Công thức tính nhiệt lượng tỏa ra

Nhiệt là gì? Nhiệt lượng là gì? Nhiệt lượng có đặc điểm nào nổi bật? Xác định công thức tính nhiệt lượng tỏa ra và phương trình cân bằng nhiệt? Sự cân bằng nhiệt lượng trong lò hơi công nghiệp diễn ra như thế nào? Hãy cùng tìm hiểu các vấn đề trên qua bài viết sau của Mobitool .

Nhiệt là gì?

Nhiệt là một dạng năng lượng dự trữ trong vật chất dựa trên chuyển động nhiệt hỗn loạn của các hạt cấu thành nên vật chất. Các phân tử cấu tạo nên vật chất thường có sự chuyển động hỗn loạn không ngừng và nhờ vào đó mà chúng có động năng.

Động năng này được chia thành 3 loại:

• Động năng chuyển động khối tâm của phân tử
• Động năng trong dao động của các nguyên tử cấu thành nên phân tử quanh khối tâm chung.
• Động năng quay của phân tử quanh khối tâm

Tổng các loại động năng này của phân tử được gọi là nhiệt năng của vật hay có thể hiểu, nhiệt năng là tổng các loại động năng của các phân tử cấu tạo nên vật.

Nhiệt năng mối quan hệ chặt chẽ và tỷ lệ thuận với sự thay đổi của nhiệt độ. Khi nhiệt độ của vật càng cao thì các phân tử cấu tạo nên vật chuyển động càng nhanh, cùng với đó là nhiệt năng của vật càng lớn.

Nguyên lý truyền nhiệt

Sự truyền nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt lượng giữa hai môi trường với nhiệt độ khác nhau qua vách ngăn cách và cũng có thể là sự truyền nhiệt từ vật này sang vật khác thông qua hình thức truyền nhiệt.

Khi hai vật trao đổi nhiệt với nhau sẽ dựa theo nguyên lý:

• Nhiệt sẽ được truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn
• Sự truyền nhiệt xảy ra cho đến khi nhiệt độ của hai vật được cân bằng
• Nhiệt lượng do vật này tỏa ra sẽ bằng với nhiệt lượng vật kia thu vào.

Nhiệt sẽ được truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn

Nhiệt lượng là gì?

Nhiệt lượng có thể hiểu là phần nhiệt năng mà vật nhận được hay bị hao hụt, mất đi trong quá trình truyền nhiệt.

Nhiệt lượng của một vật thu vào để có thể làm nóng lên phụ thuộc vào ba yếu tố:

• Khối lượng của vật: khi khối lượng của vật càng lớn đồng nghĩa với việc nhiệt lượng của vật thu vào cũng càng lớn.
• Độ tăng nhiệt độ: khi độ tăng nhiệt của vật càng lớn thì nhiệt lượng mà vật hấp thụ cũng sẽ càng lớn.
• Chất cấu tạo nên vật: tùy thuộc vào mỗi chất lại có một nhiệt dung riêng khác nhau do đó, nhiệt lượng của chúng cũng khác nhau.

Đặc điểm của nhiệt lượng

• Nhiệt lượng của vật cần thu nhằm phục vụ cho quá trình làm nóng lên hoàn toàn phụ thuộc vào khối lượng của vật, độ tăng nhiệt độ của vật cùng nhiệt dung riêng của chất liệu làm nên nó.
• Nhiệt lượng riêng cao: là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng nhiên liệu trong bơm
• Nhiệt lượng riêng thấp: nhiệt lượng riêng cao loại trừ nhiệt bốc hơi của nước được giải phóng và tạo ra trong cả quá trình đốt cháy mẫu nhiên liệu.
• Nhiệt dung của nhiệt lượng kế: là lượng nhiệt cần thiết để đốt nóng nhiệt lượng kế lên 1 oC ở điều kiện tiêu chuẩn hay còn được gọi là giá trị nước của nhiệt lượng kế.

Nhiệt dung riêng là gì?

Nhiệt dung riêng được hiểu là những nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho một đơn vị đo của lượng chất đó. Cụ thể, dùng cho đo khối lượng hay số phân tử (mol,…). Theo hệ thống đơn vị đo lường chuẩn Vật lý của Quốc tế thì nhiệt dung riêng có đơn vị đo là Joule/ kilôgam/ Kelvin hay Joule/ mol/ Kelvin (ký hiệu J.Kg1.K1 hay J/kKg.K)).

Nhiệt dung riêng thường được dùng trong các phép tính nhiệt lượng trong quá trình gia công cho vật liệu xây dựng và phục vụ cho lựa chọn các vật liêu ở các chạm nhiệt.

