Đề: Hệ nhận 12 kJ nhiệt, thực hiện 4 kJ công.
Giải: A=−4 kJ; ΔU=12−4=8 kJ.
HAT Physics Learning · VẬT LÍ 12 · KẾT NỐI TRI THỨC
BÀI 07 · BÀI TẬP VỀ VẬT LÍ NHIỆT
Ôn tập Chương I · Nhiệt lượng · Nội năng · Chuyển thể · Đồ thị
01 · MỤC TIÊU
Giải bài tập về vật lí nhiệt theo sơ đồ tư duy và các giai đoạn
Nhận biết và thông hiểu
Phân biệt truyền nhiệt, thực hiện công, nóng chảy, hoá hơi; nhận dạng đúng công thức, điều kiện và đơn vị.
Vận dụng
Giải bài tập tính ΔU, Q, m, thời gian, nhiệt độ cân bằng và bài nhiều giai đoạn; đọc đồ thị nhiệt độ–thời gian.
Kĩ năng thực hành
Vẽ sơ đồ trao đổi năng lượng, phân chia từng giai đoạn, đối chiếu đáp án và tự phát hiện sai về dấu, mốc nhiệt độ, hiệu suất.
Quy ước nhất quán: ΔU=Q+A, với Q>0 khi hệ nhận nhiệt và A>0 khi hệ nhận công. Trong quá trình chuyển thể của mẫu chất ở nhiệt độ xác định, dùng mλ hoặc mL; khi không chuyển thể dùng mcΔT. Tính nhiệt lượng từng giai đoạn rồi cộng.
02 · KIẾN THỨC VÀ VÍ DỤ
Bảng công thức, điều kiện áp dụng và 12 ví dụ mẫu
I. Bảng công thức và điều kiện áp dụng
Bộ số liệu quy ước cho bài luyện: nước đá c=2100 J/(kg·K); nước lỏng c=4200 J/(kg·K); λ của nước đá =334000 J/kg; L của nước tại 100 °C =2260000 J/kg. Giá trị dùng để giải bài minh hoạ; trong mỗi bài, ưu tiên số liệu đề cho.
1. Định luật I\[\boxed{\Delta U=Q+A}\]
Q, A, ΔU đo bằng J; A là công do ngoại lực thực hiện lên hệ. Nếu gọi W là công do hệ thực hiện thì A=−W.
2. Nhiệt lượng khi đổi nhiệt độ\[\boxed{Q=mc\Delta T}\]
Hệ không có chuyển thể, c được coi không đổi trong khoảng nhiệt độ xét; ΔT tính bằng K hoặc °C (độ chênh lệch).
3. Nhiệt nóng chảy riêng\[\boxed{Q_{nc}=m\lambda}\]
Chỉ cho khối lượng nóng chảy tại nhiệt độ nóng chảy; λ có đơn vị J/kg.
4. Nhiệt hoá hơi riêng\[\boxed{Q_{hh}=mL}\]
Chỉ cho lượng chất hoá hơi tại nhiệt độ xác định; L có đơn vị J/kg.
5. Điện năng hữu ích\[\boxed{Q_{\rm ich}=\eta P\Delta \tau}\]
η là hiệu suất ở dạng thập phân (0≤η≤1); P (W), Δτ (s); J= W·s.
6. Cân bằng nhiệt\[\boxed{\sum_i m_i c_i(t_{cb}-t_i)=0}\]
Hệ cách nhiệt; không chuyển thể, bỏ qua nhiệt dung bình. Có thể viết |Q_toả|=Q_thu.
7. Nhiều giai đoạn\[\boxed{Q_{\rm tong}=\sum_j Q_j}\]
Ví dụ đá dưới 0 °C → nước: m c_đá(0−t₀)+mλ+m c_nước(t_f−0).
8. Quan hệ đơn vị\[\boxed{1\,{\rm kJ}=10^3\,{\rm J},\quad 1\,{\rm MJ}=10^6\,{\rm J}}\]
Nhiệt nóng chảy và nhiệt hoá hơi riêng có đơn vị J/kg; nhiệt dung riêng J/(kg·K).
II. Quy trình giải bài nhiệt nhiều giai đoạn
1. Xác định trạng thái đầu/cuối, áp suất và các nhiệt độ mốc. 2. Vẽ trục nhiệt độ và đánh dấu đoạn xiên/nằm ngang. 3. Chọn đúng Q cho mỗi đoạn. 4. Cộng năng lượng, xét hiệu suất (nếu có). 5. Kiểm tra dấu, đơn vị, điều kiện vật lí và chữ số hợp lí.
III. 12 ví dụ giải mẫu từng bước
Đề: Hệ mất 5 kJ nhiệt, đồng thời nhận 11 kJ công.
Giải: Q=−5, A=+11 kJ; ΔU=6 kJ.
Đề: 0,20 kg nước từ 20 °C lên 70 °C, c=4200 J/(kg·K).
Giải: Q=0,2×4200×50=42 kJ.
Đề: 0,20 kg nước 80 °C trộn 0,30 kg nước 30 °C, cách nhiệt.
Giải: t=(0,2×80+0,3×30)/0,5=50 °C.
Đề: Đá 0 °C, m=0,10 kg, λ=334000 J/kg.
Giải: Q=mλ=33,4 kJ.
Đề: Nước sôi m=0,025 kg; L=2260 kJ/kg.
Giải: Q=mL=56,5 kJ.
Đề: Thiết bị 200 W chạy 5 phút, η=80%.
Giải: Q_hữu ích=0,8×200×300=48 kJ.
Đề: Cấp nhiệt đều 84 W trong 100 s cho 0,20 kg nước.
