Giải KHTN 8 sách VNEN bài 23: Phương trình cân bằng nhiệt

A. HOẠT ĐỘNG KHỞI ĐỘNG

Câu 1. Dùng ngọn lửa đèn cồn để làm nóng một lượng nước trong cốc (Hình 23.1).

•  Nhiệt lượng mà nước hấp thụ vào phụ thuộc vào các yếu tố nào ? Tại sao ?
•  Hãy đưa ra phương án thí nghiệm để kiểm tra khẳng định đó.

Trả lời:

- Nhiệt lượng mà nước nhận được phụ thuộc vào nhiệt được chuyển từ ngọn lửa đèn cồn. Vì đây là hiện tượng truyền nhiệt.

- Phương án thí nghiệm sau:  ta dùng 2 cốc dựng nước như nhau, sau đó ta đưa một ngọn lửa đèn cồn vào dưới 1 cốc. Tiếp theo ta sử dụng nhiệt kế đo nhiệt độ nước của 2, cốc nhiệt độ của cốc được ngọn lửa làm nóng sẽ có nhiệt độ lớn hơn từ đó ta suy ra được nhiệt lượng của cốc nước phụ thuộc vào ngọn lửa đèn cồn.

Câu 2. Có cách nào không dùng đèn cồn mà cũng làm cho nước trong cốc nóng lên được? Mô tả cách làm. Tại sao lại làm được như vậy ?

Trả lời:

Ta có thể đem cốc nước phơi ra nắng để làm cốc nước nóng lên. Khi đó có hiện tượng bức xạ nhiệt xảy ra và cốc nước sẽ nóng lên.

Câu 3. Đổ cốc nước có nhiệt độ $t_1$ vào cốc nước có nhiệt độ $t_2$ ( $t_1 > t_2$) thì nhiệt độ cuối cùng của nước ở trong khoảng nào ? Vì sao em đoán được như vậy ?

Trả lời:

- Đổ cốc nước có nhiệt độ $t_1$ vào cốc nước có nhiệt độ $t_2$ ( $t_1 > t_2$) thì nhiệt độ cuối cùng của nước ở trong khoảng từ $t_2$ đến $t_1$. 

- Vì khi đổ 2 cốc vào nhau xảy ra quá trình truyền nhiệt, nhiệt của cốc nước có nhiệt độ $t_1$ giảm đi và nhiệt của cốc nước có nhiệt độ $t_2$ tăng lên và cuối cùng cốc nước có nhiệt độ trong khoảng từ $t_2$ đến $t_1$ . 

B. HOẠT ĐỘNG HÌNH THÀNH KIẾN THỨC

1. Chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm: 2 cốc nước, 1 cốc rượu, 1 nhiệt kế, cân điện tử, 2 đèn cồn, đồng hồ bấm giây, giá đỡ, ...

Tiến hành thí nghiệm theo các trường hợp sau đây:

a) Hai cốc đều chứa nước có khối lượng khác nhau (Hình 23.2)

• Cùng bật đèn cồn (điều chỉnh sao cho hai ngọn lửa như nhau), theo dõi thời gian đun làm hai cốc nước nóng lên cho đến khi chúng có nhiệt độ như nhau (chẳng hạn đến $40^{0}C$).
• Cốc nào đun lâu hơn? Cốc nào nhận nhiệt lượng nhiều hơn?

Trả lời:

• Cốc thứ hai có khối lượng lớn hơn đun lâu hơn. Cốc thứ hai nhận nhiệt lượng nhiều hơn.

b) Hai cốc đều chứa nước có khối lượng như nhau

• Cùng bật đèn cồn (điều chình sao cho hai ngọn lửa như nhau), thời gian đun mỗi cốc khác nhau.
• Cốc nào tăng nhiệt độ nhiều hơn? Cốc nào nhận nhiệt lượng nhiều hơn?

