Bài tập về vật lí nhiệt SVIP

I. MỘT SỐ LƯU Ý TRONG VIỆC GIẢI BÀI TẬP VỀ VẬT LÍ NHIỆT

Phần Vật lí nhiệt bao gồm ba nội dung chính:

• Cấu trúc của chất và sự chuyển thể
• Định luật I của nhiệt động lực học
• Các khái niệm nhiệt dung riêng, nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt hóa hơi riêng

1. Lưu ý khi giải bài tập định tính

Yêu cầu: vận dụng các kiến thức cơ bản của ba nội dung chính trên vào việc giải thích các hiện tượng, các ứng dụng thực tế.

2. Lưu ý khi giải bài tập định lượng

Yêu cầu: vận dụng định luật I của nhiệt động lực học và định luật bảo toàn năng lượng vào các quá trình biến đổi nội năng của vật.

Phương pháp: cần xác định được cách làm biến đổi nội năng của vật để lựa chọn các hệ thức thích hợp.

a) Khi nội năng của vật biến đổi chỉ bằng cách truyền nhiệt: \(\Delta U=Q\).

- Nếu quá trình truyền nhiệt chỉ làm thay đổi nhiệt độ của vật:

\(Q=mc\Delta T\)

- Nếu quá trình truyền nhiệt làm vật chuyển từ thể này sang thể khác ở nhiệt độ không đổi:

\(Q=\lambda m;\) \(Q=Lm\)

- Trong các quá trình này nếu có nhiều vật chỉ truyền nhiệt cho nhau không truyền nhiệt ra bên ngoài thì độ lớn của nhiệt lượng các vật tỏa ra bằng độ lớn nhiệt lượng của các vật thu vào:

\(\left|Q_{tỏa}\right|=\left|Q_{\th u}\right|\rarr Q_{tỏa}+Q_{\th u}=0\)

b) Khi nội năng của vật biến đổi bằng cả hai cách truyền nhiệt và thực hiện công thì ngoài công thức: \(\Delta U=Q+A\), các công thức tính nhiệt lượng nêu trên còn phải sử dụng các công thức tính công cơ học đã học: \(A=Fscos\alpha;\) \(A=W_{đ2}-W_{đ1};\) \(A=mgh;\) \(A=Pt;\)...

3. Lưu ý khi giải bài tập thí nghiệm

Các bài tập này có thể yêu cầu từ thiết kế phương án đến tiến hành thí nghiệm và xử lí số liệu để rút ra kết luận cần thiết hoặc chỉ yêu cầu xử lí các số liệu đã cho từ thí nghiệm để rút ra kết luận.

II. BÀI TẬP VÍ DỤ

Ví dụ 1: Một lượng khí được truyền 10 kJ nhiệt năng để nóng lên đồng thời bị nén bởi một công có độ lớn 100 kJ. Tính độ biến thiên nội năng của lượng khí này.

Giải

Vì khí nhận được năng lượng và công nên: \(Q=+10\) kJ và \(A=+100\) kJ.

Theo định luật I của nhiệt động lực học: \(\Delta U=A+Q=100+10=110\) kJ.

Độ biến thiên nội năng của lượng khí là: \(\Delta U=110\) kJ.

Ví dụ 2: Người ta cung cấp nhiệt lượng 25 J cho một lượng khí trong một xi lanh đặt nằm ngang. Lượng khí nở ra đẩy pit-tông chuyển động trong xi lanh được 10 cm. Tính độ biến thiên nội năng của lượng khí. Biết lực ma sát giữa pit-tông và xi lanh có độ lớn là 20 N và coi chuyển động của pit-tông trong xi lanh là đều.

Giải

Công mà lượng khí thực hiện để thắng lực ma sát có độ lớn là: \(A=Fs=20.0,1=2\) J.

Áp dụng định luật I của nhiệt động lực học: \(\Delta U=A+Q\). Vì lượng khí thực hiện công nên \(A=-2\) J; vì lượng khí nhận nhiệt lượng nên \(Q=+25\) J.

Do đó: \(\Delta U=-2+25=23\) J.

Độ biến thiên nội năng của lượng khí là \(\Delta U=23\) J.

Ví dụ 3: Muốn có 30 lít nước ở nhiệt độ 40 ^oC thì cần phải đổ bao nhiêu lít nước đang sôi ở áp suất tiêu chuẩn vào bao nhiêu lít nước ở nhiệt độ 10 ^oC? Lấy khối lượng riêng của nước là 1 kg/lít; bỏ qua sự thay đổi khối lượng riêng của nước theo nhiệt độ và sự trao đổi nhiệt với bên ngoài.

Giải

Gọi \(m_1\) là khối lượng của nước đang sôi là 100 ^oC; \(m_2\) là khối lượng của nước ở 10 ^oC.

Nhiệt lượng nước sôi tỏa ra: \(Q_1=m_1c\Delta t_1=m_1c\left(100-40\right)=60m_1c\).

Nhiệt lượng nước ở 10 ^oC thu vào: \(Q_2=m_2c\Delta t_2=m_2c\left(40-10\right)=30m_2c\).

Vì không có sự trao đổi nhiệt với bên ngoài nên: \(Q_1=Q_2\), suy ra \(2m_1=m_2\).

Vì lượng nước muốn có là 30 lít, khối lượng riêng của nước được coi là không đổi và bằng 1 kg/lít nên ta có: \(m_1+m_2=30\) kg.

Giải hệ hai phương trình (1) và (2) sẽ được: \(m_1=10\) kg và \(m_2=20\) kg.

Vậy phải đổ 10 lít nước đang sôi vào 20 lít nước 10 ^oC để có 30 lít nước ở 40 ^oC.

III. BÀI TẬP VẬN DỤNG

Cách giải bài tập về vật lí nhiệt.