Giải SGK Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 7: Bài tập về vật lí nhiệt - Giải SGK Vật lí 12 - Kết nối tri thức

Khởi động (trang 30) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 7: Để giải các bài tập Vật lí nhiệt cần đến những kiến thức và công thức cơ bản nào?

Trả lời:

Để giải các bài tập Vật lí nhiệt cần đến các kiến thức về mô hình động học phân tử, nội dung định luật 1 nhiệt động lực học, độ biến thiên nội năng và các công thức cơ bản:

+ Khi nội năng của vật biến đổi chỉ bằng cách truyền nhiệt: ΔU = Q

- Nếu quá trình truyền nhiệt chỉ làm thay đổi nhiệt độ của vật: Q = mcΔT

- Nếu quá trình truyền nhiệt làm vật chuyển từ thể này sang thể khác ở nhiệt độ không đổi: Q = λm; Q = Lm.

- Trong các quá trình này nếu có nhiều vật chỉ truyền nhiệt cho nhau không truyền nhiệt ra bên ngoài thì độ lớn của nhiệt lượng các vật toả ra bằng độ lớn nhiệt lượng của các vật thu vào: |Q_toả| = |Q_thu| → Q_toả + Q_thu = 0

+ Khi nội năng của vật biến đổi bằng cả hai cách truyền nhiệt và thực hiện công thì ngoài công thức: ΔU = Q + A, các công thức tính nhiệt lượng nêu trên còn phải sử dụng các công thức tính công cơ học đã học ở lớp 10 như: A = Fscosα; A = W_đ2 – W_đ1; A = mgh; A = Pt ;...

III. Bài tập vận dụng

Bài tập 1 (trang 32) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 7: Quy ước dấu nào sau đây phù hợp với định luật I của nhiệt động lực học?

A. Vật nhận công: A < 0; vật nhận nhiệt lượng: Q < 0.

B. Vật nhận công: A > 0; vật nhận nhiệt lượng: Q > 0.

C. Vật thực hiện công: A > 0; vật truyền nhiệt lượng: Q > 0.

D. Vật thực hiện công: A > 0; vật truyền nhiệt lượng: Q < 0.

Đáp án: B. Vật nhận công: A > 0; vật nhận nhiệt lượng: Q > 0.

Giải thích:

Định luật I của nhiệt động học: Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng vật nhận được:

∆U = Q + A

Quy ước về dấu của A và Q:

Q>0: vật nhận nhiệt lượng từ vật khác.

Q<0: Vật truyền nhiệt lượng cho vật khác.

A>0: Vật nhận công từ vật khác.

A<0: Vật thực hiện công lên vật khác.

Đáp án A sai là do A < 0 là vật thực hiện công và Q < 0 là vật truyền nhiệt lượng cho vật khác

Đáp án C sai là do A > 0 là vật nhận công và Q > 0 là vật nhận nhiệt lượng từ vật khác.

Đáp án D sai là do A > 0 là vật nhận công.

Bài tập 2 (trang 32) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 7: Một lượng nước và một lượng rượu có thể tích bằng nhau được cung cấp các nhiệt lượng tướng ứng là Q₁ và Q₂. Biết khối lượng riêng của nước là 1 000 kg/m³ và của rượu là 800 kg/m³, nhiệt dung riêng của nước là 4 200 J/kg.K và của rượu là 2 500 J/kg.K. Để độ tăng nhiệt độ của nước và rượu bằng nhau thì:

A. Q₁ = Q₂.

B. Q₁ = 1,25 Q₂.

C. Q₁ = 1,68 Q₂.

D. Q₁ = 2,10 Q₂.

Đáp án đúng là: D. Q₁ = 2,10 Q₂.

Giải thích:

- Nhiệt lượng cung cấp cho nước:

$Q_{1} = m_{1} c_{1} Δ T = 1000. V .4200. Δ T = 4, {2.10}^{6} V . Δ T$

- Nhiệt lượng cung cấp cho rượu:

$Q_{2} = m_{2} c_{2} Δ T = 800. V .2500. Δ T = {2.10}^{6} V . Δ T$

⇒ Để độ tăng nhiệt độ bằng nhau thì: $\frac{Q_{1}}{4,2.10^{6}}=\frac{Q_{2}}{2.10^{6}}\Rightarrow Q_{1}=2,1.Q_{2}$

Bài tập 3 (trang 32) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 7: Lấy hai túi lọc giống nhau. Thả nhẹ nhàng một túi vào cốc thủy tinh đựng nước nguội, một túi vào cốc thủy tinh đựng nước nóng để các túi nằm yên ở đáy cốc. Quan sát và dùng mô hình động học phân tử về cấu tạo để giải thích hiện tượng xảy ra trong hai cốc.

