Bài học

Nhiệt lượng toả ra khi vật nguội đi

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em tính được nhiệt lượng toả ra khi một vật giảm nhiệt độ, dùng đúng công thức Q = m·c·Δt với Δt là hiệu nhiệt độ đầu trừ nhiệt độ cuối.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài 2.1 tính nhiệt lượng một vật NHẬN VÀO khi nhiệt độ tăng lên. Bài này áp dụng công thức tương tự cho chiều ngược lại — vật TOẢ NHIỆT khi nhiệt độ giảm xuống — để chuẩn bị trực tiếp cho phương trình cân bằng nhiệt ở Chương 3, nơi cả hai chiều xuất hiện cùng lúc trong một bài toán.

Khởi động

Một cốc nước sôi 100°C để ngoài không khí, sau 10 phút chỉ còn 70°C. Nước đã "mất" đi một lượng năng lượng nhiệt — vậy lượng đó bằng bao nhiêu Joule, và tính bằng công thức nào? Năng lượng ấy có tự nhiên biến mất hay đã đi vào một nơi khác?

Kiến thức trọng tâm

Khi một vật giảm nhiệt độ (nguội đi), vật đó toả ra một nhiệt lượng ra môi trường xung quanh hoặc sang vật khác đang tiếp xúc với nó — đây chính là hiện tượng truyền nhiệt đã học ở bài 1.2, nay được tính định lượng bằng công thức.

Công thức tính nhiệt lượng toả ra hoàn toàn giống công thức đã học: $Q = m \cdot c \cdot \Delta t$ , chỉ khác cách hiểu $\Delta t$ : khi vật toả nhiệt, $\Delta t = t_1 - t_2$ , với $t_1$ là nhiệt độ đầu (nóng hơn), $t_2$ là nhiệt độ cuối (đã nguội, lạnh hơn) — $\Delta t$ lúc này vẫn là một số dương vì $t_1 > t_2$ .

Quy tắc chung, dễ nhớ cho cả hai chiều: $\Delta t$ trong công thức $Q = m \cdot c \cdot \Delta t$ LUÔN LÀ ĐỘ CHÊNH LỆCH NHIỆT ĐỘ DƯƠNG, không quan trọng vật đang nóng lên hay nguội đi — chỉ cần lấy nhiệt độ lớn trừ đi nhiệt độ nhỏ.

Nhiệt lượng vật toả ra được kí hiệu là $Q_{toả}$ , nhiệt lượng vật thu vào kí hiệu là $Q_{thu}$ — hai kí hiệu này là chìa khoá để giải bài toán cân bằng nhiệt ở chương tiếp theo, khi một vật toả nhiệt và một vật khác thu chính lượng nhiệt đó.

Quay lại tình huống khởi động: cốc nước sôi nguội từ 100°C xuống 70°C không phải tự nhiên "mất" năng lượng — toàn bộ nhiệt lượng đó đã truyền sang không khí xung quanh cốc, làm không khí trong phòng ấm lên một chút (dù khó cảm nhận vì thể tích không khí rất lớn). Đây chính là định luật bảo toàn năng lượng: năng lượng không tự sinh ra hay mất đi, nó chỉ chuyển từ vật này sang vật khác.

Khi một vật giảm nhiệt độ (nguội đi), vật đó **toả ra** một nhiệt lượng ra môi trường xung quanh hoặc sang vật khác đang tiếp xúc với nó — đây chính là hiện tượng truyền nhiệt đã học ở bài 1.2, nay được tính định lượng bằng công thức. Công thức tính nhiệt lượng toả ra hoàn toàn giống công thức đã học: $Q = m \cdot c \cdot \Delta t$, chỉ khác cách hiểu $\Delta t$: khi vật toả nhiệt, $\Delta t = t_1 - t_2$, với $t_1$ là nhiệt độ đầu (nóng hơn), $t_2$ là nhiệt độ cuối (đã nguội, lạnh hơn) — $\Delta t$ lúc này vẫn là một số dương vì $t_1 > t_2$. Quy tắc chung, dễ nhớ cho cả hai chiều: $\Delta t$ trong công thức $Q = m \cdot c \cdot \Delta t$ LUÔN LÀ ĐỘ CHÊNH LỆCH NHIỆT ĐỘ DƯƠNG, không quan trọng vật đang nóng lên hay nguội đi — chỉ cần lấy nhiệt độ lớn trừ đi nhiệt độ nhỏ. Nhiệt lượng vật toả ra được kí hiệu là $Q_{toả}$, nhiệt lượng vật thu vào kí hiệu là $Q_{thu}$ — hai kí hiệu này là chìa khoá để giải bài toán cân bằng nhiệt ở chương tiếp theo, khi một vật toả nhiệt và một vật khác thu chính lượng nhiệt đó. Quay lại tình huống khởi động: cốc nước sôi nguội từ 100°C xuống 70°C không phải tự nhiên "mất" năng lượng — toàn bộ nhiệt lượng đó đã truyền sang không khí xung quanh cốc, làm không khí trong phòng ấm lên một chút (dù khó cảm nhận vì thể tích không khí rất lớn). Đây chính là định luật bảo toàn năng lượng: năng lượng không tự sinh ra hay mất đi, nó chỉ chuyển từ vật này sang vật khác.

