Bài tập cuối chương I trang 21, 22, 23 SBT Vật lí 12 Kết nối tri thức

I.1

Một người lấy 1,2 kg những viên nhỏ nước đá trong tủ đông nơi có nhiệt độ °C để đưa vào đun trong một bình điện đun nước (ấm điện) chuyên dụng có thành bằng thuỷ tinh có thể quan sát được bên trong như Hình I.1. Thông số kĩ thuật của bình điện được cho như Bảng I.1

Bảng I.1. Thông số kĩ thuật của bình điện

Dung tích	1,7 lít
Công suất	2 200 W khi nước chưa sôi 450 W khi nước sôi
Điện nguồn	220 V
Chất liệu	Vỏ bình bằng thuỷ tinh có khả năng cách nhiệt tốt, đế tiếp điện.
Chế độ an toàn	Tự hạ công suất khi nước sôi và tự ngắt khi cạn nước.
Khối lượng	1,5 kg

Ngoài ra, người đó còn sử dụng một đồng hồ đo thời gian, một nhiệt kế chuyên dụng để đo nhiệt độ của nước và có thể thả được vào trong bình khi đang đun mà không làm ảnh hưởng đáng kể gì tới kết quả thí nghiệm. Kết quả đo đạc thí nghiệm được biểu diễn bằng đồ thị trong Hình I.2.

Bảng I.2. Nhiệt dung riêng của nước đá và nhiệt nóng chảy riêng của nước đá

Nhiệt dung riêng của nước đá	2 100 J/kg.K
Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá	334 000 J/kg

1. Nhiệt độ tại các thời điểm τ = 0 s; τ = 19 s; τ = 100 s; τ = 220 s; τ = 480 s.

2. Tốc độ gia nhiệt (độ tăng nhiệt độ sau một đơn vị thời gian) của nước trong bình ở thời điểm τ = 300 s.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nhiệt

Lời giải chi tiết:

1. Nhiệt độ tại các thời điểm

Thời điểm (s)	0	19	100	220	480
Nhiệt độ (°C)	–18	0	0	0	100

2. Tại thời điểm τ = 300 s, nước có nhiệt độ khoảng 30 °C

Tại thời điểm τ = 310 s, nước có nhiệt độ khoảng 35 °C

Tốc độ gia nhiệt của nước trong bình ở thời điểm τ = 300 s là: $Δ τ = \frac{35 - 30}{310 - 300} = 0, 5$

Vậy tốc độ gia nhiệt của nước trong bình ở thời điểm τ = 300 s là: 0,5 độ/s.

I.2

Với dụng cụ và kết quả thí nghiệm như Hình I.2, chúng ta có thể xác định được nhiệt dung riêng của nước đá không? Vì sao?

A. Không, vì nhiệt độ của nước đá sẽ không đồng đều nên nhiệt kế sẽ không đo được chính xác nhiệt độ của khối nước đá.

B. Không, vì chúng ta không có cách nào xác định được nhiệt lượng dùng để đun nước đá.

C. Không, vì chúng ta không xác định chính xác được nhiệt lượng cung cấp cho nước đá.

D. Không, vì nhiệt kế không đo được nhiệt độ âm.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nhiệt dung riêng

Lời giải chi tiết:

Với dụng cụ và kết quả thí nghiệm như Hình I.2, chúng ta không thể xác định được nhiệt dung riêng của nước đá vì nhiệt độ của nước đá sẽ không đồng đều nên nhiệt kế sẽ không đo được chính xác nhiệt độ của khối nước đá.

Đáp án: A

I.3

Trong quá trình đun nước đá đến khi tan chảy hoàn toàn, người ta thấy có sự chênh lệch nhiệt độ khi đo ở những vị trí khác nhau nên quyết định bỏ qua quá trình đo nhiệt dung riêng của nước đá và nhiệt nóng chảy riêng của nước đáy sử dụng Bảng I.2 làm căn cứ đo các đại lượng vật lí khác. Nhiệt lượng cần cung cấp cho lượng nước đá ban đầu (ở Bài I.1) đến khi nóng chảy hoàn toàn bằng

A. 355 440 J.

B. 371 800 J.

C. 403 320 J.

D. 446 160 J.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nhiệt lượng

Lời giải chi tiết:

Nhiệt lượng cần cung cấp để làm tan chảy hoàn toàn nước đá: $Q = m λ = 1.2.334000 = 400800 (J)$

(Do sai số về nhiệt nóng chảy riêng nên kết quả có thể khác đáp án)

Đáp án: D

I.4

Hãy tính năng lượng mà nguồn điện đã cung cấp cho ấm đun trong thời gian đun nước đá trong bình đến khi vừa đủ nóng chảy hoàn toàn và so sánh với nhiệt lượng tính được trong Bài I.3 rồi giải thích sự chênh lệch này.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về năng lượng

Lời giải chi tiết:

Năng lượng mà nguồn điện đã cung cấp cho ấm đun trong thời gian đun nước đá trong bình đến khi vừa đủ nóng chảy hoàn toàn là: $2200.220 = 484000 (J)$

Năng lượng này lớn hơn nhiệt lượng mà nước đá trong bình nhận được do còn có các hao phí do truyền nhiệt cho vỏ bình và môi trường.

