Bài tập luyện tập tổng hợp Vật lí Lớp 10 - Tập 2 - Phần 3: Nhiệt học - Chuyên đề 11: Sự chuyến thể

Nội dung text: Bài tập luyện tập tổng hợp Vật lí Lớp 10 - Tập 2 - Phần 3: Nhiệt học - Chuyên đề 11: Sự chuyến thể

1. 2. BÀI TẬP LUYỆN TẬP TỔNG HỢP Chuyên đề 11. SỰ CHUYỂN THỂ 32. Một chi tiết bằng nhôm được cân bằng cân phân tích với những quả cân bằng đồng thau. Lần đầu cân trong không khí khô, lần sau cân trong không khí ẩm với áp suất hơi nước P h = 15.2mmHg. Áp suất chung p = 760mmHg và nhiệt độ t = 20°C trong cả hai lần như nhau. Độ nhạy của cân là m0 = 0,1 mg. Với khối lượng 3 nào của chi tiết thì phân biệt được kết quả hai lần cân. Khối lượng riêng của nhôm là 1 2,7(g / cm ) , của 3 đồng thau là 2 8,5(g / cm ) (Trích đề thi học sinh giỏi Quốc tế, Liên Xô -1979) Bài giải - Chi tiết và quả cân đều chịu lực đẩy của không khí. Hiệu số các lực trong không khí khô là: F1 k g V (1) - Tương tự, trong không khí ẩm có khối lượng riêng k : F2 k g V (2) - Độ chênh lệch giữa hiệu các lực đó trong hai trường hợp sẽ thấy được nếu lớn hơn m0g: F F1 F2 g V m0 g m g V m g V 0 (3) 0 M M - Gọi M là khối lượng của chi tiết thì: V M 2 1 1 2 1 2 V M 1 2 (4) 2 1 - Nếu áp suất chung không đổi thì với không khí ẩm, một phần không khí đã thay bằng hơi nước, áp suất riêng phần của không khí khô là (p - ph), của hơi nước là ph. Theo phương trình Clapêrôn-Menđêlêép, ta có: m  p pV RT  k RT Với  29.10 3 (kg / mol) : khối lượng mol của không khí khô. ' '' '' ( p ph ) k k h : khối lượng riêng của không khí khô trong hỗn hợp k RT  p h h khối lượng riêng của hơi nước  18.10 3 (kg / mol) : khối lượng mol của hơi nước). h RT h  p Từ đó: ' ( p p ) h h k h RT
2. p (  ) 0,02.105 (29.10 3 18.10 3 ) ' h h 9.10 3 (kg / m3 ) k k RT 8,31.293 0,1.10 6 - Từ (3): V 1,1.10 5 m3 9.10 3 2,7.103.8,5.103.1,1.10 5 - Từ (4): M 43.10 3 kg 43g 8,5.103 2,7.103 Vậy: Để phân biệt được kết quả hai lần cân thì khối lượng chi tiết phải là M ≥ 43g. 33. Một xilanh hình trụ rất dài đặt thẳng đứng, có diện tích đáy S = 20cm 2. Dưới pittông nhẹ là một khối nước có khối lượng m = 20g, nhiệt độ t 1 = 20°C. Nước được nung nóng bởi một nguồn có công suất P = 100W. Cho nhiệt dung riêng của nước là c = 4200(J/kg.K); nhiệt hóa hơi của nước là  2,26.106 (J / kg) ; 5 áp suất khí quyển p o = 10 Pa; pittông và xilanh làm bằng chất cách nhiệt; bỏ qua ma sát giữa pittông và xilanh. Khảo sát chuyển động của pittông? Hỏi pittông đạt vận tốc lớn nhất ở giai đoạn nào và bằng bao nhiêu? Bài giải Gọi τ1 là thời gian nước tăng nhiệt độ từ t1 = 20°C đến t2 = 100°C. Ta có: Q1 mc(t2 t1) P1 3 mc(t2 t1) 20.10 .4200.