BÀI 4. NHIỆT DUNG RIÊNG, NHIỆT NÓNG CHẢY RIÊNG, NHIỆT HÓA HƠI RIÊNG

Mở đầu: Trong đời sống hằng ngày và nhiều lĩnh vực sản xuất, người ta thường phải cung cấp năng lượng để làm nóng vật hoặc tạo ra sự chuyển thể của các chất.

Nhiệt lượng cần truyền cho một vật để nó nóng lên hoặc chuyển thể phụ thuộc vào những yếu tố nào và có thể được xác định như thế nào? 

Giải rút gọn:

Phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Loại vật liệu: loại vật liệu khác nhau có khả năng hấp thụ và giữ nhiệt khác nhau. 

+ Khối lượng: Khối lượng càng lớn càng cần truyền nhiều nhiệt lượng hơn để nó nóng lên cùng một độ.

+ Nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ mong muốn: Sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ mong muốn ảnh hưởng đến lượng nhiệt lượng cần truyền. 

+ Cấu trúc và hình dạng:Ví dụ, vật liệu có diện tích tiếp xúc lớn hơn với nguồn nhiệt sẽ nhanh chóng hấp thụ nhiều nhiệt lượng hơn.

+ Hiệu suất của hệ thống truyền nhiệt: là một yếu tố quan trọng. Các hệ thống hiệu quả sẽ truyền nhiệt nhanh chóng hơn và đòi hỏi ít năng lượng hơn.

Xác định lượng nhiệt lượng cần truyền dùng công thức: Q = mc.ΔT

I. NHIỆT DUNG RIÊNG

Câu 1: Lấy ví dụ cho thấy nhiệt lượng cần cung cấp để đun nóng vật có liên hệ với khối lượng, nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ vật đạt được sau khi đun.

Giải rút gọn:

Ví dụ: quá trình đun nước. Để đun sôi một lượng nước nhất định từ nhiệt độ phòng (25°C) lên nhiệt độ sôi (100°C) cần một lượng nhiệt lượng nhất định. 

Xác định nhiệt lượng bằng công thức: Q=mc.ΔT 

với ΔT là sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ phòng và nhiệt độ sôi. 

Câu 2: Từ hệ thức (4.1), chứng tỏ rằng đơn vị đo của nhiệt dung riêng là J/kg.K.

Giải rút gọn:

Ta có: Q=mc.ΔT

Với:

+ Q: đơn vị Joule.

+ m: đơn vị kilogram

+ c là nhiệt dung riêng

+ ΔT : đơn vị là ^oC hoặc K 

Từ đó ta có: c =Q/(m.ΔT), suy ra đơn vị của nhiệt dung riêng c là: J/kg.K.

Câu 3: Sử dụng số liệu trong Bảng 4.1, giải thích vì sao thanh đồng tăng nhiệt độ nhanh hơn cốc nước có cùng khối lượng. 

Giải rút gon:

Để so sánh thanh đồng hay cốc nước cùng khối lượng m tăng nhiệt độ nhanh hơn, ta xét 2 thanh này cùng tăng ΔT.

Ta có:  Q_n=mc_n.ΔT ; Q_đ=m.c_đ.ΔT

Mà c_n > c_đ nên Q_n > Q_đ 

nước cần nhiều nhiệt lượng hơn để tăng nhiệt độ hay thanh đồng sẽ tăng nhiệt độ nhanh hơn một cốc nước có cùng khối lượng.

Luyện tập 1: Tính nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một miếng nhôm có khối lượng 810 g từ 20 °C lên 75 °C. Nhiệt dung riêng của nhôm là 880 J/kg.K.

Giải rút gọn:

Ta có: Q=mc.ΔT

Đổi: m = 810 gram = 0.81 kg, c=880 J/kg.K, ΔT=75−20=55°C.

Nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một miếng nhôm là: 

Q=(0.81kg)×(880J/kg.K)×(55°C)= 39 204 J

Câu 4: Để xác định nhiệt dung riêng của một chất bằng thực nghiệm thì cần đo những đại lượng nào?

Giải rút gọn:

Để xác định nhiệt dung riêng ta cần đo các đại lượng sau:

+ Khối lượng của chất: Cần phải biết khối lượng chính xác của chất cần đo nhiệt dung riêng.

+ Nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối cùng: Cần phải đo nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối cùng sau khi thực hiện thí nghiệm. 

+ Nhiệt lượng cung cấp hoặc hấp thụ: Thông qua thiết bị đo nhiệt lượng như calorimeter, cần phải đo lượng nhiệt lượng mà chất hấp thụ hoặc cung cấp trong quá trình thay đổi nhiệt độ.

