CÁC ĐỊNH NGHĨA

2.1. Đơn vị nhiệt lượng

Đơn vị của nhiệt lượng là calo. Một calo (cal) là nhiệt lượng cần thiết để làm 1 gam nước tăng lờn 1 độ C

1 Cal = 4,184 J

Trong dinh dưỡng, đơn vị thường được dựng là kilocalo (kCal) 1 kcal = 1000 cal

2.2. Nhiệt dung riờng

Nhiệt dung riờng là nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một gam vật chất lờn 10C.

Chất Nhiệt dung riờng (cal/g.0C)

Nước Băng (ice)

Trung bỡnh trờn cơ thể người Đất trồng Nhụm Protein 1 0,48 0,83 0,2 đến 0,8 phụ thuộc vào hàm lượng nước trong đú

0,214 0,4

Cơ thể sống được cấu tạo từ cỏc thành phần nước, protein, chất mỡ, và cỏc khoỏng chất. Với 75 % nước, 25 % protein, thỡ nhiệt dung riờng của cơ thể sẽ là:

Nhiệt dung riờng = 0,75 . 1 + 0,25 . 0,4 = 0,85

Nhiệt dung riờng trung bỡnh của cơ thể cỡ 0,83 nhờ sự cú thờm của mỡ và chất khoỏng.

2.3. Ẩn nhiệt

Để chuyển chất rắn thành chất lỏng tại cựng một nhiệt độ hoặc chuyển chất lỏng thành chất khớ, thỡ cần phải cung cấp nhiệt lượng cho chất đú. Năng lượng này được gọi là ẩn nhiệt. Ẩn nhiệt của sự núng chảy là lượng năng lượng cần thiết để chuyển 1 gam chất rắn sang chất lỏng. Ẩn nhiệt của sự bay hơi là lượng nhiệt cần thiết để chuyển 1 gam chất lỏng thành chất khớ.

2.4. Truyền nhiệt 2.4.1. Dẫn nhiệt

Nếu một đầu của thanh rắn được đặt ở gần nguồn nhiệt, chẳng hạn như ngọn lửa, sau một lỳc đầu kia của thanh cũng trở nờn núng. Trong trường hợp này, nhiệt được truyền từ ngọn lửa qua thanh nhờ dẫn nhiệt. Quỏ trỡnh dẫn nhiệt liờn quan đến sự tăng nội năng trong vật liệu. Nhiệt đi truyền vào một đầu của thanh làm tăng nội năng của cỏc nguyờn tử ở gần nguồn nhiệt. Trong vật rắn, nội năng

là năng lượng dao động của cỏc nguyờn tử ở nỳt mạng và cỏc động năng của cỏc electron tự do (cú trong một số vật liệu, như trong kim loại). Khi tăng nhiệt được truyền vào thỡ cả dao động ngẫu nhiờn của nguyờn tử và tốc độ chuyển động của cỏc electron đều tăng. Việc tăng dao động của cỏc nguyờn tử sẽ được truyền đi nhờ va chạm với cỏc nguyờn tử lõn cận. Tuy nhiờn vỡ cỏc nguyờn tử trong vật rắn thỡ liờn kết chặt chẽ, chuyển động của chỳng bị hạn chế. Vỡ vậy truyền nhiệt bằng dao động nguyờn tử thỡ chậm.

Trong một số vật liệu, electron trong nguyờn tử cú đủ năng lượng để thoỏt khỏi liờn kết với hạt nhõn và trở thành những electron tự do. Cỏc electron này di chuyển nhanh chúng khắp vật liệu, do đú khi chỳng được tăng năng lượng, chỳng sẽ truyền đi một cỏch nhanh chúng cho những electron và nguyờn tử lõn cận. Theo cỏch này, cỏc electron tự do truyền sự tăng nội năng đi theo thanh một cỏch nhanh chúng. Cỏc vật liệu như kim loại, cú nhiều electron tự do, nờn dẫn nhiệt tốt; cỏc vật liệu như gỗ, khụng cú electron tự do, nờn cỏch nhiệt.

Lượng nhiệt Hc được dẫn qua khối vật liệu trong một đơn vị thời gian, cho bởi:

T1 T2 L A K H c c  

Trong đú: A là tiết diện của khối, L là chiều dài, và T1 – T2 là chờnh lệch nhiệt độ giữa hai đầu. Hằng số Kc là hệ số dẫn nhiệt, cú đơn vị (cal.cm/cm2.0C). Tuy nhiờn, trong hệ thống sống, thương dựng đơn vị thuận tiện là Calcm/m2.h.0C.

Vật liệu Hệ số dẫn nhiệt Kc (Cal.cm /m2.h.0C )

Bạc

Mụ (chưa tớnh đến tưới mỏu) Nỉ lút giày Nhụm 3,6 .104 18 0,36 1,76 . 104 2.4.2. Đối lưu

Trong vật rắn, truyền nhiệt xảy ra bằng dẫn nhiệt; trong chất lưu (chất khớ và chất lỏng), quỏ trỡnh truyền nhiệt chủ yếu bằng đối lưu. Khi một chất lỏng hoặc chất khớ được nung núng, cỏc phõn tử ở gần nguồn nhiệt tăng năng lượng và cú xu hướng chuyển động ra xa nguồn nhiệt. Vỡ vậy, chất lưu ở gần nguồn nhiệt sẽ cú khối lượng riờng (hay mật độ) sẽ giảm. Chất lưu ở những vựng cú mật độ cao hơn sẽ ựa vào chiếm chỗ, tạo nờn những dũng đối lưu. Những dũng này mang năng lượng từ nguồn nhiệt truyền ra xa. Khi năng lượng của cỏc phõn tử trong dũng đối lưu nhiệt đến tiếp xỳc với vật rắn, chỳng sẽ truyền năng lượng của chỳng cho cỏc nguyờn tử vật rắn, làm tăng nội năng cho vật rắn. Theo cỏch này, nhiệt được truyền vào vật rắn.

Lượng nhiệt truyền bằng đối lưu trong một đơn vị thời gian H’

c được cho bởi:

 1 2

'

' K AT T

Hc  c 

Trong đú: A là diện tớch tiếp xỳc với dũng đối lưu, T1 – T2 là sự chờnh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và dũng chất lưu, '

c

K là hệ số truyền nhiệt bằng đối lưu, hệ số này phụ thuộc vào vận tốc của dũng đối lưu.

2.4.3. Bức xạ nhiệt:

Dao động của cỏc hạt mang điện sẽ phỏt ra bức xạ điện từ, lan truyền từ nguồn đi ra xa với tốc độ ỏnh sỏng. Bức xạ điện từ mang theo năng lượng (được gọi là năng lượng điện từ), trong trường hợp điện tớch chuyển động thỡ năng lượng cú được từ

động năng của hạt mang điện.

Do cú nội năng, cỏc hạt luụn chuyển động hỗn loạn khụng ngừng. Cả điện tớch dương của hạt nhõn và điện tớch õm của electron đều dao động, vỡ vậy phỏt ra bức xạ điện từ. Theo cỏch này, nội năng chuyển thành bức xạ, được gọi là bức xạ nhiệt. Do mất nội năng, vật sẽ nguội đi. Lượng bức xạ phỏt ra bởi dao động của cỏc điện tớch tỉ lệ với tốc độ dao động. Vỡ vậy, vật núng phỏt ra nhiều bức xạ hơn vật lạnh. Bởi vỡ electron nhẹ hơn hạt nhõn rất nhiều, nờn chỳng di chuyển nhanh hơn và phỏt ra nhiều bức xạ hơn hạt nhõn.

Khi một vật tương đối lạnh, bức xạ do vật phỏt ra thuộc vựng bước súng dài, và mắt khụng nhỡn thấy được. Khi nhiệt độ (hay nội năng) của vật tăng, bước súng bức xạ phỏt ra ngắn lại. Ở nhiệt độ cao, một số bức xạ điện từ thuộc vựng nhỡn thấy, và vật được nhỡn thấy.

Khi bức xạ điện từ gặp phải một vật, những hạt mang điện trong vật sẽ chuyển động và gia tăng động năng. Bức xạ điện từ chuyển thành nội năng cho vật. Lượng bức xạ được hấp thụ bởi một vật liệu phụ thuộc vào thành phần của nú. Một số vật liệu như muội than đen, hấp thụ hầu hết bức xạ tới. Những vật liệu này thỡ dễ nung núng bởi bức xạ. Những vật liệu khỏc như thạch anh và hầu hết cỏc kớnh, bức xạ truyền qua vật với sự hấp thụ rất thấp. Sự phản xạ và truyền qua vật liệu thỡ ớt làm núng vật. Tốc độ phỏt xạ năng lượng bức xạ Hr trong một đơn vị diện tớch của một vật tại nhiệt độ T là

4 T e Hr   8 10 67 , 5     (W/m2.K4): hằng đố Stefan Boltzmann

e là độ phỏt xạ bề mặt, phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của bề mặt phỏt xạ. Giỏ trị của độ phỏt xạ nằm trong khoảng 0 đến 1. Phỏt xạ và hấp thụ bức xạ là hai hiện tượng cú liờn quan với nhau; những bề mặt hấp thụ mạnh thỡ cũng sẽ phỏt xạ mạnh, và độ hấp thụ gần với giỏ trị 1. Ngược lại, bề mặt khụng hấp thụ bức xạ thỡ nghốo phỏt xạ, độ phỏt xạ với thấp.

Một vật cú nhiệt độ T1 ở trong mụi trường cú nhiệt độ T2 sẽ phỏt xạ lẫn hấp thụ bức xạ. Tốc độ phỏt xạ năng lượng trong một đơn vị diện tớch là 4

1

T

e , và tốc độ năng lượng hấp thụ trong một đơn vị diện tớch 4

2

T

e . Giỏ trị e và  giống nhau cho cả quỏ trỡnh phỏt xạ và hấp thụ.

Nếu một cơ thể ở nhiệt độ T1 được đặt trong mụi trường cú nhiệt độ thấp hơn T2, năng lượng mất mỏt tổng hợp của cơ thể là:

 4 2 4 1 T T e Hr   

Nếu nhiệt độ của cơ thể thấp hơn nhiệt độ mụi trường, cơ thể thu năng lượng để với tốc độ như trờn.

Vớ dụ

Nhiệt độ tại bề mặt da của một người là 350C. Nhiệt độ mụi trường là 200C. Xỏc định tổng năng lượng mất mỏt từ da người do bức xạ trong 10 phỳt? Cho độ phỏt xạ của da là 0.9, diện tớch bề mặt của cơ thể người này là 1,5 m2.

Giải

Tổng năng lượng mất đi do bức xạ trong 1s từ da người này:

W T T Ae Hr ( 4) 5,67 10 8 1,5 0,9 (3084 2934) 125 2 4 1          

Tổng năng lượng mất mỏt từ da do bức xạ trong 10 phỳt:

J t

H

Q r  12510607,5104

NL bức xạ này tương đương năng lượng phỏt sỏng của hai búng đốn 60W