Bài học

Dẫn nhiệt là gì?

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được cơ chế dẫn nhiệt trong chất rắn ở cấp độ hạt, phân biệt được chất dẫn nhiệt tốt và chất dẫn nhiệt kém, và dự đoán được chiều truyền nhiệt trong một vật khi biết đầu nào đang được đun nóng.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở bài Năng lượng nhiệt và nhiệt độ (chương trước), em đã học năng lượng nhiệt của một vật gắn với chuyển động của các hạt (phân tử, nguyên tử) cấu tạo nên vật, và năng lượng nhiệt của một vật có thể thay đổi qua hai con đường: thực hiện công hoặc truyền nhiệt. Chương này đi sâu vào con đường thứ hai, bắt đầu bằng hình thức truyền nhiệt đầu tiên — dẫn nhiệt.

Khởi động

Vào một buổi tối lạnh, em cầm một chiếc thìa kim loại và một chiếc thìa gỗ, cùng đặt trong bát canh nóng. Sau vài phút, cán thìa kim loại nóng lên rõ rệt, còn cán thìa gỗ gần như vẫn mát tay. Vì sao hai chiếc thìa, cùng ở trong một bát canh, lại nóng lên khác nhau như vậy?

Kiến thức trọng tâm

Dẫn nhiệt là hình thức truyền nhiệt bằng cách các hạt (nguyên tử, phân tử) trong vật truyền động năng cho hạt bên cạnh thông qua va chạm, mà bản thân khối chất không dịch chuyển đi đâu cả. Đây là hình thức truyền nhiệt xảy ra chủ yếu ở chất rắn.

Ở cấp độ hạt, cơ chế diễn ra như sau: tại vùng được đun nóng, các hạt dao động mạnh hơn (mang nhiều động năng hơn); chúng va chạm với các hạt liền kề và truyền bớt động năng cho hạt đó; hạt liền kề lại dao động mạnh hơn và tiếp tục truyền cho hạt kế tiếp. Cứ như vậy, năng lượng nhiệt lan dần từ vùng nóng sang vùng lạnh dọc theo vật, và luôn cần một khoảng thời gian nhất định — không truyền tức thời.

Không phải chất nào cũng dẫn nhiệt nhanh như nhau. Chất dẫn nhiệt tốt gồm hầu hết kim loại — đồng, nhôm, sắt — vì trong kim loại có các electron gần như tự do di chuyển khắp khối chất, mang năng lượng đi rất nhanh, cộng thêm sự va chạm giữa các hạt trong mạng tinh thể xếp khít nhau. Chất dẫn nhiệt kém gồm gỗ, nhựa, thuỷ tinh, và đặc biệt là không khí — cấu trúc hạt trong các chất này liên kết lỏng lẻo hơn hoặc khoảng cách giữa các hạt lớn hơn (như chất khí), khiến việc truyền động năng qua va chạm chậm hơn nhiều so với kim loại. Không khí là một trong những chất dẫn nhiệt kém nhất mà em thường gặp — đây là lý do một lớp không khí đứng yên lại có thể đóng vai trò cách nhiệt, điều em sẽ gặp lại ở một chương sau.

**Dẫn nhiệt** là hình thức truyền nhiệt bằng cách các hạt (nguyên tử, phân tử) trong vật truyền động năng cho hạt bên cạnh thông qua va chạm, mà bản thân khối chất không dịch chuyển đi đâu cả. Đây là hình thức truyền nhiệt xảy ra chủ yếu ở chất rắn. Ở cấp độ hạt, cơ chế diễn ra như sau: tại vùng được đun nóng, các hạt dao động mạnh hơn (mang nhiều động năng hơn); chúng va chạm với các hạt liền kề và truyền bớt động năng cho hạt đó; hạt liền kề lại dao động mạnh hơn và tiếp tục truyền cho hạt kế tiếp. Cứ như vậy, năng lượng nhiệt lan dần từ vùng nóng sang vùng lạnh dọc theo vật, và luôn cần một khoảng thời gian nhất định — không truyền tức thời. Không phải chất nào cũng dẫn nhiệt nhanh như nhau. **Chất dẫn nhiệt tốt** gồm hầu hết kim loại — đồng, nhôm, sắt — vì trong kim loại có các electron gần như tự do di chuyển khắp khối chất, mang năng lượng đi rất nhanh, cộng thêm sự va chạm giữa các hạt trong mạng tinh thể xếp khít nhau. **Chất dẫn nhiệt kém** gồm gỗ, nhựa, thuỷ tinh, và đặc biệt là không khí — cấu trúc hạt trong các chất này liên kết lỏng lẻo hơn hoặc khoảng cách giữa các hạt lớn hơn (như chất khí), khiến việc truyền động năng qua va chạm chậm hơn nhiều so với kim loại. Không khí là một trong những chất dẫn nhiệt kém nhất mà em thường gặp — đây là lý do một lớp không khí đứng yên lại có thể đóng vai trò cách nhiệt, điều em sẽ gặp lại ở một chương sau.

Ví dụ

Giải thích chiều dẫn nhiệt trong thanh kim loại

1
Một thanh sắt dài được cắm một đầu vào bếp than đang cháy, đầu còn lại cầm trong tay, không chạm lửa trực tiếp. Sau vài phút, đầu tay cầm cũng ấm dần lên. Hãy giải thích hiện tượng bằng khái niệm dẫn nhiệt.
2
Ta có đầu thanh sắt cắm trong than đang cháy nhận năng lượng nhiệt trực tiếp từ ngọn lửa, các hạt sắt tại đó dao động rất mạnh.
3
Vì sắt là kim loại, dẫn nhiệt tốt, các hạt tại đầu nóng va chạm và truyền dần động năng cho các hạt liền kề dọc theo thanh, cứ thế lan tới đầu tay cầm.
4
Vậy nhiệt được truyền từ đầu nóng (trong than) sang đầu lạnh (tay cầm) dọc theo thanh sắt nhờ dẫn nhiệt, dù bản thân thanh sắt không hề di chuyển và tay không chạm trực tiếp vào lửa.

Ví dụ

So sánh khả năng dẫn nhiệt qua thí nghiệm sáp chảy

1
Ba thanh kim loại đồng, nhôm, sắt có cùng kích thước, được gắn các viên sáp cách đều dọc thân, đun nóng đồng thời tại một đầu chung. Kết quả đo được thời gian để viên sáp gần đầu đun nhất chảy hết: đồng 40 giây, nhôm 55 giây, sắt 90 giây. Hãy sắp xếp khả năng dẫn nhiệt của ba kim loại theo thứ tự giảm dần và giải thích.
2
Ta có: sáp chảy càng nhanh chứng tỏ nhiệt truyền tới vị trí đó càng nhanh, tức kim loại đó dẫn nhiệt càng tốt. Thời gian sáp chảy và khả năng dẫn nhiệt tỉ lệ nghịch với nhau.
3
Do đó, vì $40 < 55 < 90$ (giây), khả năng dẫn nhiệt giảm dần theo thứ tự: đồng $>$ nhôm $>$ sắt.
Do đó, vì $40 < 55 < 90$ (giây), khả năng dẫn nhiệt giảm dần theo thứ tự: đồng $>$ nhôm $>$ sắt.
4
Vậy đồng dẫn nhiệt tốt nhất trong ba kim loại này, tiếp đến nhôm, rồi đến sắt — phù hợp với thực tế đáy nồi, chảo thường được làm bằng đồng hoặc nhôm khi cần truyền nhiệt nhanh từ bếp vào thức ăn.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ chất rắn nào cũng dẫn nhiệt tốt như nhau, hoặc cho rằng gỗ và nhựa hoàn toàn KHÔNG dẫn nhiệt. Thực ra mọi chất đều dẫn nhiệt được, chỉ khác nhau về TỐC ĐỘ; gỗ và nhựa vẫn dẫn nhiệt nhưng rất chậm nên được gọi là "dẫn nhiệt kém" chứ không phải "không dẫn nhiệt".

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Dẫn nhiệt là truyền nhiệt qua va chạm giữa các hạt liền kề, xảy ra chủ yếu trong chất rắn, luôn theo chiều nóng sang lạnh. Kim loại dẫn nhiệt tốt (đồng > nhôm > sắt); gỗ, nhựa, không khí dẫn nhiệt kém.

Bài tiếp theo áp dụng chính tính chất dẫn nhiệt tốt/kém này để giải thích cách chọn vật liệu đúng cho từng bộ phận của dụng cụ nấu ăn, quần áo và nhiều thiết bị khác trong đời sống và kỹ thuật.