Xác định thể của vật qua quá trình trao đổi nhiệt
Xác định thể của vật qua quá trình trao đổi nhiệt
Với Xác định thể của vật qua quá trình trao đổi nhiệt 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 nhiệt năng, nhiệt lượng, 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. Sự chuyển thể của các chất
Q = λm : nhiệt lượng của vật thu vào hay toả ra ở nhiệt độ nóng chảy. (J)
Q = Lm : nhiệt lượng của vật thu vào hay toả ra ở nhiệt độ sôi.(J)
λ: nhiệt nóng chảy của chất cấu tạo nên vật(J/kg)
L : nhiệt hoá hơi của chất cấu tạo nên vật (J/kg)
- Khi chuyển từ thể rắn sang thể lỏng và ngược lại thì thể tích của vật có thể thay đổi nhưng khối lượng của vật luôn không thay đổi.
- Trong suốt quá trình chuyển thể thì nhiệt độ của vật luôn không thay đổi và đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ vào nhiệt lượng cung cấp cho vật là một đường thẳng nằm ngang.
B. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Bỏ 100g nước đá ở 0°C vào 300g nước ở 20°C. Nước đá tan hết không ? Cho biết nhiệt nóng chảy của nước đá λ = 3,4.105J/kg và nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K.
Lời giải:
- Nhiệt lượng nước đá thu vào để nóng chảy ( tan ) hoàn toàn ở 0°C
Q1 = m1. = 0,1.3,4.105 = 34.103J
- Nhiệt lượng nước tỏa ra khi hạ nhiệt từ 20°C xuống 0°C
Q2 = m2.c2.( t2 – t1 ) = 0,3.4200.( 20 – 0)= 25,2.103J
- Ta thấy Q2 < Q1 nên nước đá chỉ tan một phần.
Ví dụ 2: Một thau nhôm có khối lượng 0,5kg đựng 2kg nước ở nhiệt độ 20°C. Người ta bỏ vào thau nước một cục nước đá có khối lượng 100g ở 0°C. Nước đá tan hết không? Tìm nhiệt độ cuối cùng của hệ thống hoặc lượng nước đá còn sót lại nếu nó không tan hết. Biết nhiệt nóng chảy của nước đá là λ = 3,4.105J/kg. Nhiệt dung riêng của nước và nhôm là 4200J/kg.K và 880J/kg.K.
Lời giải:
- Nhiệt lượng thỏi nước đá thu vào để nóng chảy hoản toàn ở 0°C.
Qthu = λ.m = 3,4.105.0,1 = 34000 (J)
- Nhiệt lượng thau nhôm và nước tỏa ra để giảm nhiệt độ từ 20°C xuống 0°C.
Qtỏa= ( m1.c1 + m2.c2 )( 20 – 0) = ( 0,5.880 + 2.4200 ).20 = 8848,4 (J)
- Do nhiệt lượng nước đá thu vào để làm tan hoàn toàn lớn hơn nhiệt lượng của hệ thống tỏa ra nên nước đá không tan hết
Ví dụ 3: Có một khối nước đá nặng 300g ở nhiệt độ –10°C. Người ta cung cấp cho khối nước đá này nhiệt lượng 158kJ. Cho nhiệt dung riêng của nước đá là 2,1 kJ/kg.K, nhiệt nóng chảy của nước đá là 340 kJ/kg. Khối nước đá có tan hết hay không?
Lời giải:
- Nhiệt lượng cần cung cấp để 0,3 kg nước đá tăng nhiệt độ tới 0°C là:
Q1= m2C2(0 – t2)= 2,1.0,3.[0 - (-10)]= 6,3 (kJ)
- Nhiệt lượng cần cung cấp cho nước đá nóng chảy hoàn toàn là:
Q2 = λλ.m2 = 340.0,3 = 102 (kJ)
- Nhiệt lượng cần cung cấp để khối nước đá tan hoàn toàn là:
Qthu = Q1 + Q2 = 6,3 + 102 = 108,3 (kJ)
- So sánh Qthu < 158kJ : Điều này chứng tỏ toàn bộ khối lượng nước đá tan ra hoàn toàn rồi nóng lên đến t °C nào đó.
C. Bài tập vận dụng
Câu 1: Cho một chiếc cốc bằng thuỷ tinh khối lượng m = 100g có chứa m1 = 300 ml nước ở nhiệt độ t1 = 20°C. Người ta thả vào cốc một khối nước đá có khối lượng m2 = 50g ở nhiệt độ t2 = - 10°C. Cho nhiệt dung riêng của thủy tinh, nước và nước đá lần lượt là C = 2500 J/kg.K, C1 = 4200J/kg.K và C2 = 1800J/kg.K. Nhiệt nóng chảy của nước đá là λ = 3,4.105J/kg (bỏ qua sự trao đổi nhiệt với cốc và môi trường bên ngoài). Kết luận nào sau đây là chính xác nhất?
