Câu hỏi mở đầu trang 27

Đề bài: Khi nước bắt đầu sôi, phải tiếp tục cung cấp nhiệt lượng cho nước để nước tiếp tục sôi (hoá hơi). Làm thế nào để xác định được độ lớn của nhiệt lượng làm hoá hơi hoàn toàn một lượng nước ở nhiệt độ không đổi?

Lời giải:

Để xác định được nhiệt lượng làm hoá hơi hoàn toàn một lượng nước ở nhiệt độ không đổi, ta cần biết:

• Khối lượng $m$ của nước cần hoá hơi.
• Nhiệt hoá hơi riêng $L$ của nước ở nhiệt độ đó.

Sau đó áp dụng công thức: $Q = Lm$.

I. Khái niệm nhiệt hóa hơi riêng

Hoạt động trang 28

Đề bài:

1. Tính nhiệt lượng cần thiết để làm cho 10 kg nước ở 25 °C chuyển hoàn toàn thành hơi ở 100 °C. Cho nhiệt dung riêng của nước là 4 200 J/kg.K; nhiệt hoá hơi riêng của nước ở 100 °C là $2{,}26 \cdot 10^6$ J/kg.
2. Vận động viên chạy marathon mất rất nhiều nước trong khi thi đấu. Các vận động viên thường chỉ có thể chuyển hoá khoảng 20% năng lượng hoá học dự trữ trong cơ thể thành năng lượng dùng cho các hoạt động của cơ thể, đặc biệt là hoạt động chạy. Phần năng lượng còn lại chuyển thành nhiệt thải ra ngoài nhờ sự bay hơi của nước qua hô hấp và da để giữ cho nhiệt độ của cơ thể không đổi. Nếu vận động viên dùng hết 11 000 kJ trong cuộc thi thì có khoảng bao nhiêu lít nước đã thoát ra khỏi cơ thể? Coi nhiệt độ cơ thể của vận động viên hoàn toàn không đổi và nhiệt hoá hơi riêng của nước trong cơ thể vận động viên là $2{,}45 \cdot 10^6$ J/kg.

Lời giải:

1.

Tóm tắt: $m = 10$ kg; $t_1 = 25$ °C; $t_2 = 100$ °C; $c = 4200$ J/kg.K; $L = 2{,}26 \cdot 10^6$ J/kg.

• Nhiệt lượng để nâng nhiệt độ nước từ 25 °C lên 100 °C:

$$Q_1 = m \cdot c \cdot (t_2 – t_1) = 10 \cdot 4200 \cdot (100 – 25) = 10 \cdot 4200 \cdot 75$$

$$Q_1 = 3,150,000 ; \text{J} = 3{,}15 \cdot 10^6 ; \text{J}$$

• Nhiệt lượng để nước hoá hơi hoàn toàn ở 100 °C:

$$Q_2 = L \cdot m = 2{,}26 \cdot 10^6 \cdot 10 = 2{,}26 \cdot 10^7 ; \text{J}$$

• Tổng nhiệt lượng cần cung cấp:

$$Q = Q_1 + Q_2 = 3{,}15 \cdot 10^6 + 2{,}26 \cdot 10^7 \approx 2{,}575 \cdot 10^7 ; \text{J}$$

2.

Tóm tắt: Tổng năng lượng vận động viên tiêu thụ: $E = 11,000$ kJ $= 11 \cdot 10^6$ J; hiệu suất dùng cho hoạt động 20 %; $L = 2{,}45 \cdot 10^6$ J/kg.

• Phần năng lượng chuyển thành nhiệt (thải ra ngoài để giữ nhiệt độ cơ thể không đổi):

$$Q = 80\% \cdot E = 0{,}8 \cdot 11 \cdot 10^6 = 8{,}8 \cdot 10^6 ; \text{J}$$

• Khối lượng nước bay hơi khỏi cơ thể:

Áp dụng $Q = Lm$:

$$m = \dfrac{Q}{L} = \dfrac{8{,}8 \cdot 10^6}{2{,}45 \cdot 10^6} \approx 3{,}59 ; \text{kg}$$

• Thể tích nước bay hơi (khối lượng riêng của nước $\approx 1$ kg/L):

$$V \approx 3{,}59 ; \text{L}$$

Vậy vận động viên mất khoảng 3,59 lít nước trong cuộc thi.

