Câu hỏi mở đầu trang 24

Đề bài: Khi vật bắt đầu nóng chảy, phải tiếp tục cung cấp nhiệt lượng cho vật để vật nóng chảy hoàn toàn. Nhiệt lượng này phụ thuộc vào những đại lượng nào?

Lời giải:

Nhiệt lượng cần cung cấp để làm vật nóng chảy hoàn toàn (ở nhiệt độ nóng chảy) phụ thuộc vào:

• Khối lượng $m$ của vật: khối lượng càng lớn, nhiệt lượng cần cung cấp càng nhiều.
• Tính chất của chất làm vật, đặc trưng bởi nhiệt nóng chảy riêng $\lambda$: mỗi chất có một giá trị $\lambda$ khác nhau.

Công thức: $Q = \lambda m$.

I. Khái niệm nhiệt nóng chảy riêng

Câu hỏi trang 24

Đề bài:

1. Tại sao khi chế tạo các vật bằng chì, đồng, thường hay dùng phương pháp đúc?
2. Tính thời gian cần thiết để làm nóng chảy hoàn toàn 2 kg đồng có nhiệt độ ban đầu 30 °C, trong một lò nung điện có công suất 20 000 W. Biết chỉ có 50% năng lượng tiêu thụ của lò được dùng vào việc làm đồng nóng lên và nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ không đổi.

Lời giải:

1. Người ta hay dùng phương pháp đúc để chế tạo các vật bằng chì, đồng vì:

• Chì có nhiệt độ nóng chảy khá thấp (327 °C), đồng có nhiệt độ nóng chảy vừa phải (1084 °C) → có thể nung nóng chảy tương đối dễ dàng bằng lò nung.
• Nhiệt nóng chảy riêng của chì rất nhỏ ($0{,}25 \cdot 10^5$ J/kg), của đồng cũng không quá lớn ($1{,}80 \cdot 10^5$ J/kg) → cần ít nhiệt lượng để làm chúng nóng chảy hoàn toàn.
• Ở thể lỏng, chì và đồng dễ chảy vào khuôn có hình dạng phức tạp mong muốn. Khi nguội đi, chúng đông đặc lại thành sản phẩm → tiết kiệm vật liệu và tạo được sản phẩm có hình dạng phức tạp mà các phương pháp gia công khác khó thực hiện.

2.

Tóm tắt:

• Khối lượng đồng: $m = 2$ kg.
• Nhiệt độ ban đầu: $t_1 = 30$ °C.
• Nhiệt độ nóng chảy đồng (Bảng 5.1): $t_2 = 1084$ °C.
• Nhiệt dung riêng đồng (Bảng 4.1 bài 4): $c = 380$ J/kg.K.
• Nhiệt nóng chảy riêng đồng (Bảng 5.1): $\lambda = 1{,}80 \cdot 10^5$ J/kg.
• Công suất lò: $P = 20,000$ W; hiệu suất $H = 50\%$.

• Nhiệt lượng cần để nung đồng từ 30 °C lên tới nhiệt độ nóng chảy 1084 °C:

$$Q_1 = m \cdot c \cdot (t_2 – t_1) = 2 \cdot 380 \cdot (1084 – 30) = 2 \cdot 380 \cdot 1054$$

$$Q_1 = 801,040 ; \text{J}$$

• Nhiệt lượng cần để đồng nóng chảy hoàn toàn ở 1084 °C:

$$Q_2 = \lambda \cdot m = 1{,}80 \cdot 10^5 \cdot 2 = 3{,}6 \cdot 10^5 ; \text{J} = 360,000 ; \text{J}$$

• Tổng nhiệt lượng cần cấp cho đồng:

$$Q = Q_1 + Q_2 = 801,040 + 360,000 = 1,161,040 ; \text{J} \approx 1{,}16 \cdot 10^6 ; \text{J}$$

• Công suất hữu ích của lò (chỉ 50% được dùng làm nóng đồng):

$$P_{hi} = H \cdot P = 0{,}5 \cdot 20,000 = 10,000 ; \text{W}$$

• Thời gian cần thiết:

$$t = \dfrac{Q}{P_{hi}} = \dfrac{1,161,040}{10,000} \approx 116 ; \text{s} \approx 1 ; \text{phút} ; 56 ; \text{giây}$$

II. Thực hành đo nhiệt nóng chảy riêng của nước đá

Hoạt động trang 25 (Thiết kế phương án thí nghiệm)

Đề bài: Hãy thực hiện các yêu cầu sau:

• Từ công thức (5.3), hãy cho biết cần đo đại lượng nào để xác định nhiệt nóng chảy riêng của nước đá.
• Nhiệt lượng làm các viên nước đá trong nhiệt lượng kế nóng chảy được lấy từ đâu?
• Nhiệt lượng nước đá thu được trong bình nhiệt lượng kế được xác định bằng cách nào?
• Mô tả các bước tiến hành thí nghiệm.

Lời giải:

• Các đại lượng cần đo:

Từ $Q = \lambda m$ → $\lambda = \dfrac{Q}{m}$, ta cần đo:

• Khối lượng $m$ của nước đá (dùng cân điện tử).
• Nhiệt lượng $Q$ mà nước đá thu được để nóng chảy hoàn toàn.

• Nguồn nhiệt làm nước đá nóng chảy:

Nhiệt lượng làm nước đá nóng chảy được lấy từ nhiệt lượng do dây điện trở tỏa ra khi có dòng điện chạy qua (dây điện trở nhúng trong hỗn hợp nước và nước đá trong bình nhiệt lượng kế).

• Cách xác định nhiệt lượng $Q$:

Dùng oát kế đo công suất $P$ và đo thời gian $\tau$ nước đá đang nóng chảy. Vì bình nhiệt lượng kế được cách nhiệt tốt, có thể xem toàn bộ điện năng do dòng điện tiêu thụ trong thời gian nóng chảy được chuyển hóa thành nhiệt lượng cấp cho nước đá:

$$Q = P \cdot \tau$$

• Các bước tiến hành thí nghiệm:

1. Cho viên nước đá (khối lượng $m$ kg) và một ít nước lạnh vào bình nhiệt lượng kế sao cho toàn bộ điện trở chìm trong hỗn hợp.
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 nước đá.
5. Cứ sau mỗi khoảng thời gian 2 phút, đọc công suất trên oát kế và nhiệt độ trên nhiệt kế rồi ghi kết quả vào bảng (theo mẫu Bảng 5.2).
6. Tắt nguồn điện khi kết thúc.

Hoạt động trang 26 (Kết quả thí nghiệm)

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

• Vẽ đồ thị sự phụ thuộc nhiệt độ $t$ theo thời gian $\tau$.
• Vẽ hai đường thẳng đi gần nhất các điểm trên đồ thị (tham khảo Hình 5.1).
• Chọn điểm M là giao điểm của hai đường thẳng, đọc giá trị $\tau_M$.
• Tính công suất trung bình $\overline{P}$ của dòng điện qua điện trở trong nhiệt lượng kế.
• Tính nhiệt nóng chảy riêng của nước đá theo công thức:

$$\lambda_{H_2O} = \dfrac{\overline{P} \cdot \tau_M}{m}$$

• Xác định sai số của phép đo nhiệt nóng chảy riêng của nước đá.
• So sánh giá trị nhiệt nóng chảy riêng của nước đá đo được với giá trị ở Bảng 5.1 và giải thích nguyên nhân gây ra sự sai khác (nếu có).

Lời giải:

• Vẽ đồ thị:

Dựa vào Bảng 5.2, xác định 9 điểm thực nghiệm trên hệ trục $t$–$\tau$. Sau đó vẽ:

• Đường thẳng 1: đi gần các điểm ở giai đoạn nước đá đang nóng chảy ($t = 0$ °C, từ $\tau = 0$ s đến $\tau = 600$ s). Đây là đường nằm ngang trục $\tau$.
• Đường thẳng 2: đi gần các điểm sau khi nước đá đã nóng chảy hoàn toàn (từ $\tau = 720$ s trở đi, khi nhiệt độ bắt đầu tăng dần).

• Điểm M — giao điểm của hai đường thẳng:

Đọc từ đồ thị Hình 5.1: $\tau_M \approx 600$ s (là thời điểm nước đá vừa nóng chảy hoàn toàn).

• Công suất trung bình:

Từ Bảng 5.2, cộng 9 giá trị công suất rồi chia cho 9:

$$\overline{P} = \dfrac{14{,}25 + 14{,}23 + 14{,}19 + 14{,}25 + 14{,}23 + 14{,}24 + 14{,}22 + 14{,}32 + 14{,}26}{9}$$

$$\overline{P} = \dfrac{128{,}19}{9} \approx 14{,}24 ; \text{W}$$

• Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá:

Với $m = 0{,}025$ kg:

$$\lambda_{H_2O} = \dfrac{\overline{P} \cdot \tau_M}{m} = \dfrac{14{,}24 \cdot 600}{0{,}025} = \dfrac{8544}{0{,}025}$$

$$\lambda_{H_2O} \approx 341,760 ; \text{J/kg} \approx 3{,}42 \cdot 10^5 ; \text{J/kg}$$

• Sai số của phép đo (so với giá trị chuẩn ở Bảng 5.1 là $\lambda_0 = 3{,}34 \cdot 10^5$ J/kg):

$$\delta = \dfrac{|\lambda_{H_2O} – \lambda_0|}{\lambda_0} \cdot 100\% = \dfrac{|3{,}42 – 3{,}34|}{3{,}34} \cdot 100\% \approx 2{,}4\%$$

• So sánh và giải thích:

Kết quả đo được ($\approx 3{,}42 \cdot 10^5$ J/kg) lớn hơn giá trị chuẩn ở Bảng 5.1 ($3{,}34 \cdot 10^5$ J/kg) khoảng 2,4 %. Nguyên nhân gây ra sự sai khác có thể là:

• Sai số của các dụng cụ đo (oát kế, nhiệt 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, cánh khuấy, đầu đo nhiệt kế…
• Sai số khi đọc $\tau_M$ trên đồ thị.

Em có thể

Xác định được nhiệt nóng chảy riêng của một chất

Lời giải:

Gợi ý các bước (tương tự thí nghiệm đo nhiệt nóng chảy riêng của nước đá):

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 sau mỗi khoảng thời gian đều đặn (ví dụ 2 phút), ghi lại giá trị công suất $P$ và nhiệt độ $t$ theo thời gian $\tau$.

Bước 4. Vẽ đồ thị $t$ theo $\tau$. Xác định giai đoạn chất đang nóng chảy (nhiệt độ giữ không đổi), tìm điểm giao $M$ giữa hai đường thẳng, đọc $\tau_M$.

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

$$\lambda = \dfrac{\overline{P} \cdot \tau_M}{m}$$

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

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

Lời giải:

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

• Công nghệ phân kim (tách kim loại khỏi quặng hỗn hợp): dựa vào việc các kim loại khác nhau có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt nóng chảy riêng khác nhau. Khi nung hỗn hợp đến một nhiệt độ nhất định, chỉ những kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn mới bị nóng chảy và tách ra khỏi hỗn hợp.
• Dùng thiếc để hàn: thiếc có nhiệt độ nóng chảy thấp (khoảng 232 °C) và nhiệt nóng chảy riêng không quá lớn → dễ dàng dùng mỏ hàn nung chảy thiếc để nối các chi tiết kim loại khác lại với nhau.
• Đúc kim loại (chuông, tượng, chi tiết máy): kim loại được nung nóng chảy rồi đổ vào khuôn có hình dạng mong muốn. Biết nhiệt nóng chảy riêng giúp tính được lượng nhiệt cần cấp cho lò nung và thời gian nung.
• Dùng nước đá làm lạnh thức uống, thực phẩm: khi tan, nước đá thu vào một nhiệt lượng khá lớn ($\lambda_{nước,đá} = 3{,}34 \cdot 10^5$ J/kg) mà nhiệt độ giữ nguyên ở 0 °C → làm lạnh hiệu quả và duy trì nhiệt độ thấp trong thời gian dài.
• Bảo quản thực phẩm bằng đá khô ($CO_2$ rắn): đá khô có nhiệt độ chuyển thể rất thấp (khoảng −78 °C) và thu nhiệt lớn khi thăng hoa → giữ lạnh thực phẩm mà không làm ướt.

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