I. GIỚI THIỆU VỀ NHIỆT LƯỢNG

1. Nhiệt lượng là gì?

Định nghĩa: Nhiệt lượng (ký hiệu là Q hoặc q) là phần năng lượng mà một vật nhận được hoặc mất đi trong quá trình truyền nhiệt. Đây là một dạng năng lượng chuyển từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp.

Bản chất: Nhiệt lượng là năng lượng truyền từ vật này sang vật khác do có sự chênh lệch nhiệt độ. Khi vật thu nhiệt, nhiệt độ của nó tăng lên; khi vật tỏa nhiệt, nhiệt độ của nó giảm xuống.

Ký hiệu:

• Q hoặc q (thường dùng Q cho nhiệt lượng lớn)
• Đơn vị chuẩn: Jun (J)

Đơn vị đo nhiệt lượng:

• Jun (J) – Đơn vị trong hệ SI (hệ đo lường quốc tế):
  • 1 J là nhiệt lượng cần thiết để làm vật có khối lượng 1 kg tăng nhiệt độ lên khoảng 0.00024°C
• Calo (cal) – Đơn vị thông dụng:
  • 1 cal là nhiệt lượng cần thiết để làm cho 1 gam nước tăng nhiệt độ lên 1°C
  • Quy đổi: 1 cal = 4.186 J (thường làm tròn: 1 cal ≈ 4.2 J)
• Kilôcalo (kcal):
  • 1 kcal = 1000 cal = 4186 J ≈ 4200 J
  • Thường dùng trong dinh dưỡng (Calo viết hoa)

Quy đổi đơn vị:

• 1 kJ (kilojun) = 1000 J
• 1 MJ (megajun) = 1,000,000 J

2. Thu nhiệt và tỏa nhiệt

Phân loại quá trình:

Thu nhiệt (hấp thụ nhiệt):

• Vật nhận nhiệt lượng từ môi trường xung quanh
• Nhiệt độ của vật tăng lên
• Q > 0 (mang dấu dương)
• $\Delta t = t_2 – t_1 > 0$ (nhiệt độ cuối > nhiệt độ đầu)

Tỏa nhiệt (toả nhiệt):

• Vật truyền nhiệt lượng ra môi trường xung quanh
• Nhiệt độ của vật giảm xuống
• Q < 0 (mang dấu âm)
• $\Delta t = t_2 – t_1 < 0$ (nhiệt độ cuối < nhiệt độ đầu)

Lưu ý: Trong nhiều bài toán, khi nói “nhiệt lượng tỏa ra”, ta thường lấy giá trị tuyệt đối $|Q|$ để có số dương.

II. CÔNG THỨC TÍNH NHIỆT LƯỢNG CƠ BẢN

1. Công thức nhiệt lượng thu vào/tỏa ra

📌 Công thức cơ bản (không có sự đổi trạng thái):

$$\boxed{Q = mc\Delta t = mc(t_2 – t_1)}$$

Giải thích các đại lượng:

• Q: Nhiệt lượng (J hoặc cal)
  • Q > 0: vật thu nhiệt
  • Q < 0: vật tỏa nhiệt
• m: Khối lượng của vật (kg hoặc g)
  • Lưu ý: Phải đổi về đúng đơn vị với c
• c: Nhiệt dung riêng của chất (J/kg.K hoặc J/kg.°C)
  • Là đặc trưng của từng chất
  • Tra trong bảng số liệu
• $\Delta t = t_2 – t_1$: Độ biến thiên nhiệt độ (°C hoặc K)
  • $t_1$: nhiệt độ ban đầu
  • $t_2$: nhiệt độ sau (nhiệt độ cuối)
  • Chú ý: luôn lấy cuối trừ đầu

Quy ước dấu:

• Thu nhiệt:
  • $t_2 > t_1$ → $\Delta t > 0$ → $Q > 0$
  • Vật được làm nóng lên
• Tỏa nhiệt:
  • $t_2 < t_1$ → $\Delta t < 0$ → $Q < 0$
  • Vật bị làm nguội đi

Điều kiện áp dụng:

• Vật không đổi trạng thái (không nóng chảy, không sôi)
• Chỉ có sự thay đổi nhiệt độ

2. Nhiệt dung riêng (c)

Định nghĩa: Nhiệt dung riêng của một chất là nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kg chất đó để nhiệt độ tăng thêm 1°C (hoặc 1 K).

