Chuyên đề Bồi dưỡng HSG Vật Lý 8 - Chủ đề Nhiệt lượng và Nguyên lý truyền nhiệt năm 2021

BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI VẬT LÝ 8

CHỦ ĐỀ: NHIỆT LƯỢNG VÀ NGUYÊN LÝ TRUYỀN NHIỆT

 

1/ Nguyên lý truyền nhiệt:

Nếu chỉ có hai vật trao đổi nhiệt thì:

- Nhiệt tự truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn.

- Sự truyền nhiệt xảy ra cho đến khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau thì dừng lại.

-Nhiệt lượng của vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng của vật khi thu vào.

2/ Công thức nhiệt lượng:

- Nhiệt lượng của một vật thu vào để nóng lên:

Q = mc∆t (với ∆t = t₂ - t_1. ­Nhiệt độ cuối trừ nhiệt độ đầu₎

- Nhiệt lượng của một vật tỏa ra để lạnh đi:

Q = mc∆t (với ∆t = t₁ - t_2. ­Nhiệt độ đầu trừ nhiệt độ cuối)

- Nhiệt lượng tỏa ra và thu của các chất khi chuyển thể:

         + Sự nóng chảy - Đông đặc: Q = mλ (λ là nhiệt nóng chảy)

         + Sự hóa hơi - Ngưng tụ: Q = mL (L là nhiệt hóa hơi)

3/ Phương trình cân bằn nhiệt :

Q_tỏa = Q_thu

 Bài 1: Trong một bình cao có tiết diện thẳng là hình vuông, được chia làm ba ngăn như hình vẽ. Hai ngăn nhỏ có tiết diện thẳng cũng là một hình vuông có cạnh bằng nửa cạnh của bình. Đổ vào các ngăn đến cùng một độ cao 3 chất lỏng: ngăn 1 là nước ở nhiệt độ t₁ = 65⁰C, ngăn 2 là cà phê ở nhiệt độ t₂ = 35⁰C, ngăn 3 là sữa nước ở nhiệt độ t₃ = 20⁰C. Biết rằng thành bình cách nhiệt rất tốt,nhưng các vách ngăn có dẫn nhiệt không tốt lắm; nhiệt lượng truyền qua các vách ngăn trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với diện tích tiếp xúc của chất lỏng và với hiệu nhiệt độ ở hai bên vách ngăn. Sau một thời gian thì nhiệt độ ngăn chứa nước giảm t₁ = 1⁰C. Hỏi ở hai ngăn còn lại, nhiệt độ biến đổi bao nhiêu trong thời gian trên? Xem rằng về phương diện nhiệt thì cả ba chất lỏng nói trên là giống nhau. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với bình và với môi trường.

Giải:

Diện tích tiếp xúc của từng cặp chất lỏng trong bài toán là như nhau. Vậy nhiệt lượng truyền qua giữa chúng tỉ lệ với hiệu nhiệt độ với cùng một hệ số tỉ lệ là k.

Nước toả nhiệt sang cà phê và sữa lần lượt là: 

\({Q_{12}} = k({t_1} - {t_2});{Q_{13}} = k({t_1} - {t_3})\)

Cà phê toả nhiệt sang sữa là: 

\({Q_{23}} = k({t_2} - {t_3})\)

Ta có các phương trình cân bằng nhiệt:

          + Đối với nước: 
\({Q_{12}} + {Q_{13}} = k({t_1} - {t_2} + {t_1} - {t_3}) = 2mc\Delta {t_1}\)

          + Đối với cà phê:  

\({Q_{12}} - {Q_{23}} = k({t_1} - {t_2} - {t_2} + {t_3}) = mc\Delta {t_2}\)

          + Đối với sữa:  
\({Q_{13}} + {Q_{23}} = k({t_1} - {t_3} + {t_2} - {t_3}) = mc\Delta {t_3}\)

Từ các phương trình trên ta tìm được:

\(\begin{array}{l}
\Delta {t_2} = 2\Delta {t_1}.\frac{{{t_1} + {t_3} - 2{t_2}}}{{2{t_1} - {t_2} - {t_3}}} = 0,{4^0}C\\
\Delta {t_3} = 2\Delta {t_1}.\frac{{{t_1} + {t_2} - 2{t_3}}}{{2{t_1} - {t_2} - {t_3}}} = 1,{6^0}C
\end{array}\)

Bài 2: Dùng một ca múc nước ở thùng chứa nước A có nhiệt độ t_A = 20 ⁰C và ở thùng chứa nước B có nhiệt độ t_B = 80 ⁰C rồi đổ vào thùng chứa nước C. Biết rằng trước khi đổ, trong thùng chứa nước C đã có sẵn một lượng nước ở nhiệt độ t_C = 40 ⁰C và bằng tổng số ca nước vừa đổ thêm vào nó. Tính số ca nước phải múc ở mỗi thùng A và B để có nhiệt độ nước ở thùng C là 50 ⁰C. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trường, với bình chứa và ca múc nước.

Giải:

  Gọi : c là nhiệt dung riêng của nước ; m là khối lượng nước chứa trong một ca ;

           n₁ và n₂ lần lượt là số ca nước múc ở thùng A và thùng B ;

           (n₁ + n₂) là số ca nước có sẵn trong thùng C.

