Phương trình cân bằng nhiệt – Chìa khóa chinh phục vật lý 8

Phương trình cân bằng nhiệt” là khái niệm nền tảng, đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết các bài toán và hiện tượng vật lý liên quan đến nhiệt độ và năng lượng. Tại vatly.edu.vn, chúng tôi mang đến cái nhìn chi tiết và dễ hiểu về cách thiết lập và giải phương trình cân bằng nhiệt, giúp bạn áp dụng linh hoạt vào thực tế cũng như trong các kỳ thi.

Nguyên lý truyền nhiệt 

Nguyên lý truyền nhiệt là sự chuyển đổi năng lượng nhiệt từ vật hoặc hệ thống có nhiệt độ cao sang vật hoặc hệ thống có nhiệt độ thấp. Quá trình này xảy ra cho đến khi nhiệt độ của hai vật hoặc hệ thống cân bằng nhau.

Có ba phương thức truyền nhiệt chính:

• Dẫn nhiệt: Đây là quá trình truyền nhiệt qua vật liệu do sự va chạm và tương tác giữa các phân tử và nguyên tử. Dẫn nhiệt xảy ra mạnh mẽ nhất trong các chất rắn, nơi các phân tử và nguyên tử gần nhau nhất.
• Đối lưu: Quá trình này liên quan đến việc truyền nhiệt thông qua chuyển động vật lý của chất lỏng hoặc khí. Khi chất lỏng hoặc khí nóng lên, nó trở nên nhẹ hơn và di chuyển lên trên, trong khi chất lỏng hoặc khí lạnh hơn chuyển xuống dưới, tạo thành các dòng đối lưu giúp truyền nhiệt trong hệ thống.
• Bức xạ: Bức xạ là quá trình truyền nhiệt qua không gian bằng sóng điện từ, không cần chất trung gian. Mọi vật thể có nhiệt độ trên không độ tuyệt đối (-273,15°C) đều phát ra bức xạ nhiệt.

Phương trình cân bằng nhiệt

Phương trình cân bằng nhiệt phản ánh nguyên tắc bảo toàn năng lượng trong các quá trình nhiệt động. Nó biểu thị rằng tổng nhiệt lượng thu vào và tỏa ra trong một hệ thống kín là bằng nhau. Phương trình cơ bản có thể được viết như sau:

\[ Q = m \times c \times \Delta T \]

trong đó:

– \( Q \) là nhiệt lượng (Joule),

– \( m \) là khối lượng của vật thể (kg),

– \( c \) là nhiệt dung riêng của vật liệu (J/kg.K),

– \( \Delta T \) là sự thay đổi nhiệt độ (K hoặc °C).

Phương pháp giải bài tập cân bằng nhiệt 

Hãy áp dụng những bước sau để tiếp cận và giải quyết bài toán cân bằng nhiệt:

Bước 1: Định rõ đối tượng nào trong bài toán là nguồn phát nhiệt và đối tượng nào nhận nhiệt.

Bước 2: Áp dụng phương trình để tính lượng nhiệt mà đối tượng phát nhiệt tỏa ra.

Bước 3: Sử dụng phương trình tương ứng để xác định lượng nhiệt mà đối tượng nhận nhiệt thu vào.

Bước 4: Thiết lập phương trình dựa trên nguyên tắc cân bằng nhiệt để tìm ra biến số cần giải.

Ví dụ minh họa: Một quả cầu làm từ nhôm với khối lượng 0,15 kg được nung nóng đến 100°C được đặt vào một cốc nước có nhiệt độ ban đầu là 20°C. Cuối cùng, nhiệt độ của cả quả cầu và nước đều ổn định ở mức 25°C. Hỏi khối lượng của nước là bao nhiêu, biết rằng quá trình trao đổi nhiệt chỉ diễn ra giữa quả cầu và nước?

Hướng dẫn lời giải

– Lượng nhiệt quả cầu nhôm tỏa ra: \( Q_{tỏa} = m_{nhôm} \times c_{nhôm} \times \Delta T = 0,15 \times 880 \times (100 – 25) = 9900 \, \text{J} \)

– Lượng nhiệt nước thu vào: \( Q_{thu} = m_{nước} \times c_{nước} \times \Delta T = m_{nước} \times 4200 \times (25 – 20) = 21000 \times m_{nước} \)

– Dựa vào nguyên tắc cân bằng nhiệt \( Q_{tỏa} = Q_{thu} \), ta tìm được \( m_{nước} = \frac{Q_{tỏa}}{21000} = 0,5 \, \text{kg} \).

Bài tập ứng dụng về phương trình cân bằng nhiệt có đáp án

Câu 1: Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau đặt tiếp xúc nhau, thì:

A. Nhiệt không truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp.

B. Nhiệt không truyền từ vật có nhiệt độ thấp sang vật có nhiệt độ cao.

C. Nhiệt truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp cho đến khi hai vật có nhiệt độ bằng nhau.

D. Nhiệt truyền từ vật có nhiệt độ thấp sang vật có nhiệt độ cao cho đến khi hai vật có nhiệt độ bằng nhau.

Đáp án: C

Câu 2: Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau đặt tiếp xúc nhau, sự truyền nhiệt xảy ra cho đến khi:

A. Hai vật có cùng khối lượng.

B. Hai vật cùng làm bằng một chất.

C. Hai vật có cùng nhiệt độ.

D. Hai vật có cùng kích thước.

Đáp án: C

Câu 3: Phương trình cân bằng nhiệt là:

A. Qthu = Qtoả

B. Qthu > Qtoả

C. Qthu < Qtoả

D. Qthu ≠ Qtoả

Đáp án: A

Câu 4: Một bình nhôm có khối lượng 0,5 kg chứa 2 lít nước ở 20°C. Thả vào bình một quả cầu bằng đồng có khối lượng 0,2 kg đang ở 100°C. Sau một thời gian, nhiệt độ của bình nhôm và nước là 25°C. Nhiệt dung riêng của nhôm là 880 J/kg.K, của nước là 4200 J/kg.K. Bỏ qua sự mất mát nhiệt ra môi trường xung quanh. Nhiệt lượng do quả cầu đồng tỏa ra là:

A. 33600 J

B. 67200 J

C. 100800 J

D. 134400 J

Đáp án: A

Câu 5: Một người pha 500 g nước ở nhiệt độ 20°C vào 200 g nước ở nhiệt độ 80°C. Nhiệt độ của hỗn hợp sau khi cân bằng là:

A. 32°C.

B. 36°C.

C. 40°C.

D. 44°C.

Đáp án: C

Câu 6: Một bình calorime bằng đồng có khối lượng 100g chứa 200g nước ở 20°C. Người ta thả vào bình calorime một miếng đồng có khối lượng 50g ở 100°C. Sau một thời gian, nhiệt độ của bình calorime, nước và miếng đồng đều bằng 25°C. Hỏi nhiệt dung riêng của đồng là bao nhiêu?

A. 380 J/kg.K

B. 385 J/kg.K

C. 390 J/kg.K

D. 395 J/kg.K

Đáp án: C

Câu 7: Một học sinh thả một miếng đồng có khối lượng 50g vào 200g nước. Miếng đồng nguội đi từ 100°C xuống 25°C, nước nóng lên từ 20°C đến 27°C. Nhiệt dung riêng của đồng là 380 J/kg.K, của nước là 4200 J/kg.K. Bỏ qua sự mất mát nhiệt ra môi trường xung quanh. Nhiệt lượng do nước thu vào là:

A. 2100 J

B. 2625 J

C. 3150 J

D. 3675 J

Đáp án: B

Bài tập 1: Một bình nhôm có khối lượng 0,5 kg chứa 2 lít nước ở nhiệt độ 20°C. Người ta thả vào bình một quả cầu bằng đồng có khối lượng 0,2 kg được nung nóng đến 100°C. Sau một thời gian, nhiệt độ của bình nhôm và nước tăng lên đến 25°C. Tính nhiệt dung riêng của đồng.

Hướng dẫn giải:

Nhiệt lượng mà nước thu vào: Qthu = m1.c1.(t2 – t1) = 2.4200.(25 – 20) = 21000 J

Nhiệt lượng mà bình nhôm thu vào: Qthu = m2.c2.(t2 – t1) = 0,5.896.(25 – 20) = 2240 J

Nhiệt lượng mà quả cầu đồng tỏa ra: Qtoả = m3.c3.(t1 – t2) = 0,2.c3.(100 – 25) = 15c3

Theo phương trình cân bằng nhiệt: Qtoả = Qthu + Qthu

<=> 15c3 = 21000 + 2240

⇔ c3 = (21000 + 2240) / 15 = 1373,33 J/kg.K

=> Vậy nhiệt dung riêng của đồng là 1373,33 J/kg.K.

Chúng tôi hy vọng bài viết đã cung cấp cho bạn cái nhìn đầy đủ và rõ ràng về phương trình cân bằng nhiệt. Tại vatly.edu.vn, chúng tôi luôn nỗ lực chia sẻ kiến thức vật lý chất lượng, dễ hiểu và cập nhật, hỗ trợ bạn trong hành trình khám phá và chinh phục vật lý. Hãy đồng hành cùng chúng tôi để không bỏ lỡ bất kỳ kiến thức vật lý hấp dẫn nào khác!