Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 10 - Chủ đề 6: Cơ sở của nhiệt động học - Bài 1: Nội năng và sự biến thiên nội năng

Nội dung text: Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 10 - Chủ đề 6: Cơ sở của nhiệt động học - Bài 1: Nội năng và sự biến thiên nội năng

1. Chủ đề VI: CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC Vấn đề cần nắm: I. Nội năng và sự biến thiên nội năng II. Các nguyên lí của nhiệt động lực học Trái tim của ô tô, xe máy phổ biến hiện nay là một động cơ nhiệt, vì vậy tìm hiểu nguyên lí của động cơ nhiệt là kiên thức rất thực tiễn đó cũng chính là nội dung trọng tâm của chủ đề 6. Chủ đề 6 được đề cập đến gồm kiến thức về nội năng, sự biến thiên nội năng, cũng như hai nguyên lí quan trọng của nhiệt động lực học mà các "trái tim" của xe phải tuân theo. Các bài tập được tác giả gắn với thực tế thực tiễn giúp nâng cao hứng thú khi học tập, làm kiến thức không khô khan nhàm chán qua đó hiệu suất tiếp nhận lĩnh hội kiến thức được nâng cao. §1. NỘI NĂNG VÀ SỰ BIẾN THIÊN NỘI NĂNG I. Trọng tâm kiến thức Nội năng: Nội năng của vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật. Chú ý: Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật U = f(T , V) Độ biến thiên nội năng: là phần nội năng tăng thêm hay giảm bớt đi trong một quá trình. Có hai cách làm thay đổi nội năng: 1. Thực hiện công Ví dụ: Làm nóng miếng kim loại bằng ma sát Thực hiện công: U A Với chất khí lí tưởng: A p. V U Trong đó: p là áp suất của khí N / m2 V là độ biến thiên thể tích (m3) 2. Truyền nhiệt 2.1. Quá trình truyền nhiệt Quá trình làm thay đổi nội năng không có sự thực hiện công gọi là quá trình truyền nhiệt. Ví dụ: làm nóng miếng kim loại bằng cách nhúng vào nước nóng 2.2. Nhiệt lượng Số đo độ biến thiên nội năng trong quá trình truyền nhiệt là nhiệt lượng. U Q Nhiệt lượng mà một lượng chất rắn hoặc lỏng thu vào hay toả ra khi nhiệt độ thay đổi được tính theo công thức: Q mc t Nhiệt lượng: Số đo độ biến thiên của nội năng trong quá trình truyền nhiệt là nhiệt lượng: U Q Biểu thức: Q mc t Q táa Q thu Trong đó: Q - là nhiệt lượng thu vào hay tỏa ra (J) m - là khối lượng (kg) c - là nhiệt dung riêng của chất (J / kg.K) t - là độ biến thiên nhiệt độ (°C hoặc °K) Chú ý: Cách đổi đơn vị áp suất:
2. 1N / m2 1pa(Paxcan) 1atm 1,013.105 pa 1at 0,981.105 pa 1mmHg 133pa 1tor II. Ví dụ minh hoạ Ví dụ 1: Để xác định nhiệt dung riêng của 1 kim loại, người ta bỏ vào nhiệt lượng kế chứa 500g nước ở nhiệt độ 15°C một miếng kim loại có m=400g được đun nóng tới 100°C. Nhiệt độ khi có sự cân bằng nhiệt là 20°C. Tính nhiệt dung riêng của kim loại. Bỏ qua nhiệt lượng làm nóng nhiệt lượng kế và không khí. Lấy C 4190J/kg.K H2O A. CKL 167,6J / Kg.K B. CKL 419J / Kg.K C. CKL 327,34J / Kg.K D. CKL 372,43J / Kg.K Lời giải: Nhiệt lượng tỏa ra QKL mKL .CKL t2 t 0,4.CKL .