rất nhiều lần, nên số hạt phân tử nước trong chậu cũng nhiều hơn hẳn. Vì cùng nhiệt độ 30°C, mỗi hạt phân tử nước ở chậu và ở cốc chuyển động với tốc độ trung bình như nhau — nhưng chậu có nhiều hạt chuyển động hơn nên tổng năng lượng nhiệt của chậu lớn hơn tổng năng lượng nhiệt của cốc.
Chậu nước có khối lượng nước lớn hơn cốc nước rất nhiều lần, nên số hạt phân tử nước trong chậu cũng nhiều hơn hẳn. Vì cùng nhiệt độ 30°C, mỗi hạt phân tử nước ở chậu và ở cốc chuyển động với tốc độ trung bình như nhau — nhưng chậu có nhiều hạt chuyển động hơn nên tổng năng lượng nhiệt của chậu lớn hơn tổng năng lượng nhiệt của cốc.
4
Vậy: nhiệt độ của chậu nước và cốc nước bằng nhau (đều 30°C), nhưng năng lượng nhiệt của chậu nước lớn hơn năng lượng nhiệt của cốc nước, vì chậu chứa nhiều hạt phân tử nước hơn.

Ví dụ

Nhận biết vật đang giải phóng năng lượng nhiệt qua số liệu nhiệt kế

1
Một bạn học sinh dùng nhiệt kế theo dõi nhiệt độ nước trong một bình giữ nhiệt tại ba thời điểm: 8 giờ sáng đo được 65°C, 10 giờ sáng đo được 52°C, 12 giờ trưa đo được 40°C. Nhận xét về sự thay đổi nhiệt độ của nước, và cho biết khối nước có đang giải phóng năng lượng nhiệt ra môi trường xung quanh hay không.
2
Ta có nhiệt độ đo được giảm dần theo thời gian: 65°C → 52°C → 40°C. Suy ra nước trong bình đang nguội dần.
3
Nhiệt độ giảm nghĩa là các hạt phân tử nước chuyển động chậm dần đi, tức là năng lượng nhiệt của khối nước đang giảm theo thời gian. Do đó khối nước đang giải phóng (toả) năng lượng nhiệt ra môi trường xung quanh — dù bình có giữ nhiệt, nó vẫn không cách nhiệt tuyệt đối.
4
Vậy nước trong bình đang toả nhiệt ra môi trường, thể hiện qua việc nhiệt độ đo được giảm dần ở ba thời điểm liên tiếp.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ rằng hai vật đo cùng một nhiệt độ thì luôn có cùng năng lượng nhiệt. Sai — năng lượng nhiệt còn phụ thuộc khối lượng (số hạt) của vật, không chỉ phụ thuộc nhiệt độ.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Nhiệt độ đo mức nóng-lạnh, năng lượng nhiệt là tổng năng lượng chuyển động của mọi hạt cấu tạo nên vật — hai vật cùng nhiệt độ nhưng khác khối lượng thì năng lượng nhiệt khác nhau. Nhiệt độ tăng/giảm cho biết vật đang thu/toả năng lượng nhiệt.

Bài tiếp theo trả lời một câu hỏi tự nhiên tiếp theo: năng lượng nhiệt của một vật có thể thay đổi bằng những cách nào — và tay em cọ xát vào nhau nóng lên có phải cùng cơ chế với chiếc thìa nóng lên trong bát canh hay không.