Bài 4. Nhiệt dung riêng trang 12, 13, 14 SBT Vật lý 12 Kết nối tri thức: Nếu người ta sử dụng nước máy có nhiệt độ 25 °C thì nhiệt độ nước ấm sẽ là bao nhiêu?...

4.1

Một bạn học sinh ở Hà Nội đi tham quan trên núi cao quan sát thấy khi đun cùng một lượng nước đá đang tan trong cùng một ấm điện thì thời gian đun tới khi nước sôi ở trên núi là ngắn hơn ở Hà Nội, điều này được giải thích là do

A. nhiệt dung riêng của nước ở trên núi cao sẽ thấp hơn ở Hà Nội.

B. nhiệt dung riêng của nước ở trên núi cao sẽ cao hơn ở Hà Nội.

C. nhiệt độ sôi của nước ở trên núi cao sẽ thấp hơn ở Hà Nội.

D. điện lưới được cấp ở Hà Nội mạnh hơn điện lưới cấp cho vùng núi cao.

Vận dụng kiến thức về độ sôi

Khi lên cao, áp suất khí quyển giảm. Áp suất khí quyển thấp hơn sẽ khiến cho các phân tử nước dễ dàng hơn trong việc chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi. Điều này có nghĩa là nước sẽ sôi ở nhiệt độ thấp hơn so với ở mực nước biển (như Hà Nội).

Đáp án: C

4.2

Nhiệt dung riêng có đơn vị đo là

A. K.

B. J.

C. J/kg.K.

D. J.kg/K.

Vận dụng kiến thức về nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng (c) có đơn vị đo là J/kg.K.

Đáp án: C

4.3

Nhiệt dung riêng của một chất đang không ở trạng thái chuyển thể phụ thuộc vào

A. khối lượng của chất đó.

B. nhiệt độ hiện tại của chất đổ vào

C. thể hiện tại của chất đó.

D. nhiệt độ môi trường.

Vận dụng kiến thức về nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng của một chất là lượng nhiệt cần thiết để làm tăng nhiệt độ của 1kg chất đó lên 1°C. Nó là một đặc trưng riêng của từng chất, phụ thuộc vào bản chất của chất đó và cấu trúc phân tử của nó.

Khi một chất chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác (ví dụ từ rắn sang lỏng hoặc từ lỏng sang khí), khoảng cách giữa các phân tử thay đổi, dẫn đến sự thay đổi trong cách chúng tương tác với nhau. Điều này làm thay đổi lượng nhiệt cần thiết để làm tăng nhiệt độ của chất, tức là thay đổi nhiệt dung riêng.

Đáp án: C

4.4

Giá trị nhiệt dung riêng của các chất được cung cấp trong Bảng 4.1 là các giá trị đo được

A. tại cùng một nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn.

B. với cùng một khối lượng.

C. khi các chất ở cùng một thể.

D. trong điều kiện áp suất tiêu chuẩn và khi thể của các chất được chọn ở nhiệt độ trong ngưỡng tồn tại của thể đó.

Vận dụng kiến thức về nhiệt dung riêng

Giá trị nhiệt dung riêng của các chất được cung cấp trong Bảng 4.1 là các giá trị đo được trong điều kiện áp suất tiêu chuẩn và khi thể của các chất được chọn ở nhiệt độ trong ngưỡng tồn tại của thể đó.

Đáp án: D

4.5

Hãy chỉ ra câu sai trong các câu sau: Nhiệt dung riêng của một chất là

A. là nhiệt lượng cần thiết để nhiệt độ của 1 kg chất đó tăng thêm 1 °C kể cả trong trường hợp việc tăng nhiệt độ như vật có thể làm thay đổi thể của nó.

B. là nhiệt lượng cần thiết để nhiệt độ của 1 kg chất đó tăng thêm 1 K mà không làm thay đổi thể của nó.

C. bằng nhiệt lượng toả ra khi 1 kg chất đó giảm đi 1 °C mà không làm thay đổi thể của nó.

D. là nhiệt lượng cần thiết để nhiệt độ của 1 kg chất đó tăng thêm 1 °C mà không làm thay đổi thể của nó.

Vận dụng kiến thức về nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng của một chất là là nhiệt lượng cần thiết để nhiệt độ của 1 kg chất đó tăng thêm 1 °C kể cả trong trường hợp việc tăng nhiệt độ như vật có thể làm thay đổi thể của nó.

Đáp án: A

4.6

Để diệt trừ các bào tử nấm và kích thích quá trình nảy mầm của hạt giống lúa, có người nông dân đã sử dụng một kinh nghiệm dân gian là ngâm chúng vào trong nước ấm theo công thức “hai sôi, ba lạnh”. Tức là nước ấm sẽ được tạo ra bằng cách pha hai phần nước sôi với ba phần nước lạnh.