A. Khối nước đá chưa tan hết
B. Khối nước đá đã tan hết, nhiệt độ hỗn hợp lớn hơn 0°C
C. Khối nước đá đã tan hết, nhiệt độ hỗn hợp đúng bằng 0°C
D. Không đủ cơ sở để kết luận
Đáp án: B
- Nhiệt lượng do cốc và nước toả ra để hạ nhiệt độ xuống 0°C là:
Q1 = (mc + m1c1 )(t1 – 0) = 30200 (J)
- Nhiệt lượng thu vào của khối nước đá để tăng nhiệt độ lên 0°C và tan hết tại 0°C là:
Q2= m2C2(0 – t2) + m2.λ = 17900 (J)
- Vì Q1 > Q2 nên khối nước đá đã tan hết và nhiệt độ hỗn hợp lớn hơn 0°C
Câu 2: Người ta cho vào nhiệt lượng kế đồng thời một lượng nước có khối lượng m1 = 1 kg ở nhiệt độ t1 = 50°C và m2 = 1kg nước đá ở nhiệt độ t2 = -20°C. Bỏ qua sự tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh và nhiệt dung của nhiệt lượng kế. Xác định nhiệt độ cân bằng t của hỗn hợp khi đó? Biết nhiệt dung riêng của nước, của nước đá và nhiệt nóng chảy của nước đá lần lượt là C1 = 4,2 kJ/kg.K; C2 = 2,1 kJ/kg.K và λ = 340 kJ/Kg.
A. t = -0,5°C B. t = 0°C
C. t = 0,5°C D. t = 1°C
- Nhiệt lượng toả ra của m1 kg nước để hạ nhiệt độ tới 0°C là :
Q1 = C1m1(t1 - 0) = 4,2.1 (50 - 0) = 210 (kJ).
- Nhiệt lượng cần cung cấp để 1kg nước đá tăng nhiệt độ tới 0°C là:
Q2 = C2m2(0 - t2) = 2,1.1. [ 0 – (-20)] = 42(kJ)
- So sánh Qthu và Qtoả ta thấy Q1 > Q2. Vậy nước đá bị nóng chảy.
- Nhiệt lượng cần để nước đá nóng chảy hoàn toàn là :
Q3 = λ.m2 = 340.1 = 340 (kJ)
- So sánh ta thấy Q1 < Q2 + Q3 . Vậy nước đá chưa nóng chảy hoàn toàn.
Vậy nhiệt độ cân bằng là t = 0°C.
Câu 3: Bỏ 100g nước đá ở t1= 0°C vào 300g nước ở t2= 20°C. Cho nhiệt nóng chảy của nước đá λ = 3,4.105 J/kg và nhiệt dung riêng của nước là c=4200J/kg.k. Kết luận nào sau đây là chính xác ?
A. Nước đá bị tan hết, nhiệt độ hỗn hợp vẫn là 0°C
B. Nước đá chưa tan hết, nhiệt độ hỗn hợp vẫn là 0°C
C. Nước đá bị tan hết, nhiệt độ hỗn hợp là 10°C
D. Nước đá bị tan hết, nhiệt độ hỗn hợp lớn hơn 0°C
Đáp án : B
- Nhiệt lượng nước đá thu vào để nóng chảy(tan) hoàn toàn ở O°C.
Q = m1.λ = 0,1. 3,4.105 = 34.103 J
- Nhiệt lượng nước tỏa ra khi giảm từ 20°C đến 0°C :
Q2 = m2.c(t2-t1) = 25,2.103 J
- Ta thấy Q1 > Q2 nên nước đá chỉ tan một phần .
Câu 4: Bỏ 100g nước đá ở t1= 0°C vào 300g nước ở t2= 20°C. Cho nhiệt nóng chảy của nước đá λ= 3,4.105 J/kg và nhiệt dung riêng của nước là c=4200J/kg.k. Kết luận nào sau đây là chính xác?
A. Khối lượng nước đá còn lại là 10g
B. Nước đá bị tan chảy hoàn toàn
C. Khối lượng nước đá còn lại là 1g
D. Khối lượng nước đá còn lại là 26g
Đáp án : D
- Nhiệt lượng nước đá thu vào để nóng chảy(tan) hoàn toàn ở 0°C.
Q = m1.λ = 0,1. 3,4.105 = 34.103 J
- Nhiệt lượng nước tỏa ra khi giảm từ 20°C đến 0°C :
Q2 = m2.c(t2-t1) = 25,2.103 J
- Ta thấy Q1 > Q2 nên nước đá chỉ tan một phần .