Bảng nhiệt dung riêng của một số chất thường được sử dụng

Chất lỏng

Nhiệt dung riêng (J/kg.K)

• Nước 2,3.106
• Amoniac 1,4.106
• Rượu 0,9.106
• Thủy ngân 0,3.106

Công thức tính nhiệt lượng

Công thức tính nhiệt lượng Tỏa ra :

• Công thức tính nhiệt lượng: Q = m.c.∆t

Trong đó:

• Q là nhiệt lượng của vật thu vào hay tỏa ra. Đơn vị tính: Jun (J) hoặc KJ. Nó cũng có thể tính bằng đơn vị calo hay kcal (1kcalo = 1000 calo và 1 calo = 4,2J)
• m là khối lượng riêng của vật, được tính bằng kg
• c là nhiệt dung riêng được đo bằng J/kg.K. Nhiệt dung riêng của một chất cho ta biết được nhiệt lượng cần thiết để có thể làm 1 kg chất đó tăng lên 1 độ C.
• ∆t là sự thay đổi của nhiệt độ hay có thể hiểu là sự biến thiên nhiệt độ

∆t = t2 t1

• Nếu ∆t > 0 thì vật tỏa ra nhiệt
• Nếu ∆t < 0 thì vật thu nhiệt

Công thức tính nhiệt lượng tỏa ra ở trên điện trở

Q = RI2t

Trong đó:

• Q là nhiệt lượng tỏa ra. Đơn vị tính: J
• R là điện trở. Đơn vị tính: Ω
• I là cường độ dòng điện. Đơn vị tính: A
• t là thời gian nhiệt lượng tỏa ra

Phương trình cân bằng nhiệt và công thức tính nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy nhiên liệu

1. Phương trình cân bằng nhiệt

Qthu = Qtỏa

Trong đó:

• Qthu là tổng nhiệt lượng mà vật thu vào
• Qtỏa là tổng nhiệt lượng mà vật tỏa ra

Công thức tính nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy nhiên liệu

Q = q.m

Trong đó:

• Q là nhiệt lượng tỏa ra (đơn vị: J)
• q là năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu khi đốt cháy (đơn vị: J/kg)
• m là khối lượng nhiên liệu khi bị đốt cháy hoàn toàn (đơn vị tính: kg)

Cân bằng nhiệt lượng trong lò hơi công nghiệp

Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát trong lò

Nhiệt lượng sinh ra khi ta đốt nhiên liệu trong lò hơi chính là năng lượng mà nhiên liệu và không khí mang vào:

• Qđv = Qnl + Qkk

Nhiệt lượng này, một phần sẽ được sử dụng hữu ích để sinh hơi, phần nhỏ hơn bị mất đi (được gọi là tổn thất nhiệt).

• Qđv = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6

Trong đó:

• Q1 là nhiệt lượng sử dụng hữu ích để sinh hơi (đơn vị: Kj/Kg)
• Q2 là lượng tổn thất nhiệt vì khói thải mang ra ngoài lò hơi (đơn vị: Kj/Kg)
• Q3 là lượng tổn thất nhiệt bởi việc cháy không hoàn toàn về mặt hóa học (đơn vị: Kj/Kg)
• Q4 là lượng tổn thất nhiệt bởi việc cháy không hoàn toàn về mặt cơ học (đơn vị: Kj/Kg)
• Q5 là lượng tổn thất nhiệt vì tỏa nhiệt từ mặt ngoài tường lò ra không khí xung quanh (đơn vị: Kj/Kg)
• Q6 là lượng tổn thất nhiệt vì xỉ nóng mang ra bên ngoài (đơn vị: Kj/Kg)

Nhiệt lượng sinh ra do việc đốt cháy nhiên liệu trong lò hơi sẽ bằng nhiệt lượng được sử dụng hữu ích để sinh hơi và phần nhiệt bị tổn thất trong suốt quá trình thực hiện. Phương trình thể hiện sự cân bằng này được gọi là phương trình cân bằng nhiệt tổng quát của lò.

Qđv = Qnl + Qkk = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6

Nhiệt lượng được sinh ra khi đốt nhiên liệu trong lò hơi chính là năng lượng mà nhiên liệu và không khí mang vào

Xác định hiệu suất lò hơi

• Hiệu suất của lò hơi chính là tỷ số giữa lượng nhiệt được sử dụng hữu ích và lượng nhiệt cung cấp vào lò hơi.

h = Q1/Qđv. 100%

• Có thể xác định hiệu suất của lò hơi bằng hai phương pháp: phương pháp cân bằng thuận và phương pháp cân bằng nghịch.

Phương pháp cân bằng thuận

• Để có thể tính được hiệu suất của lò hơi theo phương pháp cân bằng thuận cần tính được lượng nhiệt sử dụng hữu ích (Q1) và lượng nhiệt cung cấp vào trong lò hơi (Qđv)
• Nhiệt sử dụng hữu ích hơi nhận được: Q1 + D(iqn i’nc)

Trong đó:

• D là sản lượng hơi của lò hơi (đơn vị: kg/h)
• iqn là entanpi hơi quá nhiệt (đơn vị: Kj/Kg)
• i’nc là entanpi nước ở đầu vào của bộ hâm nước (đơn vị: Kj/kg)

Lượng nhiệt do nhiên liệu sinh ra khi cháy (bỏ qua nhiệt lượng mà không khí mang vào): Q = BQlv. Trong đó: B là lượng nhiên liệu mà lò hơi tiêu thụ trong 1h (kg/h)

Như vậy, để xác định được hiệu suất của lò hơi theo phương pháp thuận cần xác định chính xác lượng tiêu hao nhiên liệu tương ứng với lượng hơi sản xuất ra. Phương pháp này chỉ áp dụng cho các lò hơi nhỏ với lượng tiêu hao nhiên liệu ít có thể được xác định chính xác và sản lượng hơi được tính bằng cách đo lượng nước cấp vào lò.

Phương pháp cân bằng nghịch

Đây là phương pháp sử dụng cho các lò lớn. Để tính hiệu suất của lò theo phương pháp này cần tính được các tổn thất nhiệt Q1, Q2, Q3. Q4, Q5, Q6

Q1 = Qđv Q2 Q3 Q4 Q5 Q6

Tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài lò hơi Q2 (%)

Tổn thất nhiệt do khói thải là việc mất một lượng nhiệt để có thể đốt nóng không khí và nhiên liệu từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ khói thải, ký hiệu là Q2 (%).

Hai yếu tố ảnh hưởng đến Q2 là hệ số không khí thừa ra khỏi lò hơi cùng nhiệt độ khói thải.

• Khi nhiệt độ của khói thải càng cao thì tổn thất Q2 càng lớn. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ khói thải thấp hơn so với nhiệt độ đọng sương sẽ gây ngưng đọng sương hơi nước trong khói, làm hòa tan SO2 tạo ra H2SO4 gây nên hiện tượng ăn mòn kim loại.
• Nếu hệ số không khí thừa càng lớn thì nhiệt độ cháy lý thuyết của quá trình sẽ giảm, từ đó làm giảm lượng nhiệt hấp thu bằng bức xạ của buồng lửa, dẫn đến việc nhiệt độ khói sau buồng lửa cũng tăng lên đông nghĩa với nhiệt độ khói thoát tăng. Bên cạnh đó, hệ số không khí thừa càng lớn thì thể tích khói thải cũng càng lờn và Q2 cũng sẽ lớn theo. Tổn thất nhiệt Q2 thường nằm trong khoảng 47%.

Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học Q3 (%)

• Khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn thì trong khói sẽ còn tồn tại một số chất khí cháy không hoàn toàn như CO, H2, CH4,… Những chất khí này vẫn có thể cháy và sinh ra nhiệt được nhưng đã bị thải ra ngoài khi chưa cháy, gây ra tổn thất nhiệt, còn gọi là tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về hóa học, ký hiệu là Q3 (%).
• Các yếu tố ảnh hưởng đến Q3 gồm: nhiệt độ buồng lửa và hệ số không khí thừa cùng phương thức xáo trộn giữa không khí với nhiên liệu trong buồng lửa. Khác với Q2, Q3 sẽ càng nhỏ khi hệ số không khí thừa càng lớn.

Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học Q4 (%)

• Nhiệt liệu sau khi đưa vào lò ó một phần chưa kịp cháy đã bị đưa ra ngoài theo các đường: bay theo khói, lọt qua ghi lò hay rơi xuống đáy buồng lửa cùng với xỉ gây ra tổn thất nhiệt được gọi là tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học.
• Các yếu tố ảnh hưởng đến loại tổn thất nhiệt này là: kích cỡ hạt, tính kết dính của tro, tốc độ và cách tổ chức cấp gió.

Tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh Q5 (%)

• Do bề mặt tường xung quanh của lò luôn có nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ môi trường xung quanh, vì vậy, luôn có sự tỏa nhiệt từ mặt ngoài tường lò đến môi trường xung quanh, gây nên tổn thất và nói gọi là tổn thất do tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh, được ký hiệu là Q5 (%)
• Loại tổn thất này bị ảnh hưởng bởi các yếu tố: nhiệt độ, diện tích bề mặt xung quanh của tường lò và chất lượng lớp cách nhiệt tường lò.

Tổn thất nhiệt do xỉ mang ra ngoài Q6 (%)

• Xỉ được sinh ra từ nhiên liệu trong quá trình cháy và sẽ thải ra khỏi lò ở nhiệt độ cao. Lò hơi cần phải mất một lượng nhiệt để có thể nâng nhiệt độ xỉ từ nhiệt độ bằng với nhiệt độ môi trường ban đầu vào đến nhiệt độ xỉ lúc ra khỏi lò, tổn thất này gọi là tổn thất nhiệt do xỉ mang ra ngoài, ký hiệu Q6 (%)
• Tổn thất nhiệt do xỉ mang ra ngoài phụ thuộc vào các yếu tố: nhiên liệu và phương pháp thải xỉ ra khỏi buồng lửa.

Các dạng bài tập về công thức tính nhiệt lượng

Bài tập 1: Hãy tính nhiệt lượng cần để có thể đun 5kg nước từ 15 oC đến 100 oC trong một cái thùng sắt có khối lượng bằng 1,5kg. Được biết, nhiệt dung riêng của nước là 4200 J/kg.K và của sắt là 460 J/kg.K

Lời giải:

Ta có: Q = (m1c1 + m2c2)(t2t1) = 1843650 J

Bài tập 2: Trong một bình nhôm với khối lượng 0,5 kg có chưa 4kg nước ở nhiệt độ 20 oC. Người ta đã thả vào bình một miếng sắt với khối lượng 0,2 kg đã được đun nóng tới 500 oC. Hãy xác định nhiệt độ của nước khi bắt đầu sự cân bằng nhiệt. Biết được nhiệt dung riêng của nhôm là 896 J/kg.K, của nước là 4,18.103 J/kg.K và của sắt là 0,46.103 J/kg.K

Lời giải:

Ta có phương trình cân bằng nhiệt

(mbcb + mncn)(tt1) = mscs(t2t)

⇒ t = 22,6 oC

Bài tập 3: Với 100g chì truyền nhiệt lượng 260J thì sẽ tăng nhiệt độ từ 15 oC lên 35 oC. Hãy tính nhiệt dung cùng nhiệt dung riêng của chì.

Lời giải:

Ta có: Q = mc(t2t1) = C(t2t1) => C = 13J/K và c = 130J/kg.K

Bài tập 4. Trộn ba loại chất lỏng không tác dụng hóa học lẫn nhau. Được biết khối lượng lần lượt là m1 = 1kg, m2 = 10kg và m3 = 5kg, nhiệt độ và nhiệt dung riêng lần lượt cho t1 = 6 oc, c1 = 2kJ/kg.độ, t2 = 40oC, c2 = 4kJ/kg.độ, t3 = 60 oC, c3 = mobitool.net.độ. Hãy:

a) Tính nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp

b) Tìm nhiệt lượng cần để làm nóng hỗn hợp đến 6 oC

Lời giải:

a) Phương trình cân bằng nhiệt:

Q1 + Q2 + Q3 = 0 => t = 19 oC

b) Nhiệt lượng cần để làm nóng hỗn hợp đến 6 oC là:

Q = (c1m1 + c2m2 + c3m3)(tt’) = 1300kJ

Bài tập 5: Thùng nhôm có khối lượng 1,2 kg đựng 4kg nước ở 90 oC. Hãy tìm nhiệt lượng tỏa ra nếu nhiệt độ hạ xuống 30 oC. Biết nhôm có c2 = 0,92kJ.kg.độ và nước có c2 = 4,186kJ/kg,độ.

Lời giải:

Nhiệt lượng tỏa ra khi nhiệt độ hạ xuống 30 oC là:

Q = Q1 + Q2 = c1m1(t1t2) + c2m2(t1t2) = 1,07.106 J

Bài tập 6: Một bếp điện khi hoạt động bình thường sẽ có điện trở R = 80Ω với cường độ dòng điện chạy qua bếp khi đó là I = 2,5A. Hãy tính nhiệt lượng mà bếp đã tỏa ra trong 1 giây.

Lời giải:

Nhiệt lượng mà bếp đã tỏa ra trong 1 giây:

Q = I2.R.t = 2,52.80.1 = 500J

Bài tập 7: Một ấm điện có ghi 220 V 1000W được dùng với hiệu điện thế 220V để đun sôi 2l nước với nhiệt độ ban đầu là 10 oC. Hiệu suất đun sôi của ấm là 90%, trong đó nhiệt lượng cung cấp để có thể đun sôi nước được coi là có ích.

