Slide bài giảng Vật lí 12 Cánh diều bài 4: Nhiệt dung riêng, nhiệt nóng chảy riêng, nhiệt hóa hơi riêng

Tóm lược nội dung

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

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: 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? 

Trả lời rút gọn: 

Nhiệt lượng cần truyền cho một vật để nóng lên hoặc chuyển thể phụ thuộc vào khối lượng của vật, bản chất của chất tạo nên vật. Ngoài ra nhiệt lượng cần truyền cho vật để nóng lên còn phụ thuộc vào độ tăng nhiệt độ.

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.

Trả lời rút gọn: 

- Khối lượng: đun sôi 5 lít nước lâu hơn đun sôi 1 lít nước.

- Độ chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối cùng: để đun sôi cùng một lượng 1 lít nước từ 20 °C cần nhiệt thời gian hơn khi đun từ 50 °C.

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

Trả lời rút gọn: 

Hệ thức 4.1: Q = mc.ΔT => c =

=> [c] = =

=> Đơn vị của nhiệt dung riêng 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. 

Trả lời rút gọn: 

Ta có, nhiệt dung riêng của đồng < nhiệt dung riêng của nước (c_đ = 380 J/kg.K < c_n = 4180 J/kg.K).

Vì c_đ < c_n nên Q_đ < Q_n

=> đồng cần ít nhiệt lượng hơn so với nước 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.

Trả lời rút gọn: 

Đổi m = 810 gram = 0.81 kg

Q = mc.ΔT = (0.81kg)×(880J/kg.K)×[(75 – 20)°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?

Trả lời rút gọn: 

Để xác định nhiệt dung riêng của một chất bằng thực nghiệm, cần đo các đại lượng sau: Khối lượng của chất (m); Nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối cùng (ΔT); Nhiệt lượng cần cung cấp (Q).

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

Trả lời rút gọn: 

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 tính toán nhiệt lượng bằng công thức: Q = P.t

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?

Trả lời rút gọn: 

Ta có: P.Δt = m.c.ΔT

=> ΔT = (P.Δt)/(m.c)

=>   T = T₀ + ΔT

        T = T₀ + (P.Δt)/(m.c).

=> Nhiệt dung riêng c tỉ lệ với độ dốc đồ thị nhiệt độ - thời gian đun.

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

Trả lời rút gọn: 

Ta có: 

T = T₀ + (P.Δt)/(m.c).

Với T₀ = 27^oC

Tại Δt = 180s, T₁ = 33^oC: 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.

Trả lời rút gọn: 

Nhiệt lượng để tăng nhiệt độ đồng từ 25 °C đến nhiệt độ nóng chảy:

Q₁ = 1000.380.(1085-25) = 402,8.10⁶J

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

Q₂ = m.λ = 1000.180.10³= 180.10⁶J

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?

Trả lời 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.

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

Trả lời rút gọn: 

Đo khối lượng cốc nước trước khi làm thí nghiệm và cốc nước sau khi đá đã tan chảy. Khối lượng nước đá đã tan chảy bằng khối lượng cốc nước lúc sau trừ đi ban đầu.

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)? 

Trả lời rút gọn: 

Sau bước 1, lượng nước trong cốc là m. Khi thực hiện bước 2, lượng nước tan ra từ môi trường cũng là m. Tổng lượng nước tan ra do môi trường là 2m.

Khối lượng nước trong cốc sau bước 2 là M. Do đó, khối lượng nước đá nóng chảy do nhận nhiệt từ 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?

Trả lời rút gọn: 

Nhiệt lượng do dây dẫn điện trở cung cấp cho nước đá là: 

Q = (M - 2m). λ = P.t = 24.180 = 4320 J.

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

Trả lời rút gọn: 

Nhiệt lượng cần cung cấp cho 1kg nước để nước chuyển hoàn toàn từ thể lỏng sang thể khí là 2300.10⁶ J.

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

Trả lời rút gọn: 

Nhiệt lượng cần để nước đá tăng nhiệt độ từ -20^oC lên 0^oC là:

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

Nhiệt lượng để nước đá nóng chảy hoàn toàn:

Q₂ = m.λ = 2.10^-3.3,33.10⁵ = 666J

Nhiệt lượng cần để nước tăng nhiệt độ 0^oC tới 100^oC là:

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

Nhiệt lượng hoá hơi nước ở 100 °C là:

Q₄ = m.L = 2.10^-3.2,3.10⁶ = 4600J

Do đó tổng nhiệt lượng cần cung cấp là:

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

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.

Trả lời rút gọn: 

Phương án thí nghiệm:

Đầu tiên đo nhiệt độ nước ban đầu t₀(^oC) và khối lượng ban đầu m₀(kg) của nước, đo thời gian t 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).

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

Nhiệt lượng đã làm cho (m₀ - m₁) nước từ thể lỏng sang thể khí là:

Q’= Q -  m₀cΔT =(m₀ - m₁).L

=> L = (P.t-m₀c(100-t₀))/(m₀ - m₁)

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