Cách tính Hiệu suất của quá trình trao đổi nhiệt cực hay
Cách tính Hiệu suất của quá trình trao đổi nhiệt cực hay
Với Cách tính Hiệu suất của quá trình trao đổi 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. Hiệu suất
- Hiệu suất được tính bằng tỉ số giữa nhiệt lượng có ích và nhiệt lượng toàn phần:
B. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Một ấm nhôm có khối lượng 360g chứa 1,2 lít nước. Biết nhiệt độ ban đầu của ấm và nước là 24°c. Biết nhiệt dung riêng của nhôm là 880J/kg.K, của nước là 4 200 J/kg.K và bếp đun có hiệu suất 80%. Hãy tính nhiệt lượng do bếp tỏa ra để đun sôi nước trong ấm?
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. Hiệu suất
- Hiệu suất được tính bằng tỉ số giữa nhiệt lượng có ích và nhiệt lượng toàn phần:
B. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Một ấm nhôm có khối lượng 360g chứa 1,2 lít nước. Biết nhiệt độ ban đầu của ấm và nước là 24°c. Biết nhiệt dung riêng của nhôm là 880J/kg.K, của nước là 4 200 J/kg.K và bếp đun có hiệu suất 80%. Hãy tính nhiệt lượng do bếp tỏa ra để đun sôi nước trong ấm?
Ví dụ 3: Dùng bếp củi để đun sôi 4 lít nước từ 20°c, lượng củi cần dùng là 0,2kg. Biết rằng năng suất toả nhiệt của củi khô là 107J/kg, nhiệt dung riêng của nước là 4 200 J/kg.K. Lượng nhiệt đã bị mất mát trong quá trình đun nước là bao nhiêu? Hiệu suất của bếp củi này là bao nhiêu?
Lời giải:
- Nhiệt lượng cần đun sôi nước là:
Q1= m.c.Δt = 4. 4 200. (100 – 20) = 1 344 000 (J)
- Nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn 0,2 kg củi là:
Q2 = m. q = 0,2. 107 = 2 000 000 (J)
- Nhiệt lượng bị mất mát là:
ΔQ = Q2 - Q1 = 2000000 - 1344000 = 656000(J)
- Hiệu suất của bếp là:
Đáp số: 656000J; 67,2%
C. Bài tập vận dụng
Câu 1: Người ta dùng một lò đốt để đun nóng 10kg đồng ở nhiệt độ 38°c đến nóng chảy hoàn toàn. Cho biết hiệu suất của lò đốt này là 40%. Biết nhiệt nóng chảy của đồng là 1,8.105J/kg, đồng nóng chảy ở nhiệt độ 1083°c, nhiệt dung riêng của đồng là 380J/kg.K. Nhiệt lượng mà bếp tỏa ra trong cả quá trình là:
A. 14427,5kJ B. 12530kJ
C. 16258,2kJ D. 23010,3kJ
- Nhiệt lượng dùng để đun nóng đồng từ 38°c đến 1083°c:
Q1 = m.c (t2 – t1) = 10.380.( 1083 – 38) = 3971000J
- Nhiệt lượng cung cấp cho 10kg đồng nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ nóng chảy:
Q2 = λ.m = 10.1,8.105 = 18.105J
- Nhiệt lượng đồng nhận vào trong cả quá trình :
Q = Q1 + Q2 = 3971000 + 1800000 = 5771000 (J) = 5771 (kJ)
- Nhiệt lượng đồng nhận vào trong cả quá trình :
Q = Q1 + Q2 = 3971000 + 1800000 = 5771000 (J) = 5771 (kJ)
- Nhiệt lượng bếp tỏa ra là:
Qtp = 5771 : 0,4 = 14427,5 (kJ)
Câu 2: Phải đốt cháy hoàn toàn 120g dầu mới đun sôi được 10 lít nước từ 25°c. Biết nhiệt dung riêng của nước là 4200 J/kg.K, năng suất toả nhiệt của dầu là 44.106 J/kg. Hiệu suất của bếp dầu dùng để đun nước là :
A. 50,6% B. 55,7%
C. 58,3% D. 59,7%
Đáp án: D
- Nhiệt lượng mà nước thu vào để sôi tới 100°c là:
Q1 = m.c.Δt = 10. 4200. (100 – 25) = 3 150 000 (J)
- Nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy 120 g = 0,12 kg dầu là:
Q2 = m.q = 0,12. 44.106 = 5,28.106 (J)
- Hiệu suất của bếp là:
Câu 3: Cần phải đốt cháy 0,49 kg nhiên liệu mới làm cho 10 lít nước nóng thêm 70°c. Biết hiệu suất của bếp là 60%, nhiệt dung riêng của nước là 4 200 J/kg.K. Nếu đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu đó thì nhiệt lượng nó tỏa ra là bao nhiêu?