Lời giải:

- Khi ta thả túi trà vào cốc thuỷ tinh đựng nước nguội và một túi trà vào cốc thuỷ tinh đựng nước nóng thì ta thấy túi trà trong nước nguội tan chậm hơn túi trà trong nước nóng.

- Bởi vì theo mô hình động học phân tử về cấu tạo thì các phân tử chuyển động không ngừng, nhiệt độ càng cao thì tốc độ chuyển động của các phân tử cấu tạo nên vật càng lớn. Do đó, túi trà cho vào nước lạnh có nhiệt độ thấp hơn nên tốc độ chuyển động cũng chậm hơn, chính vì vậy mà nó tan chậm hơn. Túi trà cho vào nước nóng có nhiệt độ cao hơn nên tốc độ chuyển động nhanh hơn, chính vì vậy mà nó tan nhanh hơn.

Bài tập 4 (trang 32) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 7:

a) Một ấm điện công suất 1 000 W. Tính thời gian cần thiết để đun 300 g nước có nhiệt độ ban đầu là 20 °C đến khi sôi ở áp suất tiêu chuẩn. Tại sao kết quả chỉ được coi là gần đúng?

b) Nếu để nước trong ấm sôi thêm 2 phút thì lượng nước còn lại trong ấm là bao nhiêu? Lấy nhiệt dung riêng và nhiệt hóa hơi riêng của nước là c = 4,2.10³ J/kg.K và L = 2,26.10⁶ J/kg.

Lời giải:

a) Q = m.c.∆T = 0,3.4,2.10³.(100-20) = 100800 J

$t=\frac{Q}{P}=\frac{100800}{1000}=100,8s=1,68phut$

Kết quả này chỉ được coi là gần đúng vì không xét đến các mất mát nhiệt lượng do tỏa ra môi trường xung quanh, và áp suất không phải lúc nào cũng đạt đến áp suất tiêu chuẩn.

b) Q = P.t = 1000.120 = 120000J

Q = m.c.∆T <=> 120000 = m.4200.(100-20)

⇒ m = $\frac{4200.80}{120000}=2,8kg$

Bài tập 5 (trang 32) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 7: Dùng bếp điện để đun một ấm nhôm khối lượng 600 g đựng 1,5 lít nước ở nhiệt độ 20°C. Sau 35 phút đã có 20% lượng nước trong ấm hoá hơi ở nhiệt độ sôi 100 °C. Tính nhiệt lượng trung bình mà bếp điện cung cấp cho ấm nước trong mỗi giây, biết chỉ có 75% nhiệt lượng mà bếp toả ra được dùng vào việc đun ấm nước.

Biết nhiệt dung riêng của nhôm là 880 J/kg.K, của nước là 4 200 J/kg.K; nhiệt hoá hơi riêng của nước ở nhiệt độ sôi 100 °C là 2,26.10⁶ J/kg. Khối lượng riêng của nước là 1 kg/lít.

Lời giải:

- Nhiệt lượng cung cấp cho ấm nhôm:

$Q_{1} = m_{1} c_{1} Δ T = 0, 6.880. (100 - 20) = 42240 J$

- Nhiệt lượng để đun sôi nước:

$Q_{2} = m_{2} c_{2} Δ T = 1, 5.4200. (100 - 20) = 504000 J$

- Nhiệt lượng hoá hơi nước ở nhiệt độ sôi:

$Q_{3} = L m_{3} = 2, {26.10}^{6} .1, 5.20 % = 678000 J$

- Tổng nhiệt lượng ấm nhôm và nước nhận được:

$Q = Q_{1} + Q_{2} + Q_{3} = 42240 + 504000 + 678000 = 1224240 J$

- Nhiệt lượng mà bếp cung cấp:

- Nhiệt lượng trung bình mà bếp cung cấp trong mỗi giây: $Q_{tb}=\frac{Q'}{35.60}=\frac{1632320}{35.60}\approx 777,3J$