SKKN Vận dụng kiến thức bài học công thức tính nhiệt lượng và phương trình cân bằng nhiệt để giải bài tập

Nội dung text: SKKN Vận dụng kiến thức bài học công thức tính nhiệt lượng và phương trình cân bằng nhiệt để giải bài tập

1. nóng thêm lên một số độ như nhau, ta phải cung cấp cho nước một nhiệt lượng gấp 5 lần nhiệt lượng cần cung cấp cho đất. Ngược lại, nếu muốn chúng lạnh đi một số độ như nhau, nước phải mất đi một nhiệt lượng gấp hơn 5 lần nhiệt lượng mà đất mất đi. Có thể nói rằng nước thay đổi nhiệt độ khó hơn đất gấp 5 lần. Điều đó giải thích được vì sao những miền ở gần biển, gần những hồ lớn, có khí hậu ôn hòa hơn những miền ở xa các khối nước lớn. Khi trời nắng nóng, đất nóng nhanh hơn nước và nhiệt độ của nó cao hơn nhiệt độ của nước. Vì thế, nó vừa nhận nhiệt lượng do Mặt Trời cung cấp, vừa truyền bớt một phần nhiệt lượng đó cho nước biển, do đó nó lại nguội bớt đi một chút. Khi trời lạnh đi, đất lạnh nhanh hơn nước, nhiệt độ của nó thấp hơn nhiệt độ của nước. Vì thế nó vừa mất bớt nhiệt lượng đi, vừa nhận thêm nhiệt lượng mà nước biển truyền cho nó, do đó đất ấm lên một chút. Như vậy biển có tác dụng điều hòa khí hậu, làm cho những miền đất ở lân cận nó đỡ nóng và đỡ lạnh hơn những miền đất ở xa biển khi thời tiết thay đổi. Nguyên lí truyền nhiệt là định lí tổng quát nhất của sự truyền nhiệt. Ta không thể chứng minh được nó, nhưng kinh nghiệm đời sống và kinh nghiệm khoa học cho thấy rằng mọi sự truyền nhiệt đều tuân theo nguyên lí này. Khi ta nói rằng nhiệt chỉ truyền từ vật nóng sang vật lạnh, giống như nước chỉ chảy từ chỗ cao xuống chỗ thấp, thì đó chỉ là một cách so sánh để minh họa, không phải là một sự chứng minh. Trong phương trình cân bằng nhiệt, Q tỏa ra và Q thu vào đều được tính bằng công thức Q = m.c.∆t, trong đó ∆t = t1 t2 = t2 t1 . Ở đây ∆t là một số học, nghĩa là ta chỉ cần lấy nhiệt độ cao trừ đi nhiệt độ thấp, không cần quan tâm đâu là nhiệt độ đầu, đâu là nhiệt độ cuối. Phương trình cân bằng nhiệt được xây dựng từ khi thuyết chất nhiệt được mọi người công nhận. Các nhà vật lí cho rằng chất nhiệt không tự sinh ra và không tự nó mất đi, nó chỉ chảy từ vật này sang vật khác, vì vậy nhiệt lượng do vật nóng tỏa ra phải bằng nhiệt lượng do vật lạnh thu vào. Sau này khi thuyết chất nhiệt đã bị loại bỏ thì phương trình cân bằng nhiệt vẫn được công nhận, vì nó phản ánh đúng quá trình diễn ra trong sự truyền nhiệt. Cơ sở của phương trình cân bằng nhiệt là định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng. 2.10. Nhìn xa hơn về “Cân bằng nhiệt”: Nhiệt kế thông thường được