Bài 7: Bài tập về nhiệt | Vật Lí 12 | Chương I: VẬT LÍ NHIỆT - Lớp 12 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

(Trang 30)

I. MỘT SỐ LƯU Ý TRONG VIỆC GIẢI BÀI TẬP VỀ VẬT LÍ NHIỆT

Phần vật lí nhiệt bao gồm ba nội dung chính: Cấu trúc của chất và sự chuyển thể, định luật I của Nhiệt động lực học; các khái niệm nhiệt dung riêng, nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt hóa hơi riêng.

1. Lưu ý khi giải bài tập định tính

Các bài tập này thường yêu cầu vận dụng các kiến thức cơ bản của ba nội dung chính kể trên vào việc giải thích các hiện tượng, các ứng dụng thực tế giúp học sinh hiểu rõ bản chất vật lý của hiện tượng.

2. Lưu ý khi giải bài tập định lượng

Các bài tập này thường yêu cầu vận dụng định luật I của Nhiệt động lực học và định luật bảo toàn năng lượng vào các quá trình biến đổi nội năng của vật.

Trong việc giải các bài tập này cần phải xác định được cách làm biến đổi nội năng của vật trong đề bài để lựa chọn được các hệ thức thích hợp.

a) Khi nội năng của vật biến đổi chỉ bằng cách truyền nhiệt: ΔU = Q

- Nếu quá trình truyền nhiệt chỉ làm thay đổi nhiệt độ của vật:

Q = mcΔT

- Nếu quá trình truyền nhiệt làm vật chuyển từ thể này sang thể khác ở nhiệt độ không đổi:

Q = λm; Q = Lm

- Trong các quá trình này nếu có nhiều vật chỉ truyền nhiệt cho nhau không truyền nhiệt ra bên ngoài thì độ lớn của nhiệt lượng các vật toả ra bằng độ lớn nhiệt lượng của các vật thu vào:

∣Q_toả∣ = ∣Q_thu∣ ⇒ Q_toả + Q_thu = 0

b) Khi nội năng của vật biến đổi bằng cả hai cách truyền nhiệt và thực hiện công thì ngoài công thức: ΔU=Q+A, các công thức tính nhiệt lượng nêu trên còn phải sử dụng các công thức tính công cơ học đã học ở lớp 10 như: A = Fscosα; A = W_đ2 − W_đ1; A = mgh; A= Pt;...

3. Lưu ý khi giải bài tập thí nghiệm

Các bài tập này có thể yêu cầu từ thiết kế phương án đến tiến hành thí nghiệm và xử lí số liệu để rút ra kết luận cần thiết hoặc chỉ yêu cầu xử lí các số liệu đã cho từ thí nghiệm để rút ra kết luận cần thiết.

(Trang 31)

II. BÀI TẬP VÍ DỤ

1. Một lượng khí được truyền 10 kJ nhiệt năng để nóng lên đồng thời bị nén bởi một công có độ lớn 100 kJ. Tính độ biến thiên nội năng của lượng khí này.

Giải

Vì khí nhận được năng lượng và công nên: Q = +10 kJ và A = +100 kJ.

Theo định luật I của nhiệt động lực học : ΔU = A + Q = 100 + 10 = 110 kJ.

Độ biến thiên nội năng của lượng khí là: ΔU = 110 kJ.

2. Người ta cung cấp nhiệt lượng 25 J cho một lượng khí trong một xi-lanh đặt nằm ngang. Lượng khí nở ra đẩy pit-tông chuyển động trong xi-lanh được 10 cm. Tính độ biến thiên nội năng của lượng khí. Biết lực ma sát giữa pit-tông và xi-lanh có độ lớn là 20 N và coi chuyển động của pit-tông trong xi lanh là đều.

Giải

Công mà lượng khí thực hiện để thắng lực ma sát có độ lớn là: A = Fs = 20.0,1 = 2 J.

Áp dụng định luật I của nhiệt động lực học : ΔU = A + Q. Vì lượng khí thực hiện công nên A = −2 J; vì lượng khí nhận nhiệt lượng nên Q = + 25 J.

Do đó: ΔU = −2 + 25 = 23 J.

Độ biến thiên nội năng của lượng khí là: ΔU = 23 J.

