CHƯƠNG VI: NHIỆT

BÀI 26: NĂNG LƯỢNG NHIỆT VÀ NỘI NĂNG

1. NHẬN BIẾT

Câu 1: Năng lượng nhiệt là gì? Nội năng là gì?

Giải:

Năng lượng nhiệt là năng lượng vật có được do chuyển động nhiệt.

Nội năng của một vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên vật.

Câu 2: Sự truyền nhiệt là gì? Lấy ví dụ minh họa?

Giải:

- Quá trình làm thay đổi nội năng không có sự thực hiện công gọi là quá trình truyền nhiệt. Trong quá trình truyền nhiệt không có sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác, chỉ có truyền nội năng từ vật này sang vật khác.

- VD: nung nóng một miếng đồng rồi thả vào chậu nước lạnh, sau một hồi ta thấy miếng đồng nguội đi và nước nóng lên.

Câu 3: Nhiệt lượng trao đổi trong quá trình truyền nhiệt không phụ thuộc vào yếu tố nào?

Giải:

Nhiệt lượng trao đổi trong quá trình truyền nhiệt: Q = m.c.∆t

trong đó: c là nhiệt dung riêng của chất cấu tạo nên vật (J/kg.K); m là khối lượng của vật.

∆t = t₂ – t₁ là độ biến thiên nhiệt độ; t₁ là nhiệt độ ban đầu; t₂ là nhiệt độ sau.

→ Q không phụ thuộc vào thời gian truyền nhiệt

Câu 4: Khi các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật chuyển động hỗn độn không ngừng nhanh lên thì đại lượng nào tăng lên?

Giải:

Khi các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật chuyển động hỗn độn không ngừng nhanh lên thì:

+ Nhiệt độ của vật tăng lên.

+ Chuyển động nhiệt của các phân tử tăng, động năng của các phân tử cấu tạo nên vật tăng, nhiệt năng tăng.

Câu 5: Một viên đạn đang bay trên cao, có những dạng năng lượng nào mà em đã được học?

Giải:

Một viên đạn đang bay trên cao có các dạng năng lượng sau:

+ Thế năng vì có độ cao so với mặt đất.

+ Động năng vì đang chuyển động.

+ Nhiệt năng vì các phân tử nguyên tử cấu tạo nên viên đạn luôn chuyển động hỗn độn không ngừng.

2. THÔNG HIỂU

Câu 1: Nhiệt độ vật giảm là do đâu?

Giải:

Do các phân tử chuyển động không ngừng nên chúng có động năng. Động năng phân tử phụ thuộc vào vận tốc của phân tử. Nhiệt độ thay đổi thì vận tốc phân tử thay đổi, nhiệt độ càng cao thì các phân tử chuyển động càng nhanh và hổn loạn, mà động năng của phân tử là thành phần của nội năng, do đó nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ.

→Nhiệt độ của vật giảm khi các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật chuyển động chậm lại.

Câu 2: Trường hợp nội năng của vật bị biến đổi không phải do truyền nhiệt là?

Giải:

Khi trời lạnh, ta xoa hai bàn tay vào nhau tức là ta đã thực hiện công làm cho bàn tay ấm lên.

Câu 3: Nung nóng một miếng đồng rồi thả vào một cốc nước lạnh.Hiện tượng gì sẽ xảy ra?

Giải:

Nung nóng một miếng đồng rồi thả vào một cốc nước lạnh thì có sự truyền nhiệt giữa các vật làm cho nhiệt độ của miếng đồng giảm xuống, nhiệt độ của nước tăng lên 

⇒Nhiệt năng của cốc nước tăng lên.

Câu 4: Nung nóng đồng xu sau đó bỏ vào cốc nước lạnh, đồng xu nguội đi, nước nóng lên. Trong quá trình này có sự chuyển hoá năng lượng từ?

Giải:

Khi nung nóng một đồng xu rồi bỏ vào cốc nước lạnh, nước nóng lên, đồng xu nguội đi ⇒ Nhiệt năng của đồng xu giảm và của nước tăng.

⇒ Trong quá trình này có sự chuyển hóa năng lượng từ nhiệt năng của đồng xu sang nhiệt năng của nước qua việc truyền nhiệt.

Câu 5: Nhỏ một giọt nước đang sôi vào một cốc đựng nước ấm thì nhiệt năng của giọt nước và của nước trong cốc thay đổi như thế nào?

Giải:

Vì giọt nước đang sôi có nhiệt độ cao là 100oC nhỏ vào cốc đựng nước ấm có nhiệt độ thấp hơn thì nhiệt năng của giọt nước giảm, của nước trong cốc tăng.

3. VẬN DỤNG

Câu 1: Một quả bóng khối lượng 200 g rơi từ độ cao 15 m xuống sân và nảy lên được 10 m. Độ biến thiên nội năng của quả bóng bằng (lấy g = 10 m/s²)

Giải:

ΔU = E₁ – E₂ = mg(h₁ – h₂ ) = 0,2.10(15 – 10) = 101J.

Câu 2: Một viên đạn đại bác có khối lượng 10 kg khi rơi tới đích có vận tốc 54 km/h. Nếu toàn bộ động năng của nó biến thành nội năng thì nhiệt lượng tỏa ra lúc va chạm vào khoảng?

Giải:

Q =  =  =  = 1125J

Câu 3: Nhiệt năng của một miếng đồng là 180 J. Sau khi thực hiện được một công vào miếng đồng làm nó nóng lên và nhiệt năng của miếng đồng lúc đó là 500 J. Nhiệt lượng miếng đồng nhận được là?

Giải:

Nhiệt lượng là phần nhiệt năng mà vật nhận được hay mất bớt đi trong quá trình truyền nhiệt.

⇒ Nhiệt lượng mà miếng đồng nhận được trong trường hợp trên bằng:

500 − 180 = 320 J.

Câu 4: Một vật có nhiệt năng 150 J, sau khi nung nóng nhiệt năng của nó là 750J. Hỏi nhiệt lượng mà vật nhận được là bao nhiêu?

Giải:

Nhiệt lượng là phần nhiệt năng mà vật nhận được hay mất bớt đi trong quá trình truyền nhiệt.

⇒ Nhiệt lượng mà vật nhận được trong trường hợp trên bằng 750 − 150 = 600 J.

Câu 5: Một vật có khối lượng 4 kg được thả rơi không vận tốc đầu từ độ cao 10 m. Bỏ qua sức cản của không khí. Nhiệt lượng toả ra khi vật chạm đất cứng mà không nảy lên là (giả sử năng lượng sinh ra trong khi chạm đất đều toả thành nhiệt):

Giải:

+ Khi thả vật không vận tốc đầu từ độ cao h = 10 m.

Ta có: Thế năng chuyển hóa thành động năng sau đó chuyển hóa thành nhiệt năng (khi chạm đất).

+ Trọng lượng của vật là: P = 10.m = 10.4 = 40 N.

+ Công của trọng lực là: A = P.h = 40.10 = 400 J.

⇒ Nhiệt lượng tỏa ra khi vật chạm đất cứng mà không nảy lên chính là công của trọng lực và bằng 400 J.

4. VẬN DỤNG CAO

Câu 1: Để xác định nhiệt độ của một lò nung, người ta đưa vào trong lò một miếng sắt có khối lượng 50 g. Khi miếng sắt có nhiệt độ bằng nhiệt độ của lò, người ta lấy ra và thả nó vào một nhiệt lượng kế chứa 900 g nước ở nhiệt độ 17^oC. Khi đó nhiệt độ của nước tăng lên đến 23^oC, biết nhiệt dung riêng của sắt là 478 J/(kg.k), của nước là 4180 J/(kg.k). Nhiệt độ của lò xấp xỉ bằng?

Giải:

Nhiệt lượng do sắt tỏa ra: Q₁ = m₁c₁(t₁ – t)

Nhiệt lượng do nước thu vào: Q₂ = m₂c₂(t – t₂)

Vì Q₁ = Q₂ ⇒ m₁c₁(t₁ – t) = m₂c₂(t – t₂)

⇔ 0,05.478(t₁ – 23) = 0,9.4180(23 – 17)

t₁ ≈ 967℃

Câu 2: Một ấm đun nước bằng nhôm có m = 350g, chứa 2,75kg nước được đun trên bếp. Khi nhận được nhiệt lượng 650 kJ thì ấm đạt đến nhiệt độ 60°C. Hỏi nhiệt độ ban đầu của ấm, biết c_Al = 880 J/kg.K, c_nước = c_n = 4190 J/kg.K.

Giải:

Nhiệt lượng thu vào:

Q_thu = Q_n + Q_Al = m_n.c_n.(t – t₁) + m_Al.c_Al.(t – t₁)

= 2,75.4190.(60 – t₁) + 0,35.880.(60 – t₁) = 709830 – 11830,5t₁.

