CHUYÊN ĐỀ NHIỆT HỌC

Chuyên đề bồi dưỡng HSG rất hay.

NHIỆT HỌC

I./ Nhiệt độ - Nhiệt kế - Nhiệt giai:

1) Nhiệt độ: Nhiệt độ của vât càng cao thì các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật chuyển động

càng nhanh

2) Nhiệt kế:

- Là dụng cụ dùng để đo nhiệt độ

- Có nhiều loại: nhiệt kế y tế; nhiệt kế thuỷ ngân; nhiệt kế rượu (hay dầu)

3) Nhiệt giai: Có nhiều loại nhiệt giai:

- Nhiệt giai Xenxiut (0C): chọn nước đá đang tan là 00C; hơi nước đang sôi là 1000C

- Nhiệt giai Farenhai (0F): chọn nước đá đang tan là 320F; hơi nước đang sôi là 2120F

Suy ra: 10C = 1,80F hay 10F = 1/1,8 0C

- Nhiệt giai Kenvin (K): chọn nước đá đang tan là 273K; hơi nước đang sôi là 373K

Suy ra 10C = 1K

- Đổi 0C sang 0F và 0F sang 0C:

Ví dụ 1: Đổi 200C sang 0F:

Ví dụ 2: Đổi 680F sang 0C:

II./ Nhiệt năng:

-Tổng động năng của các phân tử cấu tạo nên vật gọi là nhiệt năng của vật

-Có 2 cách làm thay đổi nhiệt năng: thực hiện công và truyền nhiệt

III./ Nhiệt lượng:

-Là phần nhiệt năng mà vật nhận thêm hay mất bớt trong quá trình truyền nhiệt

-Có 3 cách truyền nhiệt

1) Dẫn nhiệt:

- Là sự truyền nội năng từ hạt này sang hạt khác của vật

- Dẫn nhiệt chủ yếu xảy ra ở chất rắn

- Kim loại dẫn nhiệt tốt nhất

- Chất lỏng dẫn nhiệt kém (trừ dầu và thuỷ ngân)

- Chất khí dẫn nhiệt rất kém

2) Đối lưu:

-Là sự truyền nội năng bởi các dòng chất lỏng hay chất khí

-Dòng chất lỏng (khí) nóng từ dưới đi lên và dòng chất lỏng (khí) lạnh từ trên đi xuống

3) Bức xạ nhiệt:

-Là sự truyền nội năng bằng cách phát ra những tia nhiệt đi thẳng

-Các vật nóng đều phát ra các bức xạ nhiệt

IV./ Nhiệt dung riêng:

-Nhiệt dung riêng của một chất cho biết nhiệt lượng cần truyền cho 1kg chất đó tăng thêm 10C

Ví dụ: Nói nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K có nghĩa là

Muốn 1kg nước tăng thêm 10C thì cần cung cấp một nhiệt lượng là 4200J

V./ Công thức tính nhiệt lượng:

- Nếu tính nhiệt lượng thu vào để tăng nhiệt độ: ∆t = t2 – t1

- Nếu tính nhiệt lượng toả ra để giảm nhiệt độ: ∆t = t1 – t2

Chú ý: Có nhiều bài toán ta không biết được vật tăng hay giảm nhiệt độ (vì bài toán chỉ cho

ẩn số) ta tính: ∆t = t0

cuối – t0

đầu

Lúc này ∆t có thể dương hay âm => Q có thể dương hay âm

- Nếu Q > 0: vật thu nhiệt

- Nếu Q < 0: vật toả nhiệt

2) Phương trình cân bằng nhiệt:

Nếu biết rõ vật nào toả nhiệt, vật nào thu nhiệt, ta dùng phương trình:

Tổng quát : m1c1.∆t1 + m2c2.∆t2 + … + m2c2.∆t2 = 0 (Trong đó ∆tn = t0 – tn )

VI./ Sự chuyển thể của các chất:

1) Sự nóng chảy và sự đông đặc :

a) Tính chất:

- Sự chuyển một chất từ thể rắn sang thể lỏng gọi là sự nóng chảy

- Sự chuyển một chất từ thể lỏng sang thể rắn gọi là sự đông đặc

- Một chất bắt đầu nóng chảy ở nhiệt độ nào thì cũng bắt đầu đông đặc ở nhiệt độ đó Trong suốt thời gian nóng chảy (hay đông đặc) nhiệt độ của vật không thay đổi

- Mỗi chất nóng chảy (hay đông đặc) ở một nhiệt độ nhất định Nhiệt độ này gọi là nhiệt

độ nóng chảy (hay nhiệt độ đông đặc) của chất ấy

Ví dụ: Với nước là 00C; với băng phiến là 800C

b) Nhiệt nóng chảy:

Nhiệt lượng cần thiết cho 1kg chất rắn chuyển từ thể rắn sang thể lỏng ở nhiệt độ nóng chảy gọi là nhiệt nóng chảy của chất đó

Ví dụ: Nói nhiệt nóng chảy của nước đá là λ = 3,4 × 105 J/kg

Nghĩa là: muốn cho 1kg nước đá ở 00C hoá lỏng hết thì cần một nhiệt lượng là 3,4 × 105 J

λ: nhiệt nóng chảy của chất làm vật (J/kg) Chú ý: Nhiệt lượng vật toả ra khi đông đặc đúng bằng nhiệt lượng vật đó thu vào khi nóng chảy Như vậy công thức Q = m.λ vẫn dùng được khi vật đông đặc, lúc này λ được gọi là nhiệt đông đặc

2) Sự hoá hơi và sự ngưng tụ:

a) Tính chất:

- Sự chuyển một chất từ thể lỏng sang thể hơi gọi là sự hoá hơi.

- Sự chuyển một chất từ thể hơi sang thể lỏng gọi là sự ngưng tụ

- Sự bay hơi là sự hoá hơi chỉ xảy ra trên mặt thoáng chất lỏng

Tốc độ bay hơi của chất lỏng phụ thuộc vào:

+ Nhiệt độ của chất lỏng: nhiệt độ càng cao, tốc độ bay hơi càng nhanh

+ Diện tích mặt thoáng: diện tích càng rộng, tốc độ bay hơi càng nhanh

+ Gió trên mặt thoáng: gió càng nhiều, tốc độ bay hơi càng nhanh

+ Bản chất của chất lỏng: rượu bay hơi nhanh hơn nước, nước bay hơi nhanh hơn dầu

- Sự sôi là sự hoá hơi xảy ra cả trên mặt thoáng và trong lòng chất lỏng

+ Mỗi chất lỏng sôi ở một nhiệt độ nhất định Nhiệt độ này gọi là nhiệt độ sôi hay điểm sôi

+ Trong suốt thời gian sôi, nhiệt độ của chất lỏng không thay đổi

+ Nhiệt độ sôi phụ thuộc áp suất trên mặt thoáng chất lỏng: áp suất tăng thì nhiệt độ sôi tăng; áp suất giảm thì nhiệt độ sôi giảm

Ví dụ: Ở áp suất thường (1atm), nhiệt độ sôi của nước là 1000C; nếu áp suất 10 atm thì nhiệt độ sôi của nước 1800C; nếu áp suất 0,1 atm thì nước sôi ở 500C

b) Nhiệt hoá hơi:

Nhiệt lượng cần thiết cho 1kg chất chuyển từ thể lỏng sang thể hơi ở nhiệt độ sôi gọi là nhiệt hoá hơi của chất đó

Ví dụ: Nói nhiệt hoá hơi của nước là L = 2,3 × 106 J/kg nghĩa là:

Muốn cho 1kg nước ở 1000C hoá hơi hoàn toàn cần cung cấp một nhiệt lượng là 2,3 × 106 J

Trong đó: Q: Nhiệt lượng (J); m: khối lượng (kg) ; L: Nhiệt hoá hơi(J/kg)

Chú ý: Nhiệt lượng vật toả ra khi ngưng tụ đúng bằng nhiệt lượng vật đó thu vào khi hoá hơi Như vậy công thức Q = m.L vẫn dùng được khi vật ngưng tụ, lúc này L được gọi là nhiệt ngưng tụ

VII./ Năng suất toả nhiệt:

là năng suất toả nhiệt của nhiên liệu đó

Ví dụ: Nói năng suất toả nhiệt của xăng là q = 4,6 × 107 J/kg nghĩa là:

Đốt cháy hết 1kg xăng thì toả ra một nhiệt lượng là 4,6 × 107 J

VIII./ Hiệu suất của động cơ nhiệt:

Năng lượng (công) có ích

Năng lượng toàn phần do nhiên liệu toả ra

BÀI TẬP CƠ BẢN VÀ NĂNG CAO

1) Người ta truyền nhiệt lượng cho một cục ngước đá có nhiệt độ ban đầu -50C cho đến khi hóa hơi hoàn toàn Vẽ đồ thị biểu diễn các quá trình

180C Hãy xác định nhiệt độ khi có cân bằng nhiệt

Tính khối lượng nước và khối lượng rượu đã pha Biết rằng ban đầu rượu; nước có nhiệt

độ lần lượt: t1 = 190C; t2 = 1000C

Nhiệt dung riêng của rươu; nước là: C1 = 2500J/kg.K; C2 = 4200J/kg.K

(ĐS: 19,18g; 120,82g)

4) Một nhiệt lượng kế khối lượng m1 = 100g chứa một lượng m2 = 500g nước ở cùng nhiệt

độ t1 = 150C Người ta thả vào đó m = 150g hỗn hợp bột nhôm và thiếc đã được nung nóng tới t2 = 1000C Khi có cân bằng nhiệt, nhiệt độ là t = 170C Tính khối lượng m3 của nhôm và m4 của thiếc có trong hỗn hợp

Nhiệt dung riêng của: nhiệt lượng kế; nước, nhôm và của thiếc lần lượt: C1 = 460J/kg.K;

5) Một hệ gồm n vật trao đổi nhiệt với nhau, khối lượng mỗi vật lần lượt m1; m2; ; mn ở nhiệt độ ban đầu t1; t2; ; tn làm bằng các chất có nhiệt dung riêng C1; C2; ; Cn Tính nhiệt độ của hệ khi có cân bằng nhiệt

ĐS: m1C1t1 + m2C2t2 + + mnCntn

6) Người ta thả đồng thời 200g sắt ở 150C và 450g đồng ở 250C vào 150g nước ở 800C Tính nhiệt độ khi có cân bằng nhiệt

Cho nhiệt dung riêng của sắt; đồng; nước: 460J/kg.K; 400J/kg.K; 4200J/kg.K

(ĐS:62,40C)

7) Hai bình nước giống nhau, chứa hai lượng nước như nhau Bình thư nhất có nhiệt độ t1, bình thứ hai có nhiệt độ t2 = 3t1/2 Sau khi trộn lẫn vào nhau nhiệt độ cân bằng là 250C

8) Có hai bình cách nhiệt Bình 1 chứa m1 = 2kg nước ở t1 = 400C Bình 2 chứa m2 = 1kg nước ở t2 = 200C Trút từ bình 1 sang bình 2 một lượng nước m (kg), khi bình 2 nhiệt độ

đã ổn định lại trút một lượng nước như vậy từ bình 2 sang bình 1 Nhiệt độ cân bằng ở bình 1 lúc này là t’1 = 380C Tính khối lượng nước m đã trút ở mỗi lần và nhiệt độ cân

9) Người ta đổ m1 (kg) nước ở nhiệt độ t1 = 600C vào m2 (kg) nước đá ở nhiệt độ t2 = -50C Khi có cân bằng nhiệt, lượng nước thu được là m = 50kg ở nhiệt độ t = 250C Tính m1;

m2 Biết: NDR của nước; nước đá: C1 = 4200J/kg.K; C2 = 2100J/kg/K Nhiệt nóng chảy

10) Người ta dẫn 0,2kg hơi nước ở t1 = 1000C vào một bình chứa 1,5kg nước ở t2 = 150C Tính nhiệt độ chung và khối lượng nước trong bình khi có cân bằng nhiệt Biết NDR và nhiệt hoá hơi của nước là: C = 4200J/kg.K; L = 2,3 106 J/kg (ĐS: 89,40C; 1,7kg)

11) Thả một cục đá lạnh khối lượng m1 = 900g vào m2 = 1,5kg nước ở t2 = 60C Khi có cân bằng nhiệt, lượng nước chỉ còn lại 1,47kg Xác định nhiệt độ ban đầu của nước đá

Cho nhiệt dung riêng của nước đá; nước là: C1 = 2100J/kg.K; C2 = 4200J/kg.K

12) Người ta trộn m1 = 500g nước đá, m2 = 500g nước cùng nhiệt độ t1 = 00C vào một xô nước ở nhiệt độ 500C Khối lượng tổng cọng của chúng là m = 2kg Tính nhiệt độ khi có cân bằng nhiệt Cho nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K Nhiệt nóng chảy của

13) Người ta dẫn m1 = 0,4kg hơi nước ở t1 = 1000C từ một lò hơi vào một bình chứa m2 = 0,8kg nước đá ở 00C Hỏi khi có cân bằng nhiệt, khối lượng và nhiệt độ của nước trong bình là bao nhiêu? Biết nhiệt hoá hơi của nước: L = 2,3 106 J/kg, nhiệt nóng chảy của

14) Một người thợ rèn tôi một cái rìu bằng thép khối lượng m1 = 8kg bằng cách nung nóng đến t1 = 4000C rồi thả vào một xô chứa m2 = 4kg nước ở t2 = 400C Tính khối lượng và nhiệt độ của nước trong xô khi có cân bằng nhiệt

Nhiệt dung riêng của thép C1 = 460 J/kg.K; của nước C2 = 4200J/kg.K; nhiệt hoá hơi của

lượng đá M = 100g, khối lượng chì m = 5g) nổi trên mặt nước Hỏi phải tốn một lượng nhiệt bằng bao nhiêu để cục đá (có viên chì bên trong) bắt đầu chìm xuống nước? Biết KLR của chì Dchì = 11,3g/cm3; của nước Dn = 1g/cm3; của nước đá Dđá = 0,9g/cm3; nhiệt nóng chảy của nước đá λ = 3,4.105J/kg; nhiệt độ nước trong bình 00C (ĐS: 20.060J)

16) Trong một bình nhiệt lượng kế có chứa nước đá nhiệt độ t1 = -50C Người ta đổ vào bình m = 0,5kg nước ở t2 = 800C Sau khi cân bằng nhiệt, thể tích của chất chứa trong bình là V = 1,2lít Tìm khối lượng của chất chứa trong bình Biết KLR của nước; nước đá: Dn = 1000kg/m3; Dđá = 900kg/m3 NDR của nước; nước đá: Cn = 4200J/kgK; Cđá =

17) Trong một cục nước đá lớn ở 00C có một cái hốc với thể tích V = 160cm3 Người ta rót vào hốc đó 60g nước ở 750C Hỏi khi nước nguội hẳn thì thể tích hốc rỗng còn lại bao nhiêu Cho KLR của nước; nước đá là: Dn = 1g/cm3; Dđ = 0,9g/cm3 Nhiệt nóng chảy của

18) Một bình cách nhiệt chứa đầy nước ở t0 = 200C Người ta thả vào bình một hòn bi nhôm ở t = 1000C, sau khi cân bằng nhiệt thì nhiệt độ nước trong bình là t1 = 30,30C Người ta lại thả hòn bi thứ hai giống hệt hòn bi trên thì nhiệt độ của nước khi cân bằng nhiệt là t2 = 42,60C Xác định nhiệt dung riêng của nhôm Biết KLR của nước và nhôm:

1000kg/m3 và 2700kg/m3 Nhiệt dung riêng của nước 4200J/kgK (ĐS: 501,7J/kg.K)

19) Một bình hình trụ có chiều cao h1 = 20cm, diện tích đáy trong là S1 = 100cm2 đặt trên mặt bàn nằm ngang Đổ vào bình 1 lít nước ở nhiệt độ t1 = 800C Sau đó thả vào bình một khối trụ đồng chất có diện tích đáy là S2 = 60cm2, chiều cao h2 = 25 cm ở nhiệt độ t2 Khi

đã cân bằng nhiệt thì đáy dưới của khối trụ song song và cách đáy trong của bình là x = 2cm Nhiệt độ của nước trong bình khi cân bằng nhiệt là t = 650C Bỏ qua sự nở vì nhiệt của các chất và sự trao đổi nhiệt với bình và môi trường xung quanh Biết khối lượng riêng của nước là D = 1000kg/m3, nhiệt dung riêng của nước là c1= 4200J/kg.K, của chất làm khối trụ là c2 = 2000J/kg.K

a/ Tính khối lượng của khối trụ và nhiệt độ t2

b/ Phải đặt thêm lên khối trụ một vật có khối lượng tối thiểu bằng bao nhiêu, để khối trụ chạm đáy bình

20) Có hai bình cách nhiệt, bình A chứa 5 lít nước ở 600C, bình B chứa 1 lít nước ở 200C Đầu tiên, rót một phần nước ở bình A sang bình B Sau khi cân bằng lại rót từ bình B sang bình A một lượng nước bằng với lần rót trước Nhiệt độ khi cân bằng của bình A là

590C Tính lượng nước đã rót từ bình này sang bình kia trong mỗi lần?

1000C Người ta thả vào cốc thứ nhất một miếng nhôm 500g có nhiệt độ t2 (t2 < t1) và cốc thứ hai một miếng đồng có cùng nhiệt độ với miếng nhôm Sau khi cân bằng nhiệt thì nhiệt độ của hai cốc bằng nhau

a) Tính khối lượng của miếng đồng

b) Trường hợp nhiệt độ ban đầu của miếng nhôm là 200C và nhiệt độ khi đạt cân bằng là

700C Hãy xác định khối lượng của mỗi cốc

Cho biết nhiệt dung riêng của thuỷ tinh, nước, nhôm, đồng, lần lượt là C1 = 840J/kg.K,

C2 = 4200J/kg.K, C3 = 880J/kg.K, C4 = 380J/kg.K

22) Một cái nồi bằng nhôm chứa nước ở 200C, cả nước và nồi có khối lượng 3kg Đổ thêm vào nồi 1 lít nước sôi thì nhiệt độ của nước trong nồi là 450C Hãy cho biết: phải đổ thêm bao nhiêu lít nước sôi nữa để nhiệt độ của nước trong nồi là 600C Bỏ qua sự mất mát nhiệt ra môi trường ngoài trong quá trình trao đổi nhiệt, khối lượng riêng của nước

là 1000kg/m3

23) Hai thanh sắt và đồng có cùng chiều dài là 2m ở 300C Hỏi chiều dài thanh nào dài hơn

và dài hơn bao nhiêu khi nung nóng cả hai thanh lên 2000C? Biết rằng khi nung nóng lên thêm 10C thì thanh sắt dài thêm 0,000018 chiều dài ban đầu, thanh đồng dài thêm 0,000012 chiều dài ban đầu

24) Một lò sưởi giữ cho phòng ở nhiệt độ 200C khi nhiệt độ ngoài trời là 50C Nếu nhiệt độ ngoài trời hạ xuống tới – 50C thì phải dùng thêm một lò sưởi nữa có công suất 0,8KW mới duy trì nhiệt độ phòng như trên Tìm công suất lò sưởi được đặt trong phòng lúc đầu?