Chuyên đề 2: Nhiệt học

CHUYÊN ĐỀ II: NHIỆT HỌC * TÓM TẮT LÝ THUYẾT: ­ Ơ điều kiện thường, vật chất tồn tại ở ba trạng thái: rắn – lỏng – khí. ­ Vật chất có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái. ­ Muốn vật chất thay đổi trạng thái, ta phải làm tăng hoặc giảm nhiệt năng của vật. ­ Nhiệt lượng vật cần thu vào để nóng lên mà chưa chuyển thể được tính bởi công thức: Q = m.c. t = m.c (t2­ t1) ­ Đa số các chất chỉ chuyển thể khi đạt đến một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt chuyển thể. Trong suốt qúa trình chuyển thể, nhiệt độ của khối chất không thay đổi. ­ Nhiệt lượng vật cần thu vào (toả ra) để chuyển thể ở nhiệt độ chuyển thể được tính bởi công thức: Q = m. ­ Nhiệt lượng có thể được truyền qua ba hình thức: dẫn nhiệt, đối lưu hoặc bức xạ nhiệt. Nhiệt lượng luôn được truyền từ vật nóng sang vật lạnh hơn cho đến khi hai vật có nhiệt độ bằng nhau. * Các bước giải bài tập của bài toán về trao đổi nhiệt nói chung: 1.Bước1: ­ Trước tiên các em phải đọc kĩ đề bài xác định được vật nào toả nhiệt và vật nào thu nhiệt . ­ Tóm tắt đề bài: ghi dữ kiện theo các vật trao đổi nhiệt . 2.Bước 2: ­ Lập công thức tính nhiệt lượng do các vật toả nhiệt cung cấp ( Qtoả) , do vật thu nhiệt vào ( Qthu) và thay dữ kiện đẫ cho vào công thức . 3.Bước 3 : ­Nếu nhiệt lượng hao phí không đáng kể thì viết phương trình cân bằng nhiệt Qthu 1 + Qthu 2 + ... = Qtoả 1 + Qtoả 2 + ... ­Sau đó thay kết quả ở bước 2 vào phương trình cân bằng nhiệt cho phù hợp . Nếu nhiệt lượng hao phí đáng kể thì H=Qci/ Qtp sau đó thay kết quả ở bước 2 vào công thức tính hiệu suất cho phù hợp . 4.Bước 4: Suy ra công thức tính đại lượng cần tìm từ phương trình cân bằng nhiệt hoặc từ công thức hiệu suất ở bước 3 để suy ra kết quả cần tìm. 1.Giải bài toán về trao đổi nhiệt nhưng chưa biết rõ quá trình bến đổi của chúng Sau khi học xong bài phương trình cân bằng nhiệt có những bài tập chưa biết rõ trạng thái nhiệt của chúng có thể xảy ra các trường hợp đòi hỏi các em phải xét các trường hợp có thể sảy ra . Điều này phát huy được tính tích cực, chủ động, khả năng tìm tòi phái hiện những cái mới, tạo cho các em ý thức vươn lên trong học tập cũng như trong cuộc sống.Sau đây để nhanh chóng cho việc tính toán tôi đưa ra dạng bài tổng quát như sau : VÍ DỤ: Người ta cho vào nhiệt lượng kế một hỗn hợp m1 kg nước đá ở t1 và m2 kg nước ở nhiệt độ t2 , bỏ qua sự toả nhiệt ra môi trường và nhiệt dung riêng của nhiệt lượng kế . Hãy xác định nhiệt độ cân bằng t của hỗn hợp . Đối với dạng bài tập này nói rõ cho các em thấy sẽ có 3 khả năng sảy ra : ­Hệ nước trên 00 C. ­ Là đá dưới 00 C. ­ Hỗn hợp đá và nước ở 00 C. Mỗi khả năng ứng với một công thức tìm nhiệt độ cân bằng khác nhau : 1. Nhiệt độ cuối cùng sẽ dưới 00C : khi nhiệt lượng toả ra để hạ xuống 00 C. và sau đó hoá đá hoàn toàn ,không đủ để đưa đá lên 00C. ….. t = c2m2t2 m2 c1m1t1 c1m1 . Chú ý: t1 < 0 ; t < 0 2. Nhiệt độ cuối cùng trên 00 C nếu nhiệt lượng do nước hạ xuống 00C thừa để đá lên 00C và nóng chảy hoàn toàn ta xét hệ thức sau : ……… t = m1 c1m1t1 c2m2t2 c2 (m1 m2 ) ( t1 < 0 ) 3. Hệ có nhiệt độ cân bằng là 00 C khi dữ kiện bài toán rơi vào một trong 2 trường hợp sau : a. Nhiệt lượng do nước toả ra khi hạ xuống 00C thừa để đưa nước đá lên 00C nhưng không đủ để làm nóng chảy hoàn tàn số nước đá đó . ……….. Kết quả nhiệt độ của cả khối là 00C trong đó m là lượng nước đá đã hoá lỏng . c1m1t1 c2m2t2 m b. Nhiệt lượng do nước nhường ra để hạ xuống 00C và đông đặc một lượng my mới đủ làm cho nước đá lên 00C ……….. Ta có lượng nước đã hoá đá là my : my= c1m1t1 c2m2t2 2. Một số bài tập áp dụng về bài toán trao đổi nhiệt nhưng chưa biết rõ quá trình bến đổi của chúng Bài 1 : Người ta thả một miếng chì nặng 300g đã được nung nóng tới 1000C vào 250g nước ở 58,50C làm cho nước nóng lên tới 600C . a. Hỏi nhiệt độ của chì ngay sau khi có cân bằng nhiệt b.Tính nhiệt dung riêng của chì c. Giải thích vì sao kết quả tính được gần bằng kết quả tra bảng ? Hướng dẫn : Bước 1: Tóm tắt bài toán theo vật toả nhiệt và vật thu nhiệt Vật1: chì toả nhiệt m1 = 300g = 0,3 kg t1 = 1000C t2 = ? c1 = ? Vật 2 : Nước thu nhiệt m2 = 250g = 0,25 kg t1 = 58,50C t2 = 600C c2 = 4200 J / kg.