(100 20)  67,2s (thời gian τ1 pittông đứng yên) 1 P 100 * Giai đoạn nước hóa hơi: - Khi nước bắt đầu hóa hơi thì pittông cũng bắt đầu chuyển động lên trên. Giả sử trong thời gian ∆τ có một lượng hơi nước ∆m bay hơi, chiếm thể tích ∆V, ta có: P  - Nhiệt lượng hóa hơi: Q  m P  m (1)  - Áp dụng phương trình Clapêrôn - Menđêlêép, ta được: m m RT p0 V RT V . (2)   p0 V - Mặt khác: V Sv  v (3) S  Với  18(g/ mol) và T = 100 + 273 = 373K, v là vận tốc pittông đạt được ở giai đoạn nước hóa hơi. PRT 100.8,31.373 - Từ (1), (2) và (3): v 6 4 3 5 0,0381(m / s) S p0 2,26.10 .20.10 .18.10 .10 m 20.10 3.2,26.106 - Thời gian nước hóa hơi hết:  452s 2 P 100
3. * Giai đoạn nước đã hóa hết thành hơi: Khi nước đã hóa hết thành hơi thì xem nó như khí lí tưởng với i = 6, Cv = 3R, Cp = 4R. Ta có: m m P  ' Q ' P  ' C T .4R T T (4)  p  m.4R - Áp dụng phương trình Clapêrôn - Menđêlêép, ta được: m m R T p0 V ' R T V ' . (5)   p0 m R P  ' P  ' - Thay (4) vào (5), ta được: V ' . . (6)  p0 m.4R 4 p0 V ' - Mặc khác: V ' Sv '  ' v ' (7) S  ' (v’ là vận tốc pittông đạt được ở giai đoạn nước đã hóa hết thành hơi). P 100 - Từ (6) và (7): v ' 5 4 0,125(m / s) 4 p0S 4.10 .20.10 Vậy: Vận tốc cực đại của pittông là vmax 0,125(m / s) và đạt được trong giai đoạn nước đã hóa hết thành hơi. 3 34. Trong một nhà tắm hơi có thể tích V = 36m , độ ẩm tương đối của không khí f 1 = 50% ở nhiệt độ t 1 = 100°C. Sau đó do nhiệt độ giảm xuống đến t 2 = 97°C và hơi “lắng xuống” nên độ ẩm của không khí f 2 = 45%. Một khối lượng nước bằng bao nhiêu đã được tách ra từ hơi ẩm không khí lúc đầu? Biết rằng ở nhiệt độ 97°C áp suất hơi bão hòa nhỏ hơn 80mmHg so với ở nhiệt độ 100°C. Bài giải - Ở nhiệt độ t1 = 100°C: + Áp suất hơi bão hòa là: pbh1 760mmHg f p 50%.760 + Áp suất hơi là: p 1 bh1 380mmHg 50654Pa 1 100% 100% n p1V 18.50654.36 + Khối lượng của hơi là: m1 10590g 10,59kg RT1 8,31.373 - Ở nhiệt độ t2 = 97°C: + Áp suất hơi bão hòa là: pbh2 (760 80) 680mmHg f p 45%.680 + Áp suất hơi là: p 2 bh2 306mmHg 40790Pa 2 100% 100% n p2V 18.40790.36 + Khối lượng của hơi là: m2 8600g 8,60kg RT2 8,31.370 - Khối lượng nước tác ra từ hơi là: m m1 m2 10,59 8,6 1,99kg Vậy: Khối lượng nước bằng bao nhiêu đã được tách ra từ hơi ẩm không khí lúc đầu là ∆m = 1,99kg.
4. 35. Trong một xi lanh, ở dưới pittông có một ít chất lỏng và hơi bão hòa của nó ở nhiệt độ nào đó. Khi nung đẳng áp chậm nhiệt độ của hệ tăng lên đến 100°C còn thể tích tăng thêm 54%. Nhiệt độ trong xilanh đã tăng 2 lên bao nhiêu độ nếu lúc đầu khối lượng của hơi bằng khối lượng toàn bộ của hỗn hợp? Bỏ qua thể tích 3 ban đầu của chất lỏng so với thể tích của hệ. Bài giải Gọi mh và ml là khối lượng của hơi và của chất lỏng lúc đầu, M h khối lượng mol của hơi nước; Td là nhiệt độ trong bình lúc đầu. Khi nung nóng đẳng áp nhiệt độ của hỗn hợp không thay đổi chừng nào mà chất lỏng còn bay hơi. Theo giả thiết nhiệt độ được tăng đến T c = 373K thì có nghĩa là toàn bộ chất lỏng đã bay hơi và hơi bây giờ có khối lượng ( mh ml ) đã được nung nóng thêm T Tc Td - Áp dụng phương trình trạng thái khí lí tưởng cho trạng thái đầu và cuối của hệ, ta được: mh pVd RTd (1) M h mh ml pVc RTc (2) M h mh 2 - Theo đề: Vc Vd 1,54Vd (3) và v (4) mh ml 3 V m T l T T - Từ (1), (2), (3) và (4): d h . d d c  Vc mh ml Tc  Tc Td 2 1,45. 1 1  1 - Từ đó: T T T T (1 ) T 373. 3 10K c d c c 2   1,45. 3 Vậy: Nhiệt độ trong xilanh đã tăng lên 10K. 36. Một xilanh kín hai đầu được ngăn bằng một pittông. Xilanh được đặt nằm ngang. Ban đầu hai phần của xilanh có cùng thể tích, một phần chứa không khí, phần còn lại chứa nước và hơi nước. Nung nóng từ từ toàn 1 bộ xilanh, pittông bắt đầu chuyển động và sau cùng thì dừng lại khi tỉ số thể tích của hai phần là . Nhiệt độ 4 trong cả hai phần xilanh bằng nhau và thể tích của nước không đáng kể so với thể tích của hơi nước. a) Pittông chuyển động về hướng nào? Tại sao? b) Xác định tỉ số khối lượng của nước và hơi nước trước khi nung nóng xi lanh. Bài giải
5. a) Hướng chuyển động của pittông Trong phần xilanh có hơi nước bão hòa (phần II), khi nhiệt độ tăng thì áp suất hơi bão hòa tăng nhanh hơn hơi khô nên pittông dịch chuyển về phía phần xi lanh chứa không khí (phần I). b) Tỉ số khối lượng của nước và hơi nước trước khi nung nóng xilanh Gọi V là thể tích cả xilanh; m n là khối lượng nước, m h là khối lượng hơi nước (trong phần xilanh chứa hơi nước); T1 và T2 là nhiệt độ ban đầu và cuối quá trình; p 1 và p2 là áp suất ban đầu và cuối quá trình (khi pittông dừng); M là khối lượng mol của nước. V V 4V - Ban đầu: V V ; cuối quá trình: V ,V . I II 2 I 5 II 5 p V p V - Trong phần xilanh 1: Phương trình trạng thái: 1 2 (1) 2T1 5T2 - Trong phần xi lanh II: Phương trình Clapêrôn-Menđêlêep: p V m R • Ban đầu: 1 h (2) 2T1 M • Khi pittông dừng, toàn bộ nước đã bay hơi hết: 4 p V (m m )R 2 h n 5T2 M m R (m m )R - Từ (1), (2) và (3): h h n 4m m m M M h h n m n 3 mh m Vậy: Tỉ số khối lượng của nước và hơi nước trước khi nung nóng xilanh là n 3 mh 37. Một người đeo kính từ ngoài đường có nhiệt độ t 1 = 10°C bước vào phòng có nhiệt độ t 2 = 20°C. Độ ẩm không khí trong phòng có giá trị cực đại bằng bao nhiêu thì kính của người ấy không bị mờ do hơi nước ngưng tụ. Cho áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ t1 là pl = 1200Pa và ở nhiệt độ t2 là p2 = 2300Pa. Bài giải Gọi D là khối lượng riêng hơi nước có sẵn trong phòng; D 1 là khối lượng riêng hơi nước bão hòa ở nhiệt độ t1; D2 là khối lượng riêng hơi nước bão hòa ở nhiệt độ t2. - Khi người ấy bước vào phòng thì kính và lớp không khí tiếp xúc với kính vẫn còn giữ nhiệt độ t 1. Hiện tượng ngưng tụ sẽ không xảy ra nếu độ ẩm của lớp không khí ấy nhỏ hơn 100%, nghĩa là D < D1.  p1  p2 Ta có: D1 ; D2 ; RT1 RT2
