Bồi dưỡng môn Vật lý bậc THCS - Phần nhiệt học

Nội dung text: Bồi dưỡng môn Vật lý bậc THCS - Phần nhiệt học

1. BỒI DƯỠNG MÔN VẬT LÝ BẬC THCS - Phần NHIỆT HỌC Phần NHIỆT HỌC A. Tóm tắt lý thuyết: 1. Định nghĩa nhiệt lượng:Phần nội năng mà vật nhận được hay mất đi trong quá trình truyền nhiệt gọi là nhiệt lượng. 2. Định nghĩa nhiệt dung riêng:Nhiệt lượng cần cung cấp cho 1kg của một chất để nó tăng thêm 1oK gọi là nhiệt dung riêng của chất đó. 3.Cáccông thức a. Tính nhiệt lượng thu vào để tăng nhiệt độ từ t1 t2:Qthu = mc(t2 –t1) ( t2>t1) b. Tính nhiệt lượng tỏa ra khi hạ nhiệt từ t2 t1: Qtỏa = mc ( t1 – t2) (t1>t2) c. Phương trình cân bằng nhiệt: Qtỏa = Qthu. d. Tính nhiệt lượng thu vào khi nóng chảy và tỏa ra khi đông đặc ở NĐNC ( NĐĐĐ): Q = m.  e. Tính nhiệt lượng thu vào khi hóa hơi và tỏa ra khi ngưng tụ ở nhiệt độ hóa hơi( NĐNT): Q = L.m f. Tính nhiệt luợng tỏa ra khi đốt cháy nhiên liệu: Q = q.m. 4. Đơn vị của các đại lượng: Q là nhiệt lượng, đơn vị J m là khối lượng, đơn vị kg t là nhiệt độ, dơn vị là 0C hoặc 0K ( 10C = 10K) c là nhiệt dung riêng, đơn vị J/kg.K  là nhiệt nóng chảy, đơn vị J/kg L là nhiệt hóa hơi, đơn vị J/kg. Q là năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu , đơn vị là J/kg Q 5. Hiệu suất tỏa nhiệt với thu nhiệt, hiệu suất của động cơ nhiệt: H ich .100% Qtp A. Phương pháp giải bài tập: 1. Một nồi đồng có khối lượng 300g chứa 1 lít nước. Tính nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho nồi nước tăng nhiệt độ từ 350C đến 1000C Giải: Nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đồng để nó tăng nhiệt độ từ 350C đếân1000C. Q1 = m1c1(t2 – t1) = 0,3.380.( 100 – 35) = 7410J Nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đồng để nó tăng nhiệt độ từ 350C đếân1000C. Q1 = m2.c2( t2 – t1) = 1.4200.( 100 – 35) = 273000J Nhiệt lượng cần cung cấp cho ấm nước: Q = Q1 + Q2 = 7410 + 273000 = 280410 J 2. Một quả cầu nhôm có khối lượng 0,105kg được đun nóng tới 142 0C rồi thả vào chậu nước ở nhiệt độ 20 0C. Sau một thời gian nhiệt độ của cả hệ thống là 42 0C. Xem như nhiệt lượng chỉ trao đổi cho nhau. Xác định khối lượng của nước. Giải: Nhiệt lượng quả cầu nhôm tỏa ra khi hạ nhiệt từ 1420C xuống 420C. Qtỏa = m1c1( t1 – t2) = 0,105.880.(142-42) =9240J Nhiệt lượng nước thu vào để nó tăng nhiệt độ từ 200C đếân420C. Q2 = m2.c2 ( t2 – t1) = m2.4200(42 – 20) = 92400m2J Theo phương trình cân bằng nhiệt , ta có: Q1 = Q2 9240 = 92400m2 => m2 = 0,1kg. 3. Có 20kg nước 20 0C, phải pha vào thêm bao nhiêu kg nước ở 100 0C để được nước ở 500C Người soạn: Trần Văn Quý Trang 42
