Đáp án Vật lí 12 kết nối Bài 4: Nhiệt dung riêng

BÀI 4: NHIỆT DUNG RIÊNG

KHỞI ĐỘNG

Nhiệt lượng cần để làm nóng 1 kg nước lên thêm 1℃ khác với nhiệt lượng cần để làm nóng 1 kg rượu lên thêm 1℃. Đại lượng vật lí nào có thể dùng để mô tả sự khác biệt như trên của các chất khác nhau?

Hướng dẫn chi tiết:

Đại lượng nhiệt dung riêng có thể dùng để mô tả sự khác biệt như trên của các chất khác nhau.

I. KHÁI NIỆM NHIỆT DUNG RIÊNG

Câu hỏi 1: Hãy tìm ví dụ trong đời sống để minh hoạ cho nội dung trên.

Hướng dẫn chi tiết:

Ví dụ trong đời sống để minh hoạ cho nội dung trên là:

- Khối lượng của vật: 

Ví dụ: 1 bình nước có thể tích 100 mL và 1 bình nước có thể tích 1000 mL. 

Đun sôi hai bình ở cùng một nhiệt độ ban đầu, thấy thời gian hai bình sôi khác nhau. 

Chứng tỏ nhiệt lượng nước thu vào phụ thuộc vào khối lượng.

- Độ tăng nhiệt độ của vật: 

Ví dụ: 1 bình nước có thể tích 100 mL và 1 bình nước có thể tích 800 mL. 

Đun sôi hai bình ở cùng một nhiệt độ ban đầu, thấy thời gian của bình thứ nhất sôi rồi mà bình thứ hai chưa sôi.

Chứng tỏ độ tăng nhiệt độ của bình thứ hai lớn hơn bình thứ nhất, vậy nên nhiệt lượng của nước thu vào phụ thuộc vào độ tăng nhiệt độ của vật.

- Tính chất của chất làm vật: 

Ví dụ: đun nóng miếng kim loại khác nhau có cùng khối lượng và cùng nhiệt độ ban đầu. Muốn cho miếng kim loại khác nhau có cùng nhiệt độ như nhau thì thời gian đun nóng cũng khác nhau. 

Chứng tỏ nhiệt lượng phụ thuộc vào tính chất của chất làm vật.

Hoạt động 1 : Biết nhiệt dung riêng của nước lớn gấp hơn hai lần của dầu, tại sao trong bộ tản nhiệt ( làm mát) của máy biến thế, người ta lại dùng dầu mà không dùng nước như trong bộ tản nhiệt của động cơ nhiệt?

Hướng dẫn chi tiết:

- Dầu trong máy biến thế có chức năng là cách điện và làm mát cho máy, được sử dụng để bảo quản lõi và cuộn dây của máy biến thế vì chúng được ngâm hoàn toàn bên trong dầu. 

- Dầu trong máy biến thế có tính ổn định hoá học cao, ít bị ảnh hưởng bởi oxy trong không khí, giúp bảo vệ các bộ phận kim loại khỏi sự ăn mòn, tăng tuổi thọ của máy biến thế.

 - Dầu cũng có độ nhớt thấp để máy dễ khởi động ở nhiệt độ thấp và khả năng truyền nhiệt vẫn tốt trong khi vận hành.

Không dùng nước như trong bộ tản nhiệt của động cơ điện bởi vì:

- Nước dẫn điện tốt hơn dầu, dễ gây hỏng hóc và sự cố điện xảy ra, nước dễ bay hơi nên cần bổ sung nước định kỳ.

- Khả năng chống oxy hoá của nước không tốt bằng dầu.

- Nước không có khả năng bôi trơn, do đó sử dụng nước trong bộ tản nhiệt có thể dẫn đến mài mòn các bộ phận chuyển động, làm giảm hiệu quả hoạt động.

Hoạt động 2: Hãy dựa vào giá trị của nhiệt dung riêng của nước và của đất trong bảng 4.1 để giải thích tại sao ban ngày có gió mát thổi từ biển vào đất liền, ban đêm có gió ấm thổi từ đất liền ra biển.

Hướng dẫn chi tiết:

Nhiệt dung riêng của nước (C = 4186 J/kgK) lớn hơn của đất (C = 800 J/kgK)

Ban ngày có gió mát thổi từ biển vào đất liền là vì:

- Mặt trời chiếu sáng vào ban ngày làm cho cả nước và đất đều nóng.

- Nhiệt dung riêng của nước lớn hơn đất nên nước hấp thụ nhiệt chậm hơn đất

- Khi đất nóng lên, nó sẽ làm nóng không khí xung quanh, tạo thành khu vực áp thấp trên đất liền  nên nó mang theo nhiệt lượng từ biển vào đất liền và cảm thấy mát.

