Đáp án Vật lí 12 cánh diều Chủ đề 1 Bài 4: Nhiệt dung riêng, nhiệt nóng chảy riêng, nhiệt hoá hơi riêng

BÀI 4. NHIỆT DUNG RIÊNG, NHIỆT NÓNG CHẢY RIÊNG, NHIỆT HÓA HƠI RIÊNG

Mở đầu: Trong đời sống hằng ngày và nhiều lĩnh vực sản xuất, người ta thường phải cung cấp năng lượng để làm nóng vật hoặc tạo ra sự chuyển thể của các chất.

Nhiệt lượng cần truyền cho một vật để nó nóng lên hoặc chuyển thể phụ thuộc vào những yếu tố nào và có thể được xác định như thế nào? 

Hướng dẫn chi tiết:

Nhiệt lượng cần truyền cho một vật để nó nóng lên hoặc chuyển thể phụ thuộc vào một số yếu tố chính sau đây:

+ Loại vật liệu: Các loại vật liệu khác nhau sẽ có khả năng hấp thụ và giữ nhiệt khác nhau. 

Ví dụ: kim loại sẽ có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn so với gỗ.

+ Khối lượng của vật liệu: Khối lượng càng lớn, cần truyền nhiều nhiệt lượng hơn để nó nóng lên cùng một độ.

+ Độ chênh lệch nhiệt độ: Sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ mong muốn ảnh hưởng đến lượng nhiệt lượng cần truyền. Nhiệt lượng cần truyền sẽ lớn hơn nếu bạn muốn nóng lên vật từ nhiệt độ thấp hơn đến nhiệt độ cao hơn.

+ Cấu trúc và hình dạng của vật liệu: Cấu trúc và hình dạng của vật liệu cũng ảnh hưởng đến khả năng tiếp xúc với nguồn nhiệt và việc truyền nhiệt. 

Ví dụ, vật liệu có diện tích tiếp xúc lớn hơn với nguồn nhiệt sẽ nhanh chóng hấp thụ nhiều nhiệt lượng hơn.

+ Hiệu suất của hệ thống truyền nhiệt: Hiệu suất của hệ thống truyền nhiệt cũng là một yếu tố quan trọng. Các hệ thống hiệu quả sẽ truyền nhiệt nhanh chóng hơn và đòi hỏi ít năng lượng hơn.

+ Môi trường xung quanh: nếu môi trường xung quanh lạnh hơn vật thì một phần nhiệt lượng truyền cho vật sẽ bị mất mát do truyền nhiệt ra môi trường.

Công thức tính nhiệt lượng: 

Q = mc.ΔT

trong đó:

+ Q là nhiệt lượng (J)

+ m là khối lượng của vật liệu (kg)

+ c là nhiệt dung riêng của vật liệu (J/kg.K)

+ ΔT là sự chênh lệch nhiệt độ (K)

I. NHIỆT DUNG RIÊNG

Câu 1: Lấy ví dụ cho thấy nhiệt lượng cần cung cấp để đun nóng vật có liên hệ với khối lượng, nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ vật đạt được sau khi đun.

Hướng dẫn chi tiết:

Khi đun nước, nhiệt lượng ta cần cung cấp phụ thuộc vào lượng nước ít hay nhiều (khối lượng), nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ vật đạt được sau khi đun. 

Ví dụ, hãy xem xét quá trình đun nước. Để đun sôi một lượng nước nhất định từ nhiệt độ phòng (ví dụ 25°C) lên nhiệt độ sôi (100°C) cần một lượng nhiệt lượng nhất định. Sự liên hệ giữa nhiệt lượng này và các yếu tố khác như khối lượng và nhiệt độ ban đầu có thể được mô tả bằng công thức:

Q=mc.ΔT

Trong đó:

+ Q là nhiệt lượng cần cung cấp (đơn vị Joule).

+ m là khối lượng của nước (đơn vị kilogram).

+ c là nhiệt dung riêng của nước, khoảng 4186 J/kg.K.

+ ΔT là sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối cùng (trong trường hợp này là nhiệt độ sôi - nhiệt độ ban đầu).

Giả sử:  Cần đun sôi 1 lít nước (m1 = 1 kg) từ nhiệt độ phòng 25°C (T1 = 25°C) đến nhiệt độ sôi 100°C (T2 = 100°C), c = 4186 J/kg.K.

