Hoạt động Mở đầu (trang 21) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: 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?
Lời giải:
- Nhiệt lượng cần truyền cho một vật để nóng lên phụ thuộc vào khối lượng của vật, bản chất của chất tạo nên vật và độ tăng nhiệt độ.
- Nhiệt lượng cần truyền để vật chuyển thể phụ thuộc vào khối lượng của vật và bản chất của vật.
I. Nhiệt dung riêng
1. Định nghĩa
Câu hỏi 1 (trang 21) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: 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.
Trả lời:
- 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 4.186 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).
Câu hỏi 2 (trang 22) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: Từ hệ thức (4.1), chứng tỏ rằng đơn vị đo của nhiệt dung riêng là J/kg.K.
Trả lời:
- Nhiệt lượng: là năng lượng mà vật thu vào hoặc tỏa ra khi thay đổi nhiệt độ. Đơn vị của nhiệt lượng là Joule (J).
- Khối lượng: là lượng chất chứa trong vật. Đơn vị của khối lượng là kilôgam (kg).
- Độ chênh lệch nhiệt độ: là hiệu số giữa nhiệt độ cuối và nhiệt độ đầu của vật. Đơn vị của độ chênh lệch nhiệt độ là Kelvin (K).
- Nhiệt dung riêng: là đại lượng nhiệt vật lý đặc trưng cho khả năng tích trữ nhiệt của vật liệu. Nhiệt dung riêng của một chất được xác định là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của 1 kg chất đó lên 1 K.
- Công thức tính nhiệt dung riêng:
Trong đó:
c là nhiệt dung riêng (J/kg.K)
Q là nhiệt lượng (J)
m là khối lượng (kg)
t₂ là nhiệt độ cuối (°C)
t₁ là nhiệt độ đầu (°C)
Chứng tỏ:
Từ công thức trên, ta có:
Đơn vị của Q là J
Đơn vị của m là kg
Đơn vị của (t₂ - t₁) là K
Do đó, đơn vị của c là:
c = J/kg.K
Câu hỏi 3 (trang 22) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: 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.
Trả lời:
- Do nhiệt dung riêng của đồng nhỏ hơn nhiệt dung riêng của nước nên với cùng một nhiệt lượng cần cung cấp cho cả đồng và nước thì đồng sẽ tăng nhiệt độ nhanh hơn.
Luyện tập 1 (trang 22) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: 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.
Lời giải:
Ta có: Để tính nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một miếng nhôm, chúng ta sử dụng công thức:
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).
Đầu tiên, chúng ta cần chuyển đổi khối lượng từ gram sang kilogram:
m = 810 gram = 0.81 kg
Sau đó, chúng ta sử dụng các giá trị đã cho:
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)
Q= 39 204J
Vậy để tăng nhiệt độ của miếng nhôm từ 20°C lên 75°C, cần cung cấp khoảng 39 204J nhiệt lượng.
2. Xác định nhiệt dung riêng của nước
Câu hỏi 4 (trang 22) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: Để xác định nhiệt dung riêng của một chất bằng thực nghiệm thì cần đo những đại lượng nào?
Trả lời:
- Để xác định nhiệt dung riêng của một chất bằng thực nghiệm thì cần đo khối lượng của chất, nhiệt lượng cung cấp cho chất, độ tăng nhiệt độ của chất.
Câu hỏi 5 (trang 23) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: Nhiệt lượng cung cấp cho nước được xác định qua công suất của nhiệt lượng kế như thế nào?
Trả lời:
- Xác định nhiệt lượng mà nước thu được bằng cách đo công suất của nguồn điện, thời gian thực hiện từ đó xác định nhiệt lượng thông qua công thức
Câu hỏi 6 (trang 24) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: 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?
Trả lời:
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
= 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 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 hỏi 7 (trang 24) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: Với số liệu được cho ở Bảng 4.2 thì nhiệt dung riêng của nước xác định được là bao nhiêu
Trả lời:
- Với số liệu được cho ở Bảng 4.2 thì nhiệt dung riêng của nước xác định được là 637 J/kg.K
II. Nhiệt nóng chảy riêng
1. Định nghĩa
Luyện tập 2 (trang 25) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: 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.
Lời giải:
Nhiệt lượng để tăng nhiệt độ đồng từ 25 °C đến nhiệt độ nóng chảy:
Nhiệt lượng nóng chảy:
Nhiệt lượng cần cung cấp:
2. Xác định nhiệt nóng chảy riêng của nước đá
Câu hỏi 8 (trang 25) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: Để xác định nhiệt nóng chảy riêng của một chất bằng thực nghiệm, cần đo được những đại lượng nào?
Trả lời:
Để xác định nhiệt nóng chảy riêng của một chất bằng thực nghiệm, cần đo được các đại lượng sau:
+ Khối lượng của chất: Để biết được khối lượng chất mà ta đang nghiên cứu.
+ Nhiệt lượng cung cấp: Đo lượng nhiệt lượng cần cung cấp cho chất để nóng chảy hoàn toàn từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng.
Khi có các giá trị này, chúng ta có thể sử dụng công thức để tính toán nhiệt nóng chảy riêng của chất qua công thức:
λ = Q/m.
