Bài học

Vận dụng dẫn nhiệt trong đời sống và kỹ thuật

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em vận dụng được kiến thức về chất dẫn nhiệt tốt/kém để giải thích vì sao các bộ phận khác nhau của một dụng cụ, thiết bị lại được làm từ những vật liệu khác nhau, và đề xuất được vật liệu phù hợp cho một tình huống mới.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã học: kim loại (đồng, nhôm, sắt) dẫn nhiệt tốt; gỗ, nhựa, không khí dẫn nhiệt kém; nhiệt luôn truyền từ nơi nóng sang nơi lạnh. Bài này áp dụng đúng nguyên lý đó vào các tình huống mô tả bằng ngôn ngữ đời sống — em phải tự nhận diện vật liệu và giải thích lý do lựa chọn thiết kế.

Khởi động

Ấm siêu tốc thường có thân bằng kim loại (để nước sôi nhanh), nhưng phần tay cầm luôn bọc nhựa dày. Nếu nhà sản xuất đổi phần tay cầm này thành kim loại giống thân ấm, điều gì sẽ xảy ra khi đun nước và ai sẽ gặp nguy hiểm?

Kiến thức trọng tâm

Đáy nồi, đế bàn ủi, cánh tản nhiệt của máy tính hay xe máy đều làm bằng kim loại — thường là đồng hoặc nhôm vì vừa nhẹ, vừa rẻ, vừa dẫn nhiệt tốt — để nhiệt từ nguồn (bếp, dòng điện, động cơ) truyền ra càng nhanh càng tốt. Cánh tản nhiệt còn được làm thành nhiều lá mỏng xếp sát nhau để tăng diện tích tiếp xúc với không khí, giúp nhiệt từ linh kiện bên trong thoát ra ngoài nhanh hơn nữa.

Ngược lại, tay cầm nồi, cán chảo, vỏ ngoài của bàn ủi, tay cầm ấm siêu tốc lại làm bằng nhựa chịu nhiệt hoặc gỗ — chất dẫn nhiệt kém — để hạn chế nhiệt truyền tới tay người dùng, tránh bỏng dù phần kim loại bên trong đang rất nóng.

Quần áo mùa đông cũng tuân theo nguyên lý tương tự nhưng theo một cách gián tiếp: mặc nhiều lớp áo mỏng thường ấm hơn một lớp áo dày có cùng tổng độ dày, vì giữa các lớp vải mỏng có những lớp không khí mỏng bị giữ lại — mà không khí là chất dẫn nhiệt rất kém, nên càng nhiều lớp không khí xen giữa thì nhiệt cơ thể càng khó thoát ra ngoài. Ý tưởng "dùng không khí để cách nhiệt" này sẽ còn xuất hiện nhiều lần ở các chương sau.

Nguyên tắc thiết kế dựa trên khả năng dẫn nhiệt rất đơn giản: bộ phận nào cần truyền nhiệt NHANH thì làm bằng chất dẫn nhiệt tốt; bộ phận nào cần hạn chế truyền nhiệt (để giữ an toàn cho người dùng hoặc giữ nhiệt cho vật) thì làm bằng chất dẫn nhiệt kém. Đáy nồi, đế bàn ủi, cánh tản nhiệt của máy tính hay xe máy đều làm bằng kim loại — thường là đồng hoặc nhôm vì vừa nhẹ, vừa rẻ, vừa dẫn nhiệt tốt — để nhiệt từ nguồn (bếp, dòng điện, động cơ) truyền ra càng nhanh càng tốt. Cánh tản nhiệt còn được làm thành nhiều lá mỏng xếp sát nhau để tăng diện tích tiếp xúc với không khí, giúp nhiệt từ linh kiện bên trong thoát ra ngoài nhanh hơn nữa. Ngược lại, tay cầm nồi, cán chảo, vỏ ngoài của bàn ủi, tay cầm ấm siêu tốc lại làm bằng nhựa chịu nhiệt hoặc gỗ — chất dẫn nhiệt kém — để hạn chế nhiệt truyền tới tay người dùng, tránh bỏng dù phần kim loại bên trong đang rất nóng. Quần áo mùa đông cũng tuân theo nguyên lý tương tự nhưng theo một cách gián tiếp: mặc nhiều lớp áo mỏng thường ấm hơn một lớp áo dày có cùng tổng độ dày, vì giữa các lớp vải mỏng có những lớp không khí mỏng bị giữ lại — mà không khí là chất dẫn nhiệt rất kém, nên càng nhiều lớp không khí xen giữa thì nhiệt cơ thể càng khó thoát ra ngoài. Ý tưởng "dùng không khí để cách nhiệt" này sẽ còn xuất hiện nhiều lần ở các chương sau.