Mặt khác 709830 – 11830,5t₁ = 650000 ⟹ t₁ = 5,1 °C

Câu 3: Để xác định nhiệt dung riêng của một chất lỏng, người ta đổ chất lỏng đó vào 20g nước ở 100°C. Khi có sự cân bằng nhiệt, nhiệt độ của hỗn hợp nước là 37,5°C, mhh = 140g. Biết nhiệt độ ban đầu của nó là 20°C, cn = 4200 J/kg.K. Nhiệt dung riêng của chất lỏng trên là:

Giải:

Nhiệt lượng tỏa ra:

Q_tỏa = Q_n = m_n.c_n.(t₁ – t_cb) = 20.10^-3.4200.(100 – 37,5) = 5250 J.

Nhiệt lượng thu vào:

Q_thu = m_x.c_x.(t_cb - t_x) = (m_hh – m_n).c_x.(t_cb - t_x) = (140 – 20).10^-3.c_x.(37,5 – 20)

= 2,1.cx

Cân bằng nhiệt: Q_tỏa = Q_thu ⟺ 5250 = 2,1.c_x ⟹ c_x = 2500 J/kg.K

Câu 4: Một bình nhôm khối lượng 0,5 kg chứa 0,118 kg nước ở nhiệt độ 20°C. Người ta thả vào bình một miếng sắt khối lượng 0,2kg đã được nung nóng tới 75°C.. Xác định nhiệt độ của nước khi bắt đầu có sự cân bằng nhiệt. Bỏ qua sự truyền nhiệt ra môi trường bên ngoài. Nhiệt dung riêng của nhôm là 896 J/(kg.K); của nước là 4,18.103 J/(kg.K); của sắt là 0,46.103 J/(kg.K).

Giải:

Gọi t là nhiệt độ cân bằng của hệ.

Nhiệt lượng mà nước thu vào cho đến khi cân bằng nhiệt:

Q₁ = m₁.c₁. Δt₁

Nhiệt lượng mà bình nhôm thu vào cho đến khi cân bằng nhiệt:

Q₂ = m₂.c₂.Δt₂

Nhiệt lượng miếng sắt tỏa ra cho đến khi cân bằng nhiệt:

Q₃ = m₃.c₃.Δt₃

Tổng nhiệt lượng thu vào bằng nhiệt lượng tỏa ra: Q₁ + Q₂ = Q₃

↔ (m₁.c₁ + m₂.c₂)Δt₁ = m₃.c₃.Δt₃

Thay số ta được:

(0,118.4,18.10³ + 0,5.896).(t - 20) = 0,2.0,46.10³ .(75 - t)

↔ 941,24.(t – 20) = 92.(75 – t) ↔ 1033,24.t = 25724,8

=> t = 24,9°C.

Vậy nhiệt độ cân bằng trong bình là t ≈ 24,9°C

Câu 5: Một nhiệt lượng kế bằng đồng thau khối lượng 128 g chứa 210 g nước ở nhiệt độ 8,4°C.. Người ta thả một miếng kim loại khối lượng 192 g đã nung nóng tới 100°C vào nhiệt lượng kế. Xác định nhiệt dung riêng của chất làm miếng kim loại, biết nhiệt độ khi bắt đầu có sự cân bằng nhiệt là 21,5°C.. Bỏ qua sự truyền nhiệt ra môi trường bên ngoài. Nhiệt dung riêng của đồng thau là 0,128.103J/(kg.K).

Giải:

Nhiệt lượng mà nước thu vào cho đến khi cân bằng nhiệt:

Q₁ = m₁.c₁. Δt₁

Nhiệt lượng mà bình nhiệt lượng kế đồng thu vào cho đến khi cân bằng nhiệt:

Q₂ = m₂.c₂.Δt₂

Nhiệt lượng miếng kim loại tỏa ra cho đến khi cân bằng nhiệt:

Q₃ = m₃.c₃.Δt₃

Tổng nhiệt lượng thu vào bằng nhiệt lượng tỏa ra:

Q₁ + Q₂ = Q₃

↔ (m₁.c₁ + m₂.c₂).Δt₁ = m₃.c₃.Δt₃

Thay số ta được: (lấy c_nước = c₁ = 4,18.10³ J/(kg.K) )

(0,21.4,18.10³ + 0,128.0,128.10³).(21,5 – 8,4) = 0,192.c₃.(100 – 21,5)

→ c₃ = 0,78.10³ J/(kg.K)

Vậy nhiệt dung riêng của chất làm miếng kim loại là 0,78.10³ J/(kg.K)