Giải SGK Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 6: Nhiệt hoá hơi riêng

Khởi động (trang 27) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 6: Khi nước bắt đầu sôi, phải tiếp tục cung cấp nhiệt lượng cho nước để nước tiếp tục sôi (hóa hơi). Làm thế nào để xác định được độ lớn của nhiệt lượng làm hóa hơi hoàn toàn một lượng nước ở nhiệt độ không đổi?

Trả lời:

Để xác định độ lớn của nhiệt lượng cần thiết để hóa hơi hoàn toàn một lượng nước ở nhiệt độ không đổi, bạn có thể sử dụng công thức sau:

Q = m.L

Trong đó:

- Q là lượng nhiệt lượng cần thiết (đơn vị: joule hoặc calori).

- m là khối lượng của nước (đơn vị: gram hoặc kilogram).

- L  là nhiệt lượng hóa hơi riêng của nước, có giá trị là khoảng 2260 joule/gram hoặc 540 calori/gram.

Công thức này chỉ áp dụng khi nước đã chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi, tức là đã sôi và hóa hơi hoàn toàn.

I. Khái niệm nhiệt hoá hơi riêng

Hoạt động 1 (trang 28) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 6: Tính nhiệt lượng cần thiết để làm cho 10 kg nước ở 25 °C chuyển hoàn toàn thành hơi ở 100 °C. Cho nhiệt dung riêng của nước là 4 200 J/kg.K; nhiệt hoá hơi riêng của nước ở 100 °C là 2,26.10⁶ J/kg.

Trả lời:

- Nhiệt lượng để nước tăng nhiệt độ từ 25 °C đến 100 °C:

Q₁ = mcΔt = 10.4200.(100−25) = 3150000J

- Nhiệt lượng để hoá hơi hoàn toàn nước:

Q₂ = L.m = 2,26.10⁶.10 = 2,26.10⁷J

- Tổng nhiệt lượng cần thiết để làm cho 10 kg nước ở 25 °C chuyển hoàn toàn thành hơi ở 100 °C:

Q= Q₁+Q₂ = 3,15.10⁶ + 2,26.10⁷ = 2,575.10⁷J

Hoạt động 2 (trang 28) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 6: Vận động viên chạy Marathon mất rất nhiều nước trong khi thi đấu. Các vận động viên thường chỉ có thể chuyển hóa khoảng 20% năng lượng hóa học dự trữ trong cơ thể thành năng lượng dùng cho các hoạt động của cơ thể, đặc biệt là hoạt động chạy. Phần năng lượng còn lại chuyển thành nhiệt thải ra ngoài nhờ sự bay hơi của nước qua hô hấp và da để giữ cho nhiệt độ cơ thể không đổi.

Nếu vận động viên dùng hết 11 000 kJ trong cuộc thi thì có khoảng bao nhiêu lít nước đã thoát ra khỏi cơ thể? Coi nhiệt độ cơ thể của vận động viên hoàn toàn không đổi và nhiệt hóa hơi riêng của nước trong cơ thể vận động viên là 2,45.10⁶ J/kg.

Trả lời:

Q = 11000 kJ , L= 2,45.10⁶ J/kg

- Các vận động viên thường chỉ có thể chuyển hóa khoảng 20% năng lượng hóa học dự trữ trong cơ thể thành năng lượng dùng có nghĩa là còn 80% năng lượng còn lại chuyển thành nhiệt thải ra ngoài.

- Nếu vận động viên dùng hết 11 000 kJ trong cuộc thi thì phần năng lượng chuyển thành nhiệt để thải ra ngoài là: 11000.10³ .80% = 88.10⁵ J

⇒ Số lít nước thoát ra ngoài cơ thể là: $m=\frac{Q_{nhiet}}{L}=\frac{88.10^{5}}{2,45.10^{6}}=3,59kg$

II. Thực hành đo nhiệt hoá hơi riêng của nước

Hoạt động 1 (trang 28) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 6: Hãy trả lời các câu hỏi sau:

- Từ công thức (6.3), cho biết cần đo đại lượng nào để xác định nhiệt hóa hơi riêng của nước?

- Nhiệt lượng làm cho nước trong bình nhiệt lượng kế hóa hơi được lấy từ đâu?

- Xác định nhiệt lượng nước trong bình nhiệt lượng kế thu được để hóa hơi bằng cách nào?

- Mô tả các bước tiến hành thí nghiệm.