Câu hỏi 9 (trang 26) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: Nêu cách xác định khối lượng nước đá đã tan chảy m sau thời gian t ở bước 1
Trả lời:
- Cho nước đá vào nhiệt lượng kế.
- Hứng nước chảy ra bằng một chiếc cốc.
- Sau khi nước chảy vào cốc khoảng một phút, lau khô cốc.
- Đặt cốc (4) lên cân và ghi lại khối lượng m₁ (kg).
- Cho nước chảy vào cốc (4) trong thời gian t phút.
- Sau thời gian t phút, lau khô cốc và đặt lên cân, ghi lại khối lượng m₂ (kg).
Cách tính:
- Khối lượng nước đá đã tan chảy m (kg) bằng: m = m₂ - m₁
Câu hỏi 10 (trang 26) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: Vì sao khối lượng nước đá nóng chảy do nhận nhiệt lượng từ dây điện trở của nhiệt lượng kế được xác định là (M-2m)?
Trả lời:
- M là khối lượng của nước trong cốc.
- m là khối lượng nước đá đã tan chảy.
- (M – 2m) là khối lượng của nước đá nóng chảy.
Câu hỏi 11 (trang 27) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: Với số nhiệt như trong bảng 4.3 thì nhiệt lượng đã cung cấp cho nước đá là bao nhiêu?
Trả lời:
Khối lượng tổng nước đá đã tan ra là M = 17,5.10-3 kg, khi đó, tổng nhiệt lượng mà môi trường và dây điện trở đã cung cấp cho nước đá là:
Q = m.λ
Trong đó, lượng nước đá bị tan ra do dây dẫn điện trở là (M-2m), do đó, nhiệt lượng do dây dẫn điện trở cung cấp cho nước đá là:
Q1 = (M-2m). λ
Mà nhiệt lượng dây điện trở cung cấp được tính bởi:
Q1 = P.t
P.t = (M-2m). λ
III. Nhiệt hóa hơi riêng
Câu hỏi 12 (trang 27) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: Nhiệt hóa hơi riêng của nước là 2 300.105 J/kg có ý nghĩa gì?
Trả lời:
Con số 2300.10⁵ J/kg cho biết lượng năng lượng cần thiết để làm 1 kg nước lỏng bay hơi là rất lớn.
Luyện tập 3 (trang 28) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: Tính nhiệt lượng cần thiết để làm 2,0 g nước đá từ –20 °C chuyển hoàn toàn thành hơi nước ở 100 °C.
Lời giải:
Nhiệt lượng để nước đá từ –20 °C đến 0 °C là:
Q1=mcΔt1=0,002.4200.(0−(−20))=168J
Nhiệt lượng để nước từ 0 °C đến 100 °C là:
Q2=mcΔt2=0,002.4200.(100−0)=840J
Nhiệt lượng nóng chảy nước đá ở 0 °C là: Q3 = λm = 3,33 . 105 . 0,002 = 666J
Nhiệt lượng hoá hơi nước ở 100 °C là: Q4=Lm=2,3.106. 0,002 = 4600J
Tổng nhiệt lượng cần cung cấp: Q=Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 6274J
Vận dụng (trang 28) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 4: Cho các dụng cụ: Một cốc thủy tinh chịu nhiệt, bình nhiệt lượng kế kèm dây điện trở, oát kế, cân hiện số, nhiệt kế, đồng hồ bấm giây. Xây dựng phương án và thực hiện phương án thí nghiệm xác định nhiệt hóa hơi riêng của nước bằng các dụng cụ này.
Lời giải:
Dụng cụ:
+ Cốc thủy tinh chịu nhiệt.
+ Bình nhiệt lượng kế kèm dây điện trở.
+ Oát kế.
+ Cân hiệu số.
+ Nhiệt kế.
+ Đồng hồ bấm giây.
Phương án thí nghiệm:
+ Tìm hiểu công dụng của các dụng cụ nêu trên.
+ Lập phương án thí nghiệm với các dụng cụ đó.
Tiến hành:
+ Lắp bộ thí nghiệm như hình vẽ:
Đầu tiên đo nhiệt độ nước ban đầu t0(oC) và khối lượng ban đầu m0(kg) của nước, dùng đồng hồ bấm giây đo thời gian từ khi bắt đầu đun nước tới khi cân đo lượng nước giảm đi đáng kể (tầm 20%-30%), để hệ ổn định và đo lượng nước của hệ lúc sau m1(kg) và đo được thời gian đun là t(s).
Kết quả:
Nhiệt lượng đã cung cấp cho nước là: Q = P.t, nhiệt lượng này đã đưa nước từ t0(oC) tới 100oC và hóa hơi một lượng (m0 - m1) nước từ thể lỏng sang thể khí, do đó, nhiệt lượng đã làm cho (m0 - m1) nước từ thể lỏng sang thể khí là:
Q’= Q- m0cΔT =(m0 - m1).L
L=(P.t-m0c(100-t0))/(m0 - m1)
Từ công thức trên ta tính được nhiệt hóa hơi riêng của nước.