Nhiệt lượng cần thiết để đun sôi 1 lít nước:

Q1 = m1.c.(T2 - T1) = 1. 4186 (100°C - 25°C) = 313,2 kJ

Nếu đun sôi 2 lít nước (m2 = 2 kg) từ 25°C đến 100°C:

Q2 = m2.c.(T2 - T1) = 2 kg. 4186 . (100°C - 25°C) = 626,4 kJ

Cần gấp đôi nhiệt lượng (626,4 kJ) để đun sôi 2 lít nước so với 1 lít nước (313,2 kJ).

=> Khối lượng nước tăng gấp đôi (m2 = 2 kg) dẫn đến lượng vật chất cần được làm nóng tăng gấp đôi, do đó cần nhiều nhiệt lượng hơn (Q2 = 626,4 kJ) để đạt được cùng độ tăng nhiệt độ (ΔT = T2 - T1 = 75°C).

Câu 2: Từ hệ thức (4.1), chứng tỏ rằng đơn vị đo của nhiệt dung riêng là J/kg.K.

Hướng dẫn chi tiết:

Từ hệ thức 4.1:

Q=mc.ΔT

Trong đó: Q (đơn vị Joule), m (đơn vị kilogram).  ΔT ( (đơn vị là ^oC hoặc K do chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mốc của 2 thang đo này là như nhau).

=>  đơn vị của nhiệt dung riêng c là: J/kg.K.

Câu 3: Sử dụng số liệu trong Bảng 4.1, giải thích vì sao thanh đồng tăng nhiệt độ nhanh hơn cốc nước có cùng khối lượng. 

Hướng dẫn chi tiết:

Ta có:

 nhiệt dung riêng của nước là c_n=4180 J/kg.K

nhiệt dung riêng của đồng là c_đ=380 J/kg.K

Công thức tính nhiệt lượng cần thiết để thanh đồng hoặc cốc nước tăng nhiệt độ:

Q=mc.ΔT

Để so sánh thanh đồng hay cốc nước cùng khối lượng m tăng nhiệt độ nhanh hơn, ta xét 2 thanh này cùng tăng ΔT K, khi đó:

Q_n=mc_n.ΔT; Q_đ=m.c_đ.ΔT

Dễ thấy c_n > c_đ nên Q_n > Q_đ do đó nước cần nhiều nhiệt lượng hơn để tăng nhiệt độ hay thanh đồng sẽ tăng nhiệt độ nhanh hơn một cốc nước có cùng khối lượng.

Luyện tập 1: Tính nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một miếng nhôm có khối lượng 810 g từ 20 °C lên 75 °C. Nhiệt dung riêng của nhôm là 880 J/kg.K.

Hướng dẫn chi tiết:

Ta sử dụng công thức tính nhiệt lượng:  Q=mc.ΔT

Trong đó:

+ Q là nhiệt lượng cần thiết (đơn vị J).

+ m là khối lượng của nhôm (đơn vị kg).

+ c là nhiệt dung riêng của nhôm (đơn vị J/kg.K).

+ ΔT là sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối cùng (trong trường hợp này là nhiệt độ cuối - nhiệt độ ban đầu).

Đổi: m = 810 gram = 0.81 kg

Theo đề bài ta có: m=0.81 kg, c=880 J/kg.K, ΔT=75−20=55°C.

Áp dụng vào công thức:

Q=(0.81kg)×(880J/kg.K)×(55°C)= 39 204J

Vậy để tăng nhiệt độ của miếng nhôm từ 20°C lên 75°C, cần cung cấp khoảng 39 204J nhiệt lượng.

Câu 4: Để xác định nhiệt dung riêng của một chất bằng thực nghiệm thì cần đo những đại lượng nào?

Hướng dẫn chi tiết:

Để xác định nhiệt dung riêng của một chất bằng thực nghiệm, cần đo các đại lượng sau: Khối lượng của chất, độ chênh lệch nhiệt độ, nhiệt lượng cung cấp hoặc hấp thu

+ Khối lượng của chất: Cần phải biết khối lượng chính xác của chất cần đo nhiệt dung riêng.