chế tạo dựa trên một nguyên lí phát biểu đơn giản rằng: Khi hai vật cùng cân bằng nhiệt với một vật thứ ba thì chúng cân bằng nhiệt với nhau. Khi chúng ta đặt thức ăn, ví dụ như thịt, bánh, vào trong lò nướng thì nhiệt năng của lò nướng được truyền sang thức ăn. Quá trình tiếp tục cho đến khi có sự cân bằng nhiệt giữa thức ăn và không khí bên trong lò nướng. Khi đó, thức ăn và không khí bên trong lò nướng có nhiệt độ bằng nhau. 2.11. Học giải toán: a) Tính nhiệt lượng: Nhiệt lượng một vật thu vào hoặc tỏa ra phụ thuộc khối lượng, độ tăng hoặc giảm nhiệt độ của vật và nhiệt dung riêng của chất làm vật: Q = mc∆t. 4
2. mnh = 200g = 0,2kg ; Vn = 2lít → mn = 2kg o o t1 = 30 C ; t2 = 100 C cnh = 800J/kg.K ; cn = 4200J/kg.K Q = ? (J) Giải: Nhiệt lượng thu vào của ấm nhôm là: Qâ = mnh.cnh.(t2 – t1) = 0,2.880.(100 – 30) = 12320 (J). Nhiệt lượng thu vào của 2 lít nước là: Qn = mn.cn.(t2 – t1) = 2.4200.(100 – 30) = 58800 (J). Vì bỏ qua nhiệt lượng do môi trường ngoài hấp thụ nên nhiệt lượng thu vào của ấm nước từ 30oC đến khi sôi là: Q = Qâ + Qn = 12320 + 58800 = 600320 (J). Bài tập 3: Một vật làm bằng thép ở 20 oC, sau khi nhận thêm một nhiệt lượng là 184000J thì nhiệt độ của nó lên đến 100oC. Hỏi vật đó có khối lượng là bao nhiêu? Biết nhiệt dung riêng của thép là 460J/kg.K. Tóm tắt: o o t1 = 20 C ; t2 = 100 C Q = 184000J ; c = 460J/kg.K m = ? (kg) Giải: Q Từ công thức: Q = m.c.(t2 – t1) m c. t2 t1 Q 184000 Khối lượng của vật là: m 5 (kg) c. t2 t1 460.(100 20) Bài tập 4: Một vật có khối lượng 9 kg khi nhận thêm một nhiệt lượng là 1188kJ thì nhiệt độ của nó tăng thêm 150 oC. Hỏi vật đó làm bằng chất gì? Cho sử dụng bảng nhiệt dung riêng của một số chất ở sách giáo khoa. Tóm tắt: m = 9kg; Q = 1188kJ = 1188000J; ∆t = 150oC c = ? (J/kg.K) Giải: Qthu Từ công thức: Q thu = m.c.∆t c m. t Q 1188000 Vậy nhiệt dung riêng: c thu 880 (J/kg.K) m. t 9.150 Tra bảng nhiệt dung riêng của một số chất ở SGK ta thấy nhiệt dung riêng của nhôm là 880J/kg.K. Vậy, chất đó làm bằng nhôm. Bài tập 5: Sau khi nhận thêm một nhiệt lượng là 2310kJ thì nhiệt độ của một chiếc tượng đồng lên đến 200 oC. Hỏi nhiệt độ ban đầu của tượng đồng là 6
3. Qci 1680000 Suy ra: mn 5(kg) cn.(t2 t1) 4200.(100 20) 3.3. Dạng 3: Dựa vào phương trình cân bằng nhiệt để tính các đại lượng có liên quan khi bỏ qua sự hao phí nhiệt: Phương pháp giải: Áp dụng công thức tính nhiệt lượng thu vào hay tỏa ra: Q th = m.c.∆t hay Q th = m.c.(t1 – t2). Q t = m.c.∆t hay Q t = m.c.(t2 – t1). Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt: Qt = Q th. Nếu chỉ hai vật truyền nhiệt cho nhau thì ta có: Qt = mt.ct.