độ Tra bảng c1 = 130 J / kg.độ Bước 2 : Theo nguyên lí truyền nhiệt ta có vật có nhiệt sẽ truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp cho đến khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau. Vậy nước có nhiệt độ cuối là 600C thì miếng chì cũng có nhiệt độ là 600C. Bước 3 : Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt vào giải phương trình. Bài 2 : Một thau nhôm khối lượng 0,5 kg đựng 2 kg nước ở 20 0C . a. Thả vào thau nước một thỏi đồng có khối lượng 200g lấy ở lò ra . Nước nóng đến 21,2 0C . Tìm nhiệt độ của bếp lò ? Biết nhiệt dung riêng của nhôm, nước ,đồng lần lượt là : c1=880 J/ kg.độ ,c2 = 4200 J/ kg.độ , c3 = 380 J/ kg.độ . Bỏ qua sự mật nhiệt ra môi trường . b. Thực ra trong trường hợp này , nhiệt lượng toả ra môi trường là 10% nhiệt lượng cung cấp. Tìm nhiệt độ thực sự của bếp lò . c. Nếu tiếp tục bỏ vào thau nước một thỏi nước đá có khối lượng m = 100g ở 00C . Nước đá có tan hết không ? Tìm nhiệt độ cuối cùng của hệ thống hoặc lượng nước đá còn sót lại nếu không tan hết ? Biết nhiệt nóng chảy của nước đá là ở = 3,4.105 J/ kg.độ . Hướng dẫn : Bước 1: Tóm tắt bài toán theo vật toả nhiệt và vật thu nhiệt Vật toả nhiệt : là thỏi đồng m3 = 200g = 0,2kg c3 = 380 J/ kg.độ a, t = ? ( Nhiệt độ của bếp lò cũng như nhiệt độ của thỏi đồng ) b. Hao phí toả ra ngoài môi trường là 10% thì t’=? Vật thu nhiệt : là thau nhôm và nước m1 = 0,5kg m2 = 2kg c1=880 J/ kg.độ c2 = 4200 J/ kg.độ t1 = 200C t2 = 21,2 0C m = 100g = 0,1kg ở = 3,4.105 J/ kg.độ . Bước 2 : Nhiệt lượng thau nhôm nhận được để tăng nhiệt độ từ t1 = 200C đến Bước 3: Do không có sự toả nhiệt ra môi trường nên theo phương trình cân bằng nhiệt ta có : b. Thực tế , do có sự toả ra môi trường nên phương trình cân bằng nhiệt được viết lại là c. Nhiệt lượng của thỏi nước đá thu vào để nóng chảy hoàn toàn ở 00C: Do nhiệt lượng của nước đá cần dể tan hoàn toàn bé hơn nhiệt lượng của hệ thống toả ra nên nước đá tan hết . Và cả hệ thống nâng lên đế nhiệt độ t’’ được tính như sau : ( Nhiệt lượng còn thừa lại dùng cho cả hệ hống tăng từ nhiệt độ 00C đến t’’ 0C ) Bài 3: Trong một bình chứa có m1 = 2kg nước ở t1 = 250C . Người ta thả vào bình m2 kg nước đá ở t2 = ­ 200C . Hãy tính nhiệt độ chung khối lượng nước và khối lượng nước đá có trong bình khi có cân bằng nhiệt trong mỗi trường hợp sau đây : a. m2 = 1kg b. m2 = 0,2 kg c. m2 = 6 kg Giá trị của nhiệt dung riêng của nước ,của nước đá và nhiệt nóng chảy của nước đá lần lượt là : c1 = 4,2 kJ /kg.K ; c2 = 2,1 kJ /kg.K ; = 340 kJ /kg.K ; Hướng dẫn : Bước 1: Làm tương tự như các bài trên Bước 2: Viết phương trình toả nhiệt và phương trình thu nhiệt so sánh như bài tập mẫu đã hướng dẫn để tìm ra nhiệt độ chung của cả khối . ­ Cụ thể : Nếu nước hạ nhiệt độ tới 00C thì nó toả ra một nhiệt lượng là : Q1 = c1m1 ( t1 ­ 0 ) = 4,2 .2.( 25 ­ 0 ) = 210 kJ a. m2 = 1kg Nhiệt lượng cần cung cấp để nước đá tăng nhiệt độ tới 0 0C : Nhiệt lượng để nước đá nóng chảy hoàn toàn là: Q1 < Q2 + Q’2 : Nước đá chưa nóng chảy hoàn toàn . Vậy nhiệt độ cân bằng của cả hệ là 00C . Khối lượng nước đá đã đông đặc là my Khối lượng nước đá đã nóng chảy là mx được xác định bởi : Khối lượng nước chứa trong bình Khối lượng nước đá còn lại là : b. m2 = 0,2 kg : ... - tailieumienphi.vn