- Nhiệt lượng nước tỏa ra chỉ làm tan một khối lượng Δm nước đá. Do đó :
Q2 = Δm.λ
- Vậy nước đá còn lại : m’ = m1- Δm = 26g
Câu 5: Thả 1,6kg nước đá ở -10°C vào một nhiệt lượng kế đựng 2kg nước ở 60°C. Bình nhiệt lượng kế bằng nhôm có khối lượng 200g và nhiệt dung riêng là 880J/kg.K. Biết Cnước đá = 2100J/kg.độ , Cnước = 4190J/kg.độ , λnước đá = 3,4.105J/kg. Nhiệt độ cuối cùng của hỗn hợp là:
A. 25°C B. 5°C
C. 0°C D. -1°C
Đáp án: C
- Nhiệt lượng cần cung cấp cho 1,6kg nước đá thu vào để tăng nhiệt độ từ -10°C lên 0°C:
Q1 = C1m1Δt1 = C1m1 (0 – (-10)) = 2100 x 1,6 x 10 = 33600 (J)
- Nhiệt lượng nước đá thu vào để nóng chảy hoàn hoàn ở 0°C
Q2 = λm1 = 3,4.105 x 1,6 = 5,44.105 = 544000 (J)
- Nhiệt lượng do 2kg nước toả ra để hạ nhiệt độ từ 50°C đến 0°C
Q3 = c2m2(60 – 0) = 4190 x 2 x 60 = 502800 (J)
- Nhiệt lượng do nhiệt lượng kế bằng nhôm toả ra để hạ nhiệt độ từ 80°C xuống tới 0°C
Q4 = c3m3(60 – 0) = 880 x 0,2 x 60 = 10560 (J)
- Ta có:
Q3 + Q4 = 502800 + 10560 = 513360 (J)
Q1 + Q2 = 33600 + 544000 = 577600 (J)
- so sánh Q1 + Q2 và Q3 + Q4 ta thấy: Q1 + Q2 > Q3 + Q4
- Vì Qthu > Q toả chứng tỏ nước đá chưa tan hết
- Nhiệt độ cuối cùng của hỗn hợp nước và nước đá cũng chính là nhiệt độ cuối cùng của nhiệt lượng kế và bằng 0°C
Câu 6: Trong một bình có chứa m1 = 4 kg nước ở nhiệt độ t1 = 12,5°C. Người ta thả vào bình m2 = 0,5kg nước đá ở nhiệt độ t2 = -20°C. Nước đá có tan hết không? Biết nhiệt dung riêng của nước, của nước đá và nhiệt nóng chảy của nước đá lần lượt là C1 = 4,2 kJ/kg.K; C2 = 2,1 kJ/kg.K và λ = 340 kJ/Kg.
- Nhiệt lượng toả ra của m1 kg nước để hạ nhiệt độ tới 0°C là :
Q1 = C1m1(t1 - 0) = 4,2.4 (12,5 - 0) = 210 (kJ).
- Nhiệt lượng cần cung cấp để 0,5kg nước đá tăng nhiệt độ tới 0°C là:
Q2 = C2m2(0 - t2) = 2,1.0,5. [ 0 – (-20)] = 21(kJ)
- So sánh Qthu và Qtoả ta thấy Q1 > Q2. Vậy nước đá bị nóng chảy.
- Nhiệt lượng cần để nước đá nóng chảy hoàn toàn là :
Q3 = λ.m2 = 340.0,5 = 170 (kJ)
- So sánh ta thấy Q1 > Q2 + Q3 . Vậy nước đá nóng chảy hoàn toàn.
Câu 7: Một lò đốt bằng điện cứ mỗi giây cung cấp được một nhiệt lượng là 100J. Người ta cho vào lò một miếng nhôm có khối lượng 500g ở nhiệt độ 20°C. Tính thời gian cần thiết để lò nung miếng nhôm đến nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ nóng chảy. Cho biết nhiệt độ nóng chảy của nhôm là 658°C, nhiệt nóng chảy của nhôm là 3,9.105J/kg.K
- Nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho 100g nhôm tăng nhiệt độ từ 20°C đến 658°C:
Q1 = m.c.(t2 – t1 ) = 0,5.880.( 658 – 20) = 280570 (J)
- Nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho 100g nhôm nóng chảy hoàn toàn ở 658°C:
Q2 = λ.m = 3,9.105.0,5 = 195000 (J)
Q = Q1 + Q2 = 280570 + 195000 = 475570 (J)
- Thời gian cần thiết để lò nung miếng nhôm đến nóng chảy hoàn toàn là:
475570 : 100 = 4755,7 (s)
Đáp số: 4755,7s
Câu 8: Người ta dùng một bếp gas để đun nóng để khối nước đá có khối lượng m1 = 2kg ở -10°C. Nhiệt lượng mà bếp tỏa ra mỗi giây là 100J. Biết nhiệt dung riêng của nước và của nhôm lần lượt là c1 = 4200J/kg.K , c2 = 880J/kg.K. Người ta bật bếp trong 1 giờ. Hỏi khối nước đá có tan hết không?
