Bài 7. Bài tập về vật lí nhiệt trang 30, 31, 32 Vật Lí 12 Kết nối tri thức

CHMĐ

Trả lời câu hỏi mở đầu trang 30 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức

Để giải các bài tập Vật lí nhiệt cần đến những kiến thức và công thức cơ bản nào?

Phương pháp giải:

Xem lại những bài đã học

Lời giải chi tiết:

Để giải các bài tập Vật lí nhiệt cần đến những kiến thức và công thức cơ bản:

Định luật I của nhiệt động lực học, công thức tính nhiệt lượng: Q = m.c.∆T, nhiệt dung riêng, nhiệt hóa hơi,…

Bài 1

Trả lời câu hỏi bài 1 trang 32 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức

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.

Phương pháp giải:

Theo định luật I của nhiệt động lực học, năng lượng không thể tự nhiên chuyển từ một hệ thống có nhiệt độ thấp đến một hệ thống có nhiệt độ cao mà không cần sự thực hiện công hoặc truyền nhiệt lượng từ bên ngoài. Do đó, nếu một vật thực hiện công A > 0, nó có thể truyền nhiệt lượng cho môi trường xung quanh Q > 0.

Lời giải chi tiết:

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.

Đáp án B

Bài 2

Trả lời câu hỏi bài 2 trang 32 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức

Một lượng nước và một lượng rượu có thể tích bằng nhau được cung cấp các nhiệt lượng tương 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

Phương pháp giải:

Để độ tăng nhiệt độ của nước và rượu bằng nhau, ta có thể sử dụng công thức:

Q = m.c.∆T

Trong đó:

- Q là nhiệt lượng.

- m là khối lượng.

- c là nhiệt dung riêng.

- ∆T là sự thay đổi nhiệt độ.

Lời giải chi tiết:

Đặt Q₁ là nhiệt lượng cung cấp cho nước và Q₂ là nhiệt lượng cung cấp cho rượu. Ta có:

Q₁ = m₁.c₁.∆T \( \Rightarrow \Delta T = \frac{{{Q_1}}}{{{m_1}{c_1}}}\)

Q₂ = m₂.c₂.∆T\( \Rightarrow \Delta T = \frac{{{Q_2}}}{{{m_2}{c_2}}}\)

Đề bài cho biết lượng nước và lượng rượu có thể tích bằng nhau, nên m₁=m₂

\( \Rightarrow \frac{{{Q_1}}}{{{c_1}}} = \frac{{{Q_2}}}{{{c_2}}} \Rightarrow {Q_1} = \frac{{{c_1}}}{{{c_2}}}{Q_2} = \frac{{4200}}{{2500}} = 1,68{Q_2}\)

Đáp án C

Bài 3

Trả lời câu hỏi bài 3 trang 32 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức

Lấy hai túi trà lọc giống nhau. Thả nhẹ nhàng một túi vào cốc thuy tính đựng nước nguội, một túi vào cốc thủy tinh dựng nước nóng để các túi nằm yên ở đáy cốc. Quan sát và dùng mô hình động học phân tử về cấu tạo chất để giải thích hiện tượng xảy ra trong hai cốc.

Phương pháp giải:

Hiện tượng bạn quan sát khi thả túi trà lọc vào nước nguội và nước nóng có thể được giải thích dựa trên mô hình động học phân tử và sự tương tác giữa phân tử trong chất.

Lời giải chi tiết:

Nước nguội:

- Khi túi trà lọc được thả vào nước nguội, cấu trúc phân tử trong trà và túi trà thường chứa các chất hóa học có thể tan trong nước ở nhiệt độ thấp.

- Tại nhiệt độ thấp, các phân tử trong túi trà không có đủ năng lượng để tạo ra sự tương tác nhanh chóng và mạnh mẽ với nước xung quanh. Do đó, quá trình hòa tan và chiết xuất các chất từ túi trà có thể diễn ra chậm và không đều.

Nước nóng:

- Khi túi trà lọc được thả vào nước nóng, nhiệt độ cao hơn giúp tăng cường động năng của các phân tử trong túi trà và nước.

- Sự gia tăng động năng này tạo điều kiện thuận lợi hơn cho các phân tử trong túi trà tương tác với nước, giúp quá trình hòa tan và chiết xuất các chất từ túi trà diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.

- Các chất hóa học như flavonoid, caffeine, và các hợp chất hương liệu sẽ được giải phóng nhanh chóng vào nước nóng, tạo ra một lớp màu đặc trưng cho trà.

Tóm lại, nước nóng cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích sự tương tác giữa các phân tử trong túi trà và nước, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chiết xuất và làm cho hương vị và màu sắc của trà trở nên nổi bật hơn.

Bài 4

Trả lời câu hỏi bài 4 trang 32 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức

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.

Phương pháp giải:

a) Sử dụng công thức Q = m.c.∆T để tính nhiệt lượng cần để nước đạt đến nhiệt độ sôi. Sau đó, sử dụng công thức Q = Pt để tính thời gian cần thiết, với P là công suất của ấm điện.

b) Tính lượng nhiệt lượng đã chuyển cho nước trong thời gian thêm 2 phút bằng công thức Q = Pt. Sau đó, sử dụng công thức Q = m.c.∆T để tính lượng nước còn lại trong ấm.

Lời giải chi tiết:

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

\(t = \frac{Q}{P} = \frac{{100800}}{{1000}} = 100,8s = 1,68\)phút

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)

\( \Rightarrow m = \frac{{4200.80}}{{120000}} = 2,8kg\)

Bài 5

Trả lời câu hỏi bài 5 trang 32 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức

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 hóa 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 tỏa 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 hóa 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.

Phương pháp giải:

Để tính nhiệt lượng trung bình mà bếp điện cung cấp cho ấm nước trong mỗi giây, chúng ta sẽ thực hiện các bước sau:

1. Tính nhiệt lượng cần để đun nước từ 20°C đến sôi ở 100°C.

2. Tính lượng nước đã hóa hơi.

3. Tính tổng nhiệt lượng mà bếp điện cung cấp.

4. Tính nhiệt lượng trung bình mỗi giây.

Lời giải chi tiết:

Nhiệt lượng cần để đun nước từ 20°C đến sôi ở 100°C:

Q₁ = m₁.c₁.∆T = 1,5.4200.(100-20) = 504000 J

Vì 20% lượng nước đã hóa hơi, nên lượng nước đã hóa hơi là 0.2 lít.

Khối lượng riêng của nước là 1 kg/lít, nên khối lượng nước đã hóa hơi là 0.2 kg.

Q₂ = m.L = 0,2.2,26.10⁶ = 452000 J

Tổng nhiệt lượng mà bếp điện cung cấp:

Q = Q₁ + Q₂ = 504000 + 452000 = 956000 J

Vì chỉ có 75% nhiệt lượng được dùng để đun ấm nước, nên cần nhân với 0.75.

Tổng thời gian đun là 35 phút = 2100 s

\(\overline Q  = \frac{{0,75.956000}}{{2100}} = 341J\)