Đang tải bài học…

AP Chemistry

nhiệt năng

thermal energy

Còn gọi: năng lượng nhiệt · nhiệt · sự truyền nhiệt · thermal energy transfer

Nhiệt năng là năng lượng gắn liền với chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật chất.

Nhiệt năng là dạng năng lượng bắt nguồn từ chuyển động tịnh tiến, quay và dao động không ngừng của các phân tử hoặc nguyên tử bên trong một hệ. Khi nhiệt độ của hệ tăng lên, các hạt vi mô này di chuyển nhanh hơn, kéo theo động năng trung bình của chúng tăng lên và do đó nhiệt năng của hệ cũng tăng theo. Vì vậy, đại lượng này chính là biểu hiện vĩ mô của tổng động năng vi mô đang được tích lũy trong vật chất.

Trong các phản ứng hóa học, sự chuyển hóa giữa hóa năng và nhiệt năng đóng vai trò then chốt. Khi nhiên liệu cháy, các liên kết cũ bị bẻ gãy và liên kết mới hình thành, giải phóng hóa năng dự trữ thành nhiệt năng làm nóng môi trường bên ngoài (surroundings). Ngược lại, trong một quá trình thu nhiệt, hệ lại hấp thụ năng lượng từ bên ngoài để phá vỡ các liên kết bền vững. Nhờ đó, việc theo dõi sự thay đổi nhiệt năng giúp ích rất nhiều khi tính toán entanpi (enthalpy) của phản ứng.

Để định lượng sự trao đổi năng lượng dưới dạng nhiệt, người ta thường dùng công thức $q = mc\Delta T$ . Trong biểu thức này, $q$ đại diện cho nhiệt lượng, $m$ là khối lượng của chất, $c$ là nhiệt dung riêng (specific heat capacity), và $\Delta T$ là độ biến thiên nhiệt độ. Thông qua công thức trên, học sinh có thể tính toán chính xác lượng nhiệt mà một vật thu vào hoặc tỏa ra trong bất kỳ quá trình biến đổi nào.

Ký hiệu

q

m

c

\Delta T

Đơn vịJun (J) hoặc calo (cal)

Trực giác: Hãy tưởng tượng nhiệt năng như một đám đông người đang nhảy múa; khi nhạc càng sôi động, họ càng di chuyển nhanh và hăng say hơn.

Công thức

q = \htmlClass{fp-1}{\htmlClass{fp-0}{mc}\Delta T}

Dùng khi tính nhiệt lượng làm thay đổi nhiệt độ một chất mà không có chuyển pha; áp dụng cho cả quá trình thu nhiệt ( $\Delta T > 0$ ) và tỏa nhiệt ( $\Delta T < 0$ ).

Trong đó

q

nhiệt lượng thu vào hay tỏa ra —

\text{J}

m

khối lượng chất —

\text{g}

c

nhiệt dung riêng —

\text{J/(g} \cdot \text{°C)}

\Delta T

độ biến thiên nhiệt độ (

T_{\text{final}} - T_{\text{initial}}

) —

\text{°C}

Khái niệm này sinh ra từ đâu

thế kỷ 19 (ý niệm về nhiệt đã có từ thời cổ đại, khoảng 500 TCN)James Prescott JouleJoseph Black

Ý niệm về nhiệt có gốc rễ từ thời cổ đại, nhưng cách hiểu hiện đại về nhiệt năng thường được gắn với James Prescott Joule, nhà vật lý kiêm nhà toán học và chủ xưởng bia người Anh ở thế kỷ 19.

Trước khi có khái niệm rõ ràng, người ta lẫn lộn giữa "nóng bao nhiêu" và "chứa bao nhiêu nhiệt". Joseph Black là người tách bạch hai thứ đó khi nhận ra rằng thủy ngân và nước nhận cùng một lượng nhiệt nhưng nhiệt độ tăng khác nhau, từ đó ông viết rằng thủy ngân "có ít khả năng chứa vật chất của nhiệt hơn nước". Nhờ vậy mà đại lượng nhiệt dung riêng (specific heat capacity) ra đời, mỗi chất một giá trị. Sang thế kỷ 19, Joule đưa nhiệt vào cùng khuôn khổ với các dạng năng lượng khác, và nhiệt năng trở thành một khái niệm đo được chứ không còn là một chất bí ẩn.

Hay hiểu sai

Nhiệt năng không phải nhiệt độ.

Chất có nhiệt dung riêng lớn không phải chất nung nóng được khối lượng lớn nhất.

Trong nhiệt lượng kế, $m$ và $c$ là của dung dịch chứ không phải của chất tan.

Nhiệt độ dung dịch giảm nghĩa là quá trình thu nhiệt, dấu $\Delta H$ dương.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một lượng nhiệt năng đúng bằng

10\,000\text{ J}

được truyền vào bốn mẫu chất tinh khiết khác nhau, mỗi mẫu trong một thí nghiệm riêng biệt. Không có chất nào thay đổi trạng thái trong quá trình đun. Bảng dưới cho nhiệt dung riêng (specific heat capacity)

c

và độ tăng nhiệt độ

\Delta T

quan sát được ở mỗi thí nghiệm: thí nghiệm A dùng nước lỏng,

c = 4.18\ \mathrm{J\,g^{-1}\,^\circ C^{-1}}

\Delta T = 20.0\ ^\circ\mathrm{C}

; thí nghiệm B dùng ethanol lỏng,

c = 2.44\ \mathrm{J\,g^{-1}\,^\circ C^{-1}}

\Delta T = 20.0\ ^\circ\mathrm{C}

; thí nghiệm C dùng nhôm rắn,

c = 0.897\ \mathrm{J\,g^{-1}\,^\circ C^{-1}}

\Delta T = 50.0\ ^\circ\mathrm{C}

; thí nghiệm D dùng sắt rắn,

c = 0.449\ \mathrm{J\,g^{-1}\,^\circ C^{-1}}

\Delta T = 40.0\ ^\circ\mathrm{C}

aViết biểu thức liên hệ giữa khối lượng mẫu với nhiệt năng truyền vào, và giải thích khối lượng phụ thuộc vào $c$ và $\Delta T$ theo kiểu nào.
bTính khối lượng chất trong mỗi thí nghiệm và chỉ ra thí nghiệm nào có khối lượng chất lớn nhất.

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

Cần trướcnăng lượng

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

nhiệt lượng (heat)heat

Khác nhau ở đâuNhiệt năng là tổng động năng của các hạt trong một hệ tại một thời điểm, là đại lượng trạng thái. Nhiệt lượng là nhiệt năng được truyền từ hệ này sang hệ khác do chênh lệch nhiệt độ, là đại lượng quá trình.

Hay nhầm khiĐề hỏi 'hệ chứa bao nhiêu nhiệt' thay vì 'hệ nhận bao nhiêu nhiệt trong quá trình này'.

nhiệt độ (temperature)temperature

Khác nhau ở đâuNhiệt độ đo động năng trung bình của từng hạt, không phụ thuộc lượng chất. Nhiệt năng là tổng động năng của tất cả các hạt, phụ thuộc cả nhiệt độ lẫn số lượng hạt.

Hay nhầm khiĐề so sánh nhiệt năng của hai mẫu chất cùng nhiệt độ nhưng khác khối lượng.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 64, 143, 264.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi "thermal energy" ghép một tính từ chỉ nhiệt với từ "energy", và giống nhiều thuật ngữ khác trong ngành nhiệt học, nó được dựng lên từ các gốc Hy Lạp và La Tinh chứ không phải từ tiếng Anh thường ngày. Thói quen đặt tên này thể hiện rất rõ ở dụng cụ đo nhiệt: người đặt tên cho nhiệt lượng kế (calorimeter) từng thừa nhận rằng cái tên ấy "một phần lấy từ tiếng Hy Lạp, một phần lấy từ tiếng La Tinh" nên có thể bị phê phán, nhưng ông chấp nhận đi chệch từ nguyên đôi chút để ý tưởng được rõ ràng. Vì vậy, khi gặp các từ cùng họ trong đề thi — chẳng hạn cân bằng nhiệt (thermal equilibrium) — bạn có thể nhận ra chúng qua cùng một gốc chỉ "nóng".

Luôn viết ra $q = mc\Delta T$ trước khi thay số.

Hỏi "tại sao đậy nắp nhiệt lượng kế" thì phải nói tới trao đổi năng lượng với môi trường.

Với $\Delta T$ , giữ nguyên đơn vị độ C và luôn lấy nhiệt độ cuối trừ nhiệt độ đầu.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Khi một chất nhận nhiệt năng mà không đổi trạng thái, toàn bộ năng lượng đó làm tăng chuyển động nhiệt của các hạt, biểu hiện ra ngoài bằng nhiệt độ tăng. Quan hệ định lượng là

q = mc\Delta T

, trong đó

q

là nhiệt năng truyền vào (J),

m

là khối lượng (g),

c

là nhiệt dung riêng và

\Delta T

là độ biến thiên nhiệt độ. Vì đề cố định

q = 10\,000\text{ J}

cho cả bốn thí nghiệm, ta chuyển vế để cô lập khối lượng.

2Bước 2:

m = \frac{q}{c\,\Delta T}

Công thức này nói rằng với cùng một lượng nhiệt năng, khối lượng chất được đun tỉ lệ nghịch với tích

c\Delta T

. Do đó chất nào vừa có nhiệt dung riêng nhỏ (mỗi gam chỉ cần ít năng lượng để nóng lên

1\ ^\circ\mathrm{C}

) vừa được yêu cầu nóng lên ít, thì cùng

10\,000\text{ J}

sẽ đun được nhiều gam nhất. Ta chỉ cần so sánh mẫu số

c\Delta T

của bốn thí nghiệm.

3Bước 3: Thí nghiệm A:

c\Delta T = 4.18 \times 20.0 = 83.6\ \mathrm{J\,g^{-1}}

, nên

m = 10\,000/83.6 = 120\text{ g}

. Thí nghiệm B:

c\Delta T = 2.44 \times 20.0 = 48.8\ \mathrm{J\,g^{-1}}

, nên

m = 10\,000/48.8 = 205\text{ g}

4Bước 4: Thí nghiệm C:

c\Delta T = 0.897 \times 50.0 = 44.85\ \mathrm{J\,g^{-1}}

, nên

m = 10\,000/44.85 = 223\text{ g}

. Thí nghiệm D:

c\Delta T = 0.449 \times 40.0 = 17.96\ \mathrm{J\,g^{-1}}

, nên

m = 10\,000/17.96 = 557\text{ g}

. So sánh bốn giá trị:

557 > 223 > 205 > 120

Thí nghiệm D cho khối lượng lớn nhất, khoảng $5.6 \times 10^{2}\text{ g}$ sắt. Nguyên nhân là sắt có nhiệt dung riêng nhỏ nhất trong bốn chất và độ tăng nhiệt độ yêu cầu chỉ ở mức trung bình, nên tích $c\Delta T$ của nó nhỏ nhất; cùng một kho nhiệt năng $10\,000\text{ J}$ vì vậy đủ để làm nóng nhiều gam sắt hơn hẳn so với nước, ethanol hay nhôm.

2Ví dụ 2/2

Một học sinh hòa tan

5.00\text{ g}

\mathrm{NH_4NO_3}

rắn (

M = 80.05\ \mathrm{g\,mol^{-1}}

) vào

100.0\text{ g}

nước cất đựng trong một nhiệt lượng kế cốc xốp (calorimeter) có nắp và nhiệt kế. Nhiệt độ ban đầu của nước là

22.0\ ^\circ\mathrm{C}

; sau khi muối tan hết, nhiệt độ thấp nhất đo được là

18.5\ ^\circ\mathrm{C}

. Giả thiết dung dịch tạo thành có nhiệt dung riêng

4.18\ \mathrm{J\,g^{-1}\,^\circ C^{-1}}

, khối lượng dung dịch bằng tổng khối lượng chất tan và nước, còn cốc xốp hấp thụ nhiệt không đáng kể.

aNgoài việc tránh dung dịch bắn ra ngoài, hãy giải thích vì sao cần đậy nắp nhiệt lượng kế trong suốt thí nghiệm.
bDựa vào số liệu, xác định dấu của $\Delta H^\circ_{solution}$ và biện luận.
cTính độ lớn nhiệt năng $q$ , theo joule, trao đổi trong quá trình hòa tan.
dTính $\Delta H^\circ_{solution}$ theo $\mathrm{kJ\,mol^{-1}}$ .

1Bước 1: Nhiệt lượng kế cốc xốp đo nhiệt năng bằng cách theo dõi nhiệt độ của dung dịch, nên mọi dòng năng lượng đi ra hay đi vào từ môi trường ngoài đều làm sai kết quả. Ở đây dung dịch lạnh hơn không khí phòng, vì vậy nếu để hở miệng cốc, nhiệt năng từ không khí sẽ truyền vào dung dịch và độ giảm nhiệt độ đo được sẽ nhỏ hơn thực tế. Nắp đậy hạn chế trao đổi nhiệt và cả bay hơi, nhờ đó

\Delta T

đo được phản ánh đúng phần năng lượng mà quá trình hòa tan lấy đi của dung dịch.

2Bước 2: Nhiệt độ giảm từ

22.0\ ^\circ\mathrm{C}

xuống

18.5\ ^\circ\mathrm{C}

chứng tỏ dung dịch, tức môi trường bao quanh quá trình hòa tan, đã mất nhiệt năng. Phần năng lượng đó không biến mất mà được hệ chất tan hấp thụ để phá vỡ mạng tinh thể ion. Quá trình hòa tan do đó là thu nhiệt (endothermic) và

\Delta H^\circ_{solution}

mang dấu dương.

3Bước 3: Khối lượng dung dịch là

m = 100.0 + 5.00 = 105.0\text{ g}

, còn

\Delta T = 18.5 - 22.0 = -3.5\ ^\circ\mathrm{C}

. Áp dụng

q = mc\Delta T

q_{soln} = 105.0 \times 4.18 \times (-3.5) = -1.54 \times 10^{3}\text{ J}

Dấu âm nghĩa là dung dịch mất năng lượng; vậy độ lớn nhiệt năng trao đổi là

1.54 \times 10^{3}\text{ J}

, tức khoảng

1536\text{ J}

mà quá trình hòa tan đã nhận.

4Bước 4: Số mol muối là

n = 5.00/80.05 = 0.0625\text{ mol}

. Vì hệ hòa tan nhận đúng phần năng lượng mà dung dịch mất, ta lấy

q_{sys} = +1536\text{ J}

rồi chia cho số mol:

\Delta H^\circ_{solution} = \frac{+1536\text{ J}}{0.0625\text{ mol}} = +2.46 \times 10^{4}\ \mathrm{J\,mol^{-1}}

Đổi sang kilojoule được

+24.6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}

, và dấu dương này thống nhất với biện luận ở Bước 2.

Nắp đậy giữ cho nhiệt lượng kế gần như cô lập về nhiệt, nhờ đó độ giảm nhiệt độ đo được đúng bằng phần nhiệt năng mà dung dịch nhường cho quá trình hòa tan. Số liệu cho thấy dung dịch nguội đi $3.5\ ^\circ\mathrm{C}$ , tương ứng $1.54 \times 10^{3}\text{ J}$ nhiệt năng bị lấy đi, nên sự hòa tan $\mathrm{NH_4NO_3}$ là quá trình thu nhiệt với $\Delta H^\circ_{solution} \approx +24.6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$ . Đây cũng chính là nguyên lý của các túi chườm lạnh dùng một lần chứa muối amoni nitrat.

phép đo nhiệt lượng (sắp có)

Liên quanđộng năng nhiệt lượngnhiệt dung riêng (sắp có)

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

Công thức

Khái niệm này sinh ra từ đâu

Hay hiểu sai

Ví dụ có lời giải

Bạn nắm chắc chưa?

Học tiếp từ đây

Hay nhầm với

Nguồn tham khảo

Mẹo phòng thi