2. BỒI DƯỠNG MÔN VẬT LÝ BẬC THCS - Phần NHIỆT HỌC 8. Dùng một bếp dầu để đun một ấm nước bằng nhôm khối lượng 500g chứa 5 lít nước ở nhiệt độ 200C. a/ Tính nhiệt độ cần thiết để đun ấm nước đến sôi. b/ Bếp có hiệu suất 80%, tính thể tích dầu cần dùng. Biết khối lượng riêng của dầu là D = 800kg/m3. Giải: a. Nhiệt lượng cần thiết để đun ấm nước: Q = Q1 + Q2 = m1.c1.( t2 – t1) + m2.c2.(t2 – t1) = ( t2 –t1).( m1.c1 + m2.c1) = (100 – 20) ( 0,5.880 + 5.4200) = 1725200J Q 1715200 b. Năng lượng do bếp tỏa ra ( năng suất tỏa nhiệt):Q 2144000J tp H 0,8 Q 2144000 Khoái löôïng daàu caàn duøng : m 0,05kg q 44.106 m 0,05 Theå tích daàu hoûa : V 0,0000625m3 62,5cm3 D 800 9. Tính nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho một miếng nhôm có khối lượng 100g ở nhiệt độ 200C đến nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ nóng chảy. Cho biết nhiệt độ nóng chảy của nhôm là 6580C, nhiệt nóng chảy của nhôm là 3,9.105J/kg.K. Giải: Nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho 100g nhôm tăng nhiệt độ từ 200C đến 6580C: Q1 = m.c.(t2 – t1 ) = 0,1.880.( 658 – 20) = 56114J Nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho 100g nhôm nóng chảy hoàn toàn ở 6580C: 5 Q2 =  .m = 3,9.10 .0,1 = 39000J Nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho miếng nhôm: Q = Q1 + Q2 = 56114J + 39000J = 95114J 10. Đun nóng 10kg đồng ở nhiệt độ 380C đến nóng chảy hoàn toàn. a/ Xác định nhiệt lượng cần thiết để thực hiện quá trình trên. b/ Nhiệt lượng trên được cung cấp bởi một lượng than củi. Cho biết hiệu suất của bếp than củi này là 40%. Xác định lượng than củi cần dùng. Biết nhiệt nóng chảy của đồng là 1,8.10 5J/kg, đồng nóng chảy ở nhiệt độ 1083 0C, năng suất tỏa nhiệt của than củi là 10.106J/kg. Giải: a. Nhiệt lượng dùng để đun nóng đồng từ 380C đến 10830C: Q1 = m.c (t2 – t1) = 10.380.( 1083 – 38) = 3971000J Nhiệt lượng cung cấp cho 10kg đồng nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ nóng chảy: 5 5 Q2 =  .m = 10.1,8.10 = 18.10 J Nhiệt lượng cung cấp cho cả quá trình : Q = Q1 + Q2 = 3971000J + 1800000J = 5771000J Q ci Qci b. Theo coâng thöùc : H Qtp Q tp H 5771000J Nhieät löôïng toaøn phaàn laø nhieät löôïng ñoát chaùy cuûi toûa ra :Q 14427500J tp 0,4 Löôïng cuûi caàn duøng ñeå naáu löôïng ñoàng noùi treân noùng chaûy hoaøn toaøn ôû nhieät ñoänoùng chaûy : Q 14427500J m' tp 1,11275kg. q 10.106 J / kg Người soạn: Trần Văn Quý Trang 44
