Sự truyền nhiệt

I. Dẫn nhiệt

1. Hiện tượng dẫn nhiệt

Ví dụ: Thực hiện thức nghiệm sau

Chuẩn bị:

• Thanh đồng AB mắc vào giả thí nghiệm.
• Các đinh a, b, c, d, e, gần bằng sắp vào thanh đồng.
• Đèn cồn đặt dưới đầu A của thanh đồng.

Bố trí thí nghiệm tìm hiểu sự dẫn nhiệt

Kết quả thí nghiệm:

• Các đinh a, b, c, d, e truyền năng lượng cho nhau thông qua va chạm, dẫn đến tất cả các đinh đều nóng lên.
• Việc đinh rơi xuống chứng tỏ rằng các đinh đã nóng lên do truyền năng lượng cho nhau thông qua va chạm.
• Các đinh rơi xuống lần lượt theo thứ tự a, b, c, d, e.

Khi đầu A của thanh đồng AB được đốt nóng trong thí nghiệm, các nguyên tử đồng ở đầu A chuyển động nhanh lên, động năng tăng. Khi chúng va chạm với các nguyên tử bên cạnh có động năng nhỏ hơn, các nguyên tử ở đầu A truyền bớt động năng cho các nguyên tử này làm cho động năng của chúng tăng. Thông qua va chạm các nguyên tử truyền năng lượng từ đầu A đến đầu B của thanh đồng.

Trong vật rắn được cấu tạo từ các phân tử thì sự truyền năng lượng do va chạm giữa các phân tử.

2. Vật dẫn nhiệt tốt, vật cách nhiệt tốt.

Vật được cấu tạo từ những chất, vật liệu, có thể dẫn nhiệt tốt được gọi là vật dẫn nhiệt; vật được cấu tạo từ những chất, vật liệu có thể cản trở tốt sự dẫn nhiệt là vật cách nhiệt tốt.

Ví dụ: 

Một số vật dẫn nhiệt tốt		Một số vật cách nhiệt tốt

Nếu coi khả năng dẫn nhiệt của không khí là 1 thì khả năng dẫn nhiệt của một số chất và vật liệu có giá trị gần đúng như sau:

II. Đối lưu

1. Thí nghiệm

Chuẩn bị:

• Hai ống nghiệm đựng nước: ống (1) có gắn viên sáp ở đáy, ống (2) có gắn viên sáp ở miệng ống.
• Đèn cồn và các giá đỡ.

Tiến hành:

• Đun nóng nước ở gần miệng ống nghiệm (1), quan sát xem miếng sáp có bị nóng chảy hay không (Hình a).
• Đun nóng đáy ống nghiệm (2) một thời gian dài gần bằng thời gian đun nóng ống nghiệm (1), quan sát xem viên sáp có bị nóng chảy hay không (Hình b).

Nhận xét:

• Hình a, khi nước ở phần trên của ống nghiệm bắt đầu sôi thì cục sáp ở đáy ống nghiệm chưa bị nóng chảy.
• Hình b, khi nước ở phần trên của ống nghiệm bắt đầu sôi thì cục sáp ở miệng ống nghiệm bị nóng chảy.

Giải thích hiện tượng xảy ra trong hai thí nghiệm trên.

• Ở hình a, khi đun nóng nước ở gần miệng ống nghiệm thì hiện tượng truyền nhiệt từ nước sang miếng sáp theo hình thức dẫn nhiệt, mà nước là chất dẫn nhiệt kém nên miếng sáp ở đáy ống nghiệm khó thu được nhiệt độ nhiều để đạt đến nhiệt độ nóng chảy.
•  Ở hình b, khi đun nóng nước ở đáy ống nghiệm thì hiện tượng truyền nhiệt từ nước sang miếng sáp theo cả hình thức đối lưu và dẫn nhiệt nên làm miếng sáp ở miệng ống nghiệm thu được nhiệt độ nhiều hơn và nhanh chóng đạt được nhiệt độ nóng chảy.

2. Truyền nhiệt bằng đối lưu

Chất lỏng và khí (gọi chung là chất lưu) dẫn nhiệt kém. Tuy nhiên, khi đun nóng đáy ống nghiệm, nước trong ống nghiệm sẽ nóng lên.

Điều này chứng tỏ chất lưu tuy dẫn nhiệt kém nhưng vẫn có thể truyền nhiệt tốt.

Thí nghiệm mô tả hình dưới đây, giúp ta hiểu rõ sự truyền nhiệt trong chất lỏng

Đối lưu trong chất lỏng

Đặt 1 gói nhỏ đựng các hạt thuốc tím vào đáy 1 bình thủy tinh đựng nước rồi dùng đèn cồn đun nóng đáy bình ở vị trí gần gói thuốc tím. Nước ở gần ngọn lửa đèn cồ nhận năng lượng, nóng lên, di chuyển thành dòng nước đi lên trên, đồng thời nước lạnh ở trên cũng di chuyển thành dòng đi xuống dưới và nhận năng lượng từ ngọn lửa đèn cồn.

