Cách giải dạng bài tập về Đồ thị nhiệt cực hay
Cách giải dạng bài tập về Đồ thị nhiệt cực hay
Với Cách giải dạng bài tập về Đồ thị nhiệt cực hay Vật Lí lớp 8 gồm đầy đủ phương pháp giải, ví dụ minh họa và bài tập trắc nghiệm có lời giải chi tiết sẽ giúp học sinh ôn tập từ đó đạt điểm cao trong bài thi môn Vật Lí 8.
A. Phương pháp giải
Học sinh cần nắm được kiến thức về hiệu suất truyền nhiệt, nguyên lý truyền nhiệt và phương trình cân bằng nhiệt
1. Nguyên lý truyền nhiệt
Khi hai vật có trao đổi nhiệt với nhau thì:
- Nhiệt truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn.
- Sự truyền nhiệt xảy ra cho tới khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau thì ngừng lại.
- Nhiệt lượng do vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng do vật kia thu vào.
2. Phương trình cân bằng nhiệt
Qtỏa ra = Qthu vào Hay: C1λ.m1(t1-t)=C2λ.m2(t-t2)
Qtỏa ra : tổng nhiệt lượng của các vật tỏa ra.
Qthu vào: tổng nhiệt lượng của các vật thu vào.
t: nhiệt độ khi cân bằng nhiệt
t1: nhiệt độ của vật tỏa nhiệt
t2: nhiệt độ của vật thu nhiệt
C1; C2: nhiệt dung riêng của các chất
3. Phương pháp giải
- Dựa vào đồ thị:
- Phân tích đồ thị và xác định từng đoạn gấp khúc (nếu có) biểu diễn quá trình nào? (tăng nhiệt độ; quá trình nguội hay quá trình chuyển thể của chất nào?)
+ Xác định tọa độ của điểm gấp khúc để tìm ra được giá trị cụ thể của nhiệt độ và nhiệt lượng cung cấp.
+ Sử dụng công thức tính nhiệt lượng hay phương trình cân bằng nhiệt ứng với từng đoạn gấp khúc đó..
- Từ đó tìm các đại lượng suy ra ẩn phải tìm.
- Ngược lại với bài toán yêu cầu vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ của vật (hay hỗn hợp nhiều vật) theo nhiệt lượng cung cấp, thì ta đi vẽ hệ trục tọa độ và biểu diễn các điểm gấp khúc lên hệ trục tọa độ và nối các điểm đó lại ta được đồ thị cần vẽ.
B. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Căn cứ vào đồ thị bên biểu diễn sự sôi của nước (hình vẽ). Em hãy cho biết nhiệt độ của nước đã thay đổi như thế nào?
Lời giải:
Dựa vào đồ thị ta có:
- Đoạn AB nhiệt độ và thời gian tỷ lệ thuận với nhau và tại đó nhiệt độ của nước đang tăng dần ở thời điểm t, thì chất lỏng bắt đầu biến đổi trạng thái, nước bắt đầu sôi.
- Tại thời điểm t2 thì nhiệt độ vẫn bằng nhiệt độ tại thời điểm t1.
- Khi ta cung cấp nhiệt độ cho nước tới 100°C thì nước sôi và đoạn BC nhiệt độ và thời gian không phụ thuộc vào nhau. Ta thấy trong suốt thời gian sôi nhiệt độ của nước không thay đổi vẫn giữ nguyên 100°C.
Ví dụ 2: Đồ thị dưới đây biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của nước theo thời gian khi đun và sau đó để nguội. Mỗi đoạn đồ thị ứng với một quá trình nào?
Lời giải:
Đây là đồ thị biểu diễn sự biến đổi của nước theo thời gian.
- Tại thời điểm ban đầu nước đang ở 20°C.
- Đoạn AB biểu diễn quá trình đun nước nóng từ 20°C đên 100°C. Đến thời điểm t1 thì nhiệt độ của nước tăng đến 100°C.
- Đoạn BC biểu diển quá trình nước đang sôi. Từ thời gian t1 đến t2 (đoạn BC) nhiệt độ của nước không thay đổi, thời gian này nhiệt lượng cung cấp cho nước dùng để nước sôi và hóa hơi.