Với

m = 1

kg nước cố định,

Q = m \cdot c \cdot \Delta t

là một đường thẳng qua gốc toạ độVới $m = 1$ kg nước cố định, $Q = m \cdot c \cdot \Delta t$ là một đường thẳng qua gốc toạ độ

Ví dụ

Tính nhiệt lượng toả ra khi nước nguội đi

1
Tính nhiệt lượng toả ra khi 2 kg nước nguội từ 90°C xuống 30°C.
2
Ta có $t_1 = 90$ °C (nhiệt độ đầu), $t_2 = 30$ °C (nhiệt độ cuối). Suy ra $\Delta t = t_1 - t_2 = 90 - 30 = 60$ °C.
Ta có $t_1 = 90$°C (nhiệt độ đầu), $t_2 = 30$°C (nhiệt độ cuối). Suy ra $\Delta t = t_1 - t_2 = 90 - 30 = 60$°C.
3
Áp dụng công thức $Q_{toả} = m \cdot c \cdot \Delta t = 2 \times 4200 \times 60 = 504000$ J.
Áp dụng công thức $Q_{toả} = m \cdot c \cdot \Delta t = 2 \times 4200 \times 60 = 504000$ J.
4
Vậy nhiệt lượng nước đã toả ra là $Q_{toả} = 504000$ J $= 504$ kJ.
Vậy nhiệt lượng nước đã toả ra là $Q_{toả} = 504000$ J $= 504$ kJ.

Ví dụ

Tính nhiệt lượng toả ra của một kim loại nguội tự nhiên

1
Một thanh sắt khối lượng 1,5 kg được nung nóng đến 200°C rồi để nguội tự nhiên ngoài không khí xuống còn 30°C. Tính nhiệt lượng thanh sắt đã toả ra môi trường, coi như toàn bộ nhiệt lượng toả ra chỉ tính theo độ giảm nhiệt độ của chính thanh sắt (bỏ qua các quá trình trao đổi nhiệt phức tạp khác trong không khí).
2
Ta có $m = 1{,}5$ kg, $c_{sắt} = 460$ J/kg.K, $t_1 = 200$ °C, $t_2 = 30$ °C. Suy ra $\Delta t = 200 - 30 = 170$ °C.
Ta có $m = 1{,}5$ kg, $c_{sắt} = 460$ J/kg.K, $t_1 = 200$°C, $t_2 = 30$°C. Suy ra $\Delta t = 200 - 30 = 170$°C.
3
Áp dụng công thức $Q_{toả} = m \cdot c \cdot \Delta t = 1{,}5 \times 460 \times 170 = 117300$ J.
Áp dụng công thức $Q_{toả} = m \cdot c \cdot \Delta t = 1{,}5 \times 460 \times 170 = 117300$ J.
4
Vậy thanh sắt đã toả ra môi trường một nhiệt lượng $Q_{toả} = 117300$ J $\approx 117{,}3$ kJ. Toàn bộ nhiệt lượng này không biến mất mà truyền dần vào không khí xung quanh thanh sắt trong suốt quá trình nguội, đúng theo chiều truyền nhiệt đã học ở Chương 1: từ vật nóng hơn (thanh sắt) sang vật lạnh hơn (không khí).
Vậy thanh sắt đã toả ra môi trường một nhiệt lượng $Q_{toả} = 117300$ J $\approx 117{,}3$ kJ. Toàn bộ nhiệt lượng này không biến mất mà truyền dần vào không khí xung quanh thanh sắt trong suốt quá trình nguội, đúng theo chiều truyền nhiệt đã học ở Chương 1: từ vật nóng hơn (thanh sắt) sang vật lạnh hơn (không khí).

Sai lầm thường gặp

Khi vật nguội đi, nhiều học sinh viết nhầm $\Delta t = t_2 - t_1$ ra một số âm (vì $t_2 < t_1$ ) rồi bối rối vì $Q$ tính ra âm. Hãy nhớ quy tắc: $\Delta t$ trong công thức luôn là hiệu DƯƠNG — lấy nhiệt độ lớn trừ nhiệt độ nhỏ, bất kể vật đang nóng lên hay nguội đi.

Khi vật nguội đi, nhiều học sinh viết nhầm $\Delta t = t_2 - t_1$ ra một số âm (vì $t_2 < t_1$) rồi bối rối vì $Q$ tính ra âm. Hãy nhớ quy tắc: $\Delta t$ trong công thức luôn là hiệu DƯƠNG — lấy nhiệt độ lớn trừ nhiệt độ nhỏ, bất kể vật đang nóng lên hay nguội đi.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Q = m·c·Δt áp dụng được cho cả hai chiều: vật nhận nhiệt (Δt = t2-t1) và vật toả nhiệt (Δt = t1-t2) — luôn lấy hiệu DƯƠNG. Kí hiệu Qthu và Qtoả sẽ gặp lại ngay ở bài học tiếp theo.

Chương tiếp theo ghép hai công thức Qthu và Qtoả vừa học vào MỘT hệ duy nhất: khi một vật nóng và một vật lạnh trao đổi nhiệt với nhau, làm sao tìm được nhiệt độ chung mà cả hai cùng đạt tới.