CHUN ĐỀ NÂNG CAO PHẦN NHIỆT HỌC THCS KIẾN THỨC CƠ BẢN Ơ điều kiện thường, vật chất tồn tại ở ba trạng thái: rắn – lỏng – khí. Vật chất có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái. Muốn vật chất thay đổi trạng thái, ta phải làm tăng hoặc giảm nhiệt năng của vật. Nhiệt lượng vật cần thu vào để nóng lên mà chưa chuyển thể được tính bởi cơng thức: Q = m.c. ∆ t = m.c (t 2 - t 1 ) Đa số các chất chỉ chuyển thể khi đạt đến một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt chuyển thể. Trong suốt qúa trình chuyển thể, nhiệt độ của khối chất khơng thay đổi. Nhiệt lượng vật cần thu vào (toả ra) để chuyển thể ở nhiệt độ chuyển thể được tính bởi cơng thức: Q = m.λ Nhiệt lượng có thể được truyền qua ba hình thức: +Dẫn nhiệt :là hình thức truyền nhiệt từ phần này sang phần này sang phần khác của một vật, từ vật này sang vật khác . +Đối lưu :là hình thức truyền nhiệt bằng các dòng chất lỏng hoặc chất khí , đó cũng là hình thức truyền nhiệt chủ yếu của chất lỏng hoặc chất khí. +Bức xạ nhiệt :là sự truyền nhiệt bằng các tia nhiệt đi thẳng . Bức xạ nhiệt có thể xảy ra cả ở trong chân không. - Nhiệt lượng ln được truyền từ vật nóng sang vật lạnh hơn cho đến khi hai vật có nhiệt độ bằng nhau. CHỦ ĐỀ 1: BÀI TẬP SỬ DỤNG PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT Nhiệt lượng toả ra bằng với nhiệt lượng thu vào: Q toả = Q thu Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hồn tồn m (kg) nhiên liệu: Q = q . m (J) CHỦ ĐỀ 2: BÀI TẬP VỀ HIỆU SUẤT Dạng 1: Tính hiệu suất của động cơ ơtơ biết ơtơ chạy được qng đường s (km) với lực kéo trung bình là F (N) tiêu thụ hết m (kg) xăng. cơng thức: Q A H = . Cách giải: Trước hết tính cơng mà ơtơ thực hiện được: A = F . s (J) Tính nhiệt lượng do xăng bị đốt cháy tỏa ra: Q = q . m Từ đó tính được hiệu suất của ơtơ: Q A H = Dạng 2: Bếp dầu đun nóng m (kg) nước tiêu thụ hết m’ (kg) dầu. Tính hiệu suất Cơng thức: = 1 Q H Q Cách giải: Trước hết tính nhiệt lượng Q 1 cung cấp cho nước: Q = c.m.(t 2 – t 1 ) = c.m.∆t (J) Tính nhiệt lượng do dầu bị đốt cháy tỏa ra: Q = q.m Từ đó tính được hiệu suất của bếp: = 1 Q H Q BÀI TẬP VẬN DỤNG Mét sè bµi tËp ®Þnh tÝnh NhiƯt häc Bài1: Nhiệt độ bình thờng của thân thể ngời là 36,6 0 C. Tuy nhiên ta không thấy lạnh khi nhiệt độ của không khí là 25 0 C và cảm thấy rất nóng khi nhiệt độ không khí là 36 0 C. Còn trong nớc thì ng- ợc lại, khi ở nhiệt độ 36 0 C con ngời cảm thấy bình