Câu hỏi mở đầu trang 20

Đề bài: Nhiệt lượng cần để làm nóng 1 kg nước lên thêm 1 °C khác với nhiệt lượng cần để làm nóng 1 kg rượu lên thêm 1 °C. Đại lượng vật lí nào có thể dùng để mô tả sự khác biệt như trên của các chất khác nhau?

Lời giải:

Đại lượng vật lí dùng để mô tả sự khác biệt đó là nhiệt dung riêng (kí hiệu $c$, đơn vị J/kg.K).

Nhiệt dung riêng cho biết nhiệt lượng cần truyền cho 1 kg chất để làm cho nhiệt độ của nó tăng thêm 1 °C. Mỗi chất có một giá trị nhiệt dung riêng đặc trưng khác nhau → phản ánh tính chất riêng biệt của chất đó.

I. Khái niệm nhiệt dung riêng

Câu hỏi trang 20

Đề bài: Hãy tìm ví dụ trong đời sống để minh hoạ cho nội dung trên. (Nội dung: độ lớn nhiệt lượng cần cung cấp cho vật phụ thuộc vào khối lượng của vật, độ tăng nhiệt độ của vật và tính chất của chất làm vật.)

Lời giải:

Ba ví dụ minh họa cho ba yếu tố trên:

• Phụ thuộc khối lượng: đun sôi 2 lít nước cần nhiều nhiệt (và thời gian) hơn đun sôi 1 lít nước cùng ở nhiệt độ ban đầu như nhau.
• Phụ thuộc độ tăng nhiệt độ: đun nước từ 25 °C lên 40 °C nhanh hơn đun cùng lượng nước đó từ 25 °C lên 100 °C.
• Phụ thuộc tính chất của chất: cùng khối lượng 1 kg và cùng cấp một lượng nhiệt như nhau, nhiệt độ dầu ăn tăng lên nhiều hơn nhiệt độ của nước → chứng tỏ tính chất chất khác nhau thì lượng nhiệt cần truyền để tăng cùng 1 °C cũng khác nhau.

Hoạt động trang 21

Đề bài:

1. Biết nhiệt dung riêng của nước lớn gấp hơn hai lần của dầu, tại sao trong bộ tản nhiệt (làm mát) của máy biến áp, người ta lại dùng dầu mà không dùng nước như trong bộ tản nhiệt của động cơ nhiệt?
2. Hãy dựa vào giá trị của nhiệt dung riêng của nước và của đất trong Bảng 4.1 để giải thích tại sao ban ngày có gió mát thổi từ biển vào đất liền, ban đêm có gió ấm thổi từ đất liền ra biển.
3. Một thùng đựng 20 lít nước ở nhiệt độ 20 °C. Cho biết khối lượng riêng của nước là 1 000 kg/m³.a) Tính nhiệt lượng cần truyền cho nước trong thùng để nhiệt độ của nó tăng lên tới 70 °C.b) Tính thời gian truyền nhiệt lượng cần thiết nếu dùng một thiết bị điện có công suất 2,5 kW để đun lượng nước trên. Biết chỉ có 80% điện năng tiêu thụ được dùng để làm nóng nước.

Lời giải:

1. Trong máy biến áp, người ta dùng dầu (dù nhiệt dung riêng nhỏ hơn nước) vì:

• Dầu không dẫn điện, nước dẫn điện → dùng dầu bảo đảm an toàn cho các bộ phận mang điện của máy biến áp.
• Dầu không gây ăn mòn, rỉ sét các linh kiện kim loại như nước.
• Dầu có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với nước → không bị bay hơi khi máy biến áp hoạt động ở nhiệt độ cao.

2. Dựa vào Bảng 4.1: $c_{nước} = 4200$ J/kg.K, $c_{đất} = 800$ J/kg.K. Vì $c_{nước}$ lớn hơn $c_{đất}$ hơn 5 lần nên đất nóng lên nhanh và nguội đi cũng nhanh hơn nước.

• Ban ngày: cả biển và đất liền đều nhận nhiệt Mặt Trời. Đất nóng nhanh, biển nóng chậm → không khí trên đất liền nóng hơn, bốc lên cao → không khí mát từ biển tràn vào thay thế → gió mát thổi từ biển vào đất liền.
• Ban đêm: cả biển và đất liền đều tỏa nhiệt. Đất nguội nhanh, biển vẫn còn ấm → không khí trên biển ấm hơn, bốc lên cao → không khí từ đất liền tràn ra biển thay thế → gió thổi từ đất liền ra biển (cảm nhận ấm hơn gió biển ban đêm).

3.

a) Khối lượng của nước trong thùng:

$$V = 20 ; \text{lít} = 0{,}02 ; \text{m}^3$$

$$m = D \cdot V = 1000 \cdot 0{,}02 = 20 ; \text{kg}$$

Độ tăng nhiệt độ: $\Delta T = 70 – 20 = 50$ °C $= 50$ K.

Nhiệt dung riêng của nước (Bảng 4.1): $c = 4200$ J/kg.K.

Nhiệt lượng cần truyền cho nước:

$$Q = m \cdot c \cdot \Delta T = 20 \cdot 4200 \cdot 50 = 4,200,000 ; \text{J} = 4{,}2 \cdot 10^6 ; \text{J}$$

b) Công suất thiết bị: $P = 2{,}5$ kW $= 2500$ W.

Vì chỉ 80% điện năng tiêu thụ được dùng để làm nóng nước, nên công suất hữu ích để đun nước:

$$P_{hi} = 80% \cdot P = 0{,}8 \cdot 2500 = 2000 ; \text{W}$$

Thời gian đun cần thiết:

$$t = \dfrac{Q}{P_{hi}} = \dfrac{4,200,000}{2000} = 2100 ; \text{s} = 35 ; \text{phút}$$

II. Thực hành đo nhiệt dung riêng của nước

Hoạt động trang 21 (Thiết kế phương án thí nghiệm)

Đề bài: Hãy thực hiện các yêu cầu sau:

• Từ hệ thức (4.3), cho biết cần đo đại lượng nào để xác định nhiệt dung riêng của nước.
• Nhiệt lượng mà nước trong bình nhiệt lượng kế thu được lấy từ đâu?
• Xác định nhiệt lượng mà nước thu được bằng cách nào?
• Mô tả các bước tiến hành thí nghiệm.

Lời giải:

• Các đại lượng cần đo:

Từ $Q = mc\Delta T$ → $c = \dfrac{Q}{m \cdot \Delta T}$, ta cần đo:

• Khối lượng $m$ của nước (dùng cân điện tử).
• Độ tăng nhiệt độ $\Delta T$ của nước (dùng nhiệt kế điện tử).
• Nhiệt lượng $Q$ mà nước thu được.

• Nguồn nhiệt cho nước:

Nhiệt lượng mà nước trong bình nhiệt lượng kế thu được lấy từ nhiệt lượng do dây điện trở toả ra khi có dòng điện chạy qua (dây điện trở được cấp điện từ biến thế nguồn qua oát kế).

• Cách xác định nhiệt lượng $Q$:

Vì bình nhiệt lượng kế được cách nhiệt tốt và dây điện trở nhúng trong nước, ta xem gần như toàn bộ điện năng do dòng điện tiêu thụ chuyển hoá thành nhiệt lượng cấp cho nước:

$$Q = P \cdot \tau$$

Với $P$ là công suất dòng điện (đọc từ oát kế), $\tau$ là thời gian dòng điện chạy qua dây điện trở.

• Các bước tiến hành thí nghiệm:

1. Đổ một lượng nước vào bình nhiệt lượng kế sao cho toàn bộ dây điện trở chìm trong nước, xác định khối lượng $m$ của nước bằng cân điện tử.
2. Cắm đầu đo của nhiệt kế vào bình nhiệt lượng kế.
3. Nối oát kế với bình nhiệt lượng kế và nguồn điện.
4. Bật nguồn điện. Khuấy liên tục để nước nóng đều.
5. Cứ sau mỗi khoảng thời gian 1 phút, đọc giá trị công suất $P$ trên oát kế và nhiệt độ $t$ trên nhiệt kế, ghi kết quả vào bảng (theo mẫu Bảng 4.2).
6. Tắt nguồn điện khi kết thúc.

Hoạt động trang 22 (Kết quả thí nghiệm)

Đề bài:

• Vẽ đồ thị nhiệt độ $t$ theo thời gian $\tau$ và vẽ đường thẳng đi gần nhất các điểm thực nghiệm (tham khảo Hình 4.2).
• Chọn hai điểm M, N trên đồ thị, xác định các giá trị thời gian $\tau_M$, $\tau_N$ và nhiệt độ $t_M$, $t_N$ tương ứng.

Lời giải:

• Vẽ đồ thị: dựa vào Bảng 4.2, xác định 7 điểm thực nghiệm trên hệ trục $t$–$\tau$, rồi vẽ đường thẳng đi gần nhất các điểm này (tham khảo Hình 4.2 trong SGK).
• Chọn hai điểm M, N trên đồ thị (đọc theo Hình 4.2):
  • Điểm M: $\tau_M = 100$ s; $t_M = 26$ °C.
  • Điểm N: $\tau_N = 400$ s; $t_N = 33$ °C.

Hoạt động trang 23 (Tính kết quả)

Đề bài: Từ kết quả thí nghiệm thu được, thực hiện các yêu cầu sau:

• Tính giá trị trung bình của công suất dòng điện.
• Tính nhiệt dung riêng của nước theo hệ thức:

$$c_{H_2O} = \dfrac{Q}{m \Delta t} = \dfrac{\overline{P}(\tau_N – \tau_M)}{m(t_N – t_M)}$$

• Xác định sai số của phép đo nhiệt dung riêng của nước.
• So sánh kết quả đo với nhiệt dung riêng của nước ở Bảng 4.1 và giải thích tại sao có sự sai khác (nếu có).