+ Độ chênh lệch nhiệt độ: Cần phải đo nhiệt độ ban đầu của chất trước khi bắt đầu thực hiện thí nghiệm, và nhiệt độ cuối cùng sau khi thực hiện thí nghiệm. Điều này giúp tính toán sự thay đổi nhiệt độ (ΔT).

+ Nhiệt lượng cung cấp hoặc hấp thụ: Thông qua thiết bị đo nhiệt lượng như calorimeter

Tính toán nhiệt dung riêng bằng công thức:

Q=mcΔT

Trong đó:

+ Q là nhiệt lượng (đơn vị Joule).

+ m là khối lượng của chất (đơn vị kilogram).

+ c là nhiệt dung riêng của chất (đơn vị J/Kg.K).

+ ΔT là sự thay đổi nhiệt độ (nhiệt độ cuối cùng - nhiệt độ ban đầu).

Câu 5: Nhiệt lượng cung cấp cho nước được xác định qua công suất của nhiệt lượng kế như thế nào?

Hướng dẫn chi tiết:

Để xác định nhiệt lượng cung cấp cho nước:

 + sử dụng nhiệt lượng kế để đo công suất của quá trình cung cấp nhiệt cho nước trong một khoảng thời gian nhất định. 

+ có thể sử dụng công thức trên để tính toán nhiệt lượng đã cung cấp dựa trên công suất và thời gian đo:

 Q = Pt trong đó: 

+ Q nhiệt lượng (J)

+ P công suất của nhiệt lượng kế (W)

+ t thời gian đun nước s

Ví dụ, nếu một nhiệt lượng kế đo được công suất là 100W trong 60 giây (1 phút), thì nhiệt lượng đã cung cấp cho nước là:

Q=P×t=100W×60s=6000J

Điều này có nghĩa là nhiệt lượng cung cấp cho nước là 6000 J trong khoảng thời gian 60 giây.

Câu 6: Giải thích tại sao có thể xác định được nhiệt dung riêng của nước qua

độ dốc của đồ thị nhiệt độ - thời gian đun theo phương án thí nghiệm đã thực hiện?

Hướng dẫn chi tiết:

Đồ thị nhiệt độ - thời gian đun theo phương án đã thực hiện cho ta biết mối quan hệ giữa nhiệt độ theo thời gian đun.

 Ta có: P.Δt = m.c.ΔT => ΔT = (P.Δt)/(m.c) =>   T = T₀ + ΔT

T = T₀ + (P.Δt)/(m.c).

Ta thấy T theo t = Δt + t₀ (với t₀ = 0, t = Δt)  là một hàm bậc nhất, và độ dốc của đồ thị nhiệt độ - thời gian đun cho ta được hệ số của t hay a = P/m.c

+ Độ dốc của đồ thị thể hiện tốc độ thay đổi nhiệt độ theo thời gian hay chính là giá trị trong công thức tính nhiệt dung riêng.

 + Điều này làm cho đồ thị nhiệt độ - thời gian đun trở thành một đường thẳng với độ dốc a, và từ đó ta có thể suy ra nhiệt dung riêng của nước theo độ dốc a, P, m.

Câu 7: Với số liệu được cho ở Bảng 4.2 thì nhiệt dung riêng của nước xác định được là bao nhiêu?

Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm xác định nhiệt dung riêng của nước

Hướng dẫn chi tiết:

Từ công thức trên ta có: 

T = T₀ + (P.Δt)/(m.c). Với T₀ = 27^oC. Tại Δt = 180s, T₁ = 33^oC: 

Ta có: 33 = 27 + 180.P/(m.c). 

=> P/(m.c) = 1/30.

Nhiệt dung riêng của nước là: c = 30P/m = 30.18,2/0,136 = 4014,71 (J/kg.K). 

Vậy nhiệt dung riêng của nước theo thí nghiệm trên là: c = 4014,71 J/kg.K.

II. NHIỆT NÓNG CHẢY RIÊNG

Luyện tập 2: Xác định nhiệt lượng cần cung cấp để nung nóng chảy hoàn toàn 1 tấn đồng từ 25 °C. Sử dụng số liệu nhiệt dung riêng ở Bảng 4.1 và cho biết nhiệt nóng chảy riêng của đồng là 180.10³ J/kg.

Hướng dẫn chi tiết: