BÀI 7. BÀI TẬP VỀ VẬT LÍ NHIỆT

KHỞI ĐỘNG

Để giải các bài tập Vật lí nhiệt cần đến những kiến thức và công thức cơ bản nào?

Giải nhanh:

Cần lưu ý những vấn đề sau:

- 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.

- Khi nội năng của vật biến đổi chỉ bằng cách truyền nhiệt

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

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

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:

- Khi nội năng của vật biến đổi bằng cả hai cách truyền nhiệt và thực hiện công thì ngoài công thức: , các công thức tính nhiệt lương nêu trên còn phải sử dụng các công thức tính công cơ học đã học ở lớp 10 như: ; ,….

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

II. BÀI TẬP VÍ DỤ

II. BÀI TẬP VẬN DỤNG

Bài 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.

Giải nhanh:

Đáp án B là chính xác.

Bài 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.

Giải nhanh:

Để độ tăng nhiệt đọ của nước bằng nhau thì: với lượng nước và lượng rượu có thể tích bằng nhau thì m của chúng cũng bằng nhau.

Đáp án C là chính xác.

Bài 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.

Giải nhanh:

Khi túi trà lọc được thả vào nước nguội, cấu trúc phân tử trong trà và túi trà thường chứa các chất hóa học có thể tan trong nước ở nhiệt độ thấp.

- Tại nhiệt độ thấp, các phân tử trong túi trà không có đủ năng lượng để tạo ra sự tương tác nhanh chóng và mạnh mẽ với nước xung quanh. Do đó, quá trình hòa tan và chiết xuất các chất từ túi trà có thể diễn ra chậm và không đều.

Nước nóng:

- Khi túi trà lọc được thả vào nước nóng, nhiệt độ cao hơn giúp tăng cường động năng của các phân tử trong túi trà và nước.

- Sự gia tăng động năng này tạo điều kiện thuận lợi hơn cho các phân tử trong túi trà tương tác với nước, giúp quá trình hòa tan và chiết xuất các chất từ túi trà diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.

Bài 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 oC 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.

Giải nhanh:

a) P=1000 W, m =300g, t₀ = 20℃ , nhiệt độ sôi là t=100℃.

Nhiệt lượng cần thiết để đun sôi là:

Thời gian cần thiết để đun sôi là:  

Kết quả này chỉ được coi gần đúng là vì chúng ta không xét đến các nhiệt lượng bị mất do toả ra môi trường xung quanh và áp suất chúng ta chỉ coi là áp suất tiêu chuẩn.

b) Đổi 2 phút = 120 s

Nhiệt lượng cần cung cấp là:

Lượng nước còn lại trong ấm là:

Bài 5: Dùng bếp điện đẻ đun một ấm nhôm khối lượng 600 g đựng 1,5 lít nước ở nhiệt độ 20 ^oC. Sau 35 phút đã có 20% lượng nước trong ấm hóa hơi ở nhiệt độ 100 ^oC. 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 ^oC là 2,26.10⁶ J/kg. Khối lượng riêng của nước là 1 kg/lít.

Giải nhanh:

V nước = 1,5 lít => m_nước=1,5 kg

T₁=20℃, T₂=100℃ , C_nhôm= 880 J/kg.K, C_nước =4200 J/kg.K , L_nước= 2,26.10⁶ J/kg

Nhiệt lượng cần để cung cấp cho nước sôi là: 

Vì sau 35 phút có 20% lượng nước trong ấm hoá hơi nên lượng nước hoá ơi là 1,5.20%= 0,3 lít mà khối lượng riêng của nước là 1 kg/lít => m₂= 0,3 kg

Nhiệt lượng cần cung cấp để hoá hơi 0,3 kg là: Q₂ = L.m₂ = 0,3.2,26.10⁶ = 678000J

Nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng ấm nhôm là: 

Như vậy số nhiệt lượng mà bếp đã cung cấp là:

Q = Q₁+Q₂+Q₃ = 504000 + 678000 + 42240 = 1224240 J

Vì chỉ có 75% nhiệt lượng được dùng để đun ấm nước nên 

Q=75%.1224240 =918180 s

Vì thời gian cần đun là 35 phút = 2100 s nên nhiệt lượng trung bình mà bếp điện cung cấp cho ấm nước trong mỗi giây là;

Q =

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.

Giải nhanh:

Ta tính toán dựa trên những công thức sau:

- Khi nội năng của vật biến đổi chỉ bằng cách truyền nhiệt

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

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

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:

- Khi nội năng của vật biến đổi bằng cả hai cách truyền nhiệt và thực hiện công thì ngoài công thức: , các công thức tính nhiệt lương nêu trên còn phải sử dụng các công thức tính công cơ học đã học ở lớp 10 như:

Giải thích các hiện tượng dựa trên mô hình động học phân tử:

- Các chất được cấu tạo từ các hạt riêng biệt là phân tử.

- Các phân tử chuyển động không ngừng. Nhiệt độ của vật càng cao thì tốc độ chuyển động của các phân tử cấu tạo nên vật càng lớn.

- Giữa các phân tử có lực hút và đẩy gọi chung là lực liên kết phân tử.