Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thường dùng lẫn lộn hai từ “nhiệt” và “nhiệt độ”. Tuy nhiên, trong vật lý học, chúng lại chỉ hai khái niệm khác nhau. Để hiểu rõ về sự truyền nhiệt trong quá trình rang, điều quan trọng là phải nắm được sự khác biệt trong ý nghĩa của hai thuật ngữ này.
Nhiệt đề cập đến năng lượng nhiệt — cụ thể là năng lượng nhiệt được truyền từ vật này sang vật khác. Trong ký hiệu khoa học, năng lượng được đo bằng đơn vị joule (J); các đơn vị năng lượng thông dụng khác bao gồm calo, kilowatt-giờ (kWh) và đơn vị nhiệt Anh (Btu), thường được dùng để chỉ hàm lượng năng lượng trong nhiên liệu.
Năng lượng nhiệt là năng lượng do sự chuyển động của các nguyên tử hoặc phân tử (một nhóm các nguyên tử liên kết với nhau) bên trong một vật liệu tạo ra. Ví dụ, trong chất khí, các phân tử riêng lẻ di chuyển ngẫu nhiên, va chạm vào nhau và vào thành bình chứa. Lượng năng lượng nhiệt quyết định tốc độ di chuyển của chúng. Mặt khác, trong chất rắn, các nguyên tử dao động tại chỗ. Nếu một vật liệu có nhiều năng lượng nhiệt hơn, thì chúng sẽ dao động mạnh hơn.
Nhiệt độ
Mặt khác, nhiệt độ là thước đo mức độ “sẵn sàng” của một chất trong việc truyền năng lượng nhiệt mà nó chứa sang một chất khác. Để hiểu điều này, hãy hình dung hai bình chứa được nối với nhau bằng một ống dẫn. Mỗi bình chứa một lượng nước nhất định, tượng trưng cho năng lượng nhiệt của nó.
Nhiệt dung riêng
Tuy nhiên, mặc dù hai chất đã đạt đến cùng một nhiệt độ, chúng vẫn chứa lượng năng lượng nhiệt khác nhau. Bình lớn hơn cần nhiều nước hơn để đạt đến cùng một mức – giống như một số chất cần nhiều năng lượng nhiệt hơn để đạt đến cùng một nhiệt độ.
Lượng năng lượng nhiệt cần thiết để thay đổi nhiệt độ của một chất được gọi là nhiệt dung riêng, đo bằng kilojoule trên kilogam trên kelvin (kJ kg⁻¹ K⁻¹). (Kelvin là thang nhiệt độ được sử dụng trong ký hiệu khoa học: một độ chênh lệch 1 kelvin hoàn toàn tương đương với độ chênh lệch 1 độ Celsium.)
Nước có nhiệt dung riêng là 4.18 kilojoule trên kilogam trên kelvin nghĩa là cần 4.18 kilojoule năng lượng để tăng nhiệt độ của một kilogam nước lên 1 độ. Mặt khác, gang có nhiệt dung riêng khoảng 0.46 kJ kg⁻¹ K⁻¹. Do đó, nếu bạn cung cấp một lượng nhiệt cố định cho cả hai, nhiệt độ của gang sẽ tăng gấp hơn chín lần so với nước. Nhìn theo một cách khác, khi bắt đầu ở cùng một nhiệt độ, nước có thể giải phóng lượng nhiệt gấp chín lần so với gang.
Ước tính về nhiệt dung riêng của hạt cà phê xanh trước khi rang thay đổi từ khoảng 1,0 đến 1,9 kilojoule trên kilogam trên kelvin
Chandrasekar và Viswanathan 1999, Cardoso et al 2018
Nhiệt dung toàn phần của một vật cũng phụ thuộc vào khối lượng của nó: vật càng nặng thì nó có thể chứa càng nhiều nhiệt.
Ví dụ, một trống rang bên trong máy rang 60 kg điển hình nặng khoảng318 kg (gấp hơn năm lần trọng lượng cà phê tối đa bên trong máy). Trống rang này đại diện cho một lượng năng lượng đáng kể, lượng năng lượng này sẽ cộng vào lượng nhiệt tác động lên hạt cà phê khi bắt đầu quá trình rang. Giai đoạn đầu của quá trình rang, nhiệt độ trống rang sẽ giảm xuống khi nhiệt từ nó truyền sang hạt cà phê. Giai đoạn sau của quá trình rang, trống rang sẽ cần thêm năng lượng từ các đầu đốt để trở lại nhiệt độ ban đầu.