- Đoạn CD biểu diễn quá trình để nước nguội. Tiếp tục tăng thời gian t3 ứng với đoạn CD nhưng không cung cấp nhiệt lượng nên nhiệt độ của nước giảm xuống,
Ví dụ 3: Sự biến thiên nhiệt độ của khối nước đá theo nhiệt lượng cung cấp được cho trên đồ thị. Dựa vào đồ thị em hãy cho biết khi tan chảy khối nước đá đã thu vào nhiệt lượng bao nhiêu kJ? Để nước tăng lên thêm 1°C thì cần phải cung cấp cho nó nhiệt lượng bao nhiêu?
Lời giải:
Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của khối nước đá theo nhiệt lượng cung cấp.
- Nhìn vào đồ thị ta có thể biết được nhiệt lượng của nước đá thu vào ở 0°C để nó nóng chảy hoàn toàn là 200kJ.
- Khi nhiệt độ tăng từ 0°C đến 1°C (tương ứng với đoạn AB) thì nhiệt lượng mà nước thu vào là 25kJ.
C. Bài tập vận dụng
Câu 1: Sự biến thiên nhiệt độ của khối nước đá theo nhiệt lượng cung cấp được cho trên đồ thị. Dựa vào đồ thị em hãy cho khối nước đá nặng bao nhiêu kg? Biết nhiệt nóng chảy của nước đá λ = 3,4.105J/Kg.
A. 0,0005kg B. 0,005kg
C. 0,05kg D. 0,5kg
Đáp án: D
- Nhìn vào đồ thị ta có thể biết được nhiệt lượng của nước đá thu vào ở 0°C để nó nóng chảy hoàn toàn là 170kJ.
Qthu = m.λ ⇒ m = Qthu : λ
- Khối lượng của khối nước đá là:
m = 170000 : 340000 = 0,5 (kg)
Câu 2: Bạn Nam đun nóng một ca nước và vẽ đồ thị nhiệt độ phụ thuộc vào nhiệt lượng như trên hình vẽ. Để đun sôi ca nước này (từ nhiệt độ ban đầu) thì nhiệt lượng cần cung cấp là:
A. 139kJ B. 700kJ
C. 100kJ D. 143kJ
Đáp án: A
- Đoạn AB trên đồ thị nước tăng nhiệt độ từ 3°C lên 10°C. Trong giai đoạn này nhiệt lượng mà nước nhận vào là 10kJ. Như vậy để tăng thêm 1°C thì nhiệt lượng nước nhận vào là:
10 : 7 = 1,43 (kJ)
- Nhiệt lượng cần cung cấp để đun sôi nước (từ 3°C) là:
1,43.(100-3) = 139(kJ)
Câu 3: Đoạn AB trên đồ là quá trình đun một ca chất lỏng lên đến nhiệt độ sôi. Sau khi đến nhiệt độ sôi, người ta ngừng cung cấp nhiệt lượng và để cho ca chất lỏng nguội tự nhiên. Biết rằng nhiệt độ môi trường lúc này là 25°C. Nhiệt lượng mà ca chất lỏng tỏa ra khi hạ nhiệt độ đến nhiệt độ môi trường là:
A. 50kJ B. 39kJ
C. 47kJ D. 70kJ
Đáp án: B
- Nhiệt lượng ca chất lỏng nhận vào để tăng lên thêm 1°C là:
50 : (80 – 10) =0,71(kJ)
- Như vậy khi hạ xuống 1°C thì nhiệt lượng ca chất lỏng này tỏa ra sẽ là 0,7kJ
- Nhiệt lượng mà ca chất lỏng tỏa ra khi hạ nhiệt độ đến nhiệt độ môi trường là:
0,71.(80 – 25) = 39kJ
Câu 4: Cho đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của khối chất lỏng theo nhiệt lượng cung cấp có dạng trên . Biết nhiệt dung riêng của chất lỏng đó C = 2500J/Kg.K. Nhiệt hoá hơi của chất lỏng là:
A. 804985 (J/kg.K) B. 873567 (J/kg.K)
C. 902255(J/kg.K) D. 972535 (J/kg.K)
Đáp án: C
Nhìn trên đồ thị ta thấy:
- Đoạn AB : Chất lỏng nhận một nhiệt lượng Q1 = 200kJ để tăng từ 20°C đến 80°C . Gọi m là khối lượng chất lỏng ta có :
Q1 = mc(80-20)
- Đoạn BC : Chất lỏng hoá hơi. Trong giai đoạn này có nhận một nhiệt lượng
ΔQ = Q2- Q1 = 1400 – 200 = 1200 (kJ)
- và nhiệt lượng này dùng để chất lỏng hoá hơi hoàn toàn nên :
= 902255(J/kg.K)
Câu 5: Một bếp điện dùng để đun nước. Nhiệt lượng mà bếp điện cung cấp theo thời gian được cho như hình vẽ. Nhiệt dung riêng của chất lỏng là 4000 J/kg.K.
Dùng bếp này để đun sôi 2 lít nước từ nhiệt độ 20°C thì cần thời gian là:
A. 20 phút B. 21,6 phút
C. 22,4 phút D. 23,7 phút
Đáp án: C
- Ta thấy cứ 100s thì nhiệt lượng bếp cung cấp được là 50kJ. Hay trong 1s bếp cung cấp được nhiệt lượng là 0,5kJ.
- Nhiệt lượng nước nhận vào để tăng nhiệt độ lên đến 100°C là:
Q = mc.Δt = 2.4200.(100 – 20) = 672000 (J) = 672 (kJ)
- Thời gian để đun sôi là:
672 : 0,5 = 1344 (s) = 22,4 (phút)
Câu 6: Hãy nêu cách xác định nhiệt hoá hơi của chất lỏng bất kỳ bằng thực nghiệm với các dụng cụ: cốc, bếp đun, nhiệt kế, đồng hồ bấm giây. Nhiệt dung riêng của chất lỏng xem như đã biết.
- Để xác định được L ta phải xác định được nhiệt lượng cần cung cấp cho quá trình hóa hơi ΔQ và khối lượng chất lỏng m. Ta có thể thực hiện thí nghiệm như sau:
+ Lấy một cốc chất lỏng, dùng nhiệt kế để đo nhiệt độ ban đầu t1°C .
+ Đun cốc chất lỏng trên bếp cho đến khi sôi, dùng nhiệt kế xác định t2°C. Nhờ đồng hồ bấm giây ta có thể xác định được thời gian kể từ lúc đun cho đến khi sôi là T1.
+ Tiếp tục đun, xác định được thời gian T2 kể từ chất lỏng sôi cho đến khi hoá hơi hoàn toàn .
- Bỏ qua sự thu nhiệt của cốc và xem bếp toả nhiệt môt cách đều đặn ,ta có :
Q1 = kT1 = mc = (t2 –t1 ) (1)
Q2 = kT2 = Lm (2)
(k là hệ số tỷ lệ nào đó )
- Từ (1) và (2) ta rút ra :
Câu 7: Một hỗn hợp gồm nước và nước đá có nhiệt độ 0°C. Khối lượng hỗn hợp là M = 10kg. Người ta tiến hành thực hiện đo nhiệt độ t°C của hỗn hợp. Đồ thị phụ thuộc nhiệt độ vào thời gian t được biểu diễn trên. Biết nhiệt dung riêng của nước C1 = 4200 J/Kg.K ; nhiệt nóng chảy của nước đá λ = 3,4.105J/Kg. Hãy xác định có bao nhiêu nước và nước đá ở trong hỗn hợp ban đầu (bỏ qua sự mất mát nhiệt ra môi trường).
- Hỗn hợp nhận 50kJ mà nhiệt độ không tăng, Nhiệt lượng này chính là để làm tan chảy khối lượng nước đá trong hỗn hợp.
- Vậy khối lượng nước đá là:
50000 : 340000 = 0,15 (kg)
- Khối lượng nước có trong hỗn hợp ban đầu là:
10 – 0,15 = 9,85 (kg)
Đáp số:
nước : 9,85kg;
nước đá : 0,15kg
Câu 8: Một chất lỏng có khối lượng m1 = 250g chứa trong một cái bình có khối lượng m2 = 1kg , tất cả có nhiệt độ ban đầu t1 =20°C. Nhiệt dung riêng của chất lỏng là 4000 J/kg.K, của bình là 500J/kg.K. Người ta bắt đầu cấp nhiệt độ cho bình đó để nó nóng đến nhiệt độ t2 = 60°C. Hãy vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ của bình chất lỏng vào nhiệt lượng Q mà bình thu vào, với trục hoành biểu thị nhiệt lượng, trục tung biểu thị nhiệt độ.
- Ta xem rằng khi nhận được nhiệt lượng thì nhiệt độ của võ bình và của chất lỏng trong bình luôn luôn bằng nhau.
- Nhiệt lượng cần cung cấp cho bình chất lỏng để nó đạt tới nhiệt độ t là :
Q = (m1c1+m2c2)(t-t1)
= (0,25 . 4 000 + 1 .1 000)(t-t1)
= 2 000(t-t1)
- Từ đó suy ra :
- Thay các giá trị của Q bằng : 20 000J ;40 000J; 60 000J:.......... hay ta có bảng biến thiên:
| Q(J) | 20 000 | 40 000 | 60 000 | 80 000 |
|---|---|---|---|---|
| t°C | 30 | 40 | 50 | 60 |
- Ta có đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ của bình chất lỏng vào nhiệt lượng Q mà bình thu vào như sau:
Câu 9: Trên hình vẽ biểu diễn đồ thị đông đặc của một chất lỏng, dựa vào đồ thị hãy trả lời các câu hỏi sau:
a) Các đoạn AB, BC biểu diễn quá trình nào?
b) Chất có đồ thị này có phải là nước không?
a) Đoạn AB biểu diễn quá trình hạ nhiệt độ của chất lỏng (nguội).
- Đoạn BC biểu diễn quá trình đông đặc của chất lỏng. Trong quá trình này nhiệt độ chất lỏng không thay đổi.
b) Chất lỏng này không phải là nước vì nhiệt độ đông đặc của nó là -40°C. Nhiệt độ này thấp hơn nhiệt độ đông đặc của nước rất nhiều.
Câu 10: Dùng một bếp điện để đun nóng một khối nước đá nặng 2kg nước đá ở – 20°C. Sau 2 phút thì nước đá bắt đầu nóng chảy.
a) Sau bao lâu thì nước đá nóng chảy hết .
b) Sau bao lâu thì nước đá bắt đầu sôi.
c) Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ của nước ((và nước đá) vào thời gian đun.
- Cho nhiệt dung riêng của nước đá và nước là 2,1 kJ/kg.K và 4,2kJ/kg.K, nhiệt nóng chảy của nước đá là 340 kJ/kg
a) Nhiệt lượng cung cấp để làm nóng 2kg nước đá từ -20°C đến 0°C là:
Q1= 2.2,1.20 = 84 (kJ)
- Thời gian để đun nước đá lên đến 0°C là 2 phút, vậy mỗi phút bếp cung cấp được nhiệt lượng là 42 kJ
- Nhiệt lượng cần cung cấp để nước đá nóng chảy hết thành nước ở 0°C là :
Q2= Lm = 340.2 = 680 (kJ)
- Thời gian để nước đá nóng chảy hoàn toàn là:
680 : 42 = 16,2 (phút)
- Tổng thời gian để đun cho nước đá nóng hết thành nước 0°C là :
t = t1+t2 = 2 +16,2 = 18,2 (phút)
b) Nhiệt lượng cần cung cấp để 2kg nước nóng lên từ 0°C đến 100°C là:
Q3 = 2.4,2.100 = 840 (kJ)
- Thời gian cần đun là:
t3 = 840 : 42 = 20 (phút)
- Tổng thời gian từ lúc đun đến lúc nước bắt đầu sôi:
18,2 + 20 = 38,2 (phút)
c)Vẽ đồ thị hàm số Q biến t