3. BỒI DƯỠNG MÔN VẬT LÝ BẬC THCS - Phần NHIỆT HỌC b. Nhiệt lượng cần cung cấp để nước, thùng sắt, quả cầu tăng nhiệt độ từ 23,37 0C đến 500C: Q = ( m1.c1 + m2.c2 + m3.c3) ( t’ – t) = (1.0,28.103 + 0,5.0,46.103 + 2.4,2.103) (50 – 23,37) = 239,9.103J = 240kJ 14. Bỏ 100g nước đá ở 00C vào 300g nước ở 200C. a/ Nước đá tan hết không ? Cho biết nhiệt nóng chảy của nước đá  = 3,4.105J/kg và nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K. b/ Nếu không tan hết, tính khối lượng nước đá còn lại. Giải: a. Nhiệt lượng nước đá thu vào để nóng chảy ( tan )hoàn toàn ở 00C 5 3 Q1 = m1.  = 0,1.3,4.10 = 34.10 J Nhiệt lượng nước tỏa ra khi hạ nhiệt từ 200C xuống 00C 3 Q2 = m2.c2.( t2 – t1 ) = 0,3.4200.( 20 – 0)= 25,2.10 J Ta thấy Q2 m’ = 0,074kg 74g  3,4.105 Khối lượng nước đá còn lại: m” = m1 – m’ = 100g – 74g = 26g. 15. Dẫn 100g hơi nước vào bình cách nhiệt đựng nước đá ở -4 0C. Nước đá tan hoàn toàn và lên đến 100C. a/ Tìm khối lượng nước đá có trong bình. Biết nhiệt nóng chảy của nước đá là 5 6  =3,4.10 J/kg, nhiệt hóa hơi của nước là 2,3.10 J/kg, nhiệt dung riêng của nước là c 1 = 4200J/kg.K , của nước đá là c2 = 1800J/kg.K. b/ Để tạo nên 100g hơi nước ở nhiệt độ 100 0C từ nước có nhiệt độ ban đầu 20 0C bằng bếp dầu có hiệu suất H = 40%. Tìm lượng dầu cần dùng, biết năng suất tỏa nhiệt của dầu là q = 4,5.107J/kg. Giải: 0 0 Nhiệt lượng nước tỏa ra khi ngưng tụ ở 100 C và hạ nhiệt từ 1000C xuống 10 C: Q1 = L.m1 + m1.c1 ( t1 –t) Nhiệt lượng nước đá thu vào để tăng nhiệt độ từ -4 0C đến 0 0C sau đó nóng chảy hoàn toàn thành nước ở 00C và tăng nhiệt độ từ 00C đến 100C: Q2 = m2.c2. ( t3 – t2) + m2.  + m2.c1.( t –t3) Theo phương trình cân bằng nhiệt, ta có: L.m1 + m1.c1.(t1 –t) = m2 { c2( t3 – t2) +  + c1.(t –t3)} 6 L.m1 m1.c1 (t1 t) 2,3.10 .0,1 0,1.4200.(100 0) m2 5 0,69kg. c2 .(t3 t2 )  c1 (t t3 ) 1800.{0 ( 4)} 3,4.10 4200.(10 0) b. Lượng dầu cần dùng: Nhiệt lượng cần cung cấp cho 100g nước từ 200C biến thành hơi nước ở 1000C: 6 3 Qthu = m1.c1.( t1 – t4) + m1.L = 0,1.4200.(100 – 20) + 0,1.2,3.10 = 263,6.10 J 3 Qthu 263,6.10 3 Nhiệt lượng do dầu đốt cháy tỏa ra: Qtỏa = 659.10 J H 0,4 Q 659.103 Lượng dầu cần dùng: m toa 0,014kg 14g q 4,5.107 16*. Để xác định nhiệt độ của một bếp lò người ta làm như sau; Bỏ vào lò một khối đồng hình lập phương có cạnh a = 2cm, sau đó lấy khối đồng bỏ trên một tảng nước đá ở 0 0C. Khi có cân bằng nhiệt, mặt trên của khối đồng chìm dưới mặt nước đá 1 đoạn b = 1cm. Biết Người soạn: Trần Văn Quý Trang 46