Công thức định nghĩa: $$c = \frac{Q}{m\Delta t}$$

Đơn vị:

• J/kg.K (Jun trên kilôgam-kenvin)
• J/kg.°C (Jun trên kilôgam-độ C)
• cal/g.°C (calo trên gam-độ C)

Lưu ý: 1°C = 1 K (độ biến thiên nhiệt độ), nhưng 0°C = 273 K (nhiệt độ tuyệt đối)

Bảng nhiệt dung riêng một số chất thường gặp:

Ý nghĩa của nhiệt dung riêng:

• Nước có c lớn nhất (4200 J/kg.K):
  • Khó nóng lên (cần nhiều nhiệt lượng)
  • Khó nguội đi (giữ nhiệt lâu)
  • → Dùng làm chất tải nhiệt trong động cơ, máy lạnh
  • → Điều hòa khí hậu (biển, hồ giữ nhiệt tốt)
• Kim loại có c nhỏ:
  • Dễ nóng, dễ lạnh
  • → Dùng làm nồi nấu, chảo rán

3. Ví dụ tính nhiệt lượng thu vào

Bài toán 1: Tính nhiệt lượng cần thiết để đun nóng 2 kg nước từ 25°C lên 100°C. Cho biết nhiệt dung riêng của nước là c = 4200 J/kg.K.

Phân tích:

• Nước được làm nóng lên → thu nhiệt → Q > 0
• Khối lượng: m = 2 kg
• Nhiệt độ ban đầu: $t_1 = 25°C$
• Nhiệt độ cuối: $t_2 = 100°C$
• Nhiệt dung riêng: c = 4200 J/kg.K

Lời giải:

Áp dụng công thức: $$Q = mc\Delta t = mc(t_2 – t_1)$$

Thay số: $$Q = 2 \times 4200 \times (100 – 25)$$ $$Q = 2 \times 4200 \times 75$$ $$Q = 8400 \times 75$$ $$Q = 630,000 \text{ J} = 630 \text{ kJ}$$

Kết luận: Cần cung cấp 630 kJ nhiệt lượng để đun 2 kg nước từ 25°C lên 100°C.

4. Ví dụ tính nhiệt lượng tỏa ra

Bài toán 2: Có 0.5 kg nước nóng ở nhiệt độ 80°C để nguội đến 30°C. Tính nhiệt lượng mà nước đã tỏa ra. Cho c = 4200 J/kg.K.

Phân tích:

• Nước nguội đi → tỏa nhiệt → Q < 0
• Khối lượng: m = 0.5 kg
• Nhiệt độ ban đầu: $t_1 = 80°C$
• Nhiệt độ cuối: $t_2 = 30°C$
• Nhiệt dung riêng: c = 4200 J/kg.K

Lời giải:

Áp dụng công thức: $$Q = mc(t_2 – t_1)$$

Thay số: $$Q = 0.5 \times 4200 \times (30 – 80)$$ $$Q = 0.5 \times 4200 \times (-50)$$ $$Q = 2100 \times (-50)$$ $$Q = -105,000 \text{ J} = -105 \text{ kJ}$$

Giải thích dấu âm: Q < 0 chứng tỏ nước tỏa nhiệt ra môi trường.

Nhiệt lượng tỏa ra: Lấy giá trị tuyệt đối: $|Q| = 105$ kJ

Kết luận: Nước đã tỏa ra môi trường 105 kJ nhiệt lượng.

III. CÔNG THỨC NHIỆT LƯỢNG KHI ĐỔI TRẠNG THÁI

1. Nhiệt nóng chảy (rắn → lỏng)

Định nghĩa: Nóng chảy là quá trình chuyển từ thể rắn sang thể lỏng. Quá trình này xảy ra ở nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ không đổi trong suốt quá trình.

📌 Công thức:

$$\boxed{Q = \lambda m}$$

Trong đó:

• Q: Nhiệt lượng cần cung cấp (J)
• λ (lambda): Nhiệt nóng chảy riêng của chất (J/kg)
• m: Khối lượng chất nóng chảy (kg)

Nhiệt nóng chảy riêng (λ): Là nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy hoàn toàn 1 kg chất rắn ở nhiệt độ nóng chảy.

Bảng nhiệt nóng chảy riêng của một số chất:

Ví dụ 1: Tính nhiệt lượng cần thiết để làm tan hoàn toàn 1 kg nước đá ở 0°C thành nước ở 0°C.

Lời giải:

• Khối lượng: m = 1 kg
• Nhiệt nóng chảy riêng: $\lambda = 3.4 \times 10^5$ J/kg

Áp dụng công thức: $$Q = \lambda m = 3.4 \times 10^5 \times 1 = 340,000 \text{ J} = 340 \text{ kJ}$$

Kết luận: Cần 340 kJ để làm tan hoàn toàn 1 kg nước đá ở 0°C.

Lưu ý quan trọng:

• Trong suốt quá trình nóng chảy, nhiệt độ không đổi (giữ nguyên ở 0°C)
• Toàn bộ nhiệt lượng dùng để phá vỡ liên kết giữa các phân tử

2. Nhiệt hóa hơi (lỏng → khí)

Định nghĩa: Hóa hơi là quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí. Quá trình này xảy ra ở nhiệt độ sôi và nhiệt độ không đổi trong suốt quá trình.

📌 Công thức:

$$\boxed{Q = Lm}$$

Trong đó:

• Q: Nhiệt lượng cần cung cấp (J)
• L: Nhiệt hóa hơi riêng của chất (J/kg)
• m: Khối lượng chất hóa hơi (kg)

Nhiệt hóa hơi riêng (L): Là nhiệt lượng cần cung cấp để làm bay hơi hoàn toàn 1 kg chất lỏng ở nhiệt độ sôi.

Bảng nhiệt hóa hơi riêng của một số chất:

Ví dụ 2: Tính nhiệt lượng cần thiết để làm bay hơi hoàn toàn 0.5 kg nước ở 100°C thành hơi nước ở 100°C.

Lời giải:

• Khối lượng: m = 0.5 kg
• Nhiệt hóa hơi riêng: $L = 2.3 \times 10^6$ J/kg

Áp dụng công thức: $$Q = Lm = 2.3 \times 10^6 \times 0.5 = 1,150,000 \text{ J} = 1150 \text{ kJ}$$

Kết luận: Cần 1150 kJ để làm bay hơi hoàn toàn 0.5 kg nước ở 100°C.

So sánh: Nhiệt hóa hơi (L) lớn hơn nhiều so với nhiệt nóng chảy (λ). Đó là lý do tại sao làm bay hơi nước cần nhiều năng lượng hơn làm tan nước đá.

3. Đông đặc và ngưng tụ (quá trình ngược)

Đông đặc (lỏng → rắn):

Đây là quá trình ngược lại với nóng chảy.

$$\boxed{Q = -\lambda m} \quad \text{(tỏa nhiệt)}$$

Ví dụ: Nước ở 0°C đông thành nước đá ở 0°C sẽ tỏa ra nhiệt lượng: $$Q = -\lambda m = -3.4 \times 10^5 \times m$$

Ngưng tụ (khí → lỏng):

Đây là quá trình ngược lại với hóa hơi.

$$\boxed{Q = -Lm} \quad \text{(tỏa nhiệt)}$$

Ví dụ: Hơi nước ở 100°C ngưng tụ thành nước ở 100°C sẽ tỏa ra nhiệt lượng: $$Q = -Lm = -2.3 \times 10^6 \times m$$

Quy ước:

• Nóng chảy và hóa hơi: thu nhiệt (Q > 0)
• Đông đặc và ngưng tụ: tỏa nhiệt (Q < 0)

Lưu ý: Nhiệt lượng thu vào khi nóng chảy bằng nhiệt lượng tỏa ra khi đông đặc (về độ lớn).

IV. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT

1. Nguyên lý cân bằng nhiệt

Định nghĩa: Trong một hệ cô lập (không trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài), tổng nhiệt lượng của hệ được bảo toàn.

Nguyên lý: Nhiệt lượng do các vật nóng tỏa ra bằng nhiệt lượng do các vật lạnh thu vào.

📌 Công thức:

$$\boxed{Q_{thu} = |Q_{tỏa}|}$$

Hoặc dạng tổng quát:

$$\boxed{\sum Q_{thu} + \sum Q_{tỏa} = 0}$$

Giải thích:

• $Q_{thu}$: Tổng nhiệt lượng các vật lạnh thu vào (Q > 0)
• $Q_{tỏa}$: Tổng nhiệt lượng các vật nóng tỏa ra (Q < 0)
• Trong hệ cô lập, tổng đại số bằng 0

Lưu ý quan trọng:

• $Q_{tỏa} < 0$ (mang dấu âm)
• Khi tính, thường viết: $Q_{thu} = |Q_{tỏa}|$ để làm việc với số dương

2. Cách giải bài toán cân bằng nhiệt

Quy trình giải chuẩn:

Bước 1: Phân tích bài toán

• Xác định các vật trong hệ
• Xác định nhiệt độ ban đầu của mỗi vật
• Xác định vật nào thu nhiệt (nhiệt độ tăng)
• Xác định vật nào tỏa nhiệt (nhiệt độ giảm)

Bước 2: Gọi ẩn

• Thường gọi nhiệt độ cân bằng là t (°C)
• Hoặc gọi các đại lượng chưa biết khác

Bước 3: Viết biểu thức nhiệt lượng

• Viết biểu thức Q cho mỗi vật:
  • Vật thu nhiệt: $Q = mc(t – t_1)$ với $t > t_1$
  • Vật tỏa nhiệt: $Q = mc(t – t_2)$ với $t < t_2$

Bước 4: Lập phương trình cân bằng nhiệt

• Áp dụng: $\sum Q_i = 0$
• Hoặc: $Q_{thu} = |Q_{tỏa}|$

Bước 5: Giải phương trình

• Giải phương trình tìm ẩn
• Kiểm tra điều kiện: $t_{min} < t < t_{max}$

Bước 6: Kết luận

• Viết kết luận rõ ràng với đơn vị

3. Ví dụ cân bằng nhiệt cơ bản

Bài toán 3: Đổ 0.5 kg nước ở nhiệt độ 20°C vào 0.3 kg nước ở nhiệt độ 80°C. Tính nhiệt độ của hỗn hợp khi cân bằng nhiệt. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trường.

Phân tích:

• Vật 1 (nước lạnh): $m_1 = 0.5$ kg, $t_1 = 20°C$ → thu nhiệt
• Vật 2 (nước nóng): $m_2 = 0.3$ kg, $t_2 = 80°C$ → tỏa nhiệt
• Nhiệt độ cân bằng: t (°C)
• Cả hai đều là nước: $c = 4200$ J/kg.K

Lời giải:

Bước 1: Viết biểu thức nhiệt lượng

Vật 1 (nước lạnh – thu nhiệt): $$Q_1 = m_1c(t – t_1) = 0.5 \times 4200 \times (t – 20)$$ $$Q_1 = 2100(t – 20)$$

Vật 2 (nước nóng – tỏa nhiệt): $$Q_2 = m_2c(t – t_2) = 0.3 \times 4200 \times (t – 80)$$ $$Q_2 = 1260(t – 80)$$

Bước 2: Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt $$Q_1 + Q_2 = 0$$ $$2100(t – 20) + 1260(t – 80) = 0$$

Bước 3: Giải phương trình $$2100t – 42000 + 1260t – 100800 = 0$$ $$3360t = 142800$$ $$t = \frac{142800}{3360} = 42.5°C$$

Kiểm tra: $20°C < 42.5°C < 80°C$ ✓ (hợp lý)

Kết luận: Nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp là 42.5°C.

4. Bài toán có đổi trạng thái

Bài toán 4: Thả 0.1 kg nước đá ở nhiệt độ -10°C vào 0.5 kg nước ở nhiệt độ 30°C. Tính nhiệt độ cuối của hỗn hợp. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trường.

Cho biết:

• Nhiệt dung riêng của nước đá: $c_1 = 2100$ J/kg.K
• Nhiệt dung riêng của nước: $c = 4200$ J/kg.K
• Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá: $\lambda = 3.4 \times 10^5$ J/kg

Phân tích các giai đoạn:

Nước đá trải qua các giai đoạn:

1. Nước đá từ -10°C → 0°C (thu nhiệt, không đổi trạng thái)
2. Nước đá tan ở 0°C (thu nhiệt, đổi trạng thái)
3. Nước từ đá tan 0°C → t°C (thu nhiệt, không đổi trạng thái)

Nước nóng: 4. Nước từ 30°C → t°C (tỏa nhiệt)

Lời giải:

Giai đoạn 1: Nước đá -10°C → 0°C $$Q_1 = m_1c_1\Delta t_1 = 0.1 \times 2100 \times [0-(-10)]$$ $$Q_1 = 0.1 \times 2100 \times 10 = 2100 \text{ J}$$

Giai đoạn 2: Nước đá tan ở 0°C $$Q_2 = \lambda m_1 = 3.4 \times 10^5 \times 0.1 = 34,000 \text{ J}$$

Giai đoạn 3: Nước từ đá tan 0°C → t°C $$Q_3 = m_1c(t – 0) = 0.1 \times 4200 \times t = 420t$$

Giai đoạn 4: Nước nóng 30°C → t°C $$Q_4 = m_2c(t – 30) = 0.5 \times 4200 \times (t – 30) = 2100(t – 30)$$

Cân bằng nhiệt: $$Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4 = 0$$ $$2100 + 34000 + 420t + 2100(t – 30) = 0$$ $$2100 + 34000 + 420t + 2100t – 63000 = 0$$ $$2520t = 26900$$ $$t = \frac{26900}{2520} \approx 10.67°C$$

Kết luận: Nhiệt độ cuối của hỗn hợp là khoảng 10.67°C.

