Năng lượng nhiệt là một khái niệm cơ bản để hiểu nhiệt độ và nhiệt độ đóng vai trò như thế nào trong các hiện tượng vật lý khác nhau. Bài học này khám phá những kiến thức cơ bản về nhiệt năng, mối liên hệ của nó với nhiệt, năng lượng và vật lý, đồng thời cung cấp các ví dụ và thí nghiệm minh họa mà không yêu cầu người đọc phải thực hành.
Năng lượng nhiệt là năng lượng bên trong có trong một hệ thống do chuyển động ngẫu nhiên của các hạt của nó. Nó là một dạng động năng vì nó phát sinh từ chuyển động của các hạt - nguyên tử, phân tử hoặc ion. Các hạt này chuyển động càng nhanh thì nhiệt độ của chất đó càng cao và do đó, năng lượng nhiệt của nó càng cao.
Điều quan trọng là phải phân biệt giữa năng lượng nhiệt và nhiệt độ, mặc dù chúng có liên quan chặt chẽ với nhau. Nhiệt độ là thước đo động năng trung bình của các hạt trong một chất, trong khi nhiệt năng là tổng động năng của tất cả các hạt trong hệ. Do đó, năng lượng nhiệt không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào khối lượng của hệ và loại hạt mà nó chứa.
Nhiệt là năng lượng trong quá trình vận chuyển. Đó là dòng năng lượng nhiệt giữa các vật thể có nhiệt độ khác nhau. Khi hai vật ở nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau, năng lượng nhiệt sẽ chuyển từ vật ấm hơn sang vật lạnh hơn cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng nhiệt, nghĩa là cả hai vật đều có cùng nhiệt độ. Hiện tượng này thể hiện định luật thứ hai của nhiệt động lực học, phát biểu rằng năng lượng có xu hướng tự phát truyền từ nơi có nhiệt độ cao hơn đến nơi có nhiệt độ thấp hơn.
Sự truyền nhiệt có thể xảy ra theo ba cách: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.
Hiểu năng lượng nhiệt, phép đo và truyền năng lượng nhiệt là rất quan trọng trong các bối cảnh khoa học và hàng ngày khác nhau. Dưới đây là hai thí nghiệm để chứng minh những nguyên tắc này:
Nhiệt dung của một chất là một khái niệm quan trọng trong vật lý nhiệt. Đó là lượng nhiệt cần thiết để làm thay đổi nhiệt độ của một đơn vị khối lượng vật chất thêm một độ C. Nhiệt dung riêng ( \(c\) ) được tính theo phương trình: \(Q = mc\Delta T\) trong đó \(Q\) là nhiệt thêm vào, \(m\) là khối lượng của chất, \(c\) là nhiệt dung riêng và \(\Delta T\) là độ thay đổi nhiệt độ.
Để khám phá khái niệm này, người ta có thể đo nhiệt dung của nước bằng cách đun nóng một khối nước đã biết và ghi lại sự thay đổi nhiệt độ. Bằng cách truyền năng lượng nhiệt qua một lò sưởi điện và đo năng lượng được cung cấp bằng đồng hồ điện, người ta có thể tính được nhiệt dung riêng của nước, được biết là xấp xỉ \(4.18 \, \textrm{J/g°C}\) .
Một thí nghiệm đơn giản để hình dung sự đối lưu liên quan đến việc đun nóng nước trong một thùng chứa trong suốt với các hạt nhỏ, có thể nhìn thấy lơ lửng trong đó (như các hạt lấp lánh hoặc hạt). Khi nước ở đáy thùng được làm nóng, nó nở ra, trở nên loãng hơn và dâng lên, trong khi nước lạnh hơn, đặc hơn chìm xuống. Điều này tạo ra dòng đối lưu có thể được quan sát dưới dạng chuyển động của các hạt.
Năng lượng nhiệt và các phương pháp truyền nhiệt của nó có ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày và các quy trình công nghiệp. Ví dụ:
Hiểu năng lượng nhiệt là rất quan trọng trong vật lý và cuộc sống hàng ngày. Nó bao gồm các khái niệm về nhiệt, nhiệt độ và truyền năng lượng, tích hợp các yếu tố thiết yếu của khoa học vật lý. Bằng cách nghiên cứu chuyển động và tương tác của các hạt và thông qua các thí nghiệm đơn giản, khái niệm cơ bản này trở nên dễ hiểu, chứng tỏ ứng dụng phổ biến và tầm quan trọng của nó trong các hiện tượng và công nghệ khác nhau.