4. BỒI DƯỠNG MÔN VẬT LÝ BẬC THCS - Phần NHIỆT HỌC Q1 = m1.c1.( t2 – t1) Nhiệt lượng nước nhận được để tăng nhiệt độ từ t1 đến t2: Q2 = m2.c2.(t2 – t1). 0 0 Nhiệt lượng khối đồng tỏa ra để hạ nhiệt từ t C xuống 21,2 C: Q3 = m3.c3.( t – t2) Do bỏ qua mất mát nhiệt, theo phương trình cân bằng nhiệt ta có: Q3 = Q1 + Q2  m3.c3.(t – t2) = ( m1.c1 + m2.c2)(t2 –t1) (m .c m .c )(t t ) m .c .t (0,5.880 2.4200)(21,2 20) 0,2.380.21,2 t 1 1 2 2 2 1 3 3 2 167,780 C m3 .c3 0,2.380 b. Thực tế do sự tỏa nhiệt ra môi trường nên ta có:Qthu = 90%Qtỏa  Q1 + Q2 = 90% Q3 hay 0,9Q3 = Q1 + Q2  0,9.m3.c3 (t’ – t2) = (m1.c1 + m2.c2) ( t2 –t1) (m1.c1 m2 .c2 )(t2 t1 ) 0 t' t2 174,74 C 0,9m3 .c3 c. Nhiệt lượng thỏi nước đá thu vào để nóng chảy hoản toàn ở 00C. Q =  . m = 3,4.105.0,1 = 34000J Nhiệt lượng cả hệ thống gồm thau nhôm, nước, thỏi đồng tỏa ra để giảm nhiệt độ từ 21,20C xuống 00C. Q’= ( m1.c1 + m2.c2 + m3.c3)( 21,2 – 0) = ( 0,5.880 + 2.4200 + 0,2.380).21,2 = 189019,2J Do nhiệt lượng nước đá thu vào để làm tan hoàn toàn nhỏ hơn nhiệt lượng của hệ thống tỏa ra nên nước đá tan hết và cả hệ thống tăng nhiệt độ đến t”. Gọi Q” là nhiệt lượng thừa lại dụng cho cả hệ thống tăng nhiệt độ từ 00C đến t”0C. Q” = Q’ –Q = [ m1.c1 + (m2 + m).c2 + m3.c3].t” Q' Q 189109,2 34000 t" 16,60 C m1.c1 (m2 m).c2 m3 .c3 0,5.880 (2 0,10.4200 0,2.380 0 19*.Một thỏi nước đá có khối lượng m1 = 200g ở -10 C. a/ Tính nhiệt lượng cần cung cấp để thỏi nước đá biến thành hơi hoàn toàn ở 100 0C. Cho nhiệt dung riêng của nước đá c 1 = 1800J/kg.K, của nước c 2 = 4200J/kg.K; nhiệt nóng chảy của nước đá ở 00C là  = 3,4.105J/kg; nhiệt hóa hơi của nước là L = 2,3.106J/kg. b/ Nếu bỏ thỏi nước đá trên vào sô nhôm chứa nước ở 20 0C. Sau khi có cân bằng nhiệt , người ta thấy nước đá còn sót lại là 50g. Tính lượng nước có trong sô lúc đầu. Biết sô nhôm có khối lượng m2 = 100g và nhiệt dung riêng của nhôm là c3 = 880J/kg.K Giải: 0 0 a. Gọi Q là nhiệt lượng nược thu vào để tăng nhiệt độ từ t1 = -10 c đến t2 = 0 C: Q1 = m1.c1.( t2 – t1) = 0,2.1800.[0 – (-10)]= 3600J = 3,6kJ Nhiệt lượng nước đá thu vào để nóng chảy hoàn toàn ở 00C: 5 Q2 =  .m1 = 3,4.10 .0,2 = 68000J = 68kJ Nhiệt lượng nước thu vào để tăng nhiệt độ từ 00C đến 1000C: Q3 = m1.c2.(t3 –t2) = 0,2.4200.(100 – 0) = 84000J = 84kJ Nhiệt lượng nước thu vào để hóa hơi hoàn toàn ở 1000C: 6 Q4 = L.m1 = 2,3.10 .0,2 = 460000J = 460kJ. Nhiệt lượng tổng cộng cần cung cấp để nước đá ở -10 0C đến khi hóa hơi hoàn toàn ở 1000C Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 3,6kJ + 68kJ + 84kJ + 460kJ = 615,6kJ b. Gọi mx là lượng nước đá đã tan thành nước khi bỏ nó vào sô nhôm: mx = 200 – 50 = 150g Do nước đá không tan hết nên nhiệt độ cuối cùng của hệ thống là 00C. Nhiệt lượng mà toàn khối nước đá nhận được để tăng nhiệt độ đến 00C: Người soạn: Trần Văn Quý Trang 48