Bài học

Sự thay đổi năng lượng nhiệt: thực hiện công và truyền nhiệt

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân biệt được hai cách làm thay đổi năng lượng nhiệt của một vật — thực hiện công và truyền nhiệt — và nhận diện đúng cách nào đang xảy ra trong một tình huống cho trước.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã định nghĩa năng lượng nhiệt là năng lượng gắn với chuyển động của các hạt cấu tạo nên vật, và cho biết nhiệt độ tăng/giảm là dấu hiệu của việc năng lượng nhiệt đang thay đổi. Bài này trả lời câu hỏi: năng lượng nhiệt thay đổi bằng cách nào?

Khởi động

Cọ hai bàn tay vào nhau liên tục trong khoảng mười giây rồi áp lên má — cảm giác nóng lên rõ rệt dù không có nguồn lửa hay nước nóng nào chạm vào tay cả. Năng lượng nhiệt khiến tay nóng lên đó từ đâu ra?

Kiến thức trọng tâm

Có hai cách làm thay đổi năng lượng nhiệt của một vật.

Thực hiện công: khi có lực tác dụng làm vật (hoặc các hạt cấu tạo vật) chuyển động — cọ xát, va đập, nén khí — công cơ học được vật hấp thụ và chuyển hoá thành năng lượng nhiệt, làm nhiệt độ vật tăng. Ví dụ: cọ xát hai bàn tay ở phần khởi động; mài một con dao trên đá mài khiến lưỡi dao nóng lên; bơm lốp xe đạp bằng tay bơm khiến vỏ bơm nóng lên do khí bị nén nhanh bên trong.

Truyền nhiệt: năng lượng nhiệt tự truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn khi chúng tiếp xúc hoặc ở gần nhau, không cần bất kì lực tác dụng cơ học nào. Ví dụ: một chiếc thìa kim loại để trong bát canh nóng dần lên; một cốc nước đá để ngoài trời nóng lên dần vì nhận năng lượng nhiệt từ không khí xung quanh.

Cả hai cách đều làm thay đổi năng lượng nhiệt nhưng theo cơ chế khác nhau: thực hiện công cần một lực gây ra chuyển động (nguồn gốc cơ học), còn truyền nhiệt chỉ cần có chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật, hoàn toàn không cần lực cơ học nào tác dụng lên vật.

Chiều truyền nhiệt luôn đi từ nơi có nhiệt độ cao hơn sang nơi có nhiệt độ thấp hơn, cho tới khi hai vật đạt cùng một nhiệt độ — trạng thái này gọi là cân bằng nhiệt, và sẽ được học kĩ, tính toán định lượng ở Chương 3 của khoá học.

Có hai cách làm thay đổi năng lượng nhiệt của một vật. **Thực hiện công**: khi có lực tác dụng làm vật (hoặc các hạt cấu tạo vật) chuyển động — cọ xát, va đập, nén khí — công cơ học được vật hấp thụ và chuyển hoá thành năng lượng nhiệt, làm nhiệt độ vật tăng. Ví dụ: cọ xát hai bàn tay ở phần khởi động; mài một con dao trên đá mài khiến lưỡi dao nóng lên; bơm lốp xe đạp bằng tay bơm khiến vỏ bơm nóng lên do khí bị nén nhanh bên trong. **Truyền nhiệt**: năng lượng nhiệt tự truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn khi chúng tiếp xúc hoặc ở gần nhau, không cần bất kì lực tác dụng cơ học nào. Ví dụ: một chiếc thìa kim loại để trong bát canh nóng dần lên; một cốc nước đá để ngoài trời nóng lên dần vì nhận năng lượng nhiệt từ không khí xung quanh. Cả hai cách đều làm thay đổi năng lượng nhiệt nhưng theo cơ chế khác nhau: thực hiện công cần một lực gây ra chuyển động (nguồn gốc cơ học), còn truyền nhiệt chỉ cần có chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật, hoàn toàn không cần lực cơ học nào tác dụng lên vật. Chiều truyền nhiệt luôn đi từ nơi có nhiệt độ cao hơn sang nơi có nhiệt độ thấp hơn, cho tới khi hai vật đạt cùng một nhiệt độ — trạng thái này gọi là cân bằng nhiệt, và sẽ được học kĩ, tính toán định lượng ở Chương 3 của khoá học.

