Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 10 - Chủ đề 6: Cơ sở của nhiệt động lực học

Nội dung text: Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 10 - Chủ đề 6: Cơ sở của nhiệt động lực học

1. CHƯƠNG CHỦ ĐỀ 6: CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC PHẦN 1: LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM 1. Nguyên lí I nhiệt động lực học 2. Nguyên lí II nhiệt động lực học a) Cách phát biểu của Clau-di-út Nhiệt khơng thể tự truyền từ một vật sang vật nĩng hơn. b) Cách phát biểu của Các-nơ Động cơ nhiệt khơng thể chuyển hĩa tất cả nhiệt lượng nhận được thành cơng cơ học. PHẦN 2: CÁC DẠNG BÀI TẬP Dạng 1: Nội năng và sự biến thiên nội năng 1. Phương pháp giải Bài tập thay đổi nội năng chủ yếu là do sự Ví dụ: Tính nhiệt lượng cần để đun sơi 1 kg truyền nhiệt ta làm theo 3 bước: nước ở nhiệt độ 20 0C? Biết nhiệt dung riêng của nước bằng 4200J/kg.K Hướng dẫn Bước 1: Tính nhiệt lượng tỏa ra và thu vào Để đun sơi nước thì cần cung cấp nhiệt lượng cho nĩ đạt đến 1000C. Nhiệt lượng thu vào Q mc t mc t2 t1 1.4200 100 20 336000J Theo phương trình cân bằng nhiệt: Bước 2: Viết phương trình cân bằng nhiệt Qtỏa Qthu 336000J Qtỏa Qthu Vậy cần cung cấp cho nước 336000J Bước 3: Rút ra đại lượng cần tìm. Trang 1
2. 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Thả quả cầu bằng nhơm khối lượng 100 g đang cĩ nhiệt độ 100 0C vào một cốc nước đựng 500 g nước ở nhiệt độ 200C. Tính nhiệt độ của hệ khi cân bằng? Bỏ qua nhiệt lượng truyền cho cốc. Nhiệt dung riêng của nhơm và nước lần lượt là 880 J/kg.K và 4200J/kg.K A. 23,20C.B. 30,5 0C.C. 42,5 0C.D. 60,8 0C. Hướng dẫn Gọi nhiệt độ cân bằng của hệ là t. Vì quả cầu cĩ nhiệt độ lớn hơn nên nĩ sẽ tỏa nhiệt và truyền nhiệt cho nước. Nhiệt lượng tỏa ra: Qtỏa mc t 0,1.880. 100 t Nước cĩ nhiệt độ thấp hơn nên sẽ thu nhiệt lượng: Qthu mc t 0,5.4200. t 20 Theo phương trình cân bằng nhiệt: Qtỏa Qthu 0,1.880. 100 t 0,5.4200. t 20 8800 88t 2100 42000 t 23,30 C → Chọn A. Ví dụ 2: Thả quả cầu bằng sắt khối lượng m cĩ nhiệt độ 500 0C vào một bình cách nhiệt cĩ chứa 300 g nước ở nhiệt độ 20 0C làm cho nhiệt độ tăng lên đến 80 0C. Biết nhiệt dung riêng của sắt và nước lần lượt là 460 J/kg.K và 4200J/kg.K. Giá trị m bằng A. 150g.B. 240g.C. 250g.D. 390g. Hướng dẫn Khi thả miếng sắt vào nước thì nhiệt độ của nĩ cao hơn nhiệt độ của nước nên nĩ sẽ truyền nhiệt lượng cho nước. Nhiệt lượng tỏa ra: Qtỏa mc t m.460. 500 80 193200.m Nước thu nhiệt và tăng nhiệt độ đến 800C. Nhiệt lượng nước thu vào: Qthu mn .cn . t 0,3.4200. 80 20 75600 J Khi hệ đạt trạng thái cần bằng nhiệt khi: Qtỏa Qthu 193200m 75600 m 0,39kg 390g → Chọn D. Dạng 2: Các nguyên lí nhiệt động lực học 1. Phương pháp giải Bài tập yêu cầu xác định độ biến thiên nội năng, Ví dụ: Người ta truyền cho khí trong xi lanh nhiệt lượng hay cơng ta làm theo bước: nhiệt lượng 100J. Khí nở ra thực hiện cơng 800J. Tính độ biến thiên nội năng của khí? Bước 1: Viết biểu thức nguyên lí I Hướng dẫn U A Q Theo nguyên lí I nhiệt động lực học ta cĩ Bước 2: Xác định các đại lượng đề bài cho tương U A Q ứng trong biểu thức. Truyền cho khí trong xi lanh nhiệt lượng 100J nên Chú ý về dấu hệ nhận nhiệt lượng, do đĩ Q 0 . Vậy Q 100J Trang 2
3. ● Q 0 : hệ nhận nhiệt lượng Khi nở ra thực hiện cơng nên A 0 . ● Q 0 : hệ truyền nhiệt lượng Vậy A 80J ● A 0 : hệ vận cơng ● A 0 : hệ thực hiện cơng Bước 3: Rút ra đại lượng cần tính và thay số Vậy độ biến thiên của khí là Các bài tập về nguyên lí II chủ yếu là những câu U A Q 80 100 20J . hỏi lí thuyết. Chú ý: Đối với các đẳng quá trình: Quá trình đẳng tích: V 0 A 0 U Q Quá trình đẳng nhiệt: T 0 Q 0 U A Quá trình đẳng áp cơng mà khí thực hiện cĩ độ lớn bằng A p. V p V2 V1 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Người ta thực hiện cơng 100 J để nén khí trong một xi lanh. Tính độ biến thiên nội năng của khí biết nĩ truyền ra mơi trường xung quanh nhiệt lượng 30 J? A. 30 JB. 70 JC. 100 J.D. 130 J Hướng dẫn Theo nguyên lí I ta cĩ: U A Q Thực hiện cơng từ bên ngồi để nén vào khí, do đĩ hệ này nhận cơng. Suy ra A > 0. Vậy A = 100J Khí truyền ra ngồi 30 J nên Q 0 Vậy Q 5.106 J Trong suốt quá trình áp suất khơng đổi nên đây là quá trình đẳng áp. Cơng mà khí thực hiện cĩ độ lớn 6 6 bằng A p. V p V2 V1 6.10 .0,5 3.10 J Vì chất khí thực hiện cơng nên A < 0 suy ra A 3.106 J Độ biến thiên nội năng của khí: U A Q 3.106 5.106 2.106 J 3. Bài tập tự luyện Trang 3
4. Câu 1. Người ta khí trong xi lanh nhiệt lượng 150J. Khí nở ra thực hiện cơng 50 J đẩy pit-tơng lên. Độ biến thiên nội năng của khí là A. 200 J.B. 100 J.C. -100 J.D. -200 J. Câu 2. Thả quả cầu bằng nhơm khối lượng 0,105 g được đun nĩng tới 142 0C vào một cốc đựng nước ở 200C biết nhiệt độ khi cĩ sự cân bằng nhiệt là 42 0C. Tính khối lượng của nước trong cốc? Biết nhiệt dung riêng của nhơm là 880 J/kg.K và nước là 4200J/kg.K A. 100 g.B. 150 g.C. 200 g.D. 250 g. Câu 3. Người ta thực hiện cơng 1000 J để nén khí trong một xi lanh. Tính độ biến thiên nội năng của khí biết nĩ truyền ra mơi trường xung quanh nhiệt lượng 400 J? A. U 600J .B. U 1400J .C. U 1400J .D. U 600J . Câu 4. Một bình nhơm khối lượng 0,5 g ở nhiệt độ 20 0C. Tính nhiệt lượng cần cung cấp để nĩ tăng thêm 500C. Biết nhiệt dung riêng của nhơm là 0,92.103 J / kg.K A. 23,0.103 J .B. 32,2.103 J .C. 13,8.103 J .D. 9,2.103 J . Câu 5. Tính nhiệt lượng cần thiết để đun sơi 5 kg nước từ 15 0C trong một cái thùng bằng sắt cĩ khối lượng 1,5 kg? Biết nhiệt dung riêng của nước là 4200 J/kg.K, của sắt là 460J/kg.K. A. 81600 J.B. 1785000 J.C. 1843650 J.D. 1703400 J. Câu 6. Một lượng khí ở áp suất 2.104 N / m2 cĩ thể tích 6 lít. Được đun nĩng đẳng áp khí nở ra và cĩ thể tích 8 lít. Tính độ biến thiên nội năng của khí? Biết khi đun nĩng khí nhận được nhiệt lượng 100 J. A. 60 J.B. -60 J.C. 40 J.D. -40 J. Câu 7. Một bình kín chứa 2 g khí lý tưởng ở 200C được đun nĩng đẳng tích để áp suất khí tăng lên 2 lần. Tính độ biến thiên nội năng của khối khí? Cho biết nhiệt dung riêng đẳng tích của khí là 12,3.103 J / kg.K A. 492 J.B. 7208 J.C. 1280 J.D. 942 J. Câu 8. Một cốc nhơm khối lượng 120 g chứa 400g nước ở nhiệt độ 24 0C. Người ta thả vào cốc nước một thìa đồng khối lượng 80g ở nhiệt độ 100 0C. Xác định nhiệt độ của nước trong cốc khi cĩ sự cân bằng nhiệt? Biết nhiệt dung riêng của nhơm là 880 J/kg.K, của đồng là 380 J/kg.K và của nước là 4,19.103 J / kg.K . A. 23,240C.B. 24,12 0C.C. 25,27 0C.D. 28,32 0C. Đáp án: 1 – B 2 – A 3 – D 4 – A 5 – C 6 – A 7 – B 8 – C Trang 4