- Đổi 1 giờ = 3600 giây
- Gọi Q1 là nhiệt lượng nược thu vào để tăng nhiệt độ từ t1 = -10°C đến t2 = 0°C:
Q1 = m1.c1.( t2 – t1) = 2.1800.[0 – (-10)]= 90000 (J) = 36 (kJ)
- Nhiệt lượng nước đá thu vào để nóng chảy hoàn toàn ở 0°C:
Q2 = λ.m1 = 3,4.105 .2 = 680000 (J) = 680 (kJ)
- Nhiệt lượng cần thiết cho cả quá trình là:
Qthu = Q1 + Q2 = 36 + 680 = 716 (kJ)
- Nhiệt lượng mà bếp tỏa ra trong thời gian 1 giờ là:
Qtỏa = 3600.100 = 360000 (J) = 360 (kJ)
- Ta thấy Qthu > Qtỏa. nên nước đá chưa tan hết.
Câu 9: Một ấm đun nước bằng nhôm có khối lượng 0,5kg chứa 2 lít nước ở 25°C. Biết nhiệt dung riêng của nước và của nhôm lần lượt là c1 = 4200J/kg.K , c2 = 880J/kg.K, nhiệt hoá hơi của nước là L = 2,3.106J/kg.
a) Muốn đun sôi ấm nước này cần một nhiệt lượng bằng bao nhiêu?
b) Ấm được cung cấp mỗi giây một nhiệt lượng là 900J. Tính lượng nước hóa hơi khi đun bếp được 12 phút.
a) Nhiệt lượng cần để đun 0,5 kg nhôm từ 25°C đến 100°C là :
Q1 = m1.c1.Δt = 0,5.880. (100 – 25) = 33000(J)
- Nhiệt lượng cần để đun 2 kg nước từ 25°C đến 100°C là :
Q2 = m2.c2.Δt = 2.4200.(100 – 25) = 604800 (J)
- Nhiệt lượng cần để đun sôi ấm nước là :
Q = Q1+ Q2 = 33000 + 604800 = 637800 (J)
b) Nhiệt lượng ấm thu vào trong thời gian 12 phút là:
Qthu = 60.12.80 = 648000 (J)
- Nhiệt lượng cung cấp để nước sôi hóa hơi là:
648000 - 637800 = 10200 (J)
- Lượng nước đã hóa hơi là:
10200 : 2300000 = 4,4.10-3 (kg) = 4,4 (g)
Đáp số: 637800J; 4,4g
Câu 10: Người ta dẫn 0,1kg hơi nước ở nhiệt độ 100°C vào một nhiệt lượng kế chứa 2kg nước đá ở nhiệt độ -10°C. Biết nhiệt dung riêng và nhiệt hoá hơi của nước lần lượt là C = 4,2kJ/kg.K, L = 2,3.103 kJ/kg, của nước đá C2 = 2,1kJ/kg.K, nhiệt nóng chảy của nước đá λ = 3,4.105J/kg. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài. Tính nhiệt độ sau cùng của hỗn hợp?
- Nếu 0,1kg hơi nước ngưng tụ hoàn toàn ở 100°C thì toả ra nhiệt lượng là:
Q1 = m1L = 0,1.2,3.103 = 230(kJ)
- Nhiệt lượng tỏa ra khi 0,1kg nước hạ từ 100°C xuống 0°C là
Q2 = m1C(100 - 0) = 0,1.4,2.100 = 420 (kJ)
- Nhiệt lượng hơi nước tỏa ra khi hạ xuống 0°C là:
Qtỏa = Q1 + Q2 = 230 + 420 = 650 (kJ)
- Gọi Q1 là nhiệt lượng nược thu vào để tăng nhiệt độ từ t1 = -10°C đến t2 = 0°C:
Q1 = m1.c1.( t2 – t1) = 2.1800.[0 – (-10)]= 90000 (J) = 36 (kJ)
- Nhiệt lượng nước đá thu vào để nóng chảy hoàn toàn ở 0°C:
Q2 = λ.m1 = 3,4.105 .2 = 680000 (J) = 680 (kJ)
- Nhiệt lượng cần thiết cho cả quá trình là:
Qthu = Q1 + Q2 = 36 + 680 = 716 (kJ)
- Ta thấy Qthu > Qtỏa nên nước đá chỉ tan một phần
Vậy nhiệt độ sau cùng của hỗn hợp là 0°C.