Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.

Bài học

Vật liệu cách nhiệt và giữ nhiệt

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được cấu tạo của phích nước và một số vật liệu cách nhiệt khác (áo ấm nhiều lớp, cửa kính hai lớp) chặn cả ba hình thức truyền nhiệt như thế nào.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã so sánh ba hình thức truyền nhiệt theo môi trường cần có. Bài này áp dụng hiểu biết đó để phân tích một thiết bị thực tế rất quen thuộc — phích nước — và một vài vật liệu cách nhiệt khác trong đời sống.

Khởi động

Nước sôi đổ vào phích giữ được độ nóng suốt nhiều giờ, nhưng đổ cùng lượng nước đó vào một chiếc cốc thuỷ tinh thường thì chỉ vài chục phút sau đã nguội hẳn. Vì sao cùng là chứa nước nóng, hai vật dụng lại giữ nhiệt khác nhau đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Ruột phích nước được cấu tạo từ hai lớp thuỷ tinh, và ở GIỮA hai lớp thuỷ tinh đó là một khoảng gần như CHÂN KHÔNG. Khoảng chân không này chặn được cả dẫn nhiệt (không có chất nào ở giữa để truyền động năng qua va chạm hạt) lẫn đối lưu (không có chất lỏng hay khí ở giữa để tạo thành dòng). Mặt trong của lớp thuỷ tinh phía trong được tráng một lớp BẠC (hoặc kim loại sáng bóng khác). Lớp tráng bạc này đóng vai trò như một tấm gương, phản xạ phần lớn bức xạ nhiệt phát ra từ nước nóng bên trong trở ngược lại vào trong ruột phích, hạn chế thất thoát nhiệt qua con đường bức xạ. Con đường thất thoát nhiệt còn lại — và thường là đáng kể nhất theo thời gian — là qua MIỆNG phích. Nút đậy được làm từ vật liệu cách nhiệt (nhựa, cao su, xốp) và đậy càng kín thì càng hạn chế được dòng đối lưu và dẫn nhiệt thoát ra qua khe hở ở miệng phích. Nguyên lý "dùng khoảng không khí tĩnh hoặc chân không để chặn dẫn nhiệt và đối lưu" này còn xuất hiện ở nhiều vật liệu cách nhiệt khác: áo ấm mùa đông dùng nhiều lớp vải mỏng để giữ các lớp không khí TĨNH xen giữa (không khí vốn dẫn nhiệt rất kém, và nếu không khí không di chuyển thì đối lưu cũng bị hạn chế đáng kể); cửa kính hai lớp giữ một khoảng chân không hoặc khí trơ giữa hai tấm kính để giảm thất thoát nhiệt ra khỏi nhà vào mùa đông; mái nhà cách nhiệt thường kết hợp cả vật liệu dẫn nhiệt kém lẫn bề mặt sáng màu để đồng thời giảm dẫn nhiệt và giảm hấp thụ bức xạ Mặt Trời.
Sơ đồ các lớp cấu tạo của phích nước và vai trò của từng lớp trong việc chặn ba hình thức truyền nhiệt1Vỏ ngoài phíchBảo vệ ruột phíchkhỏi va đập, khôngphải bộ phận cáchnhiệt chính2Khoảng chân khônggiữa hai lớp thuỷtinhKhông có chất nào ởgiữa nên chặn được cảdẫn nhiệt lẫn đối lưu3Lớp tráng bạc mặttrongPhản xạ phần lớn bứcxạ nhiệt từ nước nóngtrở lại vào trong,hạn chế thất thoátqua bức xạ4Nút đậy kín ởmiệng phíchChặn dòng đối lưu vàdẫn nhiệt thoát raqua khe hở, đây làcon đường thất thoátnhiệt lớn nhất theothời gian
Ví dụ
Giải thích đầy đủ vì sao phích giữ nhiệt tốt hơn cốc thuỷ tinh thường
  1. 1

    Giải thích vì sao nước sôi đổ vào phích giữ nóng được nhiều giờ, còn đổ vào cốc thuỷ tinh thường thì nguội chỉ sau vài chục phút.

  2. 2

    Ta có phích có khoảng chân không giữa hai lớp thuỷ tinh, chặn cả dẫn nhiệt và đối lưu ra môi trường bên ngoài, cùng lớp tráng bạc phản xạ phần lớn bức xạ nhiệt trở lại.

  3. 3

    Cốc thuỷ tinh thường không có khoảng chân không cách nhiệt, cũng không có lớp phản xạ bức xạ, nên nhiệt từ nước nóng thoát ra môi trường qua cả ba hình thức truyền nhiệt gần như tự do.

  4. 4

    Vậy phích giữ nhiệt tốt hơn nhiều nhờ thiết kế chặn đồng thời cả ba con đường truyền nhiệt, trong khi cốc thuỷ tinh thường hầu như không cản trở con đường nào.

Ví dụ
So sánh áo ấm một lớp dày và ba lớp mỏng
  1. 1

    Hai chiếc áo có cùng tổng độ dày vải: một chiếc chỉ có một lớp vải dày, một chiếc có ba lớp vải mỏng ghép lại. Áo nào giữ ấm tốt hơn khi mặc ra ngoài trời lạnh? Giải thích.

  2. 2

    Ta có áo một lớp dày chỉ có phần vải liên tục, không có khoảng không khí tĩnh xen giữa để hỗ trợ cách nhiệt thêm.

  3. 3

    Do ba lớp vải mỏng ghép lại tạo ra hai khoảng không khí tĩnh xen giữa các lớp; không khí dẫn nhiệt kém hơn vải, và vì không khí này gần như đứng yên nên đối lưu cũng bị hạn chế.

  4. 4

    Vậy áo ba lớp mỏng thường giữ ấm tốt hơn áo một lớp dày có cùng tổng độ dày, vì tận dụng thêm các lớp không khí tĩnh xen giữa để cản dẫn nhiệt và đối lưu, giống hệt nguyên lý dùng trong phích nước.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ phích giữ nhiệt tốt là do "thuỷ tinh cách nhiệt tốt", trong khi thuỷ tinh chỉ là vật liệu làm vỏ chứa — vai trò cách nhiệt quyết định thực sự thuộc về khoảng CHÂN KHÔNG giữa hai lớp thuỷ tinh và LỚP TRÁNG BẠC, không phải bản thân thuỷ tinh.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Phích nước giữ nhiệt nhờ ba bộ phận phối hợp: khoảng chân không (chặn dẫn nhiệt, đối lưu), lớp tráng bạc (chặn bức xạ nhiệt), nút đậy kín (chặn thất thoát qua miệng). Áo ấm, cửa kính hai lớp áp dụng cùng nguyên lý dùng lớp không khí tĩnh để cách nhiệt.

Chương cuối cùng của khoá học tổng hợp cả ba hình thức truyền nhiệt để giải thích các hiện tượng thực tế phức tạp hơn, như nhà kính và bếp than hoạt động — nơi cả ba hình thức phối hợp cùng lúc, rồi kết hợp thêm với tính toán nhiệt lượng.