Truyền nhiệt, nhiệt dung riêng và phương trình cân bằng nhiệt

Mục tiêu: Khảo sát định lượng công thức tính nhiệt lượng Q = m·c·ΔT, kiểm chứng phương trình cân bằng nhiệt Q_tỏa = Q_thu trong nhiệt lượng kế cô lập và liên hệ độ biến thiên nhiệt độ với sự nở dài vì nhiệt của vật rắn.

Lý thuyết: Nhiệt lượng mà một vật thu vào hay tỏa ra khi không chuyển thể tỉ lệ thuận với khối lượng m, nhiệt dung riêng c và độ biến thiên nhiệt độ ΔT: Q = m·c·ΔT (J). Trong một hệ cô lập nhiệt gồm vật nóng (m₁, c₁, T₁) và chất lỏng lạnh hơn (m₂, c₂, T₂ với T₁ > T₂), nhiệt năng truyền từ vật 1 sang vật 2 cho tới khi hai vật có cùng nhiệt độ cân bằng T_cb. Theo định luật bảo toàn năng lượng: Q_tỏa = Q_thu ⇔ m₁c₁(T₁ − T_cb) = m₂c₂(T_cb − T₂), suy ra T_cb = (m₁c₁T₁ + m₂c₂T₂)/(m₁c₁ + m₂c₂).

Giả thuyết: Nếu thả một khối kim loại nóng (T₁) vào nước mát (T₂) trong bình cách nhiệt, nhiệt độ cân bằng T_cb sẽ luôn nằm gần nhiệt độ ban đầu của nước hơn vì nhiệt dung riêng của nước c₂ = 4184 J/(kg·K) lớn gấp hơn 10 lần nhiệt dung riêng của đồng c₁ = 385 J/(kg·K).

Biến độc lập: Khối lượng vật nóng m₁ (kg), nhiệt độ ban đầu T₁ (°C) và khối lượng nước m₂ (kg)

Biến phụ thuộc: Nhiệt độ cân bằng T_cb (°C), nhiệt lượng trao đổi Q_tỏa = Q_thu (kJ) và độ co dài vì nhiệt ΔL (mm)

Biến kiểm soát: Nhiệt dung riêng đồng c₁ = 385 J/(kg·K), nước c₂ = 4184 J/(kg·K), nhiệt độ nước ban đầu T₂ = 20 °C và bình cách nhiệt lý tưởng

Dụng cụ: Bình nhiệt lượng kế hai lớp cách nhiệt có que khuấy và nắp kín; Hai cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số đo T₁(t) của mẫu kim loại và T₂(t) của nước; Mẫu kim loại chuẩn và cân điện tử định lượng khối lượng m₁, m₂

1. Bước 1: Giữ m₁ = 0,5 kg đồng ở T₁ = 90 °C thả vào m₂ = 0,40 kg nước ở 20 °C, ghi nhận nhiệt độ cân bằng T_cb ≈ 27,22 °C và Q ≈ 12,09 kJ.
2. Bước 2: Tăng khối lượng mẫu m₁ lên 1,5–2,5 kg để quan sát sự dịch chuyển của T_cb về phía T₁ và sự tăng của nhiệt lượng Q.
3. Bước 3: Tinh chỉnh m₁, T₁ và m₂ để đạt T_cb ≈ 35 °C và Q ≥ 15 kJ theo yêu cầu thử thách.

Hướng dẫn quan sát: Quan sát trên sơ đồ nhiệt lượng kế dòng mũi tên truyền nhiệt từ khối kim loại sang nước, hai cột nhiệt kế tiến về cùng vạch T_cb và hai đường cong T₁(t), T₂(t) hội tụ trên đồ thị.

Giải thích kết quả: Kết quả thực nghiệm chứng minh Q_tỏa = m₁c₁(T₁ − T_cb) luôn bằng đúng Q_thu = m₂c₂(T_cb − T₂). Tỉ số độ biến thiên nhiệt độ |ΔT₁|/|ΔT₂| tỉ lệ nghịch với tỉ số nhiệt dung C₁/C₂.