Nếu bạn ngồi trên một chiếc ghế gỗ, bề mặt của ghế gỗ sẽ trở nên ấm. Ngược lại, nếu bạn ngồi trên một chiếc ghế làm bằng nhựa hoặc kim loại, bề mặt của ghế kim loại hoặc nhựa sẽ không cảm thấy ấm sau khi ngồi lên. Tại sao bề mặt của ghế gỗ lại ấm, trong khi bề mặt của ghế kim loại thì không? Tại sao ngủ trên sàn nhà lạnh mà không có nệm lại có thể gây đau? Bạn đã bao giờ mặc một chiếc áo khoác lạnh chưa? Tại sao hầu hết các áo khoác lạnh lại được làm bằng len? Vẫn còn rất nhiều điều cần suy nghĩ và đặt câu hỏi liên quan đến chủ đề truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt.
Chuẩn bị một cây nến và một đoạn dây thép mỏng. Cầm một đầu dây và chạm đầu kia vào ngọn lửa nến. Chờ một lát cho đến khi bạn cảm thấy tay nóng. Tại sao tay bạn lại cảm thấy nóng? Khi một đầu dây chạm vào ngọn lửa nến, nhiệt truyền từ ngọn lửa nến (nhiệt độ cao) sang đầu dây kia (nhiệt độ thấp). Sự truyền nhiệt này làm tăng nhiệt độ của đầu dây tiếp xúc với ngọn lửa. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu dây tiếp xúc với ngọn lửa nến và đầu dây kia khiến nhiệt truyền từ đầu dây tiếp xúc với ngọn lửa sang đầu dây mà tay bạn chạm vào. Sự truyền nhiệt này làm tăng nhiệt độ của đầu dây mà tay bạn chạm vào. Nhiệt sau đó truyền đến bàn tay mát hơn của bạn. Kết quả là, tay bạn cảm thấy nóng.
Khi một phần của vật thể có nhiệt độ cao tiếp xúc với vật thể có nhiệt độ thấp, nhiệt sẽ truyền từ vật thể có nhiệt độ cao sang vật thể có nhiệt độ thấp. Năng lượng bổ sung này làm cho các nguyên tử và phân tử cấu tạo nên vật thể chuyển động nhanh hơn. Khi chuyển động, các phân tử có động năng (EK = ½ mv² ) . Các phân tử chuyển động nhanh hơn (với động năng lớn hơn) sẽ va chạm với các phân tử bên cạnh chúng. Những phân tử này sau đó lại va chạm với các phân tử khác bên cạnh chúng. Và cứ thế tiếp diễn. Vì vậy, các phân tử va chạm với nhau, truyền năng lượng cho nhau. Sự truyền nhiệt xảy ra thông qua các va chạm giữa các phân tử cấu tạo nên một vật thể được gọi là truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt.
Công thức truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt
Vật thể bên trái có nhiệt độ cao hơn (T).1) trong khi vật thể bên phải có nhiệt độ thấp hơn (T2). Do sự khác biệt về nhiệt độ (T)1 - T2Nhiệt truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp (hướng truyền nhiệt là sang phải). Vật mà nhiệt truyền qua có diện tích mặt cắt ngang (A) và chiều dài (l).
Dựa trên kết quả thí nghiệm, nhiệt lượng truyền trong một khoảng thời gian nhất định (Q/t) tỷ lệ thuận với hiệu số nhiệt độ (T1 – T2 ) , diện tích mặt cắt ngang (A), tính chất của vật thể (k = độ dẫn nhiệt) và tỷ lệ nghịch với chiều dài của vật thể. Công thức tính tốc độ truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt:
Mô tả: Q/t = hệ số truyền nhiệt, k = độ dẫn nhiệt, A = diện tích mặt cắt ngang, T1 = nhiệt độ cao, T2 = nhiệt độ thấp, l = chiều dài vật thể.
Ứng dụng truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt
Tại sao sàn gạch lại có cảm giác mát hơn thảm? Gạch có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn thảm. Do đó, gạch dẫn nhiệt tốt, trong khi thảm dẫn nhiệt kém. Khi chúng ta bước lên thảm, nhiệt truyền từ chân sang thảm. Điều này xảy ra vì nhiệt độ cơ thể cao hơn nhiệt độ của thảm. Thảm dẫn nhiệt kém, do đó nhiệt truyền từ chân tích tụ trên bề mặt thảm, làm cho thảm ấm hơn. Khi chúng ta bước lên gạch hoặc gốm sứ, nhiệt truyền từ chân sang gạch hoặc gốm sứ. Vì gạch dẫn nhiệt tốt, nhiệt không được giữ lại trên bề mặt gạch. Nhiệt truyền đi dễ dàng, khiến chân chúng ta cảm thấy lạnh. Nếu nhà bạn ở vùng khí hậu lạnh, bạn nên trải thảm trên sàn phòng ngủ để cơ thể không bị mất nhiệt. Ngược lại, nếu nhà bạn ở vùng khí hậu nóng, bạn không nên trải thảm trên sàn phòng ngủ vì bạn sẽ không cảm thấy mát mà lại thấy nóng 😉
Ngủ trên sàn nhà mà không có nệm có thể gây bệnh. Tại sao? Bởi vì một lượng lớn nhiệt được truyền từ cơ thể bạn xuống sàn. Nhiệt là năng lượng đang chuyển động. Khi cơ thể mất đi nhiều nhiệt, mức năng lượng sẽ giảm. Nếu thiếu năng lượng, bạn có thể bị ốm!
Chức năng của cửa sổ và cửa ra vào là gì? Tại sao cửa ra vào và cửa sổ nên được làm bằng gỗ? Vào ban đêm, nhiệt độ không khí bên ngoài nhà thấp hơn nhiệt độ không khí bên trong nhà. Sự chênh lệch nhiệt độ này khiến nhiệt truyền từ bên trong nhà ra bên ngoài. Do đó, vào ban đêm chúng ta thường đóng cửa ra vào hoặc cửa sổ. Bên cạnh mục đích ngăn chặn tội phạm, một trong những chức năng của cửa sổ hoặc cửa ra vào là ngăn nhiệt thoát ra khỏi nhà. Thông thường cửa ra vào hoặc cửa sổ được làm bằng gỗ. Độ dẫn nhiệt của gỗ đủ thấp để nó có thể hoạt động như một chất cách nhiệt. Một chức năng khác của cửa sổ hoặc cửa ra vào là giữ không khí. Không khí bị giữ lại bên trong cửa sổ hoặc cửa ra vào hoạt động như một chất cách nhiệt tốt (ngăn nhiệt thoát ra ngoài). Độ dẫn nhiệt của không khí rất thấp. Độ dẫn nhiệt của một vật càng thấp thì nhiệt càng khó truyền qua vật đó bằng dẫn nhiệt.
Ngoài việc duy trì vị thế của chúng ta như những con người văn minh và bình thường 🙂, quần áo còn có tác dụng duy trì nhiệt độ cơ thể ổn định. Quần áo chúng ta mặc thường được điều chỉnh theo nhiệt độ không khí. Khi nhiệt độ không khí khá thấp, quần áo chúng ta mặc sẽ dày hơn. Chăn hoặc quần áo dày (áo khoác, v.v.) ngăn không cho không khí lưu thông dễ dàng. Không khí bị giữ lại giữa da và áo khoác hoặc chăn. Vì có sự chênh lệch nhiệt độ giữa cơ thể chúng ta và không khí bị giữ lại, nhiệt sẽ truyền từ cơ thể sang không khí. Lượng nhiệt bổ sung từ cơ thể làm cho nhiệt độ của không khí bị giữ lại tăng lên (không khí trở nên ấm hơn). Hãy nhìn vào bảng dẫn nhiệt ở trên. Giá trị dẫn nhiệt của không khí rất nhỏ. Do đó, nhiệt không thể thoát ra khỏi cơ thể. Nhiệt độ cơ thể của chúng ta vẫn ổn định. Nếu chúng ta không mặc áo khoác khi không khí khá lạnh, nhiệt sẽ thoát ra khỏi cơ thể. Lượng nhiệt thoát ra khỏi cơ thể càng nhiều, cơ thể càng mất nhiều năng lượng.
Ví dụ về bài toán
1. Đề thi quốc gia năm 2011/2012, câu A81, số 10
Hãy chú ý đến câu nói sau!
(1) Độ dẫn điện của kim loại
(2) Chênh lệch nhiệt độ giữa các đầu kim loại
(3) Chiều dài kim loại
(4) Khối lượng kim loại
Các yếu tố quyết định tốc độ truyền nhiệt trong kim loại là...
A. (1), (2) và (3)
B. (1) và (4)
C. (2) và (4)
D. (3) và (4)
E. (4) chỉ
Cuộc thảo luận
Dựa trên công thức tính tốc độ truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt, các yếu tố quyết định tốc độ truyền nhiệt là độ dẫn nhiệt của kim loại (k), hiệu số nhiệt độ giữa hai đầu của kim loại (T) và chiều dài của kim loại (l). Khối lượng của kim loại không có ảnh hưởng.
Đáp án đúng là A.