Giải: ΔT=Pτ/(mc)=84×100/(0,2×4200)=10 °C.
Đề: 0,05 kg đá ở 0 °C tan với P_hữu ích=100 W.
Giải: t=mλ/P=0,05×334000/100=167 s.
Đề: 0,10 kg đá −10 °C thành nước 20 °C.
Giải: Q=0,1×2100×10+0,1×334000+0,1×4200×20=43,9 kJ.
Đề: 0,10 kg nước 20 °C thành hơi 100 °C.
Giải: Q=0,1×4200×80+0,1×2260000=259,6 kJ.
Đề: 0,05 kg đá −10 °C thành hơi 100 °C.
Giải: Q=0,05×(2100×10+334000+4200×100+2260000)=151,75 kJ.
Nhắc lại: Ví dụ 12 có đủ bốn giai đoạn; không được dùng duy nhất Q=mcΔT xuyên qua các điểm nóng chảy và sôi. Công thức ΔU=Q+A trong bài là quy ước hệ nhận công dương; các tài liệu dùng công do hệ thực hiện dương sẽ viết ΔU=Q−W.
03 · QUAN SÁT, ĐỒ THỊ
Ba mô phỏng giải bài tập và phân tích dữ liệu
Ba công cụ dưới đây mô phỏng tình huống bài tập, giúp kiểm tra các giai đoạn và đọc đồ thị. Số liệu được tạo theo mô hình lí tưởng, không thay thế thực nghiệm.
01
Đồ thị đun nước đá → nước → hơi
Cho nước đá có nhiệt độ đầu dưới 0 °C; áp suất khí quyển tiêu chuẩn. Công suất hữu ích không đổi. Kéo thanh thời gian để quan sát nhiệt độ, trạng thái và lượng nhiệt đã nhận.
Nhiệt độ—
Nhiệt đã nhận—
Thời gian khảo sát—
Giai đoạn—
Đồ thị dùng cđá=2100, cnước=4200 J/(kg·K), λ=334 kJ/kg, L=2260 kJ/kg, đá ban đầu −10 °C và kết thúc khi hoá hơi hết ở 100 °C. Các đoạn ngang biểu diễn chuyển thể.
02
Trao đổi nhiệt giữa hai lượng nước
Trộn hai lượng nước trong bình cách nhiệt, giả sử nhiệt dung riêng không đổi, không có chuyển thể và bỏ qua nhiệt dung bình. Quan sát nhiệt độ cân bằng.
Nhiệt độ cân bằng—
Độ lớn nhiệt trao đổi—
03
Cân bằng năng lượng và quy ước dấu
Chọn nhiệt lượng Q và công A mà hệ nhận. Quy ước A dương khi ngoại lực thực hiện công lên hệ; hệ tự thực hiện công thì A âm.
Độ biến thiên nội năng—
Kết luận—
Với Q=+12 kJ, A=−4 kJ: ΔU=+8 kJ, hệ tăng nội năng. Không nhầm A (công hệ nhận) với W (công hệ thực hiện).
Đọc đồ thị và kiểm tra giả thiết
Đoạn xiên trên T–τ
Không chuyển thể, tăng nhiệt: \(\Delta T=\eta P\Delta au/(mc)\).
Đoạn nằm ngang
Nóng chảy: \(P\Delta au=m\lambda\). Hoá hơi: \(P\Delta au=mL\), trong mô hình bỏ hao phí.
Nhiều giai đoạn
Chia rõ đá dưới 0 °C → đá 0 °C → nước 0 °C → nước 100 °C → hơi 100 °C.
04 · LUYỆN TẬP
60 bài tự luyện + 22 câu kiểm tra chuẩn V4
60 Bài tự luyện
6 Nhóm bài
22 Câu kiểm tra
10 Điểm kiểm tra
Phần A · 60 bài tự luyện phân hoá (có đáp án, lời giải)
Nhập kết quả bằng số, không kèm đơn vị; hỗ trợ dấu phẩy và dấu chấm thập phân. Các đề có giả thiết, dữ kiện và đơn vị ở đầu ra. Sau khi tự giải, hãy mở lời giải để so sánh bước phân tích.
0/60 bài đúng
Trang 1/8
Phần B · Kiểm tra chuẩn V4 (22 câu / 10 điểm)
8 câu trắc nghiệm ABCD (2 điểm), 4 câu Đúng/Sai bốn ý (4 điểm), 8 câu trả lời ngắn (2 điểm), 2 câu tự luận (2 điểm). Không hiển thị đáp án trước khi nộp; tự luận tự đánh giá theo thang rubric.
05 · BẢN ĐỒ TƯ DUY
Tổng hợp công thức và chiến lược giải bài tập
06 · EM CÓ BIẾT?
Vì sao người ta phải tính nhiệt lượng theo từng giai đoạn?
Nước đá trong đồ uống
Nước đá ở 0 °C có thể nhận một lượng nhiệt đáng kể để nóng chảy mà không đổi nhiệt độ, vì vậy làm lạnh hiệu quả khi còn đá.
Mồ hôi và làm mát
Mồ hôi bay hơi lấy năng lượng từ da và môi trường; hiệu quả phụ thuộc độ ẩm và sự lưu thông không khí.
Nồi nước đun sôi
Để nước 20 °C thành hơi 100 °C phải cộng cả nhiệt lượng đun từ 20 đến 100 °C và nhiệt hoá hơi, không chỉ một trong hai.
Thử thách mở rộng: Nếu công suất cấp là 500 W và hiệu suất 80%, muốn biến 0,10 kg nước ban đầu ở 20 °C thành hơi 100 °C cần 259,6 kJ nhiệt hữu ích. Thời gian tối thiểu theo mô hình là 259600/(0,8×500)=649 s.