6. m DV (Suy từ phương trình C-M: pV RT RT )   A p2 - Khối lượng riêng hơi nước có sẵn: D AD2 RT2 A p  p p T 1200.293 - Từ các hệ thức trên: 2 1 A 1 2 54% RT2 RT1 p2T1 2300.283 Vậy: Để kính người ấy không bị mờ do nước ngưng tụ thì A < 54%. 38. Một phòng kín có thể tích V = 60m3 và nhiệt độ t = 20°C; độ ẩm của không khí là 50%. Áp suất khí trong phòng là po = 105Pa. a) Tính khối lượng nước cần đun cho bay hơi để hơi nước trong phòng thành bão hòa. b) Tính khối lượng không khí ẩm trong phòng khi độ ẩm là: - 50%. - 100%. Tính áp suất mới trong phòng. c) Nếu khi độ ẩm tăng lên 100% người ta cho thoát một ít không khí để giữ áp suất vẫn bằng po thì không khí ẩm trong phòng có khối lượng bằng bao nhiêu? So sánh với khi độ ẩm là 50% và giải thích. Cho áp suất hơi nước bão hòa ở 20°C là pbh 2300Pa (Trích đề thi Olimpic Rumani - 2000) Bài giải a) Khối lượng nước cần đun cho bay hơi để hơi nước trong phòng thành bão hòa - Khối lượng riêng hơi nước bão hòa ở nhiệt độ t = 20°C là:  p 0,018.2300 D bh 0,017(kg / m3 ) bh RT 8,31.293 3 - Khối lượng riêng của hơi nước là: Dn fDbh 50%.0,017 0,0085(kg / m ) Đó cũng là khối lượng hơi nước cần tạo thêm trong 1 m3 để có độ ẩm 100%. Vậy lượng nước cần đun thành hơi là: m Dn .V 0,0085.60 0,51kg Vậy: Khối lượng nước cần đun cho bay hơi để hơi nước trong phòng thành bão hòa là m = 0,51 kg. b) Khối lượng không khí ẩm trong phòng Khối lượng không khí ẩm bằng khối lượng không khí khô và khối lượng hơi nước. - Trường hợp độ ẩm không khí bằng 50%: + Áp suất của hơi nước: pn f .pbh 50%.2300 1150Pa + Theo định luật Đantôn, áp suất khí trong phòng là: p0 pk pn
7. 5 pk p0 pn 10 1150 98850Pa + Khối lượng riêng của không khí khô là:  p 0,029.98850 D kk k 1,177(kg / m3 ) k RT 8,31.293 + Khối lượng riêng của không khí ẩm là: 3 D Dk Dn 1,177 0,0085 1,186(kg / m ) + Khối lượng không khí ẩm trong phòng là: m D.V 1,186.60 71,16kg - Trường hợp độ ẩm không khí bằng 100%: + Khối lượng riêng không khí ẩm bão hòa là: 3 D Dbh Dk 0,017 1,177 1,194(kg / m ) + Khối lượng không khí ẩm bão hòa là: m D.V 1,194.60 71,64kg p m + Từ phương trình Clapêrôn - Menđêlêép, ta được: p0 m0 m 5 71,64 5 p p0 10 . 1,0067.10 Pa m0 71,16 Vậy: Khối lượng không khí ẩm trong phòng khi độ ẩm 50% là 71,16 kg và khi độ ẩm 100% là 71,64kg. Lúc đó áp suất mới trong phòng là p 1,0067.105 Pa c) Khối lượng không khí ẩm trong phòng khi có một ít khí thoát ra ' 5 - Áp suất không khí khô là: pk p0 pbh 10 2300 97700Pa - Khối lượng riêng của không khí khô là:  p' 0,029.97700 D' kk k 1,164(kg / m3 ) k RT 8,31.293 ' 3 - Khối lượng riêng của không khí ẩm là: D ' Dk Dbh 1,164 0,017 1,181(kg / m ) - Khối lượng không khí ẩm là: m' D 'V 1,181.60 70,86kg m0 p - Độ ẩm cao hơn nhưng khối lượng không khí ẩm lại nhỏ hơn là do từ n o ta thấy: mật độ phân tử không kT đổi, một số phân tử không khí được thay bằng các phân tử hơi nước nhẹ hơn. Vậy: Khối lượng không khí ẩm trong phòng khi có một ít khí thoát ra là m’ = 70,86kg.