I.5

Nếu coi như hiệu suất đun của ấm ở Bài I.1 là không đổi trong suốt thời gian đun tới khi nước sôi. Nhiệt dung riêng của nước lỏng trong bình là

A. 4 394 J/kg.K.

B. 4 294 J/kg.K.

C. 4 942 J/kg.K.

D. 4 767 J/kg.K.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nhiệt dung riêng

Lời giải chi tiết:

Hiệu suất: $H = \frac{403320}{484000} \approx 83, 3 %$

Có: $H = \frac{P_{c i}}{P_{t p}} = \frac{m c Δ t}{Q_{1} + Q_{2} + Q_{3}} \Rightarrow c \approx 4767 (J / k g . K)$

Đáp án: D

I.6

Sau khi xem xét lại hướng dẫn của nhà sản xuất, người ta thấy rằng hiệu suất đun nước của ấm trong Bài I.1 là 88% và coi như đây là thông số chính xác. Hãy sử dụng hiệu suất này để xác định nhiệt dung riêng của nước lỏng trong bình.

A. 4 195 J/kg.K.

B. 4 199 J/kg.K.

C. 4 204 J/kg.K.

D. 4 209 J/kg.K.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nhiệt dung riêng

Lời giải chi tiết:

$H = \frac{P_{c i}}{P_{t p}} = \frac{m c Δ t}{Q_{1} + Q_{2} + Q_{3}} \Rightarrow c \approx 4195 (J / k g . K)$

Đáp án: A

I.7

Nếu coi như kết quả đo nhiệt dung riêng trong Bài I.6 là chính xác, nhiệt dung riêng của nước lỏng được cho trong SGK bằng 4 200 J/kg.K cũng là một giá trị chính xác. Hãy giải thích cho sự sai lệch giữa hai số liệu trên.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nhiệt dung riêng

Lời giải chi tiết:

Các mẫu nước khảo sát trong các thí nghiệm khác nhau sẽ khác nhau. Thông số vật lí được cung cấp chính thức như trong SGK thường là nước tinh khiết. Mẫu để nước dùng cho thí nghiệm trong bài sẽ có độ tinh khiết kém hơn nên nhiệt dung riêng có thể thấp hơn.

I.8

Để tiếp tục quan sát hiện tượng hoá hơi và đo nhiệt hoá hơi trong thí nghiệm ở Bài I.1, người ta mở nắp bình ra cho hơi nước dễ bay ra. Tuy vậy, hiệu suất ấm đun cũng vẫn giảm tiếp xuống 81%. Hãy chỉ ra nguyên nhân nào dưới đây là không đúng của sự suy giảm này.

A. Nhiệt độ nước sôi cao nên nhiệt lượng truyền qua vỏ bình sẽ nhiều hơn.

B. Nhiệt độ sôi của nước luôn không đổi.

C. Công suất đun của ấm giảm.

D. Do nước đã hoá hơi không bay hết được hoàn toàn khỏi bình.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nhiệt

Lời giải chi tiết:

Nhiệt độ nước sôi chỉ cao tới 100 °C nên nhiệt lượng truyền qua vỏ bình sẽ không đổi và không phải là nguyên nhân dẫn đến sự giảm hiệu suất.

Đáp án: A

I.9

Nếu tiếp tục đun sôi nước như Bài 1.8 cho đến khi cạn nước thì thời gian của toàn bộ quá trình hoá hơi là 1 giờ 54 phút.

1. Hãy xác định năng lượng điện đã cung cấp cho quá trình hoá hơi này.

2. Hãy xác định năng lượng nhiệt tính cho quá trình hoá hơi này.

3. Hãy xác định nhiệt hoá hơi riêng của nước trong bình.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nhiệt độ

Lời giải chi tiết:

1. Năng lượng điện đã cung cấp cho quá trình hoá hơi trên bằng: $450.114.60 = 3078000 (J)$

2. Năng lượng nhiệt tính cho quá trình hoá hơi này bằng: $3078000.81 % = 2493180 (J)$

3. Nhiệt hoá hơi riêng của nước trong bình bằng: $\frac{2493180}{1, 2} = 2077650 (J / k g)$

I.10

Nếu thí nghiệm trong Bài I.9 không đóng nắp bình thì thời gian của toàn bộ quá trình sẽ tăng lên do:

A. Đậy nắp bình lại làm nhiệt độ trong bình cao hơn nên nhiệt lượng truyền qua vỏ bình sẽ cao hơn.

B. Đậy nắp bình lại sẽ làm giảm hao phí của quá trình hoá hơi.

C. Đậy nắp bình lại làm nhiệt độ trong bình cao hơn nên nhiệt lượng nhận được của nước trong bình sẽ thấp hơn.

D. Đậy nắp bình lại làm cho hơi nước thoát ra ngoài khó hơn nên việc hoá hơi cũng gặp khó khăn hơn.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về sự bay hơi

Lời giải chi tiết:

Nếu thí nghiệm không đóng nắp bình thì thời gian của toàn bộ quá trình sẽ tăng lên do đậy nắp bình lại làm cho hơi nước thoát ra ngoài khó hơn nên việc hoá hơi cũng gặp khó khăn hơn.

Đáp án: D

I.11

Đun sôi nước như Bài I.8 đến khi nước trong bình chỉ còn khoảng một nửa thì người ta đổ thêm 0,5 lít nước vẫn được sử dụng làm nước đá (tương đương 0,5 kg nước) ở nhiệt độ 25 °C vào bình rồi đậy nắp lại và không thay đổi công suất đun. Vẫn coi hiệu suất đun nước bằng 88% thì sau bao lâu nước trong bình sẽ sôi trở lại?

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nhiệt

Lời giải chi tiết:

Nhiệt lượng cần để 0,5 kg nước máy mới đổ vào đạt đến nhiệt độ sôi bằng:

$Q = 4194.0, 5 (100 - - 25) = 157275 (J)$

Thời gian để bình nước sôi trở lại bằng:

$\frac{157275}{2200} .88 % = 81, 24 (s)$