№ 218 - Sự chuyển hoá cơ năng thành nội năng

Thí nghiệm này có mục đich minh hoạ sự chuyển đổi từ cơ năng thành nội năng, từ đó đưa ra khái niệm về sự bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. Qua thí nghiệm này người học cần nắm rõ sự tương đương giữa các loại năng lượng, hiểu được nguyên nhân vì sao nội năng lại có thể dùng đơn vị của công cơ học.

Nguyên lý

Dụng cụ thí nghiệm có thể quan sát trên hình 1, với trọng tâm nghiên cứu là một chiếc nhiệt lượng kế.

Hình 1: Chi tiết dụng cụ thí nghiệm

Nhiệt lượng kế đóng vai trò trục quấn dây, còn quả nặng có chức năng tạo lực căng F cho sợi dây. Khi tiến hành thí nghiệm, nhiệt lượng kế được cố định, còn sợi dây từ từ trượt qua tạo ra ma sát làm cho nhiệt lượng kế nóng lên. Theo khẳng định của Joule, nhà vật lý người Anh, công do lực F sinh ra đã chuyển hoá hoàn toàn thành nhiệt:

\begin{equation}
F\cdot s=Q,
\label{eq:baotoannangluong}
\end{equation}

với s là quãng đường dịch chuyển. Trong thí nghiệm này, chúng ta cần kiểm chứng lại khẳng định \eqref{eq:baotoannangluong}. Để làm được điều đó, cần biết được giá trị của lực F sinh công, quãng đường sinh công s, và nhiệt lượng Q thu được.

Quãng đường s dễ dàng đo được trực tiếp bằng thước, hoặc qua số vòng quay N của trục khi nâng quả nặng:

\begin{equation}
s=N\cdot\pi d.
\label{eq:quangduong}
\end{equation}

với d - đường kính trục quay, cũng là đường kính nhiệt lượng kế. Nhiệt lượng Q được xác định thông qua mức chênh lệch nhiệt độ:

\begin{equation}
Q=C\cdot\Delta T,
\label{eq:nhietluong}
\end{equation}

trong đó C là nhiệt dung của nhiệt lượng kế, \Delta T=T-T_0 với T_0 - nhiệt độ ban đầu và T - nhiệt độ hiện tại. Lực F trong thí nghiệm này được tạo ra do trọng lực từ quả nặng. Nhưng nếu để vật rơi có gia tốc, lực F sẽ nhỏ hơn trọng lực và khó xác định. Do vậy trong thí nghiệm này ta quấn dây đủ nhiều vòng, sao cho quả nặng tuột xuống với tốc độ thật chậm rãi gần như đều, không gia tốc. Khi ấy lực F cân bằng với trọng lực: F=mg.

Phương trình \eqref{eq:baotoannangluong} có thể viết thành:

\begin{equation}
mg\cdot s=C\cdot\Delta T.
\label{eq:baotoannangluong2}
\end{equation}

Nhiệt lượng kế

Nhiệt lượng kế là dụng cụ đo nhiệt lượng thu vào hoặc toả ra trong một quá trình nào đó, dựa trên mức thay đổi nhiệt độ của bình nhiệt lượng kế. Nhiệt lượng kế cấu tạo gồm hai phần chính: bình nhiệt lượng kếnhiệt kế.

Bình nhiệt lượng kế trong thí nghiệm này có cấu tạo khá đơn giản, là một bình kim loại có khả năng chứa chất lỏng bên trong (hình 3). Khác với nhiệt lượng kế của Joule, có nghĩa cách nhiệt tốt và tạo ma sát từ bộ khuấy chất lỏng bên trong, nhiệt lượng kế chúng ta dùng tạo ma sát ngay bên ngoài và không cách nhiệt. Do vậy thí nghiệm không nên tiến hành quá lâu.

Hình 2: Bình nhiệt lượng kế có cấu tạo gồm vỏ kim loại có khả năng chứa chất lỏng bên trong

Trên hình 4 chỉ ra một vài dạng bình nhiệt lượng kế được dùng trong thí nghiệm này. Chúng có khối lượng và chất liệu khác nhau, dẫn đến nhiệt dung (hay sức chứa nhiệt) khác nhau.

Hình 3: Một số loại bầu nhiệt lượng kế với nhiệt dung khác nhau

Khi cắm nhiệt kế vào, bình kim loại trở thành một nhiệt lượng kế hoàn chỉnh:

Hình 4: Các nhiệt lượng kế

Ngoài nhiệt kế thuỷ ngân, ta cũng có thể sử dụng một loại nhiệt kế rất nhạy khác là cặp nhiệt điện, trong thí nghiệm này dùng loại Ni Cr-Ni, được kết nối với thiết bị Mobile-CASSY như hình 5, đọc giá trị từ màn hình:

Hình 5: Nhiệt kế gồm cặp nhiệt điện và máy đọc giá trị ra màn hình

Lắp đặt thiết bị

Ta cần lắp đặt bộ thí nghiệm có bố trí tổng quan như hình 1. Các bước thực hiện như sau.

Lấy một trong các nhiệt lượng kế trên hình 4 do giảng viên chỉ định, lắp vào giá đỡ trục quay như hình dưới:

Hình 5: Lắp nhiệt lượng kế vào giá đỡ

Móc dây vào quả nặng đặt dưới sàn, rồi quấn quanh thân của nhiệt lượng kế khoảng 4-5 vòng. Một sinh viên đứng giữ đầu dây này:

Hình 6: Quấn dây bao quanh nhiệt lượng kế.

Cho đầu nhiệt kế - cặp nhiệt điện vào bầu nhiệt lượng kế, đẩy sát vào sao cho đầu nhiệt kế chạm tới đáy:

Hình 7: Lắp nhiệt kế vào trong bầu nhiệt lượng kế

Nếu sử dụng nhiệt kế thuỷ ngân, bố trí sẽ có dạng như sau:

Hình 8: Bố trí thiết bị khi dùng nhiệt lượng kế với nhiệt kế thuỷ ngân

Quy trình thí nghiệm

Bảng 1: Số liệu thực nghiệm

Ghi lại giá trị nhiệt độ ban đầu T_0 và chỉ số bộ đếm vòng quay ban đầu n_0 vào bảng 1 và bắt đầu đo đạc.

Dùng tay quay nâng quả nặng lên cao (hình 9), lưu ý luôn giữ cho sợi dây bám sát vào nhiệt lượng kế, không để trượt. Cố định trục quay và ghi lại chỉ số n của bộ đếm vòng quay vào bảng 1. Sau đó buông nhẹ đầu dây cho vật nặng từ từ trượt xuống thật chậm rãi. Ma sát sẽ làm nhiệt lượng kế nóng lên, đọc chỉ số nhiệt độ T sau khi quả nặng chạm đất, ghi vào bảng 1.

Tiếp tục nâng vật nặng lên cao lần nữa, lặp đi lặp lại quy trình trên đến khi nào nhiệt độ tăng lên được 2-3^\circ\mathrm{C} thì dừng.

Hình 9: Nâng quả nặng lên cao bằng tay quay

Xử lý dữ liệu

Từ chỉ số bộ đếm vòng quay, ta tính được quãng đường lực F sinh công theo công thức \eqref{eq:quangduong}:

s=N\cdot\pi d=(n-n_0)\cdot\pi d.

Công thực hiện tính bởi:

A=F\cdot s=mgs.

Mức thay đổi nhiệt độ:

\Delta T=T-T_0.

Tất cả giá trị tính được ghi vào bảng 1. Vẽ đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của mức thay đổi nhiệt độ \Delta T vào công A (trục hoành biểu diễn công A, trục tung biểu diễn \Delta T). Khớp các điểm thực nghiệm bằng một đường thẳng, tìm hệ số góc của đường thẳng để suy ra nhiệt dung C của nhiệt lượng kế.