Vật chất, chất cấu thành nên mọi vật thể vật lý, thể hiện một loạt các tính chất nhiệt rất quan trọng để hiểu thế giới xung quanh chúng ta. Những đặc tính này—chẳng hạn như nhiệt độ, nhiệt lượng và sự giãn nở nhiệt—bị chi phối bởi các nguyên lý truyền năng lượng và các định luật vật lý.
Nhiệt độ là thước đo động năng trung bình của các hạt trong một chất, thường được đo bằng độ C (°C), độ F (°F) hoặc Kelvin (K). Mặt khác, nhiệt là một hình thức truyền năng lượng giữa hai vật thể hoặc hệ thống do chênh lệch nhiệt độ. Đơn vị nhiệt lượng trong Hệ đơn vị quốc tế (SI) là joule (J). Mối quan hệ giữa nhiệt lượng ( \(Q\) ), khối lượng ( \(m\) ), nhiệt dung riêng ( \(c\) ) và sự thay đổi nhiệt độ ( \(\Delta T\) ) được mô tả bằng phương trình: \(Q = mc\Delta T\) Nhiệt dung riêng là thước đo lượng năng lượng nhiệt cần thiết để thay đổi nhiệt độ của một kg chất đó thêm một độ C.
Khi vật liệu được làm nóng, chúng thường nở ra. Hiện tượng này được gọi là sự giãn nở nhiệt và nó có thể được quan sát thấy ở chất rắn, chất lỏng và chất khí. Sự giãn nở nhiệt xảy ra do sự gia tăng nhiệt độ dẫn đến sự gia tăng động năng của các hạt, khiến chúng di chuyển ra xa nhau. Mức độ giãn nở nhiệt có thể được mô tả bằng hệ số giãn nở tuyến tính ( \(\alpha\) ), đối với chất rắn, cho thấy sự thay đổi về chiều dài ( \(\Delta L\) ) trên mỗi đơn vị chiều dài ( \(L\) ) trên mỗi độ thay đổi của nhiệt độ ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) Đối với chất lỏng và chất khí, sự giãn nở thể tích có liên quan nhiều hơn sự giãn nở tuyến tính và nó được mô tả bằng hệ số của sự giãn nở thể tích.
Sự thay đổi pha là sự biến đổi giữa các pha rắn, lỏng và khí của một chất và liên quan đến sự hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng mà không thay đổi nhiệt độ. Các loại thay đổi pha chính bao gồm nóng chảy, đóng băng, hóa hơi, ngưng tụ, thăng hoa và lắng đọng. Nhiệt lượng liên quan đến sự thay đổi pha được gọi là nhiệt ẩn. Ví dụ, năng lượng cần thiết để biến 1 kg nước đá thành nước mà không thay đổi nhiệt độ được gọi là ẩn nhiệt của phản ứng tổng hợp ( \(L f\) ), trong khi năng lượng cần thiết để chuyển 1 kg nước thành hơi mà không thay đổi nhiệt độ được gọi là nhiệt ẩn hóa hơi ( \(Lv\) ): \(Q = mL_f\) cho sự tan chảy hoặc đóng băng, \(Q = mL_v\) cho sự hóa hơi hoặc ngưng tụ.
Năng lượng nhiệt có thể được truyền qua vật chất bằng sự dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt giữa các chất tiếp xúc trực tiếp với nhau. Độ dẫn nhiệt ( \(k\) ) của vật liệu là thước đo khả năng dẫn nhiệt của vật liệu đó. Định luật dẫn nhiệt Fourier cho thấy mối quan hệ giữa tốc độ truyền nhiệt ( \(Q/t\) ), độ dẫn nhiệt ( \(k\) ), diện tích ( \(A\) ), gradient nhiệt độ ( \(\Delta T/L\) ) và độ dày của vật liệu ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) Đối lưu là sự truyền nhiệt bằng chuyển động của chất lỏng (chất lỏng hoặc chất khí ) do chênh lệch nhiệt độ. Nó liên quan đến sự chuyển động lớn của chất lỏng. Bức xạ là sự truyền năng lượng qua sóng điện từ và không cần môi trường để truyền. Tất cả các vật thể đều phát ra bức xạ nhiệt và lượng bức xạ phát ra tăng theo lũy thừa bốn của nhiệt độ của vật thể, như được mô tả bởi định luật Stefan-Boltzmann: \(P = \sigma AT^4\) trong đó \(P\) là công suất phát ra, \(\sigma\) là hằng số Stefan-Boltzmann, \(A\) là diện tích bề mặt và \(T\) là nhiệt độ tính bằng Kelvin.
Nước có một số tính chất độc đáo liên quan đến nhiệt dung riêng và trạng thái của nó ở gần 4°C. Nhiệt dung riêng của nước cao rõ rệt, có nghĩa là nó cần nhiều năng lượng nhiệt để tăng nhiệt độ, góp phần phát huy vai trò của nó như một bộ đệm nhiệt trong hệ sinh thái. Ngoài ra, nước đạt mật độ tối đa ở 4°C; khi nó nguội đi dưới nhiệt độ này, nó sẽ giãn nở. Sự giãn nở bất thường này rất quan trọng cho sự sống sót của đời sống thủy sinh ở vùng khí hậu lạnh, vì băng hình thành trên bề mặt các vùng nước, cách nhiệt cho vùng nước bên dưới.
Các tính chất nhiệt của vật chất có ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày và công nghiệp. Ví dụ, sự giãn nở nhiệt được xem xét trong thiết kế cầu và đường sắt để cho phép sự giãn nở và co lại khi nhiệt độ thay đổi. Nhiệt dung riêng cao của nước làm cho nó trở thành chất làm mát tuyệt vời trong các quy trình công nghiệp và nhà máy điện.
Trong một thí nghiệm chứng minh nhiệt dung riêng của nước, người ta sử dụng lò sưởi để truyền một lượng năng lượng đã biết sang một lượng nước đo được. Bằng cách quan sát sự thay đổi nhiệt độ, học sinh có thể tính nhiệt dung riêng của nước bằng công thức \(Q = mc\Delta T\) .
Một cách trình diễn phổ biến khác là đặt một quả bóng bay lên trên một bình đựng nước. Khi nước nóng lên và chuyển thành hơi nước, quả bóng phồng lên do hơi nước đẩy không khí vào. Điều này chứng tỏ sự giãn nở của nước khi nó biến thành chất khí, một hiệu ứng rõ rệt của sự giãn nở nhiệt của vật chất.
Hiểu được các tính chất nhiệt của vật chất không chỉ nâng cao khả năng hiểu biết của chúng ta về vật lý cơ bản mà còn làm phong phú thêm khả năng của chúng ta trong việc thiết kế các giải pháp cho nhiều thách thức thực tế khác nhau.