Lời giải:

• Giá trị trung bình của công suất dòng điện:

Từ Bảng 4.2, cộng 7 giá trị công suất rồi chia cho 7:

$$\overline{P} = \dfrac{15{,}04 + 15{,}07 + 15{,}03 + 15{,}94 + 15{,}84 + 15{,}94 + 15{,}94}{7}$$

$$\overline{P} = \dfrac{108{,}80}{7} \approx 15{,}54 ; \text{W}$$

• Nhiệt dung riêng của nước:

Với $m = 0{,}15$ kg, $\tau_N – \tau_M = 400 – 100 = 300$ s, $t_N – t_M = 33 – 26 = 7$ °C, ta có:

$$c_{H_2O} = \dfrac{\overline{P}(\tau_N – \tau_M)}{m(t_N – t_M)} = \dfrac{15{,}54 \cdot 300}{0{,}15 \cdot 7}$$

$$c_{H_2O} = \dfrac{4662}{1{,}05} \approx 4440 ; \text{J/kg.K}$$

• Sai số của phép đo (so với giá trị chuẩn ở Bảng 4.1 là $c_0 = 4200$ J/kg.K):

$$\delta = \dfrac{|c_{H_2O} – c_0|}{c_0} \cdot 100% = \dfrac{|4440 – 4200|}{4200} \cdot 100% \approx 5{,}7%$$

• So sánh và giải thích:

Kết quả đo ($\approx 4440$ J/kg.K) lớn hơn giá trị chuẩn ở Bảng 4.1 ($4200$ J/kg.K) khoảng 5,7 %. Một số nguyên nhân dẫn đến sự sai khác:

• Sai số của các dụng cụ đo (nhiệt kế, oát kế, cân điện tử).
• Bình nhiệt lượng kế không cách nhiệt hoàn toàn → một phần nhiệt bị mất ra môi trường.
• Nhiệt lượng bị hao phí để làm nóng vỏ bình, dây điện trở, đầu đo nhiệt kế…
• Sai số khi đọc toạ độ hai điểm M, N trên đồ thị.

Em có thể

Xác định được nhiệt dung riêng của một chất

Lời giải:

Gợi ý các bước xác định (tương tự thí nghiệm đo nhiệt dung riêng của nước):

Bước 1. Cân khối lượng $m$ của chất cần đo bằng cân điện tử.

Bước 2. Cho chất vào bình nhiệt lượng kế có dây điện trở nhúng bên trong; nối bình với nguồn điện và oát kế.

Bước 3. Bật nguồn, khuấy đều. Cứ mỗi phút ghi lại công suất $P$ và nhiệt độ $t$ theo thời gian $\tau$.

Bước 4. Vẽ đồ thị $t$ theo $\tau$, chọn hai điểm M, N trên đường thẳng gần nhất các điểm thực nghiệm.

Bước 5. Tính công suất trung bình $\overline{P}$ và áp dụng công thức:

$$c = \dfrac{\overline{P}(\tau_N – \tau_M)}{m(t_N – t_M)}$$

Bước 6. So sánh kết quả với giá trị tham khảo, tính sai số và giải thích.

Dùng khái niệm nhiệt dung riêng để giải thích các hiện tượng thực tế có liên quan

Lời giải:

Một số hiện tượng có thể giải thích bằng nhiệt dung riêng:

• Nước dùng làm chất tản nhiệt trong động cơ ô tô, xe máy: vì nước có nhiệt dung riêng lớn ($4200$ J/kg.K) nên có thể hấp thụ nhiều nhiệt mà nhiệt độ tăng chậm → giúp làm mát động cơ hiệu quả.
• Khí hậu vùng ven biển ôn hoà hơn vùng sâu trong lục địa: vì nước biển có $c$ lớn, biển nóng chậm và nguội chậm → không khí ven biển ít biến động về nhiệt độ giữa ngày và đêm, giữa mùa đông và mùa hè.
• Buổi trưa hè, mặt vỉa hè lát gạch, đá nóng rát hơn cát: vì gạch/đá có $c$ nhỏ hơn cát, cùng nhận nhiệt Mặt Trời như nhau nhưng gạch/đá nóng lên nhanh và tới nhiệt độ cao hơn.
• Bình đun nước siêu tốc tốn nhiều điện hơn để đun cùng khối lượng dầu: vì nước có $c$ lớn hơn dầu nên cần nhiều nhiệt hơn để tăng cùng độ nhiệt độ.
• Cho một cục sắt nung đỏ vào chậu nước, nước nóng lên chậm: vì $c$ của nước lớn hơn nhiều so với $c$ của sắt, cùng một lượng nhiệt truyền cho hai chất thì độ tăng nhiệt độ của nước nhỏ hơn nhiều so với sắt.

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn