Nhiệt lượng là gì? Công thức tính nhiệt lượng kèm bài tập có đáp án

Ở chuyên đề vật lý hôm nay, Hyundai Smart Phone sẽ chia sẻ lý thuyết nhiệt lượng là gì và công thức tính nhiệt lượng tỏa ra hoặc phương trình cân bằng nhiệt lượng kèm theo các bài tập minh họa có đáp án chi tiết trong bài viết dưới đây để các bạn cùng tham khảo.

Nhiệt lượng là gì?

Nhiệt lượng là phần nhiệt năng mà vật nhận thêm được hay mất bớt đi trong quá trình truyền nhiệt.

Nhiệt lượng vật cần thu vào để nóng lên phụ thuộc vào:

• Khối lượng
• Độ tăng nhiệt độ của vật
• Nhiệt dung riêng của chất làm nên vật.

Đơn vị đo của nhiệt lượng

Đơn vị đo nhiệt lượng là jun (J), kilojun (kJ): 1kJ = 1000 J.

Ngoài J, kJ đơn vị của nhiệt lượng còn được tính bằng calo, kcalo (kcal):

• 1 kcal = 1000 calo
• 1 calo = 4,2 J.

Lưu ý:

•  Đơn vị của khối lượng phải để về kg.
• Nếu vật là chất lỏng, bài toán cho biết thể tích V thì ta phải tính khối lượng m theo công thức: m = V.D. Trong đó đơn vị của V là m3 và của D là kg/m3.

Đặc điểm nổi bật của nhiệt lượng

• Nhiệt lượng vật cần thu để phục vụ cho quá trình làm nóng lên phụ thuộc hoàn toàn vào khối lượng của vật, độ tăng nhiệt độ của vật cũng như nhiệt dung riêng của chất liệu làm ra vật.
• Nhiệt lượng riêng cao: Tức nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu trong bơm.
• Nhiệt lượng riêng thấp: Tức nhiệt lượng riêng cao loại trừ nhiệt bốc hơi của nước được giải phóng và tạo thành trong cả quá trình đốt cháy mẫu nhiên liệu.
• Nhiệt dung của nhiệt lượng kế và lượng nhiệt cần thiết để đốt nóng nhiệt lượng kế lên 1oC ở điều kiện tiêu chuẩn (còn gọi là giá trị nước của nhiệt lượng kế).

Công thức tính nhiệt lượng

Q = mc∆t = mc(t ₂ −t ₁ )

Trong đó:

• Q: là nhiệt lượng mà vật thu vào hoặc toả ra. (J).
• m: là khối lượng của vật (kg).
• c: là nhiệt dung riêng của chất, được đo bằng J/kg.K (Nhiệt dung riêng của một chất có thể cho biết nhiệt lượng cần thiết để có thể làm cho 1kg chất đó tăng thêm 1 độ C).
• ∆t: là độ thay đổi nhiệt độ hay nói khác là biến thiên nhiệt độ (°C hoặc °K)
• ∆t = _t2 – _t1
• ∆t > 0 : vật toả nhiệt
• ∆t < 0 : vật thu nhiệt

Tham khảo thêm: Điện trở là gì? Công thức tính điện trở kèm bài tập có lời giải từ A – Z

Phương trình cân bằng nhiệt

Phương trình cân bằng nhiệt được viết dưới dạng:

Q _tỏa = Q _thu = m ₁ .c ₁ .(t – t ₁ ) = m ₂ .c ₂ .(t ₂ – t)

Trong đó:

• Q_tỏa là nhiệt lượng của vật có nhiệt độ cao tỏa ra (J)
• m₁ là khối lượng của vật tỏa nhiệt (kg)
• c₁ là nhiệt dung riêng của vật tỏa nhiệt (J/kg. K)
• Δt = t₁ – t là độ giảm nhiệt độ của vật tỏa nhiệt lượng (0C) hoặc (0K)
• Q_thu là nhiệt lượng của vật có nhiệt độ thấp thu vào (J)
• m2 là khối lượng của vật thu nhiệt (kg)
• c₂ là nhiệt dung riêng của vật thu nhiệt (J/kg. K)
• Δt = t – t₂ là độ tăng nhiệt độ của vật thu nhiệt lượng (0C) hoặc (0K)

Tham khảo thêm: Lực đàn hồi là gì? Công thức tính lực đàn hồi của lò xo ( Định luật Húc)

Công thức tính nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra

Q = q. tôi

Trong đó:

• Q là nhiệt lượng do nhiên liệu tỏa ra (J)
• q là năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu (J/kg)
• m là khối lượng nhiên liệu bị đốt (kg)

Công thức tính hiệu suất của động cơ nhiệt

H = A/Q

Trong đó:

• H là hiệu suất của động cơ nhiệt
• A là phần nhiệt lượng chuyển hóa thành cơ năng (J)

Xem ngay: Dòng điện xoay chiều là gì? Công thức tính dòng điện xoay chiều kèm VD

Bài tập áp dụng công thức tính nhiệt lượng tỏa ra và thu vào có đáp án

Ví dụ 1: Để đun nóng 5 lít nước từ 20^oC lên 40^oC cần một nhiệt lượng bằng bao nhiêu?

Lời giải

Nhiệt lượng cần cung cấp để đun nóng 5 lít nước từ 20^oC lên 40^oC là:

Q = mcΔt = 5,4200.(40 – 20) = 420000J = 420kJ.

Ví dụ 2: Một ấm nhôm có khối lượng 300 g chứa 0,5 lít nước đang ở nhiệt độ 25°C. Biết nhiệt dung riêng của nhôm, nước lần lượt là c₁ = 880 J/kg.K, c₂ = 4200 J/kg.K. Nhiệt lượng tối thiểu để đun sôi nước trong ấm là bao nhiêu?

Lời giải

Nhiệt lượng cần thiết để ấm nhôm nóng lên:

Q ₁ = m ₁ c ₁ Δt = m ₁ c ₁ (t ₂ – t ₁ ) = 0,3,880.(373 – 298) = 19800 J

Nhiệt lượng cần thiết để nước nóng lên:

Q ₂ = m ₂ c ₂ Δt = m ₂ c ₂ (t ₂ – t ₁ ) = 0,5,4200.(373 – 298) = 157500 J

Nhiệt lượng tối thiểu để đun sôi nước trong ấm là:

Q = Q ₁ + Q ₂ = 19800 + 157500 = 177300 J = 177,3 kJ

Ví dụ 3: Dùng bếp dầu để đun sôi 2 lít nước ở 20^oC đựng trong một ấm nhôm có khối lượng 0,5kg. Tính lượng dầu cần dùng. Biết chỉ có 30% nhiệt lượng do dầu bị đốt chảy tỏa ra làm nóng ấm và nước đun trong ấm.

Lời giải

Nhiệt lượng do nước thu vào là:

Q ₂ = m ₂ .c ₂ .(t – t ₂ ) = 2,4200.(100 – 20) = 672000 J

Nhiệt lượng do ấm thu vào là:

Q ₁ = m ₁ .c ₁ .(t – t ₁ ) = 0,5,880.(100 – 20) = 35200 J

Nhiệt lượng do dầu tỏa ra: Q_d = q.m

Vì chỉ có 30% nhiệt lượng do dầu bị đốt chảy tỏa ra làm nóng ấm và nước đun trong ấm nên ta có:

Ví dụ 4: Người ta thả một miếng đồng khối lượng 0,5 kg vào 500 g nước. Miếng đồng nguội đi từ 80oC xuống 20^oC. Hỏi nước nhận được một nhiệt lượng bằng bao nhiêu và nóng lên thêm bao nhiêu độ.

Nhiệt lượng nước nhận được bằng đúng nhiệt lượng do miếng đồng tỏa ra là:

Q ₂ = Q ₁ = m ₁ .c ₁ .(t ₁ – t) = 0,5.380.(80 – 20) = 11400 (J).

Độ tăng nhiệt độ của nước là:

Ví dụ 5: Một ấm đun nước được làm từ nhôm có khối lượng 300g. Đổ vào ấm 2 lít nước. Biết nhiệt độ ban đầu của ấm và nước là 30°C. Biết nhiệt dung riêng của nhôm là 880J/kg.K, của nước là 4200 J/kg.K. Trong quá trình đun 20% nhiệt lượng đã bị môi trường hấp thụ. Nhiệt lượng do bếp tỏa ra để đun sôi nước trong ấm là bao nhiêu?

Lời giải

Nhiệt lượng ấm nhôm thu vào để nóng đến 100°C là:

Q ₁ = m ₁ .C ₁ Δt ₁ = 0,3. 880. (100 – 30) = 18480 (J)

Nhiệt lượng nước thu vào để nóng đến 100°C là:

Q ₂ = m ₂ .C ₂ Δt ₂ = 2. 4200. (100 – 30) = 588000 (J)

Nhiệt lượng mà ấm và nước nhận vào là:

Q = Q ₁ + Q ₂ = 18480 + 588000 = 606480 (J).

20% nhiệt lượng đã bị môi trường hấp thụ nên chỉ có 80% nhiệt lượng bếp tỏa ra được ấm hấp thụ.

Nhiệt lượng do bếp tỏa ra là

Q _tp = Q : H = 606480 : 0,8 = 758100 (J)

Ví dụ 6: Đầu thép của một búa máy có khối lượng 15 kg nóng lên thêm 20°C sau 2 phút hoạt động. Biết rằng chỉ có 40% cơ năng của búa máy chuyển thành nhiệt năng của đầu búa. Tính công và công suất của búa. Nhiệt dung riêng của thép là 460 J/kg.K.

Lời giải

Phần nhiệt năng tăng lên của búa:

Q = mcΔt = 15,460,20 = 13800000 J

Công sinh ra của búa:

Q = HA ⇒ A = Q/H = 13800/0,4 = 345000J

Công suất của búa:

P = A/t = 34500/120 = 2875 W

Ví dụ 7: Một thau nhôm khối lượng 0,2kg đựng 3kg nước ở 30°C. Thả vào thau nước một thỏi đồng có khối lượng 200g lấy ra ở lò. Nước nóng đến 32°C. Tìm nhiệt độ của bếp lò. Biết nhiệt dung riêng của nước, nhôm, đồng lần lượt là 4200 J/kg.K, 880J/kg.K, 380J/kg.K . Trong quá trình này, nhiệt toả ra môi trường là 10% nhiệt lượng cung cấp cho thau nước. Tính nhiệt độ thực sự của bếp lò

Lời giải:

Gọi t°C là nhiệt độ củ bếp lò, cũng là nhiệt độ ban đầu của thỏi đồng

Nhiệt lượng thau nhôm nhận được để tăng từ t₁ = 30°C đến t₂ = 32°C

Q ₁ = m ₁ .c ₁ .(t ₂ – t ₁ )= 0,2.880.2 = 352 (J)

Nhiệt lượng nước nhận được để tăng từ t₁ = 30°C đến t₂ = 32°C

Q ₂ = m ₂ .c ₂ .(t ₂ – t ₁ ) = 3,4200.2 = 25200 (J)

Nhiệt lượng đồng toả ra để hạ từ t°C đến t₂ = 32°C

Q₃ = m₃.c₃.(t – t₂) ( khối lượng thỏi đồng)

Do có sự toả nhiệt ra môi trường nên phương trình cân bằng nhiệt là:

Q ₃ -10%(Q ₁ +Q ₂ ) = (Q ₁ +Q ₂ )

⇒ Q ₃ = 110%(Q ₁ +Q ₂ ) = 1,1(352 + 25200) = 28107,2 (J)

Nhiệt độ của thỏi đồng là:

Ví dụ 8: Khi thực hành trong phòng thí nghiệm, một học sinh cho một luồng hơi nước ở 100°C ngưng tụ trong một nhiệt lượng kế chứa 0,35kg nước ở 10°C. Kết quả là nhiệt độ của nước tăng lên 42°C và khối lượng nước trong nhiệt kế tăng thêm 0,025kg. Hãy tính nhiệt hóa hơi của nước trong thí nghiệm này?. Cho biết nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K. Biết rằng trong quá trình trao đổi nhiệt thì môi trường xung quanh đã hấp thụ 30% nhiệt lượng.

Lời giải:

Khối lượng nước trong nhiệt kế tăng lên chính là lượng hơi nước đã ngưng tụ lại thành nước. Vậy lượng nước ngưng tụ là 0,025kg

Gọi L là nhiệt hóa hơi của nước trong thí nghiệm này

Nhiệt lượng mà 0,35kg nước thu vào:

Q _{Thu 1} = m ₁ .C.(t ₂ – t ₁ ) = 47040 (J)

Nhiệt lượng mà 0,025Kg hơi nước ở 100°C ngưng tụ thành nước:

Q1 ₌ m2 .L ₌ 0,025L

Nhiệt lượng mà 0,025Kg nước ở 100°C tỏa ra khi hạ xuống còn 42°C

Q2 = m ₂ .C.(t ₃ – t ₂ ) = 6090 (J)

Do 30% nhiệt lượng mà hơi nước tỏa ra đã bị môi trường hấp thụ nên nhiệt lượng mà nước thu vào chỉ bằng 70% nhiệt lượng tỏa ra.

– Vậy nhiệt lượng thực tế mà hơi nước tỏa ra là :

Q _Thu = 47040 : 0,7 = 67200 (J)

Theo phương trình cân bằng nhiệt:

Q _Thu = _Q1 + _Q2

hay: 67200 = 0,025L + 6090

⇔ L = 2444400 (J/kg)

Ví dụ 9: Một thỏi nước đá có khối lượng 1kg ở -10°C. Người ta dùng bếp để cung cấp nhiệt lượng làm hóa hơi khối nước đá này. Tính nhiệt lượng cần cung cấp để nước đá biến thành hơi hoàn toàn ở 100°C. Biết rằng trong quá trình trao đổi nhiệt thì môi trường xung quanh đã hấp thụ 10% nhiệt lượng tỏa ra. Cho biết nhiệt nóng chảy của nước đá λ = 3,4.105J/kg và nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K, nhiệt dung riêng của nước đá đá là C1 = 2,1 kJ/kg.K, nhiệt hóa hơi của nước là L = 2,3.106J/kg.

Lời giải:

Nhiệt lượng nước đá thu vào để tăng nhiệt độ từ -10°C đến 0°C

Q ₁ = m ₁ C ₁ (t ₂ – t ₁ ) = 18000(J)

Nhiệt lượng nước đá thu vào để nóng chảy hoàn toàn ở 0°C

Q ₂ = m ₁ .λ = 340000 (J)

Nhiệt lượng nước thu vào để tăng nhiệt độ từ 0°C đến 100°C

Q ₃ = m ₃ C ₂ (t ₃ – t ₂ ) = 420000(J)

Nhiệt lượng nước thu vào để hóa hơi hoàn toàn ở 100°C

Q₄ = m₁.L = 2300000(J)

Nhiệt lượng cần cung cấp trong suốt quá trình:

Q = Q ₁ + Q ₂ + Q ₃ + Q ₄ = 3078000 (J)

Trong quá trình trao đổi nhiệt thì môi trường hấp thụ 10% nhiệt lượng. Nên thực tế nước đá chỉ hấp thụ 90% nhiệt lượng.

Vậy nhiệt lượng thực tế cần cung cấp là :

3078000 : 0,9 = 3420000(J)

Bên trên chính là toàn bộ lý thuyết về nhiệt lượng là gì và công thức tính nhiệt lượng mà chúng tôi vừa phân tích chi tiết có thể giúp các bạn củng cố lại kiến thức của mình để vận dụng vào làm bài tập. Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết của chúng tôi.