Đang tải bài học…

AP Chemistry

nhiệt lượng

heat

Còn gọi: q · quantity of heat · lượng nhiệt

Nhiệt lượng là phần năng lượng truyền giữa hệ và môi trường do chênh lệch nhiệt độ.

Nhiệt lượng là đại lượng đo phần năng lượng mà hệ trao đổi với môi trường xung quanh khi có sự chênh lệch nhiệt độ. Khác với nội năng — vốn là trạng thái của hệ — nhiệt lượng không "chứa" trong vật chất mà chỉ xuất hiện trong quá trình truyền năng lượng. Vì vậy, ta nói hệ không "có" một lượng nhiệt xác định, mà chỉ nhận hoặc mất nhiệt trong một biến đổi. Khi hai vật đặt tiếp xúc nhau, năng lượng sẽ tự động truyền từ vật nóng sang vật lạnh cho đến khi cả hai đạt cùng nhiệt độ, tức trạng thái cân bằng nhiệt (thermal equilibrium).

Trong nhiệt động lực học, quy ước dấu của nhiệt lượng phản ánh chiều truyền năng lượng. Nếu hệ hấp thụ năng lượng từ môi trường, quá trình đó được gọi là thu nhiệt (endothermic process) và $q$ mang giá trị dương. Ngược lại, khi hệ giải phóng năng lượng ra môi trường, quá trình đó là tỏa nhiệt (exothermic process) và $q$ mang giá trị âm. Nhờ đó, dấu của $q$ cho biết chiều của dòng năng lượng mà không cần mô tả thêm.

Trong thực nghiệm, nhiệt lượng thường được xác định qua sự thay đổi nhiệt độ của vật. Công thức $q = mc\Delta T$ liên hệ nhiệt lượng $q$ với khối lượng $m$ , nhiệt dung riêng (specific heat capacity) $c$ , và độ biến thiên nhiệt độ $\Delta T$ . Nhờ công thức này, ta có thể tính được nhiệt lượng trao đổi khi biết các đại lượng còn lại, đồng thời hiểu rằng cùng một lượng nhiệt truyền vào hai vật khác nhau sẽ gây ra mức tăng nhiệt độ khác nhau tùy thuộc vào bản chất và khối lượng của mỗi vật.

Ký hiệu

q

Đơn vịJoule (J)

Trực giác: Hãy hình dung nhiệt lượng như dòng nước chảy từ bình cao xuống bình thấp — nước chỉ di chuyển vì chênh lệch mực nước, cũng như nhiệt chỉ truyền khi có chênh lệch nhiệt độ.

Công thức

q=\htmlClass{fp-3}{\htmlClass{fp-0}{m}\,\htmlClass{fp-1}{c}\,\htmlClass{fp-2}{(T_f-T_i)}}

Dùng cho bài nhiệt lượng kế (calorimetry) khi chất chỉ đổi nhiệt độ mà không đổi trạng thái; nếu có nóng chảy hay bay hơi thì phải tính riêng phần nhiệt chuyển pha.

Trong đó

q

nhiệt lượng hệ thu vào (dương) hoặc tỏa ra (âm) — J

m

khối lượng mẫu — g

c

nhiệt dung riêng (specific heat capacity), với nước lỏng là

4{,}18

— J·g⁻¹·°C⁻¹

T_f

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1761Joseph BlackJohann WilckeRudolf ClausiusJames Clerk Maxwell

Nhiệt lượng được định lượng lần đầu qua phép đo nhiệt lượng của Joseph Black ở thế kỷ 18, rồi được Rudolf Clausius (1850) và James Clerk Maxwell (1871) đưa vào khuôn khổ nhiệt động lực học hiện đại.

Hay hiểu sai

Trên đoạn nằm ngang của đường cong gia nhiệt (heating curve), không được dùng $q=mc\Delta T$ .

Nhiệt lượng không phải nhiệt độ, và cũng không phải thứ vật chứa sẵn.

Nhiệt lượng luôn truyền từ nơi nóng hơn sang nơi lạnh hơn, không bao giờ ngược lại.

Đun nóng khí không làm mọi hạt chạy nhanh bằng nhau.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một mẫu nước lỏng khối lượng 50,0 g đang ở 80,0 °C được đun trong bình kín hở nắp cho đến khi toàn bộ mẫu chuyển hết thành hơi ở 100,0 °C dưới áp suất 1 atm. Cho nhiệt dung riêng (specific heat capacity) của nước lỏng là 4,18 J·g⁻¹·°C⁻¹, enthalpy bay hơi (enthalpy of vaporization) của nước là 40,7 kJ·mol⁻¹, và khối lượng mol của nước là 18,02 g·mol⁻¹. Toàn bộ quá trình được biểu diễn trên đường cong đun nóng (heating curve) gồm một đoạn dốc lên rồi một đoạn nằm ngang.

aVới đoạn nằm ngang tại 100,0 °C, phải dùng công thức nào để tính nhiệt lượng, và vì sao không dùng được công thức của đoạn dốc?
bTính tổng nhiệt lượng mà mẫu nước hấp thụ trong cả quá trình.
cGiải thích ở cấp độ hạt vì sao hai đoạn của đường cong lại đòi hỏi hai lượng nhiệt chênh nhau nhiều đến vậy.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyNhiệt động lực học · bài “Quá trình thu nhiệt và tỏa nhiệt” — khoá AP Chemistry

Dẫn tớiđịnh luật thứ nhất của nhiệt động lực học (sắp có)phép đo nhiệt lượng

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

nhiệt độ (temperature)temperature

Khác nhau ở đâuNhiệt lượng là năng lượng truyền giữa hệ và môi trường do chênh lệch nhiệt độ, đo bằng joule. Nhiệt độ đo động năng trung bình của các phân tử, đo bằng kelvin hoặc độ Celsius.

Hay nhầm khiĐề cho biết nhiệt độ thay đổi rồi hỏi nhiệt lượng trao đổi; học sinh hay nhầm nhiệt độ cao nghĩa là nhiệt lượng lớn mà quên mất còn phụ thuộc khối lượng và nhiệt dung riêng.

nhiệt năng (thermal energy)thermal energy

Khác nhau ở đâuNhiệt lượng là phần năng lượng đang truyền qua ranh giới hệ, không phải thứ hệ sở hữu. Nhiệt năng là tổng động năng phân tử bên trong hệ, là một phần của nội năng.

Hay nhầm khiKhi đề nói 'hệ nhận nhiệt', học sinh dễ ghi nhiệt năng thay vì nhiệt lượng; thực ra hệ nhận nhiệt lượng còn nhiệt năng tăng lên chỉ là hệ quả của việc nhận đó.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 14, 16, 19.

nhiệt độ cuối

T_i

nhiệt độ đầu — °C

\Delta E=q+w

Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học (first law of thermodynamics): nội năng của hệ chỉ đổi theo hai đường là trao đổi nhiệt lượng và trao đổi công. Dùng khi đề cho một trong ba đại lượng và hỏi đại lượng còn lại.

Trong đó

\Delta E

độ biến thiên nội năng (internal energy) của hệ — J

q

nhiệt lượng hệ nhận từ môi trường — J

w

công môi trường thực hiện lên hệ — J

q_{\text{system}}=-q_{\text{surroundings}}

Áp dụng cho nhiệt lượng kế cô lập: năng lượng vật nóng mất đi đúng bằng năng lượng nước và dụng cụ nhận được, chỉ khác dấu. Đây là bước lập phương trình quen thuộc khi trộn hai vật ở hai nhiệt độ khác nhau.

Trong đó

q_{\text{system}}

nhiệt lượng phần hệ đang xét trao đổi — J

q_{\text{surroundings}}

nhiệt lượng môi trường xung quanh trao đổi — J

Giữa thế kỷ 18, Joseph Black cân đo xem mỗi chất cần bao nhiêu nhiệt để nóng lên, và ông phát hiện năm 1761 rằng nước đá đang tan vẫn nuốt nhiệt mà nhiệt độ không hề nhích lên. Từ đó nảy ra sự phân biệt giữa phần nhiệt làm đổi nhiệt độ và phần nhiệt "ẩn" đi trong chuyển pha. Black không công bố, nhưng học trò ông truyền bá lại, và đến năm 1780 Magellan mới đặt ra tên gọi cho khái niệm nhiệt dung riêng. Sang thế kỷ 19, Clausius rồi Maxwell biến đại lượng này thành thứ đo được và tính toán được bằng toán học.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi "nhiệt lượng" mang chữ "lượng" là có lý do lịch sử, chứ không phải thêm cho dài. Năm 1850, Clausius đưa vào ký hiệu $Q$ và gọi nó bằng từ ghép tiếng Đức Wärmemenge, dịch sang tiếng Anh là "amount of heat" — tức là một lượng nhiệt được truyền, chứ không phải cái nóng nói chung. Cách gọi này chốt lại điều mà Maxwell nêu rõ trong cuốn Theory of Heat (1871): nhiệt là thứ truyền từ vật này sang vật khác, đo được và xử lý được bằng toán học, nhưng không phải một chất liệu vật chất. Cũng vì mạch tư duy đo đếm ấy mà tên các khái niệm phái sinh đều gắn với phép cân đong: nhiệt lượng kế (calorimetry) là dụng cụ đong nhiệt, còn nhiệt ẩn (latent heat) mang chữ "ẩn" vì phần nhiệt đó biến mất khỏi nhiệt kế trong lúc chất đang nóng chảy hay sôi. Đến năm 1909, Carathéodory dựng lại định nghĩa nhiệt trên nền toán học chặt chẽ hơn, nhưng cái tên đã định hình từ trước đó.

Mẹo phòng thi

Trước khi chọn công thức, hãy xác định đang ở đoạn nghiêng hay đoạn nằm ngang.

Câu tự luận về chiều truyền nhiệt phải nêu được vật nào nóng hơn.

Kiểm tra dấu của $q$ theo hệ quy chiếu là hệ, không phải môi trường.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Trả lời ý (a). Đoạn nằm ngang ứng với chuyển pha, nghĩa là nhiệt độ không đổi nên

\Delta T = 0

; nếu áp dụng

q = mc\Delta T

thì kết quả sẽ bằng 0, điều này vô lý vì bình vẫn đang nhận nhiệt liên tục. Do đó đoạn plateau phải dùng

q = n\Delta H_{vap}

, tức nhiệt lượng tỉ lệ với số mol chất chuyển pha chứ không tỉ lệ với độ tăng nhiệt độ. Công thức

q = mc\Delta T

chỉ đúng cho các đoạn dốc, nơi chất giữ nguyên trạng thái và nhiệt độ thực sự thay đổi.

2Bước 2: Tính nhiệt lượng của đoạn dốc, từ 80,0 °C lên 100,0 °C:

q_1 = mc\Delta T = (50{,}0)(4{,}18)(20{,}0) = 4180

= 4{,}18

kJ. Đây là phần năng lượng chỉ dùng để nâng nhiệt độ của nước lỏng, chưa có giọt nào hóa hơi.

3Bước 3: Đổi khối lượng sang số mol để dùng cho đoạn plateau:

n = \dfrac{50{,}0}{18{,}02} = 2{,}775

mol. Sau đó

q_2 = n\Delta H_{vap} = (2{,}775)(40{,}7) = 112{,}9

kJ. Toàn bộ lượng nhiệt này được truyền vào mẫu ở đúng 100,0 °C mà nhiệt kế không hề nhích lên.

4Bước 4: Cộng hai chặng:

q_{total} = 4{,}18 + 112{,}9 = 117{,}1 \approx 117

kJ. Lưu ý phải quy

q_1

về kJ trước khi cộng, vì trộn lẫn J với kJ là lỗi bị trừ điểm nhiều nhất ở dạng bài này.

5Bước 5: Trả lời ý (c). Ở đoạn dốc, nhiệt lượng chỉ làm các phân tử nước chuyển động nhanh hơn nên động năng trung bình tăng và nhiệt độ tăng theo, trong khi mạng lưới liên kết hydrogen giữa chúng về cơ bản vẫn còn nguyên. Ngược lại, ở đoạn plateau, toàn bộ năng lượng nhận vào được dùng để phá gần như hoàn toàn các tương tác hút giữa các phân tử, tách chúng ra xa nhau ở thể hơi; vì lực hút này khá mạnh nên phải tốn tới

112{,}9

kJ, gấp khoảng 27 lần chặng đầu. Vì vậy tốc độ trung bình của phân tử không đổi trong suốt quá trình sôi, và nhiệt độ đứng yên đúng như đồ thị mô tả.

Đoạn nằm ngang phải dùng $q = n\Delta H_{vap}$ vì $\Delta T = 0$ ở chuyển pha, còn đoạn dốc dùng $q = mc\Delta T$ . Tổng nhiệt lượng mẫu nước hấp thụ là $4{,}18 + 112{,}9 \approx 117$ kJ, trong đó hơn 96% được dùng để phá lực hút giữa các phân tử khi nước hóa hơi chứ không phải để làm nóng nước lỏng.

2Ví dụ 2/2

Một quảng cáo về túi sưởi tay dùng một lần viết: "Túi sưởi hoạt động nhờ một phản ứng hóa học rút nhiệt tự nhiên của cơ thể ra, tạo cảm giác ấm." Trong phòng thí nghiệm, khi bóc túi ra thì nhiệt độ bên trong túi tăng từ 25 °C lên khoảng 55 °C và giữ ở mức đó trong nhiều giờ. Ở một thí nghiệm khác, một bình kín chứa khí lý tưởng ban đầu ở 27 °C được đun nóng đến 127 °C.

aTuyên bố trong quảng cáo đúng hay sai? Nêu lập luận khoa học đúng cho hiện tượng ấm lên.
bMô tả sự thay đổi của tốc độ các hạt khí trong bình kín và tính tỉ số tốc độ trung bình sau so với trước khi đun.

1Bước 1: Trả lời ý (a). Nhiệt lượng là năng lượng được truyền do chênh lệch nhiệt độ, và chiều truyền luôn đi từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn. Vì túi đạt tới 55 °C trong khi da tay chỉ khoảng 33 °C, túi mới là vật nóng hơn, nên năng lượng chảy từ túi sang tay chứ không thể theo chiều ngược lại.

2Bước 2: Do đó tuyên bố của quảng cáo là sai. Túi ấm lên vì bên trong xảy ra một quá trình tỏa nhiệt (exothermic), chẳng hạn sắt bị oxi hóa trong không khí ẩm, làm

\Delta H < 0

và giải phóng năng lượng ra môi trường xung quanh. Nói cách khác, hệ nhường nhiệt cho tay chứ không "rút nhiệt của cơ thể"; nếu túi thật sự thu nhiệt từ tay thì nhiệt độ túi phải thấp hơn nhiệt độ da và ta sẽ cảm thấy lạnh.

3Bước 3: Sang ý (b). Nhiệt độ tuyệt đối tỉ lệ thuận với động năng trung bình của các hạt, nên khi bình được đun từ

T_1 = 27 + 273 = 300

K lên

T_2 = 127 + 273 = 400

K, các hạt chuyển động nhanh hơn. Trên sơ đồ, các mũi tên trung bình phải dài hơn, đồng thời độ dài của chúng vẫn trải rộng chứ không bằng nhau, vì phân bố tốc độ luôn có hạt nhanh và hạt chậm. Số hạt trong bình kín không đổi.

4Bước 4: Tính định lượng bằng tốc độ căn quân phương (root-mean-square speed), với

u_{rms} \propto \sqrt{T}

khi khối lượng mol giữ nguyên:

\frac{u_2}{u_1} = \sqrt{\frac{400}{300}} = \sqrt{1{,}333} = 1{,}15.

Kết quả này cho biết tốc độ trung bình chỉ tăng khoảng 15%, chứ không tăng gấp bốn lần dù nhiệt độ Celsius tăng gần năm lần — một cái bẫy quen thuộc của đề khi thí sinh quên đổi sang kelvin.

Quảng cáo sai: nhiệt luôn truyền từ nơi nóng hơn sang nơi lạnh hơn, nên túi ở 55 °C truyền năng lượng sang da ở khoảng 33 °C nhờ một phản ứng tỏa nhiệt bên trong túi, chứ không hề rút nhiệt của cơ thể. Với bình khí, việc nhận nhiệt làm động năng trung bình tăng nên mũi tên biểu diễn tốc độ dài hơn và vẫn phân tán, với tốc độ trung bình tăng theo hệ số $\sqrt{400/300} \approx 1{,}15$ .

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.