thờng, còn khi ở 25 0 C ngời ta cảm thấy lạnh. Giải thích nghịch lí này nh thế nào? Bài 2: Sự truyền nhiệt chỉ thực hiện đợc từ một vật nóng hơn sang một vật lạnh hơn. Nhng một chậu nớc để trong phòng có nhiệt độ bằng nhiệt độ của không khí xung quanh, lẽ ra nó không thể bay hơi đợc vì không nhận đợc sự truyền nhiệt từ không khí vào nớc. Tuy vậy, trên thực tế , nớc vẫn cứ bay hơi. Hãy giải thích điều nh là vô lí đó. Bài 3: Ai cũng biết rằng giấy rất dễ cháy.Nhnng có thể đun sôi nớc trong một cái cốc bằng giấy, nếu đa cốc này vào ngọn lửa của bếp đèn dầu đang cháy. Hãy giải thích nghịch lí đó. Bài 4: Về mùa hè, ở nhiều xứ nóng ngời ta thờng mặc quần áo dài hoặc quấn quanh ngời bằng những tấm vải lớn. Còn ở nớc ta lại thờng mặc quần áo mỏng, ngắn. Vì sao vậy? Bài 5: Tại sao trong tủ lạnh, ngăn làm đá đợc đặt trên cùng, còn trong các ấm điện, dây đun lại đ- ợc đặt gần sát đáy? Bài 6: Một quả cầu kim loại đợc treo vào một lực kế nhạy và nhúng trong một cốc nớc. Nếu đun nóng đều cốc nớc và quả cầu thì số chỉ lực kế tăng hay giảm? Biết rằng khi nhiệt độ tăng nh nhau thì nớc nở nhiều hơn kim loại. Giải: Số chỉ của lực kế: F = P - F A. Gọi thể tích của quả cầu là V 1 , trọng lợng riêng của nớc và kim loại là d n và d k ta có: F = P V.d n = P - dk P d n = P.(1 - dk dn ) Khi t 0 tăng, nớc nở vì nhiệt nhiều hơn kim loại nên d n giảm nhiều hơn d k do đó d n /d k giảm đi còn P không đôỉ nên số chỉ của lực kế sẽ tăng lên. Bài tập về trao đổi nhiệt Phng phỏp: Xỏc nh cỏc cht thu nhit, cỏc cht ta nhit. p dng phng trỡnh cõn bng nhit thit lp cỏc phng trỡnh cn thit. Bi 1. Ngi ta th mt thi ng nng 0, 4kg nhit 80 0 c vo 0, 25kg nc o t = 18 0 c. Hóy xỏc nh nhit cõn bng. Cho c 1 = 400 j/kgk c 2 = 4200 j/kgk Gii . Gi nhit khi cõn bng ca hn hp l t. Ta cú phng trỡnh cõn bng nhit ca hn hp nh sau )18(.)80.(. 2211 = tcmtcm Thay s vo ta cú t = 26,2 0 C Bai 2: Ngời ta thả vào 0,2kg nớc ở nhiệt độ 20 0 C một cục sắt có khối lợng 300g ở nhiệt độ 10 0 C và một miếng đồng có khối lợng 400g ở 25 0 C. Tính nhiệt độ cuối cùng của hỗn hợp và nêu rõ quá trình trao đổi nhiệt giữa các thành phần trong hỗn hợp đó. Cho c 1 = 4200 j/kgk c 2 = 460 j/kgk , c 3 = 380 j/kgk Gii . Gi nhit khi cõn bng ca hn hp l t. Ta cú phng trỡnh cõn bng nhit ca hn hp nh sau m 1 .c 1. (20 t) + m 3 .c 3. (25 t) = m 2 .c 2. (t 10) Thay s vo ta cú t = 20,31 0 C Bài 3: Để có M = 500g nớc ở nhiệt độ t = 18 0 C để pha thuốc rửa ảnh, ngời ta đẵ lấy nớc cất ở t 1 = 60 0 C trộn với nớc cất đang ở nhiệt độ t 2 = 4 0 C. Hoỉ đẵ dùng bao nhiêu nớc nóng và bao nhiêu nớc lạnh? Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với vỏ bình. Giải: Gọi khối lợng nớc nóng phỉa dùng là m 1 , KL nớc lạnh phải dùng là m 2 . M = m 1 + m 2 = 0,5 (1) áp dụng pt: Q tỏa = Q thu ta đợc: m 2 = 3m 1 (2) Giải hệ ta đợc: m 1 = 0,125kg m 2 = 0,375kg Bài 4: Để xác định nhiệt độ của một chiếc lò, ngời ta đốt trong nó một cục sắt có khối lợng m = 0,3kg rồi thả nhanh vàotrong bình chứa m 1 = 4kg nớc có nhiệt độ ban đầu là t 1 = 8 0 C. Nhiệt độ cuối cùng trong bình là t 2 = 16 0 C. Hãy xác định nhiệt độ của lò. Bỏ qua trao đổi nhiệt với vỏ bình. Nhiệt dung riêng của sắt là c = 460J/kg.K. Đs: 990 0 C Bài 5: Một cục đồng khối lợng m 1 = 0,5kg đợc nung nóng đến nhiệt độ t 1 = 917 0 C rồi thả vào một chậu chứa m 2 = 27,5kg nớc đang ở nhiệt độ t 2 = 15,5 0 C. Khi cân bằng nhiệt độ thì nhiệt độ của cả chậu là t = 17 0 C. Hãy xác định nhiệt dung riêng của đồng. Nhiệt dung riêng của nớc c 2 = 4200J/kg.K. Bỏ qua trao đổi nhiệt với chậu nớc. Đs: c = 385j/kg.K Bài 6: Để có thể làm sôi m = 2kg nớc có nhiệt độ ban đầu t 1 = 10 0 C chứa trong một chiếc nồi bằng nhôm có khối lợng m 1 cha biết, ngời ta đẵ cấp một nhiệt lợng Q = 779 760J. Hãy xác định khối lợng của nồi. Biết nhiệt dung riêng của nhôm là c 1 = 880J/Kg.K. Xem nh không có nhiệt l- ợng hao phí. Bài 7: Một nhiệt lợng kế khối lợng m 1 = 100g, chứa m 2 = 500g nớc cùng ở nhiệt độ t 1 = 15 0 C. Ng- ời ta thả vào đó m = 150g hỗn hợp bột nhôm và thiếc đợc nung nóng tới t 2 = 100 0 C. Nhiệt độ khi cân bằng nhiệt là t = 17 0 C. Tính khối lợng nhôm và thiếc có trong hỗn hợp. Nhiệt dung riêng của chất làm nhiệt lợng kế, của nớc, nhôm, thiếc lần lợt là : c 1 = 460J/kg.K ; c 2 = 4200J/kg.K ; c 3 = 900J/kg.K ; c 4 =230J/kg.K. Giải : ta có pt : m 3 + m 4 = m = 0,115 (1) (m 1 .c 1 + m 2 .c 2 ) . (t t 1 ) = (m 3 .c 3 + m 4 .c 4 ) . (t 2 t) (2) Giải hệ pt ta đợc: m 3 = 25g m 4 = 125g Bài 8 : Có hai bình cách nhiệt. Bình 1 chứa m 1 = 2kg nớc ở t 1 = 40 0 C. Bình 2 chứa m 2 = 1kg nớc ở t 2 = 20 0 C. Ngời ta trút một lợng nớc m , từ bình 1 sang bình 2. Sau khi ở bình 2 nhiệt độ đẵ ổn định, lại trút lợng nớc m , từ bình 2 trở lại bình 1. nhiệt độ cân bằng ở bình 1 lúc này là t , 1 = 38 0 C. Tính khối lợng nớc m , trút trong mỗi lần và nhiệt độ cân bằng t , 2 ở bình 2. Giải: Lần trút thứ nhất: m .c . (t 1 t 2 ) = m 2 .c . (t 2 t 2 ) (1) Lần trút thứ hai: m .c . (t 1 t 2 ) = (m 1 - m).c . (t 1 t 1 ) (2) Giải hệ ta đợc: t 2 = 24 0 C m = 0,25kg Bài 9 : Có hai bình, mỗi bình đựng một chất lỏng nào đó. Một HS lần lợt múc từng ca chất lỏng ở bình 2 trút vào bình 1 và ghi lại nhiệt độ khi cân bằng ở bình 1 sau mỗi lần trút : 20 0 C, 35 0 C, rồi bỏ sót mất 1 lần không ghi, rồi 50 0 C. Hãy tính nhiệt độ khi có cân bằng nhiệt ở lần bị bỏ sót không ghi, và nhiệt độ của mỗi ca chất lỏng lấy từ bình 2 trút vào. Coi nhiệt độ và khối lợng của mỗi ca chất lỏng lấy từ bình 2 đều nh nhau. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trờng. Giải: t 0 của bình 1 tăng dần chứng tỏ nhiệt độ mỗi ca chất lỏng trút vào cao hơn t 0 của bình 1 và mỗi ca chất lỏng trút vào lại truyền cho bình 1 một nhiệt lợng. Gọi q 1 là nhiệt dung tổng cộng của bình 1 và các chất lỏng sau lần trút thứ nhất (ở 20 0 C) q 2 là nhiệt dung của mỗi ca CL trút vào, t 2 là nhiệt độ mỗi ca CL đó và t x là t 0 bị bỏ sót ko ghi Ta có pt cân bằng nhiệt ứng với 3 lần trútcuối: q 1 . (35 20) = q 2 . (t 2 35) (1) ( q 1 + q 2 ). (t x 35) = q 2 . (t 2 t x ) (2) ( q 1 +2 q 2 ). (50 - t x ) = q 2 . (t 2 50) (3) Từ (1) q 1 = 15 352 t q 2 (4) Đa (4) vào (2) và (3) ta có hệ: ( 15 352 t + 1). q 2 . (t x 35) = q 2 . (t 2 t x ) ( 15 352 t + 2). q 2 . (50 - t x )= q 2 . (t 2 50) (t 2 20). (t x 35) = 15 (t 2 t x ) (5) (t 2 5). (50 - t x ) = 15 (t 2 50) (6) t 2 . t x 35t 2 20t x + 700 = 15t 2 15t x 50t 2 t 2 . t x 250 + 5t x = 15t 2 750 t 2 . t x 50t 2 5t x + 700 = 0 t 2 . t x + 35t 2 + 5t x + 500 = 0 0 - 15t 2 + 0 + 1200 = 0 t 2 = 80 0 C t x = 44 0 C Bài 10 : a) Một hệ gồm có n vật có khối lợng m 1 , m 2 , m n ở nhiệt độ ban đầu t 1 , t 2 , .t n , làm bằng các chất có nhiệt dung riêng c 1 , c 2 , c n , trao đổi nhiệt với nhau.Tính nhiệt độ chung của hệ khi có cân bằng nhiệt. b) Ap dụng : Thả 300g sắt ở nhiệt độ 10 0 C và 400g đồng ở 25 0 C vào 200g nớc ở 20 0 C. Tính nhiệt độ khi cân bằng nhiệt. Cho nhiệt dung riêng của sắt, đồng, nớc lần lợt là 460, 400 và 4200J/kg.K. Giải: a) Giả sử trong hệ có k vật đầu tiên tỏa nhiệt, (n k) vật còn lại thu nhiệt thì pt cân bằng nhiệt của hệ là: m 1 .c 1 (t 1 t) + m 2 .c 2 (t 2 t) + + m k .c k (t k t) = m k+1 .c k+1 (t t k+1 ) + + m n .c n. ( t t n ) Giải ra ta có : t = m 1 .c 1 t 1 + m 2 .c 2 t 2 + m n .c n. t n m 1 .c 1 + m 2 .c 2 + + m n .c n Biểu thức trên cho thấy kết quả không phụ thuộc vào giá trị của k b) áp dụng : t = 19 0 C Bài 11: Một thau nhôm có khối lợng 0,5kg đựng 2kg nớc ở 20 0 C. a) Thả vào thau nớc một thỏi đồng có khối lợng 200g lấy ở lò ra. Nớc nóng đến 21,2 0 C. tìm nhiệt độ của bếp lò? Biết NDR của nhôm, nớc, đồng lần lợt là: c 1 = 880J/kg.K; c 2 = 4200J/kg.K; c 3 = 380J/kg.K. Bỏ qua sự tỏa nhiệt ra môi trờng b) Thực ra trong trờng hợp này, nhiệt lợng tỏa ra môI trờng là 10% nhiệt lợng cung cấp cho thau nớc. Tìm nhiệt độ thực sự của bếp lò. c) nếu tiếp tục bỏ vào thau nớc một thỏi nớc đá có khối lợng 100g ở 0 0 C nớc đá có tan hết không? Tìm nhiệt độ cuối cùng của hệ thống hoặc lợng nớc đá còn sót lại nếu không tan hết. Biết NNC của nớc đá là = 3,4.10 5 J/kg. Giải: a. PT: m 3 .c 3 (t t 2 ) = (m 1 .c 1 + m 2 .c 2 ) . (t 2 t 1 ) t = (m 1 .c 1 + m 2 .c 2 ) . (t 2 t 1 ) + m 3 .c 3. t 2 = 160,78 0 C m 3 .c 3 b. Do có tỏa nhiệt ra môi trờng nên: Q 3 = 10% ( Q 1 + Q 2 ) + ( Q 1 + Q 2 ) = 1,1 ( Q 1 + Q 2 ) m 3 .c 3. (t - t 2 ) = 1,1. (m 1 .c 1 + m 2 .c 2 ) . (t 2 t 1 ) t = 1,1. (m 1 .c 1 + m 2 .c 2 ) . (t 2 t 1 ) - t 2 = 174,74 0 C m 3 .c 3 c. NL thỏi đá thu vào để nóng chảy hoàn toàn ở 0 0 C Q = .m = = 34000J NL cả hệ tỏa ra khi giảm đến 0 0 C Q = (m 1 .c 1 + m 2 .c 2 + m 3 c 3 ) . (21,2 0) = 0,5. 880 = 189019J Do NL nớc đá cần để tan hoàn toàn < Q của hệ thống tỏa ra nên nớc đá tan hết và cả hệ thống nâng lên đến t Q = Q Q =m 1 .c 1 + (m 2 + m) c 2 + m 3 c 3. . t t = Q = 16,6 0 C m 1 .c 1 + (m 2 + m) c 2 + m 3 c 3 Bài tập về NSTN của nhiên liệu và hiệu suất của động cơ nhiệt Bài 1: Dùng bếp dầu đun sôi 2,2 lít nớc ở 25 0 C dựng trong một ấm nhôm có khối lợng 0,5kg. Biết chỉ có 30% nhiệt lợng do dầu tỏa ra khi bị đốt cháy làm nóng ấm và nớc trong ấm, NDR của nớc và nhôm theo thứ tự lần lợt là 4200J/kg.K và 880J/kg.K, NSTN của dầu hỏa là 44.10 6 J/kg. Hãy tính lợng dầu cần dùng? Giải: Q = (m 1 .c 1 + m 2 .c 2 ) . (100 - 25) = 726 000J Q = Q 1 /H = 2 420 000J m = Q/q = 0,055kg = 55g Bài 2: Để có nớc sôi các nhà thám hiểm đẵ phải đun nóng chảy 1kg băng có nhiệt độ ban đầu t 1 = - 10 0 C và đẵ dùng hết 4kg củi khô. Hãy tính hiệu suất của bếp, biết rằng NSTN của củi là q = 10 7 J/kg. Giải: Q 1 = m 1 .c 1 (0 t 1 )+ m 1 .Ê + m 1 .c 2 (100 0) = 781 000J Q = q 0 . m 0 = 4. 10 7 J H = Q 1 = 781000 = 1,95% Q 4.10 7 Bài 3:Một ôtô chạy với vận tốc v = 54km/h thì công suất máy phải sinh ra là P = 45kW. Hiệu suất của máy là H = 30%. Hỏi cứ đi 100km thì xe tiêu thụ hết bao nhiêu lít xăng? Xăng có khối lợng riêng D = 700kg/m 3 và NSTN q = 4,6.10 7 J/kg. Giải: A = P.t = P. S/v Q = A/H = P.S / H.v (1) Q = q.m = q. D.V (2) P.S / H.V = q.D.V V = P.S ỹ 0,031m 3 = 31 lít H.v.q.D Bài 4: Một động cơ nhiệt hiệu suất H = 16%, công suất trung bình P =15kW, mỗi ngày làm việc 6 h. Hỏi với số xăng dự trữ là 3500lít, động cơ làm việc đợc bao nhiêu ngày? Cho biết khối l- ợng riêng và NSTN của xăng ở bài trên. Giải: m = D.V = 2450kg Q = q.m = 1,127.10 11 J A = H.Q ỹ 0,18.10 11 J t = A/P = 0,18.10 11 / 15 000 = 1,202 . 10 6 s = 55,6 ngày. Bài 5: Một ôtô đợc trang bị một động cơ tuabin hơi có công suất 125 sức ngựa và hiệu suất 0,18. Hỏi cần bao nhiêu củi để ôtô đi đợc quãng đờng 1km với vận tốc 18km/h, và với công suất tối đa của động cơ. NSTN của củi là 3.10 6 cal/kg. 1 sức ngựa bằng 736W, còn 1cal = 4,186J. Giải: v = 18km/h = 5m/s t = s/v = 200s P i = 125.736 = 92 000W P = P i / H = 92 000/ 0,18 = 511 111W Q = P.t = 102 222 222J m = Q/q = 8,14kg Bài 6: a) Tính lợng dầu cần để đun sôi 2 lít nớc ở 20 0 C đựng trong một ấm bằng nhôm có khối lợng 200g. Biết NDR của nớc và ấm nhôm là c 1 =4200J/kg.K; c 2 = 880J/kg.K, NSTN của dầu là q = 44.10 6 J/kg và hiệu suất của bếp là 30%. b) Cần đun thêm bao lâu nữa thì nớc hóa hơi hoàn toàn. Biết bếp dầu cung cấp nhiệt một cách đều đặn và kể từ lúc đun cho đến lúc sôi mất thời gian 15 phút. Biết nhiệt hóa hơi của nớc L = 2,3.10 6 J/kg. Giải: Q 1 = = m 1 .c 1 (100 t 1 ) Q 2= = m 2 .c 2 (100 t 1 ) Q = Q 1 + Q 2 = 686 080J H = Q i / Q Q = Q i / H = 2286 933J Khối lợng dầu cần dùng: m = Q /q = 0,05197kg = 51,97g b. Q 3 = L. m 1 = 4 600 000J Để cung cấp một NL Q 3 = 4600kJ cần một thời gian là: t = Q 3 / Q . 15 ph = 100,57 ph = 1h 41ph. . truyền nhiệt bằng các dòng chất lỏng hoặc chất khí , đó cũng là hình thức truyền nhiệt chủ yếu của chất lỏng hoặc chất khí. +Bức xạ nhiệt :là sự truyền nhiệt bằng các tia nhiệt đi thẳng . Bức xạ nhiệt. không. - Nhiệt lượng ln được truyền từ vật nóng sang vật lạnh hơn cho đến khi hai vật có nhiệt độ bằng nhau. CHỦ ĐỀ 1: BÀI TẬP SỬ DỤNG PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT Nhiệt lượng toả ra bằng với nhiệt. nhiệt độ t 2 = 15,5 0 C. Khi cân bằng nhiệt độ thì nhiệt độ của cả chậu là t = 17 0 C. Hãy xác định nhiệt dung riêng của đồng. Nhiệt dung riêng của nớc c 2 = 4200J/kg.K. Bỏ qua trao đổi nhiệt