+ Tính toán bằng công thức: Q=mcΔT

Câu 5: Nhiệt lượng cung cấp cho nước được xác định qua công suất của nhiệt lượng kế như thế nào?

Giải rút gọn:

Để xác định nhiệt lượng cung cấp cho nước, chúng ta sẽ sử dụng nhiệt lượng kế để đo công suất của quá trình cung cấp nhiệt cho nước trong một khoảng thời gian nhất định và sử dụng công thức trên để tính toán nhiệt lượng.

Ví dụ, nếu một nhiệt lượng kế đo được công suất là 100W trong 60 giây (1 phút), thì nhiệt lượng đã cung cấp cho nước là:

Q=P×t=100W×60s=6000J

Câu 6: Giải thích tại sao có thể xác định được nhiệt dung riêng của nước qua

độ dốc của đồ thị nhiệt độ - thời gian đun theo phương án thí nghiệm đã thực hiện?

Giải rút gọn:

Ta có: P.Δt = m.c.ΔT

=> ΔT = (P.Δt)/(m.c)

=>   T = T₀ + ΔT

= T₀ + (P.Δt)/(m.c).

Ta thấy T theo t = Δt + t₀ (với t₀ = 0, t = Δt)  là một hàm bậc nhất và hệ số của t hay a = P/m.c . 

Đồ thị nhiệt độ - thời gian đun trở thành một đường thẳng với độ dốc a, ta có thể suy ra nhiệt dung riêng của nước theo độ dốc a, P, m.

Câu 7: Với số liệu được cho ở Bảng 4.2 thì nhiệt dung riêng của nước xác định được là bao nhiêu?

Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm xác định nhiệt dung riêng của nước

Giải rút gọn:

Ta có: T = T₀ + (P.Δt)/(m.c). Với T₀ = 27^oC

Tại Δt = 180s, T₁ = 33^oC: 

Nhiệt dung riêng của nước theo thí nghiệm trên là: 

33 = 27 + 180.P/(m.c) P/(m.c) = 1/30

c = 30P/m = 30.18,2/0,136 = 4014,71 (J/kg.K)

II. NHIỆT NÓNG CHẢY RIÊNG

Luyện tập 2: Xác định nhiệt lượng cần cung cấp để nung nóng chảy hoàn toàn 1 tấn đồng từ 25 °C. Sử dụng số liệu nhiệt dung riêng ở Bảng 4.1 và cho biết nhiệt nóng chảy riêng của đồng là 180.10³ J/kg.

Giải rút gọn:

Nhiệt lượng cần thiết để đồng tăng nhiệt độ từ 25^oC tới 1085^oC được tính theo công thức: Q=mcΔT

Với m = 1000kg, c = 380 J/kg.K, ΔT là độ chênh lệch nhiệt độ. 

Ta có: Q₁ = 1000.380.(1085-25) = 402,8.10⁶J

Nhiệt lượng cần thiết để 1000kg đồng ở 1085^oC nóng chảy là:

Q₂ = m.λ = 1000.180.10³= 180.10⁶J

Vậy tổng nhiệt lượng để nóng chảy 1 tấn đồng từ 25^oC là:

Q = Q₁ + Q₂ = 402,8.10⁶ + 180. 10⁶ = 582,8.10⁶J

Câu 8: Để xác định nhiệt nóng chảy riêng của một chất bằng thực nghiệm, cần đo được những đại lượng nào?

Giải rút gọn:

Để xác định nhiệt nóng chảy riêng của một chất bằng thực nghiệm, cần đo được các đại lượng sau:

+ Khối lượng của chất

+ Nhiệt lượng cung cấp: Đo lượng nhiệt lượng cần cung cấp cho chất để nóng chảy hoàn toàn từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng.

Tính toán nhiệt nóng chảy riêng của chất qua công thức:  λ = Q/m.

Câu 9: Nêu cách xác định khối lượng nước đá đã tan chảy m sau thời gian t ở bước 1.

Giải rút gọn:

Lượng nước đá tan là do môi trường. Khi đo nhiệt nóng chảy riêng ta cần loại bỏ phần đá tan do nhiệt lượng của môi trường nên ta cần xác định khối lượng này. Sau thời gian t, lượng nước tan ra này chảy xuống cốc và cân khi đó xác định khối lượng m.

Câu 10: Vì sao khối lượng nước đá nóng chảy do nhận nhiệt lượng từ dây điện trở của nhiệt lượng kế được xác định là (M-2m)? 

Giải rút gọn:

Ở bước 1, lượng nước trong cốc là m.