A. 106J B. 5.106J
C. 107J D. 5.107J
Đáp án: C
- Nhiệt lượng nước thu vào là:
Q1 = m.c.Δt = 10. 4 200. 70 = 2 940 000 (J)
- Nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn 0,4 kg nhiên liệu là:
- Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy 1kg nhiên liệu hoàn toàn là:
Câu 4: Dùng một bếp dầu để đun một ấm nước bằng nhôm khối lượng 500g chứa 5 lít nước ở nhiệt độ 20°c. Bếp có hiệu suất 80%, tính thể tích dầu cần dùng. Biết khối lượng riêng của dầu là D = 800kg/m3, nhiệt dung riêng của nước, nhôm là 4200 J/kg.K, 880J/kg.K, năng suất toả nhiệt của dầu là 44.106 J/kg
A. 100cm3 B. 62,5cm3
C. 105,6cm3 D. 85cm3
Đáp án: B
- Nhiệt lượng cần thiết để đun ấm nước:
Q = Q1 + Q2
= m1.c1.( t2 – t1) + m2.c2.(t2 – t1)
= ( t2 –t1).( m1.c1 + m2.c1)
- Thay số vào ta được:
Q = (100 – 20) ( 0,5.880 + 5.4200) = 1725200J
- Năng lượng do bếp tỏa ra ( năng suất tỏa nhiệt):
- Khối lượng dầu cần dùng là:
- Thể tích dầu hỏa đã dùng là:
= 62,5cm3
Câu 5: Người ta dùng bếp dầu hoả để đun sôi 2 lít nước từ 20°c đựng trong một ấm nhôm có khối lượng 0,5kg. Lấy nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K, của nhôm là 880J/kg.K, năng suất toả nhiệt của dầu hoả là 46.106J/kg. Tính lượng dầu hoả cần thiết, biết chỉ có 30% nhiệt lượng do dầu hoả toả ra làm nóng nước và ấm?
A. 0,04kg B. 0,051kg
C. 0,064kg D. 0,1kg
Đáp án: B
- Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng nước từ 20°c đến 100°c là :
Q1 = m1.c1.Δt = 2.4200.(100 -20) = 672000(J)
- Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng ấm từ 20°c đến 100°c là :
Q2 = m2.c2.Δt = 0,5.880.(100 – 20) = 35200(J)
- Nhiệt lượng cần thiết để đun sôi ấm nước là :
Q = Q1+ Q2 = 672000 + 35200 = 707 200 (J)
- Nhiệt lượng do dầu hoả toả ra là :
- Lượng dầu hỏa cần thiết để đun sôi ấm nước là :
Qtp = m.q
Câu 6: Dùng bếp dầu để đun sôi 4 lít nước từ 20°c thì mất 10 phút. Biết rằng chỉ có 40% nhiệt lượng do dầu toả ra làm nóng nước, nhiệt dung riêng của nước là 4 200 J/kg.K, năng suất toả nhiệt của dầu hoả là 44.106 J/kg. Hỏi lượng dầu hoả cháy trong mỗi phút là bao nhiêu?
- Nhiệt lượng mà nước thu vào để sôi tới 100°c là:
Q = m.c.(t2 – t1) = 4. 4 200. (100 – 20) = 1 344 000 (J)
- Nhiệt lượng toả ra khi dầu hoả cháy hoàn toàn là:
- Khối lượng dầu đã dung là:
- Khối lượng dầu đã dùng trong 1 phút là:
= 7,6 (g)
Đáp số: 7,6g
Câu 7: Bếp điện có ghi 220V-800W (nếu được dùng ở hiệu điện thế 220V thì mỗi giây beeos tỏa ra nhiệt lượng 800J) được nối với hiệu điện thế 220V được dùng để đun sôi 2lít nước ở 20°c. Biết hiệu suất của bếp H = 80% và nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K. Tính thời gian cần thiết để đun sôi nước?