Ví dụ

Phân loại thực hiện công hay truyền nhiệt

1
Bốn tình huống sau, tình huống nào là thực hiện công, tình huống nào là truyền nhiệt: (1) cọ xát hai thanh kim loại vào nhau; (2) nung nóng một thanh sắt trên bếp than; (3) bơm căng một quả bóng bằng tay bơm; (4) để một viên đá lạnh vào cốc nước ở nhiệt độ phòng.
2
(1) Có lực ma sát tác dụng làm các hạt trên bề mặt hai thanh chuyển động mạnh hơn → thực hiện công. (2) Thanh sắt tiếp xúc với than đang cháy có nhiệt độ rất cao, không có lực cơ học nào tác dụng lên thanh sắt → truyền nhiệt. (3) Khí bên trong quả bóng bị nén nhanh bởi lực bơm → thực hiện công. (4) Viên đá và cốc nước tiếp xúc nhau, chênh lệch nhiệt độ khiến năng lượng truyền từ nước sang đá → truyền nhiệt.
(1) Có lực ma sát tác dụng làm các hạt trên bề mặt hai thanh chuyển động mạnh hơn → thực hiện công. (2) Thanh sắt tiếp xúc với than đang cháy có nhiệt độ rất cao, không có lực cơ học nào tác dụng lên thanh sắt → truyền nhiệt. (3) Khí bên trong quả bóng bị nén nhanh bởi lực bơm → thực hiện công. (4) Viên đá và cốc nước tiếp xúc nhau, chênh lệch nhiệt độ khiến năng lượng truyền từ nước sang đá → truyền nhiệt.
3
Vậy (1) và (3) là thực hiện công; (2) và (4) là truyền nhiệt.

Ví dụ

Phân tích một tình huống có cả hai cơ chế cùng lúc

1
Khi rèn một thanh sắt, người thợ rèn vừa nung thanh sắt trong lò than đang cháy, vừa dùng búa đập liên tục lên thanh sắt để tạo hình. Hãy chỉ ra cơ chế nào làm năng lượng nhiệt của thanh sắt tăng lên trong mỗi công đoạn, và cho biết công đoạn nào đóng góp chính vào việc làm thanh sắt đủ nóng để dễ uốn.
2
Thanh sắt tiếp xúc với than đang cháy có nhiệt độ rất cao — không có lực cơ học nào tác dụng lên thanh sắt trong công đoạn này. Đây là truyền nhiệt: năng lượng nhiệt truyền từ than sang thanh sắt do chênh lệch nhiệt độ rất lớn.
3
Mỗi nhát búa tạo ra lực va đập làm các hạt ở vùng thanh sắt bị đập chuyển động mạnh hơn trong khoảnh khắc va chạm — đây là thực hiện công, tuy phần năng lượng nhiệt sinh thêm ở công đoạn này nhỏ hơn nhiều so với công đoạn nung.
4
Vậy cả hai cơ chế đều xảy ra: nung là truyền nhiệt, đập búa là thực hiện công. Vì chênh lệch nhiệt độ giữa than cháy và thanh sắt rất lớn trong khi lực đập búa chỉ tác dụng trong thời gian ngắn mỗi nhát, công đoạn nung (truyền nhiệt) mới là công đoạn chính làm thanh sắt đủ nóng để dễ uốn; đập búa chủ yếu để tạo hình, không phải để làm nóng.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh thấy cọ xát làm tay "nóng lên giống như" chạm vào vật nóng nên nhầm đây cũng là truyền nhiệt. Sai — cọ xát có lực ma sát và chuyển động tương đối giữa hai bề mặt, đó là thực hiện công, dù cảm giác cuối cùng (tay nóng lên) trông giống nhau.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Năng lượng nhiệt của một vật thay đổi theo hai cách: thực hiện công (cần lực gây chuyển động, như cọ xát) và truyền nhiệt (chỉ cần chênh lệch nhiệt độ, không cần lực cơ học). Truyền nhiệt luôn đi từ nơi nóng hơn sang nơi lạnh hơn cho tới khi cân bằng.

Chương tiếp theo định lượng hoá chính cơ chế truyền nhiệt em vừa học: làm sao TÍNH ĐƯỢC chính xác bao nhiêu năng lượng nhiệt (nhiệt lượng) một vật đã nhận vào hoặc toả ra, bằng công thức Q = m·c·Δt.