- Để đảm bảo an toàn trong khi làm thí nghiệm cần phải chú ý điều gì?

Trả lời:

- Cần đo nhiệt lượng cần truyền cho chất lỏng và khối lượng chất lỏng để xác định nhiệt hóa hơi riêng của nước

- Nhiệt lượng để hóa hơi nước trong bình nhiệt lượng kế đến từ nguồn nhiệt bên ngoài. Thông thường, người ta sử dụng nguồn nhiệt như một đèn hoặc bếp để truyền nhiệt cho nước trong bình nhiệt lượng kế.

- Nhiệt lượng nước để hóa hơi trong bình nhiệt lượng kế có thể được xác định bằng cách đo sự thay đổi nhiệt độ của nước và sử dụng công thức Q = m.c.∆T

Trong đó, Q là nhiệt lượng, m là khối lượng nước, c là nhiệt dung riêng của nước, và ∆T là sự thay đổi nhiệt độ.

- Mô tả các bước tiến hành thí nghiệm:

+ Đặt một lượng nước đã biết khối lượng vào bình nhiệt lượng kế.

+ Ghi lại nhiệt độ ban đầu của nước.

+ Áp dụng nguồn nhiệt bên ngoài (đèn hoặc bếp) để truyền nhiệt cho nước trong bình.

+ Ghi lại nhiệt độ cuối cùng của nước khi nó đã hóa hơi.

+ Tính toán sự thay đổi nhiệt độ ∆T bằng cách lấy nhiệt độ cuối cùng trừ đi nhiệt độ ban đầu.

+ Sử dụng công thức Q = m.c.∆T để tính toán nhiệt lượng.

- Để đảm bảo an toàn trong khi làm thí nghiệm cần phải chú ý:

+ Sử dụng thiết bị bảo hộ như kính bảo hộ để bảo vệ mắt khỏi các tác động của nhiệt độ cao hoặc nước sôi.

+ Luôn luôn tuân thủ các quy tắc an toàn khi làm việc với nguồn nhiệt và các thiết bị đốt cháy.

+ Tránh tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt cao và giữ khoảng cách an toàn.

+ Sử dụng bình nhiệt lượng kế được thiết kế cho mục đích đo nhiệt lượng và đảm bảo nó không có vết nứt hoặc hỏng hóc.

Hoạt động 2 (trang 29) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 6: Từ kết quả thí nghiệm thu được, thực hiện các yêu cầu sau:

- Vẽ đồ thị khối lượng m theo thời gian τ.

- Vẽ đường thẳng đi gần các điểm thực nghiệm nhất (tham khảo Hình 6.1). Chọn hai điểm P, Q tuỳ ý trên đồ thị, xác định giá trị khối lượng m_P, m_Q và thời gian τ_P, τ_Q tương ứng.

- Tính công suất trung bình của dòng điện qua điện trở của nhiệt lượng kế.

- Tính nhiệt hoá hơi riêng của nước theo công thức: $L=\frac{Q}{m}=\frac{\bar{P}(\tau _{Q}-\tau _{P})}{m_{P}-m_{Q}}$

Trong đó $\bar{P}(\tau _{Q}-\tau _{P})$ là nhiệt lượng do dòng điện qua điện trở toả ra trong thời gian 𝜏_𝑄−𝜏_𝑃; (m_P - m_Q) là khối lượng nước đã hoá hơi trong khoảng thời gian trên.

- Xác định sai số của phép đo nhiệt hoá hơi riêng của nước.

Trả lời:

Bảng kết quả thu được:

Đồ thị:

- Công suất trung bình của dòng điện qua điện trở của nhiệt lượng kế.

$\overline{\text{P}}=\frac{15,21+15,19+15,21+15,23+15,19+15,21+15,19}{7}=15,20W$

- Nhiệt hoá hơi riêng của nước theo công thức:

$L=\frac{Q}{m}=\frac{\overline{\text{P}}\left({\tau }_Q-{\tau }_P\right)}{m_P-m_Q}=\frac{15,20.(700-200)}{0,1187-0,1153}\approx 2,{24.10}^6$ J/kg

- Sai số của phép đo nhiệt hoá hơi riêng của nước.

Theo bảng 6.1 thì nhiệt hoá hơi riêng của nước là 2,26.106 J/kg, giá trị thu được từ thí nghiệm là 2,24.106 J/kg.