- Gọi Q là nhiệt lượng mà nước thu vào để nóng lên từ 20°c đến 100°c:
Q = m.C.∆t = 2.4200.80 = 672000 (J)
- Nhiệt lượng mà bếp tỏa ra trong cả quá trình là
Qtp = Qi : H = 672000 : 0,8 = 840000 (J)
- Thời gian để đun sôi nước là:
840000 : 800 = 1050 (giây)
Đáp số: 1050 giây
Câu 8: Tính lượng dầu cần để đun sôi 2 lít nước ở 20°c đựng trong ống bằng nhôm có khối lượng 200g. Cho biết nhiệt dung riêng của nhôm là 880J/kg.K; của nước là 4200J/Kg.K, năng suất toả nhiệt của dầu là q = 44. 106 J/kg.K và hiệu suất của bếp là 30%.
- Nhiệt lượng cần cung cấp cho nước để tăng nhiệt độ từ 20°c đến 100°c:
Q1 = m1.c1.(t2 - t1) = 672000 (J) = 672 (kJ)
- Nhiệt lượng cần cung cấp cho ấm nhôm để tăng nhiệt độ từ 20°c đến 100°c là:
Q2 = m2.c2.(t2 - t1) = 14080J = 14,08 (kJ)
- Nhiệt lượng cần để đun sôi nước là:
Q = 686,08 (kJ)
- Do hiệu suất của bếp là H = 30% nên thực tế nhiệt cung cấp do bếp dầu toả ra là:
- Và khối lượng dầu cần dùng là:
Đáp số: 52g
Câu 9: Để tạo nên 100g hơi nước ở nhiệt độ 100°c từ nước có nhiệt độ ban đầu 20°c bằng bếp dầu có hiệu suất H = 40%. Tìm lượng dầu cần dùng, biết năng suất tỏa nhiệt của dầu là q = 4,5.107J/kg.
- Nhiệt lượng cần cung cấp cho 100g nước từ 20°c biến thành hơi nước ở 100°c:
Qthu = m1.c1.( t1 – t4) + m1.L
= 0,1.4200.(100 – 20) + 0,1.2,3.106 = 263,6.103J
- Nhiệt lượng do dầu đốt cháy tỏa ra:
- Lượng dầu cần dùng:
Đáp số: 14g
Câu 10: Các nhà thám hiểm ở vùng Bắc Cực cần đun 15kg nước đá ở -10°c đến sôi. Với lượng củi than 1,5kg, họ có thể thực hiện quá trình trên được không? Biết hiệu suất của bếp là 50%, năng suất tỏa nhiệt của than củi là 10.106J/kg.
- Nhiệt lượng cần cung cấp cho 15kg nước đá ở -10°c đến 0°c:
Q1 = m.c1. ( t2 – t1) = 15.1800.[ 0 – (-10)] = 270000 (J)
- Nhiệt lượng cần cung cấp cho 15kg nước đá nóng chảy hoàn toàn ở 0°c:
Q2 = λ.m = 15.3,4.105 = 5100000 (J)
- Nhiệt lượng cần cung cấp cho 15kg nước tăng nhiệt độ từ 0°c đến 100°c:
Q3 = m.c2.( t3 – t2) = 15.4200.(100 – 0) = 6300000 (J)
- Nhiệt lượng cần cung cấp cho 15kg nước đá từ -10°c đến sôi:
Qthu = Q1 + Q2 + Q3
= 270000J + 5100000J + 6300000J = 11670000 (J)
- Nhiệt lượng do bếp tỏa ra là:
= 23340000J
- Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy 1,5kg than củi:
Q’tỏa = q.m = 10.106.1,5 = 15000000J
- Ta thấy Q’tỏa < Qtỏa.
- Vậy với 1,5kg than củi thì không thực hiện được quá trình này.