Năng lượng chuyển thể · Đo nước đá · Oát kế · Đồ thị nhiệt độ – thời gian
Định nghĩa nhiệt nóng chảy riêng, phân biệt với nhiệt dung riêng, sử dụng \(Q=m\lambda\) đúng giai đoạn chuyển thể; mô tả đồ thị nhiệt độ–thời gian.
Giải thích phương án đo dùng nước đá, nhiệt lượng kế, dây đốt, oát kế, nhiệt kế; xác định thời điểm kết thúc nóng chảy từ đồ thị.
Giải bài toán một hoặc nhiều giai đoạn, xác định \(\lambda\), khối lượng, công suất, thời gian; phân tích hao phí và sai số.
Trong quá trình nóng chảy cân bằng của chất rắn kết tinh ở áp suất xác định, vật vẫn nhận năng lượng dù nhiệt độ gần như không đổi. Năng lượng nhận được dùng để làm thay đổi cấu trúc vi mô, tăng phần chất lỏng; vì vậy không thể thay thế nhiệt chuyển thể bằng \(mc\Delta T\) với \(\Delta T=0\).
\(Q\) (J), \(m\) (kg), \(\lambda\) (J/kg); vật bắt đầu nóng chảy và nóng chảy hết ở nhiệt độ nóng chảy.
\(m>0\), chỉ tính nhiệt lượng dành cho chuyển thể, đã loại trừ phần tăng nhiệt và trao đổi nhiệt khác.
\(Q_{\mathrm{nc}}>0\), \(\lambda>0\); chỉ xác định khối lượng đã nóng chảy khi năng lượng dùng đúng vào chuyển thể.
Chỉ áp dụng cho từng giai đoạn không chuyển thể; \(c\) có thể khác giữa rắn và lỏng.
Điều kiện \(t_0<0\,^{\circ}\mathrm C\), \(t_f\ge0\,^{\circ}\mathrm C\), áp suất thường, bỏ qua hao phí và nhiệt dung bình.
\(\overline P\) là công suất trung bình; dùng \(\int P\,\mathrm d\tau\) khi cần xử lí P biến thiên đáng kể.
\(\tau_M\) là thời điểm kết thúc nóng chảy suy từ giao hai đoạn trên đồ thị; giả thiết phần nhiệt hữu ích dùng cho nóng chảy, cần nhận xét sai số.
Hiệu suất \(0<\eta\le1\) là tham số mô hình; sai lệch so giá trị tham khảo không tự động bằng độ không đảm bảo đo.
| Đại lượng | Kí hiệu | Đơn vị | Lưu ý |
|---|---|---|---|
| Nhiệt lượng nóng chảy | \(Q_{\rm nc}\) | J | Chỉ giai đoạn chuyển thể |
| Khối lượng | \(m\) | kg | 25 g = 0,025 kg |
| Nhiệt nóng chảy riêng | \(\lambda\) | J/kg | Không nhầm với nhiệt dung riêng |
| Nhiệt dung riêng | \(c\) | J/(kg·K) | Chỉ tăng/giảm nhiệt độ trong một thể |
| Công suất oát kế | \(P\) | W = J/s | Nếu biến thiên, lấy trung bình phù hợp |
| Thời điểm kết thúc nóng chảy | \(\tau_M\) | s | Đọc giao điểm hai đoạn đồ thị |
Đề: Đá m=0,10 kg đang ở 0 °C, λ=334000 J/kg. Tính nhiệt lượng làm đá tan hết.
Hướng dẫn: Q=0,10×334000=33400 J=33,4 kJ.
Đề: Một mẫu chất ở nhiệt độ nóng chảy nhận 50 kJ; λ=250 kJ/kg. Tính m.
Hướng dẫn: m=50/250=0,20 kg.
Đề: Mẫu 0,30 kg nhận 75 kJ và nóng chảy hoàn toàn. Xác định λ.
Hướng dẫn: λ=75/0,30=250 kJ/kg.
Đề: Đun 0,20 kg đá −10 °C thành nước 0 °C; c_đá=2100, λ=334000.
Hướng dẫn: Q=0,20×2100×10+0,20×334000=71000 J.
Đề: Đun 0,10 kg đá −5 °C thành nước 20 °C; c_đá=2100, c_nước=4200, λ=334000.
Hướng dẫn: Q=0,10×(2100×5+334000+4200×20)=42850 J.
Đề: Đá 0,05 kg ở 0 °C, P=50 W, η=100%, λ=334000.
Hướng dẫn: τ=0,05×334000/50=334 s.
Đề: Như ví dụ trước nhưng η=80%, P không đổi.
Hướng dẫn: τ=0,05×334000/(0,8×50)=417,5 s.
Đề: Giả sử m=0,025 kg, P̄=14,24 W, τM≈610 s.
Hướng dẫn: λ≈14,24×610/0,025=347456 J/kg; lệch khoảng 4,03% so với 334000 J/kg.
Chọn mô hình hoặc nạp bảng tham khảo SGK. Với chế độ mô phỏng, sau mỗi lần nhấn ghi đo, nhiệt độ và công suất được lưu. Từ đường nằm ngang (đang tan) và đường đi lên (đã tan hết), tự xác định giao điểm M để tính \(\lambda\).
| τ (s) | t (°C) | P (W) |
|---|
Nhập kết quả số, không kèm đơn vị. Có thể dùng dấu phẩy hoặc dấu chấm thập phân. Đề bài nêu rõ trạng thái đầu, các điều kiện và đơn vị cần trả lời.
8 câu ABCD (2 điểm), 4 câu Đúng/Sai bốn ý (4 điểm), 8 câu trả lời ngắn (2 điểm), 2 câu tự luận (2 điểm). Đáp án và lời giải chỉ hiện sau khi nộp; bài tự luận có rubric tự đánh giá.
Để làm tan 1 kg nước đá tại 0 °C cần khoảng 334 kJ, ngay cả khi hỗn hợp đá–nước vẫn có nhiệt độ gần 0 °C. Đây là nguyên lí hữu ích trong bảo quản lạnh.
Kim loại phải được đun đến nhiệt độ nóng chảy, sau đó tiếp tục cung cấp nhiệt lượng để nóng chảy hết trước khi rót khuôn. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt nóng chảy riêng khác nhau theo chất.
Một số vật liệu tích trữ năng lượng qua quá trình chuyển pha. Thiết kế phải chọn đúng nhiệt độ chuyển pha và tính cả tổn thất nhiệt.