Các dòng nước nóng và lạnh di chuyển ngược chiều nhau được gọi là dòng đối lưu. Sự đối lưu này là hiện tượng truyền nhiệt nhờ vào dòng chất lỏng di chuyển và gọi là sự đối lưu.

III. Bức xạ nhiệt

Năng lượng được truyền từ Mặt Trời tới Trái Đất bằng bức xạ nhiệt

Thí nghiệm chứng tỏ năng lượng nhiệt đã được truyền bằng tia nhiệt

1. Thí nghiệm

Chuẩn bị: Một bình thuỷ tinh đã phủ đen, bên trong có đặt một nhiệt kế. Đèn điện dây tóc.Tấm gỗ dày. Tiến hành: Bố trí thí nghiệm như hình bên dưới Bật đèn, theo dõi sự thay đổi nhiệt độ của nhiệt kế khi chưa đặt tấm gỗ (Hình a). Đặt tấm gỗ vào giữa đèn và bình thủy tinh (Hình b), theo dõi sự thay đổi nhiệt độ của nhiệt kế.

Quan sát hiện tượng thí nghiệm ta thấy:

Ở Hình a, nhiệt độ trong bình thủy tinh tăng dần còn trong thí nghiệm ở Hình b thì nhiệt độ trong bình thủy tinh lại giảm dần về nhiệt độ cũ.

Giải thích hiện tượng:

Trong thí nghiệm ở Hình a thì nhiệt độ trong bình thủy tinh tăng dần vì bình thủy tinh nhận được năng lượng nhiệt từ đèn điện dây tóc phát ra.

Còn trong thí nghiệm ở Hình b thì nhiệt độ trong bình thủy tinh lại giảm dần về nhiệt độ cũ vì bình thủy tinh không nhận được năng lượng nhiệt từ đèn điện dây tóc phát ra nữa mà dần dần tỏa năng lượng nhiệt thu được từ lúc trước ra môi trường xung quanh.

2. Sự truyền nhiệt bằng bức xạ nhiệt

Nhiệt có một số tính chất giống tia sáng như mang năng lượng, truyền thẳng, phản xạ, không truyền qua các vật chắn sáng...

Vật nhận được tia nhiệt thì nóng lên. Hình thức truyền nhiệt này được gọi là bức xạ.

Khả năng hấp thụ và phản xạ tia nhiệt của một vật phụ thuộc tỉnh chất mặt ngoài của nó. Mặt ngoài của vật càng xù xì và càng sẫm màu thì vật hấp thụ tia nhiệt càng mạnh; mặt ngoài của vật cùng nhẵn và càng sáng màu thì vật phản xạ tia nhiệt càng mạnh.

Ví dụ: Nếu hơ tay gần 1 ngọn nên đang thắp sáng, hoặc đứng cạnh bếp đun, chúng ta cảm nhận được sức nóng tỏa ra.

Bức xạ nhiệt từ các nguồn nhiệt

3. Hiệu ứng nhà kính

3.1. Hiệu ứng nhà kính và bức xạ nhiệt của Mặt Trời và Trái Đất

Nhiệt độ trung bình của bề mặt Mặt Trời là khoảng 6000^oC, bức xạ nhiệt của Mặt Trời là những bức xạ mạnh có thể dễ dàng truyền qua lớp khí quyển Trái Đất và các chất rắn trong suốt khác.

Nhiệt độ trung bình của bề mặt Trái Đất chỉ khoảng 18^oC, bức xạ nhiệt của Trái Đất là những bức xạ yếu, không vượt qua được lớp khí quyển bao quanh Trái Đất, không vượt qua được ngay cả các lớp kính trong suốt.

Sự khác nhau của hai loại bức xạ này đã được sử dụng để tạo ra hiệu ứng nhà kính và giúp cây trồng trong nhà lợp kính phát triển mạnh mẽ hơn.

Nhà kính để trồng trọt

Tác dụng giữ bức xạ nhiệt này của lợp kính được gọi là hiệu ứng nhà kính.

3.2. Hiệu ứng nhà kính khí quyển

Mặt Trời truyền về Trái Đất một lượng năng lượng khổng lồ dưới hình bức xạ nhiệt.

Bầu khí quyển bao quanh Trái Đất giữ lại bức xạ nhiệt của Trái Đất làm cho bề mặt của Trái Đất và không khí bao quanh nóng lên.

Hiệu ứng này của bầu khí quyển được gọi là hiệu ứng nhà kính khí quyển hoặc hiệu ứng nhà kính và khí carbon dioxide (CO₂) đóng vai trò quan trọng nhất trong việc gây ra hiệu ứng nhà kính.

Hiệu ứng nhà kính khí quyển