Nhiệt dung riêng là gì? Công thức tính, đơn vị đo và bảng nhiệt dung riêng của các chất phổ biến

Trong quá trình học vật lý và hóa học, có những đại lượng vừa quen vừa dễ gây nhầm lẫn vì chúng liên quan trực tiếp đến nhiệt và sự thay đổi nhiệt độ. Nhiệt dung riêng là một trong số đó. Chỉ một đại lượng nhỏ nhưng lại giúp giải thích vì sao có chất nóng lên rất nhanh, có chất lại giữ nhiệt lâu. Đây cũng là công cụ quan trọng để tính nhiệt lượng trong nhiều bài tập và trong các lĩnh vực thực tế như công nghiệp vật liệu, kỹ thuật nhiệt hay sản xuất thực phẩm.

Nếu bạn từng thắc mắc vì sao nước có thể hấp thụ rất nhiều nhiệt mà vẫn tăng nhiệt độ chậm, hoặc vì sao kim loại lại nóng lên nhanh hơn không khí, câu trả lời thường gắn với giá trị nhiệt dung riêng của từng chất. Trong bài viết này, FPT Shop sẽ giúp bạn hiểu rõ bản chất, ký hiệu, đơn vị, công thức tính và cách xác định đại lượng này theo đúng outline học thuật nhưng vẫn dễ hình dung và mạch lạc.

Nhiệt dung riêng là gì?

Nhiệt dung riêng là đại lượng đo khả năng hấp thụ hoặc tỏa nhiệt của một chất khi nhiệt độ của chất đó thay đổi. Cụ thể hơn, đó là lượng nhiệt cần truyền cho 1 kg chất để nhiệt độ của nó tăng thêm 1 K hoặc 1 độ C. Khi chất nguội đi, đại lượng này cũng cho biết lượng nhiệt mà 1 kg chất phải tỏa ra để nhiệt độ giảm đi 1 đơn vị.

Nhờ vậy, nhiệt dung riêng giúp chúng ta so sánh mức “dễ nóng” hoặc “giữ nhiệt” của các chất khác nhau. Một chất có nhiệt dung riêng lớn sẽ cần nhiều nhiệt hơn để tăng nhiệt độ, nên thường nóng lên chậm nhưng giữ nhiệt tốt. Ngược lại, chất có nhiệt dung riêng nhỏ thường nóng nhanh và cũng nguội nhanh hơn.

Điều quan trọng là giá trị của đại lượng này không cố định tuyệt đối trong mọi hoàn cảnh. Nó có thể thay đổi theo nhiệt độ, áp suất hoặc trạng thái vật chất như rắn, lỏng, khí. Do cấu trúc phân tử và sự tương tác giữa các phân tử không giống nhau, mỗi chất sẽ có một giá trị khác nhau, tạo ra những khác biệt rất rõ trong thực tế.

Ký hiệu, đơn vị tính của nhiệt dung riêng

Trong các tài liệu và đề bài, nhiệt dung riêng thường được ký hiệu là c hoặc C. Ký hiệu c thường gặp trong công thức nhiệt lượng phổ thông ở bậc phổ thông, còn C đôi khi xuất hiện trong các tài liệu kỹ thuật hoặc khi muốn nhấn mạnh đại lượng của chất.

Đơn vị tính theo hệ SI

Đơn vị chuẩn quốc tế của nhiệt dung riêng là: J/(kg.K)

Ngoài ra, một số tài liệu chuyên sâu còn dùng đơn vị: J/(mol.K). Đơn vị này thường xuất hiện khi xét theo lượng chất tính bằng mol, phù hợp với hóa học và nhiệt động lực học.

Vì sao đơn vị lại là J/(kg.K)?

Vì đại lượng này thể hiện năng lượng cần cho mỗi kg chất khi tăng nhiệt độ thêm 1 K. Một đơn vị nhiệt dung riêng càng lớn, chất càng “khó nóng”. Đây là lý do nước thường được dùng để làm chất làm mát trong nhiều thiết bị vì nó hấp thụ nhiệt rất tốt.

Công thức tính và nhiệt dung riêng của từng chất

Để hiểu rõ cách tính, cần bắt đầu từ công thức nhiệt lượng. Khi một vật hấp thụ hoặc tỏa nhiệt và nhiệt độ thay đổi, ta sử dụng biểu thức: Q = m.c.Δt

Trong đó:

• Q là nhiệt lượng, đơn vị J
• m là khối lượng của vật, đơn vị kg
• c là nhiệt dung riêng của chất, đơn vị J/(kg.K)
• Δt là độ biến thiên nhiệt độ, tính bằng K hoặc độ C

Đây là công thức quan trọng nhất khi làm bài tập về nhiệt học. Nếu biết 3 đại lượng, ta có thể tìm được đại lượng còn lại. Trong nhiều bài toán, Δt được tính bằng t2 trừ t1. Khi vật nóng lên thì Δt dương, khi vật nguội đi thì Δt âm, nhưng trong bài tập phổ thông thường quan tâm đến độ lớn nhiệt lượng nên có thể lấy trị tuyệt đối nếu chỉ hỏi lượng nhiệt cần cung cấp hoặc tỏa ra.

Giá trị dưới đây thường được dùng trong bài tập và tài liệu tham khảo cơ bản. Tùy điều kiện, giá trị có thể thay đổi nhẹ nhưng nhìn chung đủ để tính toán:

• Nước: 4200 J/(kg.K)
• Đá: 1800 J/(kg.K)
• Đồng: 380 J/(kg.K)
• Không khí: 1005 J/(kg.K)
• Chì: 130 J/(kg.K)
• Dầu: 1670 J/(kg.K)
• Hidro: 14300 J/(kg.K)
• Inox 304: 460 J/(kg.K)
• Sắt: 460 J/(kg.K)
• CO2: 750 J/(kg.K)
• Oxi: 920 J/(kg.K)
• Rượu: 2500 J/(kg.K)
• Nhôm: 880 J/(kg.K)
• Đất: 800 J/(kg.K)
• Thép: 460 J/(kg.K)

Nhìn vào bảng, có thể thấy nước có giá trị rất lớn so với kim loại như đồng hay chì. Điều đó giải thích vì sao kim loại nóng lên nhanh hơn nhiều so với nước khi cùng nhận một lượng nhiệt.

Tính nhiệt dung riêng của nước

Nước là chất thường xuyên xuất hiện trong bài tập vì có giá trị lớn và ứng dụng thực tế rộng. Trong đời sống, nước hấp thụ nhiệt tốt nên được dùng để làm mát động cơ, ổn định nhiệt độ và bảo quản nhiệt trong nhiều hệ thống. Ở chương trình phổ thông, giá trị chuẩn thường dùng là 4200 J/(kg.K).

Tính C của nước với nhiệt độ

Trong nhiều bài tập, nhiệt độ thường được tính bằng độ C, nhưng đơn vị của nhiệt dung riêng theo hệ SI là J/(kg.K). Khi xét độ biến thiên nhiệt độ, sự chênh lệch 1 K tương ứng với 1 độ C. Vì vậy, khi dùng Δt, bạn có thể dùng độ C hoặc K đều được, miễn là thống nhất.

Một số tài liệu chuyên sâu có nhắc việc quy đổi theo nhiệt độ tuyệt đối K, với công thức: K = độ C + 273.15

Tuy nhiên, trong bài toán nhiệt lượng Q = m.c.Δt, điều quan trọng là Δt là độ tăng giảm, nên 1 K bằng 1 độ C về độ chênh lệch. Do đó, cách làm phổ biến là dùng c = 4200 J/(kg.K) và Δt tính bằng độ C.

Ví dụ: Đun 2 kg nước từ 25 độ C lên 60 độ C

• Δt = 60 trừ 25 = 35
• Q = 2 x 4200 x 35 = 294000 J, tức khoảng 294 kJ.

Ví dụ này cho thấy chỉ cần thay đổi nhiệt độ một lượng không lớn, lượng nhiệt cần để làm nóng nước cũng khá lớn, lý do đến từ nhiệt dung riêng của nước cao.

Tính nhiệt dung riêng của chất bằng nhiệt lượng kế

Ngoài việc tra bảng, trong thực nghiệm người ta có thể xác định nhiệt dung riêng bằng nhiệt lượng kế. Đây là thiết bị dùng để đo lượng nhiệt trao đổi trong một quá trình, từ đó suy ra đại lượng cần tìm.

Cách hiểu đơn giản như sau. Nếu ta truyền một nhiệt lượng Q cho vật có khối lượng m, làm nhiệt độ tăng từ t1 lên t2, thì nhiệt dung riêng của vật được tính theo: c = Q / (m.(t2 trừ t1))

Trong thực nghiệm, nhiệt lượng Q có thể được xác định thông qua sự thay đổi nhiệt độ của nước và của nhiệt lượng kế. Vì nước có nhiệt dung riêng đã biết, nên nếu đo được nhiệt độ trước và sau, ta có thể suy ra lượng nhiệt trao đổi, từ đó tính ngược lại giá trị của chất cần đo.

Trong thực tế công nghiệp, cách đo này thường áp dụng khi cần xác định tính chất nhiệt của vật liệu mới, từ đó phục vụ thiết kế lò nung, hệ thống gia nhiệt hoặc vật liệu cách nhiệt.

Ví dụ áp dụng công thức tính nhiệt lượng

Giả sử cần làm nóng 2 kg thép cacbon từ 20 độ C lên 100 độ C. Biết nhiệt dung riêng của thép cacbon là 490 J/(kg.độ C).

Ta có: Δt = 100 trừ 20 = 80

=> Q = m.c.Δt = 2 x 490 x 80 = 78400 J, tức khoảng 78.4 kJ

Ví dụ này cho thấy kim loại có nhiệt dung riêng nhỏ hơn nước rất nhiều, nên cùng khối lượng và cùng độ tăng nhiệt độ, lượng nhiệt cần cung cấp cho thép sẽ thấp hơn nước đáng kể.

Kết luận

Nhiệt dung riêng là đại lượng nền tảng giúp mô tả khả năng hấp thụ và tỏa nhiệt của vật chất khi nhiệt độ thay đổi. Nhờ công thức Q = m.c.Δt, bạn có thể tính nhanh nhiệt lượng cần thiết để làm nóng hoặc làm nguội một vật, đồng thời hiểu rõ vì sao các chất khác nhau lại phản ứng khác nhau trước cùng một nguồn nhiệt. Khi nắm được ký hiệu, đơn vị và bảng giá trị phổ biến, việc giải bài tập sẽ nhẹ nhàng hơn rất nhiều, đồng thời kiến thức này cũng có giá trị thực tế trong kỹ thuật và công nghiệp.

Học các chuyên đề nhiệt học sẽ dễ hiểu hơn khi bạn có thiết bị đủ mượt để xem video minh họa, tra công thức và làm bài tập mọi lúc. Tại FPT Shop, bạn có thể chọn laptop, máy tính bảng hoặc smartphone phù hợp nhu cầu học tập, kèm ưu đãi và chính sách bảo hành rõ ràng. Ghé FPT Shop để trải nghiệm và chọn thiết bị phù hợp, giúp việc học vật lý nhẹ hơn mỗi ngày.

Xem thêm: 

• Công thức tính nhiệt lượng và nhiệt lượng tỏa ra là gì? Cách tính chi tiết dành cho bạn
• Cách tính biên độ nhiệt và những ứng dụng thực tiễn trong học tập, đời sống