Tính nhiệt lượng cần cung cấp để có thể đun sôi lượng nước trên, biết nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K

a) Tính nhiệt lượng của ấm điện đã tỏa ra khi đó

b) Tính thời gian cần thiết để có thể đun sôi lượng nước trên

Lời giải:

a) Nhiệt lượng cần cung cấp để có thể đun sôi lượng nước trên là:

Qi = m.c.∆t = 4200.2.(10020) = 672000J

Khi đó nhiệt lượng mà ấm đã tỏa ra là:

H = Qi/Qtp ⇒ Qtp = Qi/H = 672000/(90/100) = 746700J

b) Thời gian cần thiết để đun sôi được lượng nước trên là:

Qtp = A = P.t ⇒ t = Qtp/P = 746700/1000 ≈ 747s

Bài tập 8: Một nhiệt lượng kế có chứa 2kg nước ở 15 oC. Cho vào nhiệt lượng kế một quả cân vằng đồng bằng đồng thau có khối lượng là 500g ở 100 oC. Hãy tìm nhiệt độ cân bằng của hệ. Vỏ nhiệt lượng kế được xem như không thu nhiệt. Biết nhiệt dung riêng của đồng là c1 = 3,68.102 j/kg.độ và c2 = 4,186kJ/kg.độ

Lời giải:

Ta có phương trình cân bằng nhiệt cho hệ:

Q1 + Q2 = 0 c1m1(tt1) + c2m2(tt2) = 0 => t = 16,8 oC

Bài tập 9: Một khối m = 50g hợp kim chì kẽm tại 136 oC được cho vào một nhiệt lượng kế, nhiệt dung 30J/độ, có chứa 100g nước ở 14 oC. Nhiệt độ cân bằng là 18 oC. Tính khối lượng của chì, kẽm. Biết được nhiệt dung riêng của nước là c0 = 4,2kJ/kg.độ, chì là c1 = 0,13kJ/kg.độ, kẽm c2 = 0,38kJ/kg,độ.

Lời giải:

Gọi m1, m2, m3 và m0 lần lượt là khối lượng của chì, kẽm, nhiệt lượng kế và nước

Và lần lượt t1, t2, t3 là nhiệt độ ban đầu của chì, kẽm, nhiệt lượng kế và nước.

T là nhiệt độ chung của hệ khi được cân bằng

Ta có phương trình cân bằng cho hệ: Q1 + Q2 + Q3 + Q0 = 0

⇔ C1m1(tt1) + c2m2(tt2) + c3m3(tt3) + c0m0(tt0) = 0

Trong đó: t1 = t2 = 136 oC; T3 = T4 = 14 oC. c3m3 = 30J/K; t = 18 oC; c1 = 0,13J/g.K; c2 = 0,38 J/g.K; c0 = 4,2J/g.K; m0 = 100g

=> 0,13.m1(18136) + 0,38.m2(18136) + 30(1814) + 4,2.100(1814) = 0

⇔ 15,34m1 44,84m2 + 1800 = 0 (1)

Mặt khác, ta có thêm: m1 + m2 = 50 (2)

Từ (1) và (2) ta được: m1 = 15g và m2 = 35g

Bài tập 10: Một nhiệt lượng kế bằng đồng thau có khối lượng 128g có chứa 210g nước ở nhiệt độ 8,4oC. Người ta đã thả một miếng kim loại với khối lượng 192g được đun nong 100 oC vào nhiệt lượng kế. Hãy tìm nhiệt dung riêng của chất làm miếng kim loại, biết nhiệt độ khi bắt đầu có sự cân bằng nhiệt là 21,5 oC. Biết được nhiệt dung riêng của nước là 4,18.103 J/kg.K, đồng thau là 0,128.103 J/kg.K

Lời giải:

Ta có phương trình cân bằng nhiệt

(mđcđ + mncn)(tt1) + mklckl(t2t)

⇒ckl = 77 J/kg.K

Trên đây là những thông tin cơ bản về nhiệt lượng là gì, đặc điểm của nhiệt lượng cũng như công thức tính nhiệt lượng cùng các bài tập liên quan đến vấn đề này. Hy họng có thể trở thành tài liệu tham khảo, giúp bạn đọc có thêm những kiến thức mới và có thể áp dụng được vào trong học tập hay công việc. Truy cập mobitool.net để đón đọc những bài viết bổ ích khác.

Video hướng dẫn công thức tính nhiệt lượng tỏa ra