II. Thực hành đo nhiệt hóa hơi riêng của nước

Hoạt động trang 28 (Thiết kế phương án thí nghiệm)

Đề bài: Hãy thực hiện các yêu cầu sau:

• Từ công thức (6.3), cho biết cần đo đại lượng nào để xác định nhiệt hoá hơi riêng của nước.
• Nhiệt lượng làm cho nước trong bình nhiệt lượng kế hoá hơi được lấy từ đâu?
• Xác định nhiệt lượng nước trong bình nhiệt lượng kế thu được để hoá hơi bằng cách nào?
• Mô tả các bước tiến hành thí nghiệm.
• Để đảm bảo an toàn trong khi làm thí nghiệm cần phải chú ý điều gì?

Lời giải:

• Các đại lượng cần đo:

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

• Khối lượng $m$ của nước đã hoá hơi.
• Nhiệt lượng $Q$ mà nước thu được để hoá hơi.

• Nguồn nhiệt làm nước hoá hơi:

Nhiệt lượng làm nước trong bình nhiệt lượng kế hoá hơi được lấy từ nhiệt lượng do dây điện trở tỏa ra khi có dòng điện chạy qua (dây điện trở nhúng trong nước).

• Cách xác định nhiệt lượng $Q$:

Dùng oát kế đo công suất $P$ và đo thời gian $\tau$ trong khi nước đang sôi. Vì khi đó nhiệt độ nước giữ nguyên ở 100 °C, toàn bộ nhiệt lượng do dây điện trở tỏa ra được nước dùng để hoá hơi:

$$Q = P \cdot \tau$$

• Các bước tiến hành thí nghiệm:

1. Đặt nhiệt lượng kế lên cân. Đổ nước nóng vào nhiệt lượng kế. Xác định khối lượng nước trong bình.
2. Tháo nắp bình ra khỏi nhiệt lượng kế (để hơi nước thoát ra khi sôi).
3. Nối oát kế với điện trở và nguồn điện.
4. Đặt dây điện trở vào nhiệt lượng kế sao cho toàn bộ dây điện trở chìm trong nước.
5. Bật nguồn điện, đun sôi nước trong bình nhiệt lượng kế.
6. Sau mỗi khoảng thời gian 2 phút, đọc số đo công suất trên oát kế và khối lượng nước trên cân. Ghi kết quả vào vở theo mẫu Bảng 6.2.
7. Tắt nguồn điện.

• Chú ý an toàn:

• Không chạm vào bình nhiệt lượng kế hoặc dây điện trở khi đang đun (tránh bị bỏng).
• Tránh để hơi nước nóng bốc trực tiếp vào tay, mặt.
• Đặt nhiệt lượng kế vững chắc trên cân, không để nước tràn ra ngoài gây chập điện.
• Kiểm tra dây nối trước khi bật nguồn, không để dây điện tiếp xúc với nước.

Hoạt động trang 29 (Kết quả thí nghiệm)

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

• Vẽ đồ thị khối lượng $m$ theo thời gian $\tau$.
• Vẽ đường thẳng đi gần các điểm thực nghiệm nhất (tham khảo Hình 6.1). Chọn hai điểm P, Q tuỳ ý trên đồ thị, xác định giá trị khối lượng $m_P$, $m_Q$ và thời gian $\tau_P$, $\tau_Q$ tương ứng.
• Tính công suất trung bình của dòng điện qua điện trở của nhiệt lượng kế.
• Tính nhiệt hoá hơi riêng của nước theo công thức:

$$L = \dfrac{Q}{m} = \dfrac{\overline{P}(\tau_Q – \tau_P)}{m_P – m_Q}$$

• Xác định sai số của phép đo nhiệt hoá hơi riêng của nước.

Lời giải:

• Vẽ đồ thị:

Dùng số liệu Bảng 6.2, xác định 8 điểm thực nghiệm trên hệ trục $m$–$\tau$, rồi vẽ đường thẳng đi gần nhất các điểm thực nghiệm (tham khảo Hình 6.1). Đồ thị là đường thẳng đi xuống vì khối lượng nước giảm dần do bay hơi.

• Chọn hai điểm P, Q trên đồ thị:

Đọc theo Hình 6.1:

• Điểm P: $\tau_P = 200$ s; $m_P = 0{,}1187$ kg.
• Điểm Q: $\tau_Q = 700$ s; $m_Q = 0{,}1153$ kg.

• Công suất trung bình của dòng điện:

Không tính giá trị $P = 0$ tại $\tau = 0$ (chưa bật nguồn), tính trung bình 7 giá trị còn lại:

$$\overline{P} = \dfrac{15{,}21 + 15{,}19 + 15{,}21 + 15{,}23 + 15{,}19 + 15{,}21 + 15{,}19}{7}$$

$$\overline{P} = \dfrac{106{,}43}{7} \approx 15{,}20 ; \text{W}$$

• Nhiệt hoá hơi riêng của nước:

Với $\tau_Q – \tau_P = 700 – 200 = 500$ s và $m_P – m_Q = 0{,}1187 – 0{,}1153 = 0{,}0034$ kg:

$$L = \dfrac{\overline{P}(\tau_Q – \tau_P)}{m_P – m_Q} = \dfrac{15{,}20 \cdot 500}{0{,}0034}$$

$$L = \dfrac{7600}{0{,}0034} \approx 2,235,294 ; \text{J/kg} \approx 2{,}24 \cdot 10^6 ; \text{J/kg}$$

• Sai số của phép đo (so với giá trị chuẩn ở Bảng 6.1 là $L_0 = 2{,}26 \cdot 10^6$ J/kg):

$$\delta = \dfrac{|L – L_0|}{L_0} \cdot 100\% = \dfrac{|2{,}24 – 2{,}26|}{2{,}26} \cdot 100\% \approx 0{,}9\%$$

• Nhận xét: kết quả đo được rất gần với giá trị chuẩn (sai số chỉ ~0,9 %). Nguyên nhân gây ra sự sai khác (nếu có) có thể là:

• Sai số của các dụng cụ đo (oát kế, cân điện tử).
• Bình nhiệt lượng kế không cách nhiệt hoàn toàn → một phần nhiệt bị mất ra môi trường xung quanh.
• Một phần hơi nước có thể ngưng tụ ở miệng bình → chưa thoát hết ra ngoài.
• Sai số khi đọc tọa độ P, Q trên đồ thị.

Em có thể

Xác định được nhiệt hóa hơi riêng của nước ở nhiệt độ sôi

Lời giải:

Gợi ý các bước (tương tự thí nghiệm đo nhiệt hóa hơi riêng của nước ở phần thực hành):

Bước 1. Đổ nước nóng vào bình nhiệt lượng kế, đặt trên cân điện tử để đo khối lượng nước ban đầu.

Bước 2. Nhúng dây điện trở vào nước, nối với oát kế và nguồn điện.

Bước 3. Bật nguồn, đun sôi nước. Cứ sau 2 phút, ghi lại công suất $P$ trên oát kế và khối lượng $m$ trên cân theo thời gian $\tau$.

Bước 4. Vẽ đồ thị $m$ theo $\tau$, chọn hai điểm P, Q trên đường thẳng gần nhất các điểm thực nghiệm.

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

$$L = \dfrac{\overline{P}(\tau_Q – \tau_P)}{m_P – m_Q}$$

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

Sử dụng khái niệm nhiệt hóa hơi riêng để giải thích các hiện tượng có liên quan

Lời giải:

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

• Mồ hôi làm mát cơ thể: khi mồ hôi bay hơi khỏi da, mỗi kg mồ hôi bay hơi phải thu vào một nhiệt lượng lớn (khoảng $2{,}45 \cdot 10^6$ J) từ cơ thể → cơ thể mất nhiệt và mát đi. Đây là cơ chế tự điều hoà nhiệt độ của con người.
• Bỏng do hơi nước nóng nguy hiểm hơn bỏng do nước sôi: cùng ở 100 °C nhưng khi hơi nước ngưng tụ trên da, nó tỏa thêm nhiệt lượng $L = 2{,}26 \cdot 10^6$ J/kg (rất lớn) trước khi làm da nóng lên → tổn thương nghiêm trọng hơn nhiều so với chỉ tiếp xúc với nước sôi.
• Máy điều hòa và tủ lạnh: chất làm lạnh bay hơi trong dàn lạnh, thu nhiệt của phòng (hoặc thức ăn trong tủ lạnh) → phòng/tủ lạnh mát đi. Sau đó chất này ngưng tụ ở dàn nóng bên ngoài, tỏa nhiệt ra môi trường.
• Nồi hấp tiệt trùng dùng hơi nước: khi hơi nước ngưng tụ trên bề mặt dụng cụ y tế, nó tỏa ra nhiệt lượng rất lớn (do $L$ lớn) → làm nóng và tiêu diệt vi khuẩn nhanh chóng và hiệu quả.
• Vòng tuần hoàn nước trong tự nhiên: năng lượng Mặt Trời làm nước biển bay hơi (mỗi kg nước bay hơi cần khoảng $2{,}39 \cdot 10^6$ J ở 50 °C). Hơi nước bay lên cao, gặp lạnh ngưng tụ thành mây → mưa. Chính $L$ lớn của nước giúp Mặt Trời điều hoà khí hậu và duy trì vòng tuần hoàn này.

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