Nhiệt lượng do n₁ ca nước ở thùng A khi đổ vào thùng C đã hấp thụ là :

Q­₁ = n₁.m.c(50 – 20) = 30cmn₁

Nhiệt lượng do n₂ ca nước ở thùng B khi đổ vào thùng C đã toả ra là :

Q­₂ = n₂.m.c(80 – 50) = 30cmn₂

Nhiệt lượng do (n₁ + n₂)  ca nước ở thùng C đã hấp thụ là :

 Q­₃ = (n₁ + n₂)m.c(50 – 40) = 10cm(n₁ + n₂)

Phương trình cân bằn nhiệt :

Q­₁ + Q­₃ = Q­₂   =>   30cmn₁ + 10cm(n₁ + n₂) = 30cmn₂ => 2n₁ = n₂

Vậy, khi múc n ca nước ở thùng A thì phải múc 2n ca nước ở thùng B và số nước đã có sẵn trong thùng C trước khi đổ thêm là 3n ca.

Bài 3: Một bếp dầu đun sôi 1 lít nước đựng trong ấm bằng nhôm khối lượng 300gam thì sau thời gian t₁ = 10 phút nước sôi. Nếu dùng bếp trên để đun 2 lít nước trong cùng điều kiện thì sau bao lâu nước sôi ?

Cho nhiệt dung riêng của nước và nhôm lần lượt là C₁ = 4200J/kg.K ; C₂ = 880J/kg.K. Biết nhiệt do bếp dầu cung cấp một cách đều đặn.

Giải:

Gọi Q₁ và Q₂ là nhiệt lượng cần cung cấp cho nước và ấm nhôm trong hai lần đun,

Gọi m₁, m₂ là khối lương nước và ấm trong lần đun đầu.

Ta có:   Q₁ = (m₁.C₁ + m₂.C₂) Δt

             Q₂ = (2.m₁.C₁ + m₂.C₂) Δt

Do nhiệt toả ra một cách đều đặn, nghĩa là thời gian đun càng lâu thì nhiệt toả ra càng lớn. Ta có thể đặt:

Q₁ = k.t₁   ;   Q₂ = k.t₂  (trong đó k là hệ số tỉ lệ nào đó)

Suy ra:  k.t₁  = (m₁.C₁ + m₂.C₂) Δt

              k.t₂  = (2.m₁.C₁ + m₂.C₂) Δt

Lập tỉ số ta được:

\(\begin{array}{l}
\frac{{{t_2}}}{{{t_1}}} = \frac{{(2{m_1}{C_1} + {m_2}{C_2})}}{{({m_1}{C_1} + {m_2}{C_2})}} = 1 + \frac{{{m_1}{C_1}}}{{{m_1}{C_1} + {m_2}{C_2}}}\\
hay\\
{t_2} = \left( {} \right.1 + \frac{{{m_1}{C_1}}}{{{m_1}{C_1} + {m_2}{C_2}}}\left. {} \right).{t_1} = \left( {} \right.1 + \frac{{4200}}{{4200 + 0,3.880}}\left. {} \right).10 = 19,4(phut)
\end{array}\)

Bài 4: Trong ruột của một khối nước đá lớn ở 0⁰C có một cái hốc với thể tích V = 160cm³. Người ta rót vào hốc đó 60gam nước ở nhiệt độ 75⁰C. Hỏi khi nước nguội hẳn thì thể tích hốc rỗng còn lại bao nhiêu? Cho khối lượng riêng của nước là D_n = 1g/cm³ và của nước đá là D_d = 0,9g/cm³; nhiệt dung riêng của nước là:

C = 4200J/kg.K và để làm nóng chảy hoàn toàn 1kg nước đá ở nhiệt độ nóng chảy cần cung cấp một nhiệt lượng là 3,36.10⁵J.

Giải:

Do khối nước đá lớn ở 0⁰C nên lượng nước đổ vào sẽ nhanh chóng nguội đến 0⁰C. Nhiệt lượng do 60gam nước toả ra khi nguội tới 0⁰C là :

Q = 0,06.4200.75 = 18900J.

Nhiệt lượng đó làm tan một lượng nước đá là:

\(m = \frac{{18900}}{{3,{{36.10}^5}}} = 0,05625\)(kg) = 56,25g.

Thể tích của phần nước đá tan ra là:

\({V_1} = \frac{m}{{{D_d}}} = \frac{{56,25}}{{0,9}} = 62,5\)(cm³).

Thể tích của  hốc đá bây giờ là:

\({V_2} = V + {V_1} = 160 + 62,5 = 222,5\)(cm³).

Trong hốc đá chứa lượng nước là : 60 + 56,25 = 116,25(g). Lượng nước này chiếm thể tích 116,25cm³.

Vậy thể tích phần rỗng của hốc đá còn lại là: 222,5-116,25 = 106,25cm³.

...

---(Nội dung tiếp theo của tài liệu, các em vui lòng xem tại online hoặc tải về)---

Trên đây là trich dẫn một phần nội dung tài liệu Chuyên đề Bồi dưỡng HSG Vật Lý 8 - Chủ đề Nhiệt lượng và Nguyên lý truyền nhiệt năm 2021. Để xem thêm nhiều tài liệu tham khảo hữu ích khác các em chọn chức năng xem online hoặc đăng nhập vào trang Chúng tôi để tải tài liệu về máy tính.

Hy vọng tài liệu này sẽ giúp các em học sinh ôn tập tốt và đạt thành tích cao trong học tập.