Ban đêm có gió ấm thổi từ đất liền ra biển là vì:

- Khi mặt trời lặn cả biển và đất liền đều mất nhiệt.

- Ban ngày đất liền nhận được rất nhiều nhiệt lượng từ mặt trời nên nhiệt lượng của nó rất cao và mất nhiệt nhanh hơn so với nước, nên khi gió thổi từ đất liền ra biển sẽ mang theo lượng nhiệt mà ban ngày đất liền hấp thụ được.

Hoạt động 3: Một thùng đựng 20 lít nước ở nhiệt độ 20 ℃. Cho khối lượng riêng của nước là 1000 kg/m³.

a) Tính nhiệt lượng cần truyền cho nước trong thùng để nhiệt độ của nó tăng lên tới 70℃.

b) Tính thời gian truyền nhiệt lượng cần thiết nếu dùng một thiết bị điện có công suất 2,5 kW để đun lượng nước trên. Biết chỉ có 80% điện năng tiêu thụ được dùng để làm nóng nước.

Hướng dẫn chi tiết:

a) Theo đề bài có: , t= 20℃ , C nước = 4200 (J/kg.K), D nước = 1000 kg/m³

Đổi V= 20 lít = 20.0,001= 0,02 m³ 

Ta có nhiệt lượng cần truyền cho nước trong thùng để nhiệt độ của nó tăng lên tới 70℃ là: 

Q =mc∆T = 0,02.1000.4200.(70-20)=4200000 J

Vậy nhiệt lượng cần truyền cho nước trong thùng để nhiệt độ của nó tăng từ 20℃ đến 70℃ là 4200000J.

b) Lượng nhiệt thực sự được sử dụng là:

Thời gian truyền nhiệt lượng cần thiết là: s = 22,4 phút

Vậy thời gian truyền nhiệt lượng cần thiết là 22,4 phút.

II. THỰC HÀNH ĐO NHIỆT DUNG RIÊNG CỦA NƯỚC

Hoạt động 1: Hãy trả lời các câu hỏi sau:

- Từ hệ thức (4.3), cho biết cần đo đại lượng nào để xác định nhiệt dung riêng của nước?

- Nhiệt lượng mà nước trong bình nhiệt lượng kế thu được lấy từ đâu?

- Xác định nhiệt lượng mà nước thu được bằng cách nào?

- Mô tả các bước tiến hành thí nghiệm.

Hướng dẫn chi tiết:

- Từ hệ thức (4.3) ta cần đo đại lượng Q nhiệt lượng cần truyền cho vật để xác định nhiệt dung riêng của nước.

- Nhiệt lượng mà nước trong bình nhiệt lượng kế thu được lấy từ nguồn bên ngoài như từ nhà máy nhiệt, nguồn điện,…

- Nhiệt lượng mà nước thu được bằng cách: ta đo nhiệt độ trước và sau khi tiếp xúc với nguồn điện, từ đó ta sử dụng thông tin về nhiệt dung riêng của nước rồi tính toán được lượng nhiệt đã truyền vào.

- Các bước tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Đo lượng nước: ta sử dụng ống đong để đo lượng nước chính xác cần sử dụng và đổ vào bình nước.

Bước 2: Sau khi đong lượng nước xong, ta sử dụng nhiệt kế để đo nhiệt độ của nước lúc này và ghi lại.

Bước 3: Đặt bình nước trong bình nhiệt lượng kế và đưa nguồn điện gần bình nước, đảm bảo cho nước tiếp xúc đều với nguồn điện.

Bước 4: Sau một khoảng thời gian cố định mà giáo viên yêu cầu thì dùng nhiệt kế đo lại nhiệt độ của bình nước và ghi lại kết quả.

Bước 5: Tính toán kết quả, sử dụng công thức Q =mc∆T với m là khối lượng của nước, c là nhiệt dung riêng của nước, ∆T là sự thay đổi của nhiệt độ của nước lúc ban đầu và sau khi tiếp xúc với nguồn điện.

Bước 6: Đánh giá kết quả

Hoạt động 2:

• Vẽ đồ thị nhiệt độ t theo thời gian  và vẽ đường thẳng đi gần nhất các điểm thực nghiệm ( tham khảo Hình 4.2).

• Chọn hai điểm M,N trên đồ thị, xác định các giá trị thời gian _M, _N và nhiệt độ t_M, t_Ntương ứng.

Từ kết quả thí nghiệm thu được, thực hiện yêu cầu sau:

• Tính giá trị trung bình của công suất dòng điện.

• Tính nhiệt dung riêng của nước theo hệ thức:

• Xác định sai số của phép đo nhiệt dung riêng của nước.

• So sánh kết quả đo với nhiệt dung riêng của nước ở bảng 4.1 và giải thích tại sao có sự sai khác ( nếu có).

Hướng dẫn chi tiết: