Chuyên đề Một số dạng bài tập về nhiệt học

 Một số dạng bài tập về nhiệt học
 A. MỞ ĐẦU
I. Lí do chọn đề tài
 Vật lí là môn khoa học thực nghiệm, có vai trò quan trọng trong việc hình thành 
và phát triển nhân cách con người, thông qua dạy học vật lí giáo dục cho HS có hệ thống tri 
thức khoa học, về kiến thức kĩ thuật tổng hợp - hướng nghiệp, thế giới quan duy vật biện 
chứng, củng cố lòng tin vào khoa học, ở khả năng nhận biết ngày càng chính xác và đầy đủ 
các quy luật tự nhiên của con người. Góp phần GD lòng yêu nước, yêu chủ nghĩa xã hội, 
tinh thần hợp tác quốc tế, và thái độ với lao động. Bên cạnh đó bồi dưỡng cho HS có phẩm 
chất nhân cách người lao động có tri thức, có đạo đức cách mạng, có bản lĩnh vươn lên 
chiếm lĩnh đỉnh cao trí tuệ của nhân loại góp phần xây dựng thành công sự nghiệp công 
nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước.
 Trong thực hiện mục tiêu giáo dục thì nhiệm vụ bồi dưỡng học sinh giỏi được coi là 
một trong những nhiệm vụ trọng tâm, nó đòi hỏi cả một quá trình hết sức công phu và gian 
khó tuy nhiên cũng rất vinh dự. Thành công ở mặt trận này góp phần quan trọng vào thực 
hiện mục tiêu GD, đồng thời tạo môi trường, không khí và phong trào học tập sôi nổi, sâu 
rộng từ đó thúc đẩy mọi công tác khác trong nhà trường cùng phát triển. Học sinh giỏi khẳng 
định chất lượng mũi nhọn của mỗi đơn vị GD là thước đo về trí tuệ và danh dự của một nền 
giáo dục. Ngoài ra học sinh giỏi còn góp phần nâng lên uy tín, thương hiệu của giáo viên, 
của nhà trường đồng thời thực hiện tốt nhiệm vụ bồi dưỡng nhân tài, tạo nguồn cho các cấp 
học cao hơn và đóng góp cho Đất nước những hiền tài trong tương lai.
 Trong các kỳ thi học sinh giỏi các cấp tôi thấy rằng học sinh thường gặp rất nhiều khó 
khăn và lúng túng khi giải các bài tập định tính và định lượng về nhiệt học. Trong khi đó với 
nội dung thi HSG cấp tỉnh hoặc đề thi vào các trường THPT chuyên trong toàn quốc thì tôi 
nhận thấy hầu như năm nào cũng ra bài tập về nhiệt học. Vì vậy tôi mạnh dạn chọn chuyên 
đề “Một số dạng bài tập về nhiệt học ” để nhằm trao đổi với đồng nghiệp cũng như chia sẻ 
phần nào những khó khăn của các thầy cô giáo trong công tác bồi dưỡng học sinh giỏi đồng 
 1 - Đặc biệt, nước ở thể rắn (nước đá) thì thể tích tăng nên nổi trên mặt nước; khi tăng 
 nhiệt độ từ 00C đến 40C thì co lại, chỉ khi tăng từ 40C trở lên mới nở ra.
 - Các chất (rắn, lỏng, khí) khác nhau thì nở vì nhiệt khác nhau.
 - Chất khí nở vì nhiệt > chất lỏng > chất rắn.
 - Các chất khi co dãn đều sinh ra một lực rất lớn.
2) Băng kép: gồm hai thanh kim loại khác chất (như đồng và thép) ghép chặt với nhau. Khi 
 nóng băng kép sẽ cong lên: kim loại nở nhiều hơn (đồng) nằm ngoài, kim loại 
 nở ít hơn (thép) nằm trong (phần lõm).
II./ Nhiệt độ - Nhiệt kế - Nhiệt giai:
1) Nhiệt độ: Nhiệt độ của vât càng cao thì các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật chuyển 
 động càng nhanh.
2) Nhiệt kế:
 - Là dụng cụ dùng để đo nhiệt độ.
 - Có nhiều loại: nhiệt kế y tế; nhiệt kế thuỷ ngân; nhiệt kế rượu (hay dầu)
3) Nhiệt giai: Có nhiều loại nhiệt giai: 
 - Nhiệt giai Xenxiut (0C): chọn nước đá đang tan là 00C; hơi nước đang sôi là 1000C
 - Nhiệt giai Farenhai (0F): chọn nước đá đang tan là 320F; hơi nước đang sôi là 2120F
 Suy ra: 10C = 1,80F hay 10F = 1/1,8 0C
 - Nhiệt giai Kenvin (K): chọn nước đá đang tan là 273K; hơi nước đang sôi là 373K
 Suy ra 10C = 1K
 - Đổi 0C sang 0F và 0F sang 0C:
 Ví dụ 1: Đổi 200C sang 0F:
 200C = 00C + 200C
 = 320F + (20 x 1,80F) = 680F
 Ví dụ 2: Đổi 680F sang 0C:
 680F = 320F + 360F
 = 00C + (36/1,8 0C) = 200C
 3 m: khối lượng vật (kg)
 t: độ tăng (hay giảm) nhiệt độ( 0C)
 - Nếu tính nhiệt lượng thu vào để tăng nhiệt độ: t = t 2 – t1
 - Nếu tính nhiệt lượng toả ra để giảm nhiệt độ: t = t 1 – t2
 Chú ý: Có nhiều bài toán ta không biết được vật tăng hay giảm nhiệt độ (vì bài toán chỉ 
 0 0
 cho ẩn số) ta tính: t = t cuối – t đầu
 Lúc này t có thể dương hay âm => Q có thể dương hay âm.
 - Nếu Q > 0: vật thu nhiệt
 - Nếu Q < 0: vật toả nhiệt
2) Phương trình cân bằng nhiệt:
 - Nếu biết rõ vật nào toả nhiệt, vật nào thu nhiệt, ta dùng phương trình:
 Qtoả = Qthu (1)
 - Nếu không biết rõ vật nào tỏa nhiệt và vật nào thu nhiệt, ta dùng phương trình định 
 luật bảo toàn năng lượng:
 Q1 + Q2 + Q3 ... = 0 (2)
Trong đó Q1; Q2; Q3 ... có thể dương hoặc âm (xem phần chú ý ở mục VI./ 1)
 - Phương trình (1) chỉ áp dụng cho trường hợp có 2 vật: một vật nóng và một vật lạnh 
 hơn.
 - Phương trình (2) có thể áp dụng cho mọi trường hợp trao đổi nhiệt.
II./ Sự chuyển thể của các chất:
 1) Sự nóng chảy và sự đông đặc:
 a) Tính chất:
 - Sự chuyển một chất từ thể rắn sang thể lỏng gọi là sự nóng chảy.
 - Sự chuyển một chất từ thể lỏng sang thể rắn gọi là sự đông đặc.
 - Một chất bắt đầu nóng chảy ở nhiệt độ nào thì cũng bắt đầu đông đặc ở nhiệt độ đó. 
 Trong suốt thời gian nóng chảy (hay đông đặc) nhiệt độ của vật không thay đổi.
 - Mỗi chất nóng chảy (hay đông đặc) ở một nhiệt độ nhất định. Nhiệt độ này gọi là 
 nhiệt độ nóng chảy (hay nhiệt độ đông đặc) của chất ấy.
 5 + Nhiệt độ sôi phụ thuộc áp suất trên mặt thoáng chất lỏng: áp suất tăng thì nhiệt độ 
 sôi tăng; áp suất giảm thì nhiệt độ sôi giảm.
 Ví dụ: Ở áp suất thường (1atm), nhiệt độ sôi của nước là 1000C; nếu áp suất 10 atm thì 
 nhiệt độ sôi của nước 1800C; nếu áp suất 0,1 atm thì nước sôi ở 500C.
 b) Nhiệt hoá hơi:
 Nhiệt lượng cần thiết cho 1kg chất chuyển từ thể lỏng sang thể hơi ở nhiệt độ sôi gọi là 
 nhiệt hoá hơi của chất đó.
 Ký hiệu:L Đơn vị: J/kg
 Ví dụ: Nói nhiệt hoá hơi của nước là L = 2,3  106 J/kg nghĩa là: 
 Muốn cho 1kg nước ở 1000C hoá hơi hoàn toàn cần cung cấp một nhiệt lượng là 2,3  106 
 J
 c) Công thức: Q = m.L
 Trong đó: Q: Nhiệt lượng cần thiết (J)
 m: khối lượng vật (kg)
 L: Nhiệt hoá hơi (J/kg)
 Chú ý: Nhiệt lượng vật toả ra khi ngưng tụ đúng bằng nhiệt lượng vật đó thu vào khi hoá 
 hơi. Như vậy công thức Q = m.L vẫn dùng được khi vật ngưng tụ, lúc này L được gọi là 
 nhiệt ngưng tụ.
VIII./ Năng suất toả nhiệt:
 1) Định nghĩa: Nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu gọi là năng suất 
 toả nhiệt của nhiên liệu đó.
 Ký hiệu:q Đơn vị: J/kg
 Ví dụ: Nói năng suất toả nhiệt của xăng là q = 4,6  107 J/kg nghĩa là:
 Đốt cháy hết 1kg xăng thì toả ra một nhiệt lượng là 4,6  107 J
 2) Công thức: Q = m.q
 Trong đó: Q: nhiệt lượng toả ra (J)
 m: khối lượng nhiên liệu (kg)
 q: năng suất toả nhiệt của nhiên liệu đó (J/kg)
 7 Giải . Gọi nhiệt độ khi cân bằng của hỗn hợp là t. Ta có phương trỡnh cõn bằng nhiệt của 
hỗn hợp như sau m1.c1.(20 – t) + m3.c3.(25 – t) = m2.c2.(t – 10)
Thay số vào ta cú t = 20,310C
Bài 3: Để có M = 500g nước ở nhiệt độ t = 18 0C để pha thuốc rửa ảnh, người ta đẵ lấy nước 
 0 0
cất ở t1= 60 C trộn với nước cất đang ở nhiệt độ t 2= 4 C. Hoỉ đẵ dùng bao nhiêu nước nóng 
và bao nhiêu nước lạnh? Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với vỏ bình.