Trả lời:

• Cốc nào đun lâu hơn thì tăng nhiệt độ nhiều hơn.
• Cốc nào đun lâu hơn thì nhận nhiệt lượng nhiều hơn.

c) Một cốc chứa nước, một cốc chứa rượu có khối lượng như nhau

•  Cùng bật đèn cồn (điều chỉnh sao cho hai ngọn lửa như nhau), theo dõi thời gian đun của hai cốc khi chúng tăng đến cùng một nhiệt độ (chẳng hạn đến $40^{o}C$).
•  Cốc nào đun lâu hơn? Cốc nào nhận nhiều nhiệt lượng hơn?

Trả lời:

• Cốc nước đun lâu hơn. Cốc nước nhận nhiệt lượng lớn hơn.

2. Thảo luận, hoàn thành các kết luận:

a) Nhiệt lượng vật thu vào để làm nó nóng lên phụ thuộc vào các yếu tố nào ?

b) Nhiệt lượng vật thu vào để nóng lên

- càng ............... khi khối lượng của vật càng lớn (với cùng một độ tăng nhiệt độ).

- càng ............... thì độ tăng nhiệt độ của vật càng lớn (với cùng khối lượng).

- phụ thuộc vào ............... cấu tạo lên vật.

Trả lời:

a) Nhiệt lượng vật thu vào để làm nó nóng lên phụ thuộc vào các yếu tố:

- Khối lượng ( m ).

- Độ tăng nhiệt độ ( $\Delta t$ ).

- Chất cấu tạo nên vật ( c ).

b) Nhiệt lượng vật thu vào để nóng lên

- Càng lớn khi khối lượng của vật càng lớn (với cùng một độ tăng nhiệt độ).

- Càng lớn thì độ tăng nhiệt độ càng lớn (với cùng khối lượng).

- Phụ thuộc vào chất cấu tạo lên vật.

3. Đọc thông tin và trả lời câu hỏi.

- Nhiệt lượng vật thu vào được tính bằng công thức: Q = m.c.$\Delta t$

Trong đó: Q là nhiệt lượng của vật thu vào, đơn vị là J; $\Delta t$ = ($t_1 – t_2$) là độ tăng nhiệt độ của vật, đơn vị là $^{o}$C hoặc K ; c là hằng số phụ thuộc vào khả năng thu nhiệt của vật, gọi là nhiệt dung riêng của chất làm vật.

- Nhiệt dung riêng của một chất cho biết nhiệt lượng cần truyền cho chất đó để nhiệt độ tăng thêm 1$^{o}$C (1K).

- Đơn vị của nhiệt dung riêng là J/kg.K.

- Nhiệt dung riêng của nước là 4200 J/kg.K có nghĩa là gì ?

Trả lời:

Nhiệt dung riêng của nước là 4200 J/kg.K có nghĩa là muốn làm cho 1 kg nước tăng lên 1$^{o}$C thì phải cung cấp một nhiệt lượng cho nước là 4200J.

4. Nguyên lí truyền nhiệt

Khi có hai vật trao đổi nhiệt với nhau thì:

a) Vật tự truyền nhiệt từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn.

b) Sự truyền nhiệt xảy ra cho tới khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau thì ngừng lại.

c) Nhiệt lượng do vật này toả ra bằng nhiệt lượng do vật kia hấp thụ vào.

5. Phương trình:  $Q_{toảra}$  = $Q_{thuvào}$ được gọi là phương trình cân bằng nhiệt.

- Hệ gồm hai vật: Vật 1 thu nhiệt và vật 2 toả nhiệt. Phương trình cân bằng nhiệt như sau:

$m_1$.$c_1$.$\Delta t_2$ =  $m_2$.$c_2$.$\Delta t_2$ 

Hãy mô tả và giải thích các kí hiệu có trong phương trình.

Trả lời:

Nhiệt lượng do vật 1 toả ra bằng nhiệt lượng do vật 2 thu vào và tính bằng công thức Q = m.c. Δt

$Q_{toảra}$ là nhiệt lương vật 1 toả ra (J).

$Q_{thuvào}$ là nhiệt lượng vật 2 thu vào (J).

$m_1$ là khối lượng của vật 1 (kg).

$m_2$ là khối lượng của vật 2 (kg).

$c_1$ là nhiệt dung riêng của chất 1 (J/kg.K).

$c_2$ là nhiệt dung riêng của chất 2 (J/kg.K)

$\Delta t_1$ là độ giảm nhiệt độ của vật 1 (K).

$\Delta t_2$ là độ tăng nhiệt độ của vật 2(K).

C. HOẠT ĐỘNG LUYỆN TẬP

Bài 1. Nêu ý nghĩa của các con số trong bảng 23.1.

Bảng 23.1

Trả lời:

- Ý nghĩa: cho biết nhiệt lượng cần cung cấp để 1kg chất nóng lên 1$^{o}$C(K).

- Ví dụ: cần cung cấp 4200J để 1 kg nước nóng lên 1$^{o}$C.

Bài 2. Tính nhiệt lượng cần truyền cho 5 kg đồng để tăng nhiệt độ từ 25°C lên 40°C.

Trả lời:

- Tóm tắt: m = 5kg ; c = 380J/kg.K ; $t_1$ = $20^{o}C$ ; $t_2$ = 50$^{o}$C. Q = ?

- Nhiệt lượng cần truyền cho 5kg đồng để tăng nhiệt độ từ 20°C lên 50°C:

Q = m.c. $\Delta t$ = 5.380.(50 - 20) = 57000J = 57 kJ. 

Bài 3. Một ấm đun nước bằng nhôm có khối lượng 0,5 kg chứa 2 lít nước ở 20$^{o}$C. Muốn đun sôi ấm nước này cần một nhiệt lượng tối thiểu bằng bao nhiêu?

Trả lời:

- Tóm tắt: 

$m_1$ = 0,5 kg 

ấm chứa 2 lít nước => $m_2$ =2 kg 

$t_1$ = 20$^{o}$C

$t_2$ = 100$^{o}$C

$c_1$ = 880 J/kg.K

$c_2$ = 4200 J/kg.K

Q = ?

- Giải: Để nước sôi thì cả ấm và nước đều đạt tới 100$^{o}$C (vì khi chỉ có nước nóng tới 100$^{o}$C còn ấm không tới thì cân bằng nhiệt sẽ xảy ra làm nước không đạt tới 100$^{o}$C).

+ Nhiệt lượng ấm thu vào là :

$Q_1 = m_1 . c_1 . (t_2 – t_1)$ = 0,5.880.75 = 33000J

+ Nhiệt lượng nước thu vào là :

$Q_2 = m_2 . c_2 . (t_2 – t_1)$ = 2.4200.75 = 630000J

+ Vậy nhiệt lượng tối thiểu để đun sôi ấm nước là:

$Q = Q_1 + Q_2$ = 663000J

Bài 4. Thả một quả cầu nhôm khối lượng 0,15 kg được đun nóng tới 100$^{o}$C vào một cốc nước ở 20$^{o}$C. Sau một thời gian, nhiệt độ của quả cầu và của nước đều bằng 25$^{o}$C. Tính khối lượng nước, coi như chỉ có quả cầu và nước truyên nhiệt cho nhau.

Trả lời:

- Tóm tắt  

$m_1$ = 0, 15kg

$c_1$ = 880 J/kg.K

$c_2$ =4200 J/kg.K

$t_1$ = 100$^{o}$C

$t$ = 25$^{o}$C

$t_2$ = 20$^{o}$C  

$m_2$ = ?