3. Muốn có 30 lít nước ở nhiệt độ 40°C thì cần phải đổ bao nhiêu lít nước đang sôi ở áp suất tiêu chuẩn vào bao nhiêu lít nước ở nhiệt độ 10°C? Lấy khối lượng riêng của nước là 1 kg/lít; bỏ qua sự thay đổi khối lượng riêng của nước theo nhiệt độ và sự trao đổi nhiệt với bên ngoài.

Giải

Gọi m₁ là khối lượng của nước đang sôi ở 100 °C; m₂ là khối lượng của nước ở 10 °C.

Nhiệt lượng nước sôi toả ra: Q₁ = m₁cΔt₁ = m₁c(100 − 40) = 60m₁c.

Nhiệt lượng nước ở 10°C thu vào: Q₂ = m₂cΔt₂ = m₂c(40 − 10) = 30m₂c.

Vì không có sự trao đổi nhiệt với bên ngoài nên: Q₁ = Q₂ suy ra: 2m₁ = m₂. (1)

Vì lượng nước muốn có là 30 lít, khối lượng riêng của của nước được coi là không đổi và bằng 1 kg/lít nên ta có: m₁ + m₂ = 30 kg. (2)

Giải hệ hai phương trình (1) và (2) sẽ được: m₁ =10 kg và m₁ = 20 kg.

Vậy phải đổ 10 lít nước đang sôi vào 20 lít nước 10 °C để có 30 lít nước 40 °C.

(Trang 32)

III. BÀI TẬP VẬN DỤNG

1.  Quy ước dấu nào sau đây phù hợp với định luật I của nhiệt động lực học?

A. Vật nhận công: A < 0; vật nhận nhiệt lượng: Q < 0.

B. Vật nhận công: A > 0; vật nhận nhiệt lượng: Q > 0.

C. Vật thực hiện công: A > 0; vật truyền nhiệt lượng: Q > 0.

D. Vật thực hiện công: A > 0; vật truyền nhiệt lượng: Q < 0.

2. Một lượng nước và một lượng rượu có thể tích bằng nhau được cung cấp các nhiệt lượng tướng ứng là Q₁ và Q₂. Biết khối lượng riêng của nước là 1 000 kg/m3 và của rượu là 800 kg/m3, nhiệt dung riêng của nước là 4 200 J/kg.K và của rượu là 2 500 J/kg.K. Để độ tăng nhiệt độ của nước và rượu bằng nhau thì:

A. Q₁ = Q₂.                                           B. Q₁ = 1,25 Q₂.

C. Q₁ = 1,68 Q₂.                                   D. Q₁ = 2,10 Q₂.

3. Lấy hai túi lọc giống nhau. Thả nhẹ nhàng một túi vào cốc thủy tinh đựng nước nguội, một túi vào cốc thủy tinh đựng nước nóng để các túi nằm yên ở đáy cốc. Quan sát và dùng mô hình động học phân tử về cấu tạo để giải thích hiện tượng xảy ra trong hai cốc.

4. a) Một ấm điện công suất 1 000 W. Tính thời gian cần thiết để đun 300 g nước có nhiệt độ ban đầu là 20°C đến khi sôi ở áp suất tiêu chuẩn. Tại sao kết quả chỉ được coi là gần đúng?

   b) Nếu để nước trong ấm sôi thêm 2 phút thì lượng nước còn lại trong ấm là bao nhiêu? Lấy nhiệt dung riêng và nhiệt hóa hơi riêng của nước là c = 4,2.103 J/kg.K và L = 2,26.106 J/kg.

5. Dùng bếp điện để đun một ấm nhôm khối lượng 600 g đựng 1,5 lít nước ở nhiệt độ 20°C. Sau 35 phút đã có 20% lượng nước trong ấm hóa hơi ở nhiệt độ 100°C. Tính nhiệt lượng trung bình mà bếp điện cung cấp cho ấm nước trong mỗi giây, biết chỉ có 75% nhiệt lượng mà bếp toả ra được dùng vào việc đun ấm nước. Biết nhiệt dung riêng của nhôm là 880 J/kg.K, của nước là 4 200 J/kg.K; nhiệt hóa hơi riêng của nước ở nhiệt độ sôi 100°C là 2,26.10⁶ J/kg. Khối lượng riêng của nước là 1 kg/lít.

EM ĐÃ HỌC

▪️ Cách giải bài tập về vật lí nhiệt.

EM CÓ THỂ

▪️ Giải thích được các hiện tượng và tính toán được các đại lượng liên quan đến định luật I của nhiệt động lực học, các quá trình truyền nhiệt và truyền thể.