Giải: Gọi khối lượng nước nóng phỉa dùng là m1, KL nước lạnh phải dùng là m2.
M = m1 + m2 = 0,5 (1)
áp dụng pt: Qtỏa = Qthu ta được: m2 = 3m1 (2)
Giải hệ ta được: m1 = 0,125kg m2 = 0,375kg
 0 0
Bài 4. Người ta thả một thỏi đồng nặng 0, 4kg ở nhiệt độ 80 c vào 0, 25kg nước ở to = 18 c. 
Hãy xác định nhiệt độ cân bằng. Cho c 1 = 400 J/kgk c 2 = 4200 J/kgk 
 Giải .
Gọi nhiệt độ khi cân bằng của hỗn hợp là t. Ta có phương trình cân bằng nhiệt của hỗn hợp 
như sau:
 m1.c1.(80  t)  m2 .c2 (t 18) 
Thay số vào ta có t = 26,20C
Nhận xét. Đối với bài tập này thì đa số học sinh giải được nhưng qua bài tập này thì giáo 
viên hướng dẫn học sinh làm đối với hỗn hợp 3 chất lỏng và tổng quát lên n chất lỏng
Bài 5. Một hỗn hợp gồm ba chất lỏng không có tác dụng hoá học với nhau có khối lượng lần 
lượt là: m1 1kg,m2  2kg,m3  3kg.Biết nhiệt dung riêng và nhiệt độ của chúng lần lượt là 
 0 0 0
c1  2000J / kgk,t1 10 c,c2  4000J / kgk,t2 10 c,c3  3000J / kgk,t3  50 c . Hãy tính nhiệt độ hỗn 
hợp khi cân bằng 
Tương tự bài toán trên ta tính ngay được nhiệt độ của hỗn hợp khi cân bằng là t
 9 Hãy tính số ca nước cần múc ở thùng I và thùng II để nước ở thùng III có nhiệt độ bằng 50 
0C ?
Giải: 
Gọi m là khối lượng của mỗi ca nước, n1 là số ca nước ở thùng I, n2 là số ca nước ở thùng II 
 0
Vậy số ca nước ở thùng III là n1+ n2, nhiệt độ cân bằng của nước trong thùng III là 50 C 
Ta có : 
 Nhiệt lượng thu vào của số nước từ thùng I là : Q1 = m1.c.(50-20) = n1.m.c.30 (1) 
 Nhiệt lượng tỏa ra của số nước từ thùng II là : Q2 = m2.c.(80-50) = n2.m.c.30 (2) 
 Nhiệt lượng thu vào của số nước từ thùng III là :
 Q3 =(n1+n2).m.c.(50 - 40) = (n1+n2).m.c.10 (3) 
 Do quá trình là cân bằng nên ta có : Q1 + Q3 = Q2 (4) 
Thay hệ thức (1), (2), (3) vào hệ thức (4) ta được: 2n1= n2 
Như vậy nếu mức ở thùng II: n ca thì phải múc ở thùng I: 2n ca và số nước có sẵn trong 
thùng III là: 3n ca (n nguyên dương ) 
Bài 9: Trong một bình nhiệt lượng kế chứa hai lớp nước. Lớp nước lạnh ở dưới và lớp nước 
nóng ở trên. Tổng thể tích của hai khối nước này thay đổi như thế nào khi chúng sảy ra hiện 
tượng cân bằng nhiệt?. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với bình và với môi trường.
Giải: Gọi V1; V2; V’1; V’2 lần lượt là thể tích nước nóng, nước lạnh ban đầu và nước nóng, 
nước lạnh khi ở nhiệt độ cân bằng. độ nở ra hoặc co lại của nước khi thay đổi 10C phụ thuộc 
vào hệ số tỷ lệ K. sự thay đổi nhiệt độ của lớp nước nóng và nước lạnh lần lượt là ∆t1 và ∆t2.
 V1 = V’1 + V’1K∆t1 và V2 = V’2 - V’2K∆t2
 Ta có V1 + V2 = V’1 + V’2 + K(V’1∆t1 - V’2∆t2)
Theo phương trình cân bằng nhiệt thì: m1C∆t1 = m2C∆t2 với m1, m2 là khối lượng nước 
tương ứng ở điều kiện cân bằng nhiệt, vì cùng điều kiện nên chúng có khối lượng riêng như 
nhau
Nên: V’1DC∆t1 = V’2DC∆t2  V’1∆t1 – V’2∆t2 = 0
Vậy: V1 + V2 = V’1 + V’2 nên tổng thể tích các khối nước không thay đổi
 11