- Giải:

+ Ta có phương trình cân bằng nhiệt:

$m_1$.$c_1$.$\Delta t_2$ =  $m_2$.$c_2$.$.$\Delta t_2$ 

=> $m_2$ =  $\frac{m_1.c_1.\Delta t_1}{c_2.\Delta t_2 }$ =  $\frac{0,15 . 880 . 75}{4200 . 5}$ $\approx$ 0,47 (kg)

- Vậy khối lượng nước là 0,47 kg.

E. HOẠT ĐỘNG TÌM TÒI MỞ RỘNG

Bài 1. Tìm hiểu nhiệt độ của một số động vật biến nhiệt liên quan đến sư trao đổi nhiệt với môi trường như thế nào? Cơ thể người thường có những biểu hiện như thế nào khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi?

Trả lời:

- Động vật biến nhiệt là các động vật có thân nhiệt thay đổi đáng kể, có khả năng duy trì cân bằng nội môi về nhiệt. Thông thường thì sự thay đổi bằng với nhiệt độ môi trường xung quanh.

- Những biểu hiện của cơ thể con người khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi:

+ Khi lạnh:

•  25 độ C. Ở nhiệt độ này, cơ thể sẽ bắt đầu run để tạo ra nhiệt bên trong và duy trì nhiệt độ chính. Vùng dưới đồi trong não kích hoạt cơ chế điều hòa nhiệt độ. Kết quả là các mạch cung cấp máu tới các chi (tay và chân) bắt đầu co lại để tránh mất nhiệt từ các cơ quan chính.
•  Dưới 20 độ C. Khi ở nhiệt độ khoảng 20 độ C và thấp hơn, tất cả các phản ứng khác của cơ thể được khởi động:
• Cơ bụng co lại: Co cơ là một trong những cách tốt nhất của cơ thể để tạo ra nhiệt. Quá lạnh có thể gây run đến mức cơ thể có thể tăng sinh nhiệt gấp 5 lần.
• Chuyển hóa chậm lại: Tất cả các phản ứng hóa học trong cơ thể đều cần năng lượng. Ở nhiệt độ lạnh hơn, cơ thể phải dành nhiều năng lượng hơn để giữ ấm. Vì vậy, nó phải làm chậm chuyển hóa để tránh tiêu hao năng lượng không cần thiết. Nhưng ở nhiệt độ này, nếu bạn ăn những loại thực phẩm tạo nhiệt, uống đồ nóng sẽ giúp cơ thể điều tiết nhiệt độ bên trong.
• Nước tiểu bắt đầu tăng: khi cơ thể bị lạnh, do sự co lại của các mạch máu, huyết áp gia tăng. Để huyết áp trở lại bình thường, cơ thể loại bỏ nước qua đường tiết niệu để khôi phục lại thể tích dịch. Vì vậy bạn đi tiểu nhiều lần hơn vào mùa đông.
• Giảm chức năng cơ thể: Khi nhiệt độ xung quanh giảm xuống khoảng 10 độ C, những tác động có thể được thấy rõ ở những phản ứng thể chất và hành vi. 13 độ C là ngưỡng tối đa để thực hiện những hoạt động thể lực một cách dễ dàng. Ở 12 độ C, bạn có thể trở nên vụng về và không thể thực hiện những hoạt động thể chất phức tạp. Nhầm lẫn, óc phán đoán kém, thiếu phối hợp, líu lưỡi có thể xảy ra do ảnh hưởng của nhiệt độ lạnh lên hệ thần kinh.
•  Dưới 10 độ C. Ở nhiệt độ trên dưới khoảng 8 độ C, bạn sẽ hoàn toàn mất cảm giác xúc giác. Chân tay sẽ trở nên tê cứng, trong khi tất cả phản ứng cơ thể khác được điều khiển cùng một lúc. Ở nhiệt độ này, nếu bạn không nỗ lực sản sinh và bảo toàn nhiệt bên trong, thân nhiệt cơ bản có thể giảm nghiêm trọng. Nếu thân nhiệt