(t1t – t2) và Qth = mth.cth.(t2 – t1th) Suy ra: mt.ct.(t1t – t2) = mth.cth.(t2 – t1th). (1) - Tính khối lượng của vật tỏa nhiệt hay thu nhiệt. Ta có: mth.cth. t2 t1th mt .ct . t1t t2 mt mth ct . t1t t2 cth. t2 t1th - Tính nhiệt độ của hỗn hợp sau khi cân bằng nhiệt: Từ (1) ta có: mt.ct.t1t – mt.ct.t2 = mth.cth.t2 – mth.cth.tth suy ra: mt .ct .t1t mth.cth.t1th mt.ct.t1t + mth.cth.t1th = (mt.ct + mth.cth).t2 t2 . mt .ct mth.cth - Tính nhiệt độ ban đầu của vật tỏa nhiệt hay thu nhiệt: mth.cth. t2 t1th mth.cth.(t2 t1th ) Từ (1) ta có: t1t t2 t1t t2 . mt .ct mt .ct mt .ct . t1t t2 mt .ct .(t1t t2 ) Suy ra: t2 t1th t1th t2 . mth.cth mth.cth Bài tập 1: Một nhiệt kế có khối lượng 50g, nhiệt dung riêng 138J/kg.K và đang chỉ nhiệt độ 10 oC. Đem nhiệt kế này nhúng toàn bộ vào trong 500g nước. Nếu nhiệt kế chỉ 45 oC, thì giá trị thực của nhiệt độ của nước khi nhúng nhiệt kế vào là bao nhiêu? Nêu nhận xét. (lấy nhiệt dung riêng của nước bằng 4200J/kg.K). Giải: Nhiệt lượng mà nhiệt kế hấp thụ từ nước tỏa ra: Q1 = m1.c1.∆t1 = 0,050.138.(45 – 10) = 241,5J. Phương trình cân bằng nhiệt cho biết nhiệt lượng do nhiệt kế hấp thụ vào cũng bằng nhiệt lượng tỏa ra của nước: Ta có: Q2 = m2.c2.∆t2 = 241,5J. 241,5 241.5 o Suy ra: t2 0,12 C m2.c2 0.500.4200 o o o o Hay ∆t2 = t2 – t1 → t2 = t1 + 0,12 C = 45 C + 0,12 C = 45,12 C. Vậy nhiệt độ thực của nước là 45,12oC. Nhận xét: Nhiệt độ thực của nước có cao hơn so với nhiệt độ nhiệt kế chỉ, vì khi ta nhúng nhiệt kế vào thì nhiệt kế cũng đã hấp thụ một phần nhiệt lượng 8
4. Giải: Gọi t2 là nhiệt độ cuối cùng của nồi nước khi có sự cân bằng nhiệt. Ta có: Nhiệt lượng do nước tỏa ra: Qt = mn.cn.(t1n – t2) (1) Nhiệt lượng do nồi nhôm thu vào: Qnhth = mnh.cnh.(t2 – t1nh) (2) Nhiệt lượng do môi trường ngoài hấp thụ: Qmtth = 0,3.Qt = 0,3.mn.cn.(t1n – t2) (3) Theo phương trình cân bằng nhiệt ta có: Qt = Qth (4) Từ (1), (2), (3) và (4) ta có: mn.cn.(t1n – t2) = mnh.cnh.(t2 – t1nh) + 0,3.mn.cn.(t1n – t2). Suy ra: mnh.cnh.(t2 – t1nh) = 0,7. mn.cn.(t1n – t2) Vậy, khối lượng của nồi nhôm là: 0,7.mn.cn. t1n t2 0,7.5.4200.(100 90) mnh 2,4(kg) cnh. t2 t1nh 880.(90 20) 3.5. Bài tập dạng khác: Bài tập 1: Trộn lẫn rượu vào nước, người ta thu được một hỗn hợp nặng 140 gam ở nhiệt độ t = 36oC. Tính khối lượng nước và rượu đã pha biết rằng ban o o đầu rượu có nhiệt độ t1 = 19 C và nước có nhiệt độ t2 = 100 C. Nhiệt dung riêng của rượu và nước là: c1 = 2500J/kg.độ ; c2 = 4200J/kg.độ. Giải: Gọi m1, m2 là khối lượng rượu và nước. - Nhiệt lượng rượu thu vào: Q1 = m1.c1.(t – t1) - Nhiệt lượng nước tỏa ra: Q2 = m2.c2.(t2 – t) Khi có cân bằng nhiệt: Q1 = Q2 m1.c1.(t – t1) = m2.c2.(t2 – t) m c (t t) 4200(100 36) 1 2 2 6,3 m2 c1(t t1) 2500(36 19) m1 = 6,3 m2 Mặt khác: m1 + m2 = 140 (g) 6,3m1 + m2 = 7,3m2 = 140 → m2 = 19,18 (g) m1 = 6,3.m2 = 6,3.19,18 ≈ 120,82 (g) Vậy, các khối lượng ban đầu: m1 = 120,82 (g); m2 = 19,18 (g). Bài tập 2: Trộn 5 lít nước ở 10 oC và 5 lít nước ở 30 oC vào một nhiệt lượng kế thì có được 10 lít nước có nhiệt độ là: A. 10oC. 5 lít 5 lít B. 15oC. C. 20oC. o D. 25 C. 10 lít 10oC 30oC t Giải: Chọn C. 10
5. 4. Nhận xét: Báo cáo SKKN này, tôi đã triển khai đến HS lớp 8. Báo cáo trước tổ chuyên môn và hội đồng thẩm định SKKN nhà trường. Được đánh giá có tính sáng tạo và thiết thực đối với GV và HS, cũng như phân loại được các dạng bài tập cho từng đối tượng HS. Qua đó GVBM có thể lấy làm tư liệu để nâng cao trình độ chuyên môn và trong giảng dạy, HS nắm được kiến thức lý thuyết cơ bản, mở rộng và phương pháp giải đối với từng kiểu bài. Điều đó sẽ làm cho HS yêu thích môn học, đồng thời kết quả học tập tốt hơn. Như vậy sẽ từng bước nâng cao chất lượng Dạy và Học của bộ môn. SKKN có cơ sở khoa học đúng và xây dựng trên cơ sở lý thuyết khoa học cơ bản của những nhà Bác học dày công nghiên cứu để lại, khi áp dụng vào thực hành giải toán Vật Lí linh hoạt, có sự sáng tạo vào từng dạng bài tập ở mức độ từ cơ bản đến nâng cao, thiết thực trong quá trình dạy học cũng như dạy học theo chủ đề bài tập. 5. Hiệu quả: 5.1. Số liệu điều tra trước khi thực hiện SKKN: Giỏi Khá Trung bình Yếu Lớp Sĩ số SL % SL % SL % SL % 8 40 2 5% 8 20% 20 50% 10 25% 5.2. Số liệu điều tra sau khi thực hiện báo cáo SKKN: Giỏi Khá Trung bình Yếu Lớp Sĩ số SL % SL % SL % SL % 8 40 4 10% 15 37,5% 16 40% 5 12,5% 5.3. Nhận xét: Nội Giỏi Khá Trung bình Yếu dung SL % SL % SL % SL % Tăng 2 5% 7 17,5% Giảm 4 10% 5 12,5% 6. Khả năng và điều kiện cần thiết để áp dụng sáng kiến: - Sáng kiến này dành cho GV và HS trong bộ môn Vật Lí 8, áp dụng rộng rãi trong trường THCS trong và ngoài thị xã. - Điều kiện cần thiết để áp dụng sáng kiến: + Giáo viên: Soạn nội dung bài tập trên Word và Powerpoint, bảng phụ ghi nội dung phương pháp giải bài tập, phiếu bài tập phát cho HS, máy tính cầm tay. + Học sinh: Sách giáo khoa, sách bài tập, đồ dùng học tập (gồm viết, thước, máy tính cầm tay, giấy nháp, .). III. Kết luận: Môn tự nhiên nói chung và bộ môn Vật Lí nói riêng là một môn học khó, đặc biệt đối với HS sống ở vùng có điều kiện kinh tế khó khăn như trường TH&THCS Phong Thạnh A. Do vậy sự yêu thích của HS đối với bộ môn này là 12