V. CÔNG THỨC NHIỆT LƯỢNG TRONG CÁC TRƯỜNG HỢP ĐẶC BIỆT

1. Nhiệt lượng do dòng điện tỏa ra (Định luật Jun-Lenxơ)

Định luật Jun-Lenxơ: Nhiệt lượng tỏa ra trên một dây dẫn khi có dòng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn và với thời gian dòng điện chạy qua.

📌 Công thức:

$$\boxed{Q = I^2Rt}$$

Các biến thể:

$$Q = \frac{U^2}{R}t = UIt = Pt$$

Trong đó:

• Q: Nhiệt lượng (J)
• I: Cường độ dòng điện (A – ampe)
• R: Điện trở (Ω – ôm)
• t: Thời gian (s – giây)
• U: Hiệu điện thế (V – vôn)
• P: Công suất (W – oát)

Lựa chọn công thức:

• Biết I và R → dùng $Q = I^2Rt$
• Biết U và R → dùng $Q = \frac{U^2}{R}t$
• Biết U và I → dùng $Q = UIt$
• Biết P → dùng $Q = Pt$

Ứng dụng thực tế:

• Bếp điện, bếp từ
• Ấm đun nước điện
• Bàn là điện
• Máy sưởi điện
• Đèn sợi đốt

Ví dụ: Một ấm đun nước có ghi 220V – 1000W hoạt động trong 5 phút. Tính nhiệt lượng tỏa ra.

Lời giải:

• Công suất: P = 1000 W
• Thời gian: t = 5 phút = 5 × 60 = 300 s

Áp dụng công thức: $$Q = Pt = 1000 \times 300 = 300,000 \text{ J} = 300 \text{ kJ}$$

Kết luận: Ấm điện tỏa ra 300 kJ nhiệt lượng.

2. Nhiệt lượng do ma sát sinh ra

Công thức:

$$\boxed{Q = F_{ms} \cdot s = \mu N \cdot s}$$

Trong đó:

• Q: Nhiệt lượng (J)
• $F_{ms}$: Lực ma sát (N)
• s: Quãng đường (m)
• μ (mu): Hệ số ma sát
• N: Phản lực (N)

Trường hợp đặc biệt: Vật trượt trên mặt phẳng ngang $$Q = \mu mgs$$

Trong đó:

• m: khối lượng (kg)
• g: gia tốc trọng trường (g ≈ 10 m/s²)

Ví dụ: Một vật khối lượng 2 kg trượt trên sàn nhà với hệ số ma sát μ = 0.2, quãng đường 5 m. Tính nhiệt lượng sinh ra do ma sát.

Lời giải: $$Q = \mu mgs = 0.2 \times 2 \times 10 \times 5 = 20 \text{ J}$$

Ứng dụng:

• Giải thích tại sao ma sát sinh nhiệt
• Cọ xát tay để làm ấm
• Phanh xe (ma sát làm nóng đĩa phanh)

3. Nhiệt độ sôi phụ thuộc áp suất

Quy luật: Nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc vào áp suất bên ngoài:

• Áp suất tăng → nhiệt độ sôi tăng
• Áp suất giảm → nhiệt độ sôi giảm

Ứng dụng thực tế:

Nồi áp suất:

• Áp suất trong nồi cao hơn áp suất khí quyển
• Nước sôi ở nhiệt độ cao hơn 100°C (khoảng 120-130°C)
• Nấu chín thức ăn nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng

Trên núi cao:

• Áp suất khí quyển thấp hơn
• Nước sôi ở nhiệt độ thấp hơn 100°C
• Ví dụ: Trên đỉnh Everest (8848m), nước sôi ở khoảng 70°C

Bảng nhiệt độ sôi của nước theo độ cao:

VI. BẢNG CÔNG THỨC TỔNG HỢP

A. Công thức cơ bản

B. Cân bằng nhiệt

C. Nhiệt điện

D. Hằng số quan trọng cần nhớ

VII. MẸO VÀ LƯU Ý

1. Mẹo nhớ công thức

Công thức trung tâm – QUAN TRỌNG NHẤT:

$$\boxed{Q = mc\Delta t = mc(t_2 – t_1)}$$

Cách nhớ: “Nhiệt lượng = khối lượng × nhiệt dung riêng × độ biến thiên nhiệt độ”

Viết tắt: Q = m·c·Δt

Đổi trạng thái:

Nóng chảy: $Q = \lambda m$ (lambda)

• Nhớ: λ giống chữ “L” → Làm tan
• Có chữ “m” (khối lượng) và λ (nhiệt nóng chảy riêng)

Hóa hơi: $Q = Lm$

• Nhớ: L viết hoa → Lớn hơn λ (vì L > λ)
• Hóa hơi cần nhiều năng lượng hơn nóng chảy

Cân bằng nhiệt:

“Nhiệt thu = Nhiệt tỏa”

$$Q_{thu} = |Q_{tỏa}|$$

Hoặc tổng đại số: $$\sum Q = 0$$

Cách nhớ: Trong hệ cô lập, năng lượng được bảo toàn

2. Các sai lầm thường gặp

❌ SAI LẦM 1: Quên đổi đơn vị

Sai:

• m = 500 g, c = 4200 J/kg.K → tính trực tiếp ❌

Đúng:

• Đổi: m = 500 g = 0.5 kg ✓
• Hoặc: c = 4.2 J/g.K ✓
• Đơn vị phải tương ứng với nhau!

Bảng đổi nhanh:

• 1 kg = 1000 g
• 1 lít nước = 1 kg nước
• 1 cal = 4.186 J ≈ 4.2 J
• 1 kcal = 4186 J ≈ 4200 J

❌ SAI LẦM 2: Nhầm công thức $\Delta t$

Sai:

• $\Delta t = t_1 – t_2$ ❌

Đúng:

• $\Delta t = t_2 – t_1$ ✓ (luôn lấy cuối trừ đầu)

Cách nhớ: “Delta t = t cuối – t đầu”

❌ SAI LẦM 3: Quên dấu âm khi tỏa nhiệt

Sai:

• Nước nguội từ 80°C xuống 30°C
• $Q = mc(30 – 80) = … $ (không chú ý dấu) ❌

Đúng:

• $Q = mc(30 – 80) = mc(-50) < 0$ ✓
• Q âm → tỏa nhiệt ✓

❌ SAI LẦM 4: Nhầm c, λ, L với nhau

Phân biệt:

Cách nhớ:

• c trong “change temperature” (đổi nhiệt độ)
• λ trong “làm tan”
• L trong “Large” (lớn nhất)

❌ SAI LẦM 5: Bỏ qua giai đoạn đổi trạng thái

Ví dụ sai: Đun nước đá -10°C thành hơi nước 100°C, chỉ tính: $$Q = mc\Delta t = mc(100 – (-10))$$ ❌

Đúng: Phải tính qua 5 giai đoạn:

1. Nước đá -10°C → 0°C: $Q_1 = mc_{đá} \times 10$
2. Nước đá tan: $Q_2 = \lambda m$
3. Nước 0°C → 100°C: $Q_3 = mc_{nước} \times 100$
4. Nước hóa hơi: $Q_4 = Lm$
5. Hơi nước 100°C → 100°C: (không cần, đã ở 100°C)

Tổng: $Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4$ ✓

3. Đổi đơn vị nhanh

A. Khối lượng

Ví dụ:

• 500 g = 0.5 kg
• 2.5 kg = 2500 g
• 3 lít nước = 3 kg

B. Nhiệt lượng

Ví dụ:

• 100 cal ≈ 420 J
• 5000 J ≈ 1190 cal
• 2 kcal ≈ 8400 J
• 10 kJ = 10,000 J

C. Nhiệt độ

Kelvin và Celsius:

• Công thức: $T(K) = t(°C) + 273$
• Lưu ý quan trọng: Khi tính $\Delta t$ (độ biến thiên):
  • 1°C = 1 K (về độ biến thiên)
  • Ví dụ: $\Delta t = 50°C = 50 K$

Ví dụ:

• 25°C = 298 K
• 0°C = 273 K
• 100°C = 373 K

Trong bài toán:

• Tính $\Delta t$: Có thể dùng °C hoặc K đều được
• Vì $\Delta t = (t_2 – t_1)$ có cùng giá trị ở cả hai thang đo

VIII. BÀI TẬP MẪU

Dạng 1: Tính nhiệt lượng thu vào

Đề bài: Tính nhiệt lượng cần thiết để đun nóng 3 lít nước từ 25°C lên 80°C. Cho biết nhiệt dung riêng của nước là 4200 J/kg.K.

Lời giải:

Xác định dữ liệu:

• Thể tích nước: V = 3 lít
• Khối lượng: m = 3 lít = 3 kg (1 lít nước = 1 kg)
• Nhiệt độ ban đầu: $t_1 = 25°C$
• Nhiệt độ cuối: $t_2 = 80°C$
• Nhiệt dung riêng: c = 4200 J/kg.K

Áp dụng công thức: $$Q = mc\Delta t = mc(t_2 – t_1)$$

Thay số: $$Q = 3 \times 4200 \times (80 – 25)$$ $$Q = 3 \times 4200 \times 55$$ $$Q = 12600 \times 55$$ $$Q = 693,000 \text{ J} = 693 \text{ kJ}$$

Kết luận: Cần cung cấp 693 kJ nhiệt lượng để đun 3 lít nước từ 25°C lên 80°C.