Ở bước 2, sau t thì lượng nước tan ra do hấp thụ nhiệt từ môi trường một cách tương đối cũng đúng bằng m nên khi này lượng nước tan ra do môi trường đã là 2m.

Lượng nước trong cốc sau bước 2 là M (khối lượng đá đã tan do cả nhiệt lượng của dây điện trở và môi trường) do đó khối lượng nước đá nóng chảy do nhận nhiệt lượng của dây điện trở là: M – 2m.

Câu 11: Với số nhiệt như trong bảng 4.3 thì nhiệt lượng đã cung cấp cho nước đá là bao nhiêu?

Giải rút gọn:

Tổng nhiệt lượng mà môi trường và dây điện trở đã cung cấp cho nước đá là: 

Q = m.λ

Trong đó, lượng nước đá bị tan ra do dây dẫn điện trở là (M-2m).

Nhiệt lượng do dây dẫn điện trở cung cấp cho nước đá là: Q₁ = (M-2m). λ

Mà nhiệt lượng dây điện trở cung cấp được tính bởi: Q₁ = P.tP.t = (M-2m). λ

Câu 12: Cho biết nhiệt hóa hơi riêng của nước là 2300.10⁶ J/kg có ý nghĩa gì?

Giải rút gọn: 

Ý nghĩa của nhiệt hoá hơi riêng của nước:

Nhiệt hóa hơi riêng của nước là 2300.10⁶ J/kg có nghĩa là cần cung cấp cho 1kg nước 2300.10⁶ J để nước chuyển hoàn toàn từ thể lỏng sang thể khí

Luyện tập 3: Tính nhiệt lượng cần thiết để làm 2,0 g nước đá từ -20^oC chuyển hoàn toàn thành hơi nước ở 100^oC

Giải rút gọn:

Đầu tiên, nước đá cần tăng nhiệt độ từ -20^oC lên 0^oC để thực hiện quá trình nóng chảy, khi đó nhiệt lượng cần thiết là:

Q₁ = mc₁ΔT₁ = 2.10^-3.1800.(0-(-20)) = 72 J

Sau đó ở 0^oC nước đá thực hiện quá trình nóng chảy, nhiệt lượng cần thiết để nước đá nóng chảy hoàn toàn là:

Q₂ = m.λ= 2.10^-3.3,33.10⁵= 666 J

Nước khi này đang ở thể lỏng và có nhiệt độ 0^oC, cần tăng nhiệt độ tới 100^oC để thực hiện quá trình hóa hơi, nhiệt lượng cần thiết là:

Q₃ = mc₂ΔT₂ = 2.10^-3.4200.(100-0) = 840 J

Nước đã tới nhiệt độ 100^oC để thực hiện quá trình hóa hơi, nhiệt lượng cần thiết để nước hóa hơi hoàn toàn là:

Q₄ = m.L = 2.10^-3.2,3.10⁶ = 4600 J

Do đó tổng nhiệt lượng cần cung cấp là:

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄= 72 + 666 + 840 + 4600 = 6178 J

Vận dụng: Cho các dụng cụ: Một cốc thủy tinh chịu nhiệt, bình nhiệt lượng kế kèm dây điện trở, oát kế, cân hiện số, nhiệt kế, đồng hồ bấm giây. Xây dựng phương án và thực hiện phương án thí nghiệm xác định nhiệt hóa hơi riêng của nước bằng các dụng cụ này.

Giải rút gọn: 

Phương án thí nghiệm:

+ Tìm hiểu công dụng của các dụng cụ nêu trên.

+ Lập phương án thí nghiệm với các dụng cụ đó.

Tiến hành:

+ Lắp bộ thí nghiệm như hình vẽ:

+ Đo nhiệt độ nước ban đầu t₀(^oC) và khối lượng ban đầu m₀(kg) của nước

+ Dùng đồng hồ bấm giây đo thời gian từ khi bắt đầu đun nước tới khi cân đo lượng nước giảm đi đáng kể (tầm 20%-30%).

+ Để hệ ổn định và đo lượng nước của hệ lúc sau m₁(kg) và đo thời gian đun là t(s).

Kết quả:

Nhiệt lượng đã cung cấp cho nước là: Q = P.t, nhiệt lượng này đã đưa nước từ t₀(^oC) tới 100^oC và hóa hơi một lượng (m₀ - m₁) nước từ thể lỏng sang thể khí.

Ta có:  Q’= Q- m₀cΔT =(m₀ - m₁).L

Từ công thức trên ta tính được nhiệt hóa hơi riêng của nước.