1. Khi ta không có dụng cụ đo được nhiệt độ T_L của nước lạnh hãy sử dụng công thức 4.1 trong SGK để xác định mối liên hệ giữa nhiệt độ của nước ấm và T_L.

2. Hãy xác định nhiệt độ nước ấm pha được khi nước lạnh được múc từ giếng sâu có nhiệt độ luôn bằng 20 °C.

3. Nếu người ta sử dụng nước máy có nhiệt độ 25 °C thì nhiệt độ nước ấm sẽ là bao nhiêu?

Vận dụng kiến thức về nhiệt

1. Gọi nhiệt độ nước ấm là T_A, khối lượng của một phần nước là m. Áp dụng công thức (4.1 SGK) ta thấy để 3 phần nước lạnh tăng nhiệt độ từ T_L lên T_A cần một nhiệt lượng bằng: \({Q_1} = 3mc({T_A} - {T_L})\)

Theo định luật bảo toàn năng lượng, nhiệt lượng toả ra khi 2 phần nước sôi giảm nhiệt độ về T_A cũng chính bằng nhiệt lượng cần cung cấp cho chúng từ nhiệt độ T_L đến nhiệt độ sôi, và bằng: \({Q_2} = 2mc(100-{T_A}).\)

Theo định luật bảo toàn năng lượng, Q₁ sẽ bằng Q₂ nên ta có:

\(3mc({T_A} - {T_L}) = 2mc(100-{T_A})\)

Do đó \({T_A} = \frac{{200 + 3{T_L}}}{5}\)

2. Áp dụng với \({T_L} = 20^\circ C\) ta tính được \({T_A} = 52^\circ C.\)

3. Áp dụng với \({T_L} = 25^\circ C\) ta tính được \({T_A} = 55^\circ C.\)

4.7

Nhiệt độ nước tắm thích hợp cho trẻ sơ sinh là 38 °C. Bình nước nóng được điều chỉnh để tránh bị bỏng khi tắm cho bé có nhiệt độ cao nhất là 49 °C. Nước lạnh được lấy từ trên bể trữ nước inox trên trần nhà có nhiệt độ tương ứng với nhiệt độ môi trường. Khi nhiệt độ không khí vào một buổi chiều mùa đông là 16 °C và ổn định khá lâu, để pha nước tắm cho bé thì ta cần pha theo tỉ lệ nóng lạnh như thế nào?

Vận dụng kiến thức về nhiệt độ

Gọi x là khối lượng nước nóng 49°C cần dùng.

Khối lượng nước lạnh sẽ là (1 - x)

Nhiệt lượng tỏa ra của nước nóng = Nhiệt lượng thu vào của nước lạnh

\[\begin{array}{l}x.c.\left( {49 - 38} \right) = \left( {1 - x} \right).c.\left( {38 - 16} \right)\\ \Rightarrow x = \frac{2}{3}\end{array}\]

Vậy tỉ lệ nước nóng : nước lạnh là 2:1

4.8

Giá điện trung bình của trường THPT năm 2023 là 1980 đồng/kWh đã tính cả hao phí. Bếp của nhà trường sử dụng là bếp điện với hiệu suất 70% và mỗi ngày cần đun 40 phích nước (bình thuỷ) 1,8 lít để sử dụng trong trường. Nhà trường dự định mua ấm điện với hiệu suất 90% thì mỗi tháng trong năm 2023 nhà trường sẽ tiết kiệm được bao nhiêu tiền điện? Biết rằng trung bình mỗi tháng nhà trường hoạt động 26 ngày và coi như nhiệt độ nước máy luôn bằng 20 °C.

Vận dụng kiến thức về nhiệt lượng

Chú ý: 1,8 lít nước = 1,8 kg; \(1{\rm{ }}kWh = 3600000J\)

Khối lượng nước cần đun trong một tháng bằng:

\(40.1,8.26 = 1872(kg)\)

Nhiệt lượng cần cung cấp để làm 1872 kg nước sôi từ nhiệt độ ban đầu 20 °C là:

\(Q = mc(100 - 20) = 1872.4200.80 = 628992000(J)\)

Nếu đun nước bằng bếp điện thì cần lượng điện tiêu thụ là:

\({N_B} = \frac{{628992000}}{{3600000}}.\frac{{100}}{{70}} = 249,6(kWh)\)

Nếu đun nước bằng ấm điện thì cần lượng điện tiêu thụ là:

\({N_A} = \frac{{628992000}}{{3600000}}.\frac{{100}}{{90}} = 194,1(kWh)\)

Số tiền điện dùng đun nước nhà trường tiết kiệm được mỗi tháng bằng:

\(1980.(249,6 - 194,1) = 109890\)(đồng)

4.9

Khi thép đang nóng chảy được làm nguội nhanh về nhiệt độ phòng sẽ giúp tăng độ cứng cho thép và cách làm như vậy được gọi là tôi thép. Người ta có thể sử dụng nước để làm hạ nhiệt độ nhanh cho thép đang nóng đỏ vì

A. nhiệt dung riêng của nước cao hơn nhiều so với của thép trong khi đó nhiệt độ sôi của nước lại thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của thép.

