Nhiệt dung riêng và cân bằng nhiệt

Thực nghiệm cho thấy, trong khoảng nhiệt độ mà vật không chuyển thể, nhiệt lượng cần truyền cho vật tỉ lệ với khối lượng $m$ và độ tăng nhiệt độ $\Delta T$. Ta viết: $$Q=mc\Delta T.$$ Hệ số $c$ là **nhiệt dung riêng** của chất. Nó cho biết nhiệt lượng cần truyền cho 1 kg chất để nhiệt độ tăng thêm 1 K (hay 1 $^\circ$C). Đơn vị của $c$ là $\mathrm{J/(kg\cdot K)}$. Ví dụ, nhiệt dung riêng của nước khoảng $4200\ \mathrm{J/(kg\cdot K)}$. Điều đó có nghĩa là, trong điều kiện phù hợp, cần khoảng 4200 J để làm 1 kg nước tăng nhiệt độ thêm 1 K. Nếu viết $\Delta T=T_2-T_1$ thì dấu của $Q$ cho biết vai trò của vật: | Quá trình | $\Delta T$ | $Q=mc\Delta T$ | |---|---:|---:| | Vật nóng lên | $>0$ | $Q>0$: vật nhận nhiệt | | Vật nguội đi | $<0$ | $Q<0$: vật truyền nhiệt ra ngoài | Công thức này chỉ dùng cho giai đoạn không có chuyển thể và khi có thể coi $c$ không đổi.

Khi các vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau trong một hệ cách nhiệt, tổng nhiệt lượng có dấu bằng 0: $$Q_1+Q_2+\cdots=0.$$ Có thể diễn đạt bằng độ lớn: tổng nhiệt lượng các vật nóng truyền đi bằng tổng nhiệt lượng các vật lạnh nhận được. Cách làm một bài trộn nhiệt thường gồm ba bước: 1. Chọn hệ và nêu rõ những phần nào được bỏ qua, chẳng hạn nhiệt lượng kế và môi trường. 2. Xác định vật nào nguội đi, vật nào nóng lên; viết nhiệt lượng cho từng vật. 3. Lập phương trình cân bằng nhiệt rồi kiểm tra nhiệt độ cuối có hợp lí không. Trong bài trộn đơn giản không có chuyển thể, nhiệt độ cân bằng phải nằm giữa các nhiệt độ ban đầu. Nếu bình chứa hấp thụ nhiệt đáng kể thì phải đưa bình vào phương trình.

Trong thí nghiệm của SGK, điện trở truyền năng lượng cho nước trong bình cách nhiệt. Ta đo khối lượng nước $m$, nhiệt độ theo thời gian và công suất điện $P$; khuấy nhẹ để nhiệt độ trong nước tương đối đều. Điện trở phải ngập trong nước, còn đầu đo nhiệt độ không đặt sát điện trở. Chọn hai điểm trên đường thẳng gần nhất với các điểm đo. Nếu bỏ qua nhiệt lượng bình và môi trường nhận, trong khoảng thời gian $\Delta\tau$: $$P\Delta\tau=mc\Delta T \quad\Rightarrow\quad c=\frac{P\Delta\tau}{m\Delta T}.$$ Với $m=0{,}20$ kg, $P=42$ W, sau 200 s nhiệt độ tăng 10 K: $$c=\frac{42\times200}{0{,}20\times10}=4200\ \mathrm{J/(kg\cdot K)}.$$ Giá trị đo thực tế có thể lệch vì bình và môi trường cũng nhận năng lượng. Nếu dùng toàn bộ $P\Delta\tau$ như thể chỉ nước nhận nhiệt, giá trị $c$ tính ra thường lớn hơn giá trị thật. Khi đề cho hiệu suất hoặc nhiệt dung của bình, phải đưa các đại lượng đó vào phương trình năng lượng.