Dạng 2: Tính nhiệt lượng tỏa ra

Đề bài: Một miếng sắt khối lượng 2 kg được nung nóng đến 500°C rồi để nguội xuống 100°C. Tính nhiệt lượng mà miếng sắt đã tỏa ra. Cho biết nhiệt dung riêng của sắt là 460 J/kg.K.

Lời giải:

Xác định dữ liệu:

• Khối lượng: m = 2 kg
• Nhiệt độ ban đầu: $t_1 = 500°C$
• Nhiệt độ cuối: $t_2 = 100°C$
• Nhiệt dung riêng của sắt: c = 460 J/kg.K

Áp dụng công thức: $$Q = mc(t_2 – t_1)$$

Thay số: $$Q = 2 \times 460 \times (100 – 500)$$ $$Q = 920 \times (-400)$$ $$Q = -368,000 \text{ J} = -368 \text{ kJ}$$

Giải thích: Q < 0 chứng tỏ sắt tỏa nhiệt ra môi trường.

Nhiệt lượng tỏa ra: $|Q| = 368$ kJ

Kết luận: Miếng sắt đã tỏa ra 368 kJ nhiệt lượng.

Dạng 3: Cân bằng nhiệt

Đề bài: Trộn 2 kg nước ở 15°C với 3 kg nước ở 70°C. Tính nhiệt độ của hỗn hợp khi có cân bằng nhiệt. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trường. Cho c = 4200 J/kg.K.

Lời giải:

Xác định:

• Nước lạnh: $m_1 = 2$ kg, $t_1 = 15°C$ (thu nhiệt)
• Nước nóng: $m_2 = 3$ kg, $t_2 = 70°C$ (tỏa nhiệt)
• Nhiệt độ cân bằng: t (°C)

Viết biểu thức nhiệt lượng:

Nước lạnh thu nhiệt: $$Q_1 = m_1c(t – t_1) = 2 \times 4200 \times (t – 15)$$

Nước nóng tỏa nhiệt: $$Q_2 = m_2c(t – t_2) = 3 \times 4200 \times (t – 70)$$

Phương trình cân bằng nhiệt: $$Q_1 + Q_2 = 0$$ $$2 \times 4200(t – 15) + 3 \times 4200(t – 70) = 0$$

Rút gọn (chia cả hai vế cho 4200): $$2(t – 15) + 3(t – 70) = 0$$ $$2t – 30 + 3t – 210 = 0$$ $$5t = 240$$ $$t = 48°C$$

Kiểm tra: $15°C < 48°C < 70°C$ ✓

Kết luận: Nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp là 48°C.

Dạng 4: Nóng chảy

Đề bài: Tính nhiệt lượng cần thiết để làm tan hoàn toàn 2 kg nước đá ở 0°C thành nước ở 0°C. Cho biết nhiệt nóng chảy riêng của nước đá là $\lambda = 3.4 \times 10^5$ J/kg.

Lời giải:

Xác định:

• Khối lượng nước đá: m = 2 kg
• Nhiệt nóng chảy riêng: $\lambda = 3.4 \times 10^5$ J/kg
• Quá trình: Nước đá 0°C → Nước 0°C (chỉ đổi trạng thái)

Áp dụng công thức: $$Q = \lambda m$$

Thay số: $$Q = 3.4 \times 10^5 \times 2$$ $$Q = 6.8 \times 10^5 \text{ J} = 680,000 \text{ J} = 680 \text{ kJ}$$

Kết luận: Cần 680 kJ nhiệt lượng để làm tan hoàn toàn 2 kg nước đá ở 0°C.

Dạng 5: Tổng hợp (đun nước đá thành hơi)

Đề bài: Tính nhiệt lượng cần thiết để biến 1 kg nước đá ở -20°C thành hơi nước ở 100°C. Cho biết:

• Nhiệt dung riêng của nước đá: $c_1 = 2100$ J/kg.K
• Nhiệt dung riêng của nước: $c = 4200$ J/kg.K
• Nhiệt nóng chảy riêng: $\lambda = 3.4 \times 10^5$ J/kg
• Nhiệt hóa hơi riêng: $L = 2.3 \times 10^6$ J/kg

Lời giải:

Quá trình gồm 4 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Nước đá -20°C → 0°C (không đổi trạng thái) $$Q_1 = mc_1\Delta t_1 = 1 \times 2100 \times [0 – (-20)]$$ $$Q_1 = 2100 \times 20 = 42,000 \text{ J}$$

Giai đoạn 2: Nước đá tan ở 0°C (đổi trạng thái) $$Q_2 = \lambda m = 3.4 \times 10^5 \times 1 = 340,000 \text{ J}$$

Giai đoạn 3: Nước 0°C → 100°C (không đổi trạng thái) $$Q_3 = mc\Delta t_2 = 1 \times 4200 \times (100 – 0)$$ $$Q_3 = 4200 \times 100 = 420,000 \text{ J}$$

Giai đoạn 4: Nước hóa hơi ở 100°C (đổi trạng thái) $$Q_4 = Lm = 2.3 \times 10^6 \times 1 = 2,300,000 \text{ J}$$

Tổng nhiệt lượng: $$Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4$$ $$Q = 42,000 + 340,000 + 420,000 + 2,300,000$$ $$Q = 3,102,000 \text{ J} = 3102 \text{ kJ} \approx 3.1 \text{ MJ}$$

Kết luận: Cần 3102 kJ (hay 3.1 MJ) để biến 1 kg nước đá ở -20°C thành hơi nước ở 100°C.

Nhận xét: Giai đoạn hóa hơi chiếm phần lớn nhiệt lượng (khoảng 74%).

Dạng 6: Nhiệt điện

Đề bài: Một ấm đun nước điện có ghi 220V – 1000W được sử dụng để đun nước trong 5 phút. Tính nhiệt lượng mà ấm điện tỏa ra. Giả sử hiệu suất là 100%.

Lời giải:

Xác định:

• Hiệu điện thế định mức: U = 220 V
• Công suất định mức: P = 1000 W = 1 kW
• Thời gian hoạt động: t = 5 phút = 5 × 60 = 300 s

Áp dụng công thức: $$Q = Pt$$

Thay số: $$Q = 1000 \times 300 = 300,000 \text{ J} = 300 \text{ kJ}$$

Hoặc tính bằng kWh:

• t = 5 phút = $\frac{5}{60}$ giờ = $\frac{1}{12}$ giờ
• $Q = 1 \times \frac{1}{12} = \frac{1}{12}$ kWh ≈ 0.083 kWh

Kết luận: Ấm điện tỏa ra 300 kJ nhiệt lượng trong 5 phút hoạt động.

IX. KẾT LUẬN

Bài viết đã trình bày đầy đủ và chi tiết các công thức tính nhiệt lượng trong chương trình Vật lý THCS và THPT:

Công thức cơ bản (QUAN TRỌNG NHẤT): $$\boxed{Q = mc\Delta t = mc(t_2 – t_1)}$$ Dùng khi vật thay đổi nhiệt độ nhưng không đổi trạng thái

Công thức nóng chảy: $$\boxed{Q = \lambda m}$$ Dùng khi chất rắn chuyển sang lỏng (hoặc ngược lại)

Công thức hóa hơi: $$\boxed{Q = Lm}$$ Dùng khi chất lỏng chuyển sang khí (hoặc ngược lại)

Phương trình cân bằng nhiệt: $$\boxed{Q_{thu} = |Q_{tỏa}|}$$ Hoặc: $\sum Q_i = 0$

Nhiệt lượng do dòng điện: $$\boxed{Q = I^2Rt = \frac{U^2}{R}t = UIt = Pt}$$

Công thức QUAN TRỌNG NHẤT phải nhớ

$$\boxed{Q = mc\Delta t = mc(t_2 – t_1)}$$

Trong đó:

• Q: nhiệt lượng (J)
• m: khối lượng (kg)
• c: nhiệt dung riêng (J/kg.K)
• $\Delta t = t_2 – t_1$: độ biến thiên nhiệt độ

Giá trị cần nhớ: $c_{nước} = 4200$ J/kg.K (quan trọng nhất!)

Quy tắc dấu

Thu nhiệt (vật nóng lên):

• $\Delta t = t_2 – t_1 > 0$ (nhiệt độ cuối > nhiệt độ đầu)
• $Q > 0$ (dương)

Tỏa nhiệt (vật nguội đi):

• $\Delta t = t_2 – t_1 < 0$ (nhiệt độ cuối < nhiệt độ đầu)
• $Q < 0$ (âm)

Cô Trần Thị Bình

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Tổ trưởng chuyên môn Tổ Lý – Hóa – Sinh tại Edus

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Hoá Học, Bằng Thạc sĩ, Chức danh nghề nghiệp Giáo viên THPT – Hạng II, Tin học ứng dụng cơ bản, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 12+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Gia Định