B. nhiệt độ nóng chảy của nước thấp hơn nhiều so với của thép.

C. nước có khả năng bốc hơi rất nhanh khi gặp kim loại nóng chuyên

D. sử dụng nước là do thói quen vì thật ra có thể để thép nóng đỏ trong không khí thì thép cũng hạ nhanh về nhiệt độ phòng.

Vận dụng kiến thức về nhiệt

Nhiệt dung riêng cao: Nước có khả năng hấp thụ một lượng nhiệt lớn để làm tăng nhiệt độ của nó. Điều này có nghĩa là, khi thép nóng đỏ tiếp xúc với nước, một lượng lớn nhiệt từ thép sẽ truyền vào nước, làm giảm nhiệt độ của thép rất nhanh.

Nhiệt độ sôi thấp: Nhiệt độ sôi của nước thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của thép. Điều này giúp nước có thể hấp thụ một lượng nhiệt lớn từ thép mà không bị hóa hơi ngay lập tức. Nếu nước hóa hơi quá nhanh, hiệu quả làm nguội sẽ giảm đi đáng kể.

Đáp án: A

4.10

Trong thí nghiệm đo nhiệt dung riêng của một chất, với cùng một bộ thí nghiệm như vậy, chúng ta có nên chọn phương án dùng xăng dầu thay cho nước như ở SGK không?

A. Dùng được vì chúng đều là chất lỏng nên cách đo đạc sẽ giống nhau.

B. Không nên dùng vì các thí nghiệm về nhiệt hay về điện đối với xăng dầu đòi E hỏi thiết bị và quy trình thí nghiệm phải tuyệt đối an toàn.

C. Không dùng được vì tăng nhiệt độ của xăng dầu một chút sẽ gây nổ.

D. Dùng được vì nhiệt độ sôi của xăng dầu cao hơn nước.

Vận dụng kiến thức về thí nghiệm đo nhiệt dung riêng

Việc sử dụng xăng dầu để đo nhiệt dung riêng là không an toàn và không nên thực hiện. Nước là chất lỏng an toàn và dễ sử dụng hơn, phù hợp hơn cho các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Nếu muốn đo nhiệt dung riêng của các chất dễ cháy, cần sử dụng các thiết bị chuyên dụng và tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về an toàn.

Đáp án: B

4.11

Trong thí nghiệm đo nhiệt dung riêng của nước ở SGK, khi tính nhiệt dung riêng theo công thức

A. cao hơn thực tế vì khối lượng của nước sẽ giảm nhiều trong quá trình đun nóng

B. cao hơn thực tế vì hiệu suất bộ thí nghiệm luôn nhỏ hơn 100%

C. thấp hơn thực tế vì hiệu suất bộ thí nghiệm luôn nhỏ hơn 100%.

D. thấp hơn thực tế vì nước sẽ nở ra trong quá trình đun nóng.

Vận dụng kiến thức về thí nghiệm đo nhiệt dung riêng

Trong thí nghiệm đo nhiệt dung riêng của nước ở SGK, khi tính nhiệt dung riêng theo công thức thấp hơn thực tế vì hiệu suất bộ thí nghiệm luôn nhỏ hơn 100%.

Đáp án: B

4.12

Trong thí nghiệm đo nhiệt dung riêng của nước ở SGK, công suất điện trên oát kế là 950 W, khối lượng nước được sử dụng là 1 kg. Đồ thị thực nghiệm nhiệt độ phụ thuộc vào thời gian xác định được như Hình 4.1.

Thiết lập của nước trong nhiệt lượng kế

1. Hãy tính nhiệt dung riêng của nước.

2. Nếu hao phí nhiệt lượng là 1,4%, hãy tính lại nhiệt dung riêng của nước.

Vận dụng kiến thức về thí nghiệm đo nhiệt dung riêng

1. Áp dụng công thức tính nhiệt dung riêng của nước ta được:

\({c_{{H_2}O}} = \frac{{P({\tau _N} - {\tau _M})}}{{m({t_N} - {t_M})}} = \frac{{950.112}}{{25}} = 4256(J/kg.K)\)

2. Khi hao phí nhiệt lượng là 1,4% thì nhiệt lượng cung cấp làm cho nước trong bình tăng nhiệt độ chỉ bằng 98,6% điện năng tiêu thụ, do đó nhiệt dung riêng của nước khi tính lại bằng:

\({c_{{H_2}O}} = \frac{{98,6\% P({\tau _N} - {\tau _M})}}{{m({t_N} - {t_M})}} = 4196,4(J/kg.K)\)