Số liệu minh hoạ từ thí nghiệm cầm thử cán nồi đặt trong nước sôi, thể hiện vì sao cán kim loại nóng tay rất nhanh còn cán gỗ, cán nhựa an toàn hơn nhiều.

Ví dụ

Giải thích vì sao đáy nồi bằng kim loại, tay cầm bọc nhựa

1
Một chiếc nồi nấu ăn có đáy bằng nhôm nhưng tay cầm được bọc một lớp nhựa dày. Hãy giải thích lựa chọn vật liệu này dựa trên chức năng của từng bộ phận.
2
Ta có đáy nồi cần tiếp xúc trực tiếp với bếp và truyền nhiệt nhanh vào thức ăn bên trong, nên cần một chất dẫn nhiệt tốt — nhôm phù hợp vì vừa dẫn nhiệt tốt vừa nhẹ.
3
Do tay cầm là bộ phận người dùng chạm trực tiếp trong lúc nồi đang nóng, nó cần dẫn nhiệt kém để hạn chế nhiệt truyền tới tay, tránh bỏng — nhựa chịu nhiệt đáp ứng đúng yêu cầu này.
4
Vậy việc dùng hai vật liệu khác nhau trong cùng một chiếc nồi không phải ngẫu nhiên, mà xuất phát từ hai chức năng đối lập: đáy nồi cần dẫn nhiệt tốt, tay cầm cần dẫn nhiệt kém.

Ví dụ

Đọc biểu đồ, xác định cán nồi an toàn ở một mốc thời gian cho trước

1
Dựa vào biểu đồ thời gian nóng tay ở trên, một người cầm liên tục cán nồi trong 120 giây. Hỏi cán nhôm và cán nhựa chịu nhiệt, cán nào vẫn còn an toàn để cầm ở thời điểm đó? Giải thích.
2
Ta có: cán nhôm bắt đầu gây nóng tay sau 15 giây; cán nhựa chịu nhiệt bắt đầu gây nóng tay sau 360 giây.
3
Vì $120 > 15$ , cán nhôm đã "quá" mốc an toàn từ rất lâu trước khi đạt 120 giây. Vì $120 < 360$ , cán nhựa vẫn còn cách mốc bắt đầu nóng tới $360 - 120 = 240$ giây.
Vì $120 > 15$, cán nhôm đã "quá" mốc an toàn từ rất lâu trước khi đạt 120 giây. Vì $120 < 360$, cán nhựa vẫn còn cách mốc bắt đầu nóng tới $360 - 120 = 240$ giây.
4
Vậy tại thời điểm 120 giây, cán nhựa chịu nhiệt vẫn an toàn để cầm, còn cán nhôm đã trở nên nguy hiểm — đúng như thực tế không ai thiết kế cán nồi bằng kim loại trần.

Sai lầm thường gặp

Một số em cho rằng vật liệu dẫn nhiệt kém thì "cách nhiệt hoàn toàn", hoàn toàn không truyền nhiệt. Cần nhớ nó vẫn truyền nhiệt, chỉ chậm hơn nhiều — nên nếu cầm cán nhựa hay cán gỗ đủ lâu (vài trăm giây trở lên trong ví dụ trên), tay vẫn sẽ cảm thấy nóng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Bộ phận cần truyền nhiệt nhanh (đáy nồi, đế bàn ủi, cánh tản nhiệt) dùng kim loại dẫn nhiệt tốt; bộ phận cần hạn chế truyền nhiệt (tay cầm, cán, vỏ cách nhiệt) dùng chất dẫn nhiệt kém (nhựa, gỗ) hoặc tận dụng lớp không khí xen giữa.

Chương tiếp theo học hình thức truyền nhiệt thứ hai — đối lưu — xảy ra khi chính khối chất lỏng hoặc khí di chuyển mang theo nhiệt, khác hẳn với dẫn nhiệt chỉ truyền nhiệt tại chỗ qua va chạm hạt.