(100 20) 32.CKL Nhiệt lượng thu vào: Q Q m .C t t 10475J thu H2O H2O H2O 1 Qto¶ Qthu 32.CKL 10475 CKL 327,34J / Kg.K Đáp án C. Study tips: Chú ý công thức tính nhiệt lượng Q mc t Ví dụ 2: Một ấm đun nước bằng nhôm có m = 350g, chứa 2,75kg nước được đun trên bếp. Khi nhận được nhiệt lượng 650KJ thì ấm đạt đến nhiệt độ 60°C. Hỏi nhiệt độ ban đầu của ấm, biết C Al = 880 J/kg.K, C 4190J/kg.K . H2O A. 20°CB. 5,1°CC. 3,5°CD. 6,5°C Lời giải: Nhiệt lượng thu vào: Q m .C t t 691350 11522,5t H2O H2O H2O 1 1 QAl mAl .CAl t t1 19320 322t1 Nhiệt lượng ấm nhôm đựng nước nhận được Q Q 650.103 t 5,1o C H2O Al 1 Đáp án B. Ví dụ 3: Để xác định nhiệt dung riêng của một chất lỏng, người ta đổ chất lỏng đó vào 20g nước ở 100°C. Khi có sự cân bằng nhiệt, nhiệt độ của hỗn hợp nước là 37,5°C, mhh = 140g. Biết nhiệt độ ban đầu của nó là 20°C, C 4200J/kg.K . H2O Nhiệt dung riêng của chất lỏng trên là: A. 2000 J/Kg.KB. 4200 J/Kg.KC. 5200J/Kg.K D. 2500J/Kg.K Lời giải: Nhiệt lượng tỏa ra: Q m .C t t 5250J H2O H2O H2O 2 Nhiệt lượng thu vào: QCL mCL .CCL t t1 2,1.CCLJ
3. Đáp án D. Ví dụ 4: Để xác định nhiệt độ của 1 cái lò, người ta dựa vào một miếng sắt m = 22,3g. Khi miếng sắt có nhiệt độ bằng nhiệt độ của lò, người ta lấy ra và thả ngay vào nhiệt lượng kế chứa 450g nước ở 15°C, nhiệt độ của nước tăng lên tới 22,5°C. Xác định nhiệt độ của lò. Biết C 478J / kg.K;C 4180J / kg.K;C 418J / kg.K Fe H2O NLK A. 1340,9oC. B. 1390,4oC.C. 1500 oC.D. 1050 oC Lời giải: Nhiệt lượng tỏa ra: QFe mFe CFe t2 t 10,7t2 239,8J Nhiệt lượng thu vào: Q m .C t t 14107,5J H2O H2O H2O 1 o Qto¶ Qthu 10,7t2 239,8 14107,5 t2 1340,9 C Đáp án A. Ví dụ 5: Một cốc nhôm m = 100g chứa 300g nước ở nhiệt độ 20°C. Người ta thả vào cốc nước một thìa đồng khối lượng 75g vừa rút ra từ nồi nước sôi 100°C. Xác định nhiệt độ của nước trong cốc khi có sự cân bằng nhiệt. Bỏ qua các hao phí nhiệt ra ngoài. Lấy C 880J / kg.K;C 380J / kg.K;C 4190J/kg.K Al Cu H2O A. 25°CB. 50°CC. 21,7°CD. 27,1°C Lời giải: Nhiệt lượng tỏa ra: QCu mCu .CCu t2 t 2850 28,5tJ Nhiệt lượng thu vào: Q m .C t t 1257.t 25140 H2O H2O H2O 1 QAl mAl .CAl t t1 88.t 1760 o Qto¶ Qthu 2850 28,5t 1257.t 25140 88.t 1760 t 21,7 C Đáp án C. III. Bài tập rèn luyện kỹ năng Câu 1: Điều nào sau đây là đúng khi nói về các cách làm thay đổi nội năng của một vật? A. Nội năng của vật có thể biến đổi bằng hai cách: thực hiện công và truyền nhiệt. B. Quá trình làm thay đổi nội năng có liên quan đến sự chuyển dời của các vật khác tác dụng lực lên vật đang xét gọi là sự thực hiện công. C. Quá trình làm thay đổi nội năng không bằng cách thực hiện công gọi là sự truyền nhiệt. D. Các phát biểu A, B, C đều đúng. Câu 2: Phát biểu nào sau đây về nội năng là không đúng? A. Nội năng có thể chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác. B. Nội năng là nhiệt lượng vật nhận được trong quá trình truyền nhiệt. C. Nội năng của một vật có thể tăng lên, giảm đi. D. Nội năng của khí lí tưởng không phụ thuộc vào thể tích, mà phụ thuộc vào nhiệt độ Câu 3: Khi truyền nhiệt cho một khối khí thì khối khí có thể: A. tăng nội năng và thực hiện công B. giảm nội năng và nhận công
4. C. cả A và B đúng D. cả A và B sai Câu 4: Một vật khối lượng m, có nhiệt dung riêng c, nhiệt độ đầu và cuối là t 1 và t2. Công thức Q cm t2 t1 dùng để xác định: A. nội năng.B. nhiệt năng. C. nhiệt lượng.D. năng lượng. Câu 5: Đơn vị của nhiệt dung riêng trong hệ SI là: A. J/g độ. B. J/kg độ. C. kJ/kg độ. D. cal/g độ. Câu 6: Nội năng của một vật là A. tổng động năng và thế năng của vật. B. tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật. C. tổng nhiệt lượng và cơ năng mà vật nhận được trong quá trình truyền nhiệt và thực hiện công. D. nhiệt lượng vật nhận được trong quá trình truyền nhiệt. Câu 7: Câu nào sau đây nói về nội năng là không đúng? A. Nội năng là một dạng năng lượng. B. Nội năng có thể chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác. C. Nội năng là nhiệt lượng. D. Nội năng của một vật có thể tăng lên hoặc giảm đi. Câu 8: Tính nhiệt lượng cần cung cấp để đun nóng 5 kg nước từ nhiệt độ 20°C lên 100°C. Biết nhiệt dung riêng của nước là 4,18.103 J/kg.K. A. 1672.103J. B. 1267.103J. C. 3344.103J.D. 836.10 3J. Câu 9: Tính nhiệt lượng tỏa ra khi 1 miếng sắt có khối lượng 2 kg ở nhiệt độ 500°C hạ xuống còn 40°C. Biết nhiệt dung riêng của sắt là 478J/kg.K. A. 219880 J. B. 439760 J. C. 879520 J. D. 109940 J. Câu 10: Người ta bỏ 1 miếng hợp kim chì và kẽm có khối lượng 50g ở t = 136°C vào 1 nhiệt lượng kế có nhiệt dung là 50 J/K chứa 100g nước ở 14°C. Xác định khối lượng của kẽm và chì trong hợp kim trên, biết nhiệt độ khi cân bằng trong nhiệt lượng kế là 18°C. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài, CZn 377J / kg.K,C Pb 126J / Kg.K A. mZn 0,005kg,mPb 0,045kg B. mZn 0,035kg,mPb 0,015kg C. mZn 0,045kg,mPb 0,005kg D. mZn 0,015kg,mPb 0,035kg Câu 11: Người ta thả miếng đồng m = 0,5kg vào 500g nước. Miếng đồng nguội đi từ 80°C đến 20°C. Hỏi nước đã nhận được một nhiệt lượng bao nhiêu từ đồng và nóng lên thêm bao nhiêu độ? Lấy C 380J / kg.K;C 4190J/kg.K Cu H2O A. 11400J; 5,6°CB. 125700J; 6°C C. 11400J; 5,4°CD. 125700J; 6,6°C
5. Câu 12: Một cái cốc đựng 200cc nước có tổng khối lượng 300g ở nhiệt độ 30°C. Một người đổ thêm vào cốc 100cc nước sôi. Sau khi cân bằng nhiệt thì có nhiệt độ 50°C. Xác định nhiệt dung riêng của chất làm cốc, biết C 4200J/kg.K , khối lượng riêng của nước là 1kg/ lít. H2O A. 2000J/Kg.KB. 4200J/Kg.K C. 2100J/Kg.KD. 1200J/Kg.K Câu 13: Trộn 3 chất lỏng không tác dụng hoá học lẫn nhau. Biết m 2 = 10kg, m 1 = 1kg, m 3 = 5kg, t 1 =6°C, t2 = -40°C, t3 = 60°C, C1 = 2 KJ/kg.K, C2 = 4 KJ/kg.K, C3 = 2 KJ/kg.K. Tìm nhiệt độ khi cân bằng. A. 19°C. B. -19°C. C. 15 °C. D. -15 °C. Câu 14: Thả một quả cầu nhôm m = 0,15kg được đun nóng tới 100°C vào một cốc nước ở 20°C. Sau một thời gian nhiệt độ của quả cầu và của nước đều bằng 25°C. Tính khối lượng nước, coi như chỉ có quả cầu và nước truyền nhiệt cho nhau, C 880J / kg.K;C 4200J/kg.K Al H2O A. 0,74 kg B. 0,47 kg C. 0,75kg D. 0,57kg Câu 15: Một ấm nước bằng nhôm có khối lượng 250g, chứa 2 kg nước được đun trên bếp. Khi nhận được nhiệt lượng là 516600 J thì ấm đạt đến nhiệt độ 80°C. Biết nhiệt dung riêng của nhôm và nước lần lượt là C 920J / kg.K;C 4190J/kg.K Nhiệt độ ban đầu của ấm là: Al H2O A. 100°C.B. 39°C.C. 45°CD. 20°C Câu 16: Một ấm bằng nhôm có khối lượng 250g dựng 1,5kg nước ở nhiệt độ 25°C.Tìm nhiệt lượng cần cung cấp để đun sôi nước trong ấm (100°C). Biết nhiệt dung riêng của nhôm và nước lần lượt,là C 920J / kg.K;C 4190J/kg.K Al H2O A. 49630J. B. 25400J. C. 488626J. D. 924190J. Câu 17: Trộn lẫn rượu và nước người ta thu được hỗn hợp nặng 140g ở nhiệt độ 36 oC. Tính khối lượng của nước và khối lượng của rượu đã trộn. Biết rằng ban đầu rượu có nhiệt độ 19°C và nước có nhiệt độ 100°C, cho biết nhiệt dung riêng của nước là 4200J/Kg.K, của rượu là 2500J/Kg.K. A. m1 0,02Kg;m2 0,12Kg B. m1 0,13Kg;m2 0,01Kg C. m1 0,03Kg;m2 0,09Kg D. m1 0,1Kg;m2 0,04Kg Câu 18: Người ta dẫn 0,2Kg hơi nước ở nhiệt độ 100°C vào một bình chứa 1,5Kg nước đang ở nhiệt độ 15°C. Tính nhiệt độ cuối cùng của hỗn hợp khi xảy ra cân bằng nhiệt. A. 100°CB. 89,43°C C. 45,67°C D. 57,5°C Câu 19: Khi thực hành trong phòng thí nghiệm, một học sinh cho một luồng hơi nước ở 100°C ngưng tụ trong một nhiệt lượng kế chứa 0,35kg nước ở 10°C. Kết quả là nhiệt độ của nước tăng lên 42°C và khối lượng nước trong nhiệt kế tăng thêm 0,020kg. Hãy tính nhiệt hóa hơi của nước trong thí nghiệm này A. L = 26.105(J/Kg)B. L = 16.10 5(J/Kg) C. L = 21.105(J/Kg) D. L = 27.105(J/Kg) Câu 20: Có hai bình cách nhiệt, bình thứ nhất chứa 2Kg nước ở 20°C, bình thứ hai chứa 4Kg nước ở 60°C. Người ta rót một ca nước từ bình 1 vào bình 2. Khi bình 2 đã cân bằng nhiệt thì người ta lại rót một ca nước từ bình 2 sang bình 1 để lượng nước trong hai bình như lúc đầu. Nhiệt độ ở bình 1 sau khi cân bằng là 21,95°C. Xác định lượng nước đã rót ở mỗi lần và nhiệt độ cân bằng ở bình 2.
6. A. 0,6 kg. B. 0,4 kg. C. 0,2 kg. D. 0,1 kg ĐÁP ÁN 1.D 2.B 3.A 4.C 5.B 6.B 7.C 8.A 9.B 10.C 11.C 12.C 13.B 14.B 15.D 16.C 17.A 18.B 19.C 20.D HƯỚNG DẪN GIẢI CHI TIẾT Câu 1: Đáp án D Có hai cách thay đổi nội năng của vật: thực hiện công và truyền nhiệt. Câu 8: Đáp án A Q m .C t t 5.4180.(100 20) 1672000J H2o H2O 2 1 Câu 9: Đáp án B Q m.C t2 t1 439760J Câu 10: Đáp án C Nhiệt lượng toả ra: QZn mZn .CZn t1 t 39766mZn QPb mPb .CPb t1 t 14868mPb Nhiệt lượng thu vào: Q m .C t t 1672J H2O H2O H2O 2 QNLK C t t2 200J Qto¶ Qthu 39766mZn + 14868mPb = 1672 + 200 mZn 0,045kg,mPb 0,005kg Câu 11: Đáp án C Nhiệt lượng tòa ra: QCu mCu .CCu t1 t 11400J Q Q Q 11400 to¶ thu H2O Nước nóng lên thêm: Q m .C t 11400 0,5.4190. t t 5,4 C H2O H2O H2O Câu 12: Đáp án C 1cc 1ml 10 6 m3 Khối lượng ban đầu của nước trong cốc: m1 V1. n 200g Khối lượng cốc: m = 300 - 200 = 100g Nhiệt lượng do lượng nước thêm vào tỏa ra khi từ 100° đến 50° Q2 m2 .Cn (100 50) Nhiệt lượng do lượng nước trong cốc thu vào để tăng từ 30° đến 50° Q m1.Cn .(50 30) Nhiệt lượng do cốc thu vào khi tăng từ 30° đến 50° Qc m.Cc .(50 30)
7. Qto¶ Qthu Q' Qc Q2 m.Cc .(50 30) m1.Cn .(50 30) m2 .Cn (100 50) C 2100J / Kg.K Câu 13: Đáp án B 3 3 3 Q1 m1.C1. t t1 1.2.10 (t 6) 2.10 t 12.10 3 3 4 Q2 m2 .C2 . t t2 10.4.10 (t 40) 40.10 t 160.10 3 3 4 Q3 m3.C3. t t3 5.210 (t 60) 10.10 t 60.10 Qto¶ Qthu 2.103 t 12.103 40.103 t 160.104 10.103 t 60.104 0 t 19 C Câu 14: Đáp án B Nhiệt lượng tỏa ra QAl mAl CAl t1 t 9900J Q Q Q Q 9900J to¶ thu H2O to¶ 9900 m C t t H2O H2O 2 9900 m .4200(25 20) H2 0 m 0,47kg H2O Câu 15: Đáp án D Gọi t1 là nhiệt độ ban đầu của ấm nhôm và nước t2 là nhiệt độ lúc sau cùa ấm nhôm và nước (t2 = 80°C) Nhiệt lượng của ấm nhôm thu vào là: Q1 m1cAl t2 t1 0,25.920 80 t1 Nhiệt lượng của nước thu vào là: Q2 m2cn t2 t1 2.4190. 80 t1 Nhiệt lượng của ấm nước thu vào (nhiệt lượng cần cung cấp để ấm đạt đến 80°C) là: Q Q1 Q2 516600 516600 0,25.920. 80 t1 0,25.920. 80 t1 o t1 20 C Câu 16: Đáp án C Gọi t1 là nhiệt độ ban đầu của ấm nhôm và nước (t1 = 25°C) t2 là nhiệt độ lúc sau của ấm nhôm và nước (t2 = 100°C) Nhiệt lượng của ấm nhôm thu vào là: Q1 m1cAl t2 t1 17250J Nhiệt lượng của nước thu vào (nhiệt lượng cần cung cấp để đun sôi nước) là: Q2 m2cn t2 t1 471375J Nhiệt lượng của ấm nước thu vào là:
8. Q Q1 Q2 488626J Câu 17: Đáp án A Theo bài ra ta biết tổng khối lượng của nước và rượu là 140 m1 m2 m m1 m m2 (1) Nhiệt lượng do nước toả ra: Q1 m1.C1 t1 t Nhiệt lượng rượu thu vào: Q2 m2 .C2 t t2 Theo PTCB nhiệt: Q1 Q2 m1.C1 t1 t m2 .C2 t t2 m1.4200(100 36) m2 .2500(36 19) 268800m1 42500m2 268800m m 1 (2) 2 42500 Thay (1) vào (2) ta được: Q2 m1.C. t1 t 0,2.4200(100 t) 268800 m m2 42500m2 37632 268800m2 42500m2 31300m2 37632 m2 0,12(Kg) -Thay m2 vào pt (l) ta được: (1) m1 0,14 0,12 0,02(Kg) Câu 18: Đáp án D Nhiệt lượng tỏa ra khi 0,2 Kg hơi nước ở 100°C ngưng tụ thành nước ở 100°C 6 Q1 m1.L 0,2.2,3.10 460000(J) Nhiệt lượng tỏa ra khi 0,2Kg nước ở 100°C thành nước ở t°C Nhiệt lượng thu vào khi l,5Kg nước ớ 15°C thành nước ở t°C Q3 m2 .C. t t2 1,5.4200(t 15) Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt: Q1 Q2 Q3 460000 0,2.4200(100 t) 1,5.4200(t 15) 6780t 638500 t 89,43o C Câu 19: Đáp án C Nhiệt lượng mà 0,35kg nước thu vào: Q thu m.C. t2 t1 46900(J) Nhiệt lượng mà 0,020Kg hơi nước ở 100°C ngưng tụ thành nước: Q 1 m . L 0,020 L Nhiệt lượng mà 0,020Kg nước ở 100°C tỏa ra khi hạ xuống còn 42°C: Q2 m .C t3 t2 4860(J) Theo phương trình cân bằng nhiệt: Q Thu Q1 Q2
9. 46900 0,020L 4860 L 21.105 (J / Kg) Câu 20: Đáp án D Giả sử khi rót lượng nước m từ bình 1 sang bình 2, nhiệt độ cân bằng của bình 2 là t nên ta có phương trình cân bằng: m. t t1 m2 . t2 t 1 Tương tự lần rót tiếp theo nhiệt độ cân bằng ở bình 1 là t' = 21,95°C và lượng nước trong bình 1 lúc này chỉ còn (m1 - m) nên ta có phương trình cân bằng: m. t t m1 m . t t1 2 Từ (1) và (2) ta có pt sau: m t t t 2 2 1 m2 . t2 t m1. t t1 t 3 m2 Thay (3) vào (2) tính toán ta rút phương trình sau: m1.m2 t t1 m 4 m2 t2 t1 m1 t t1 Thay số vào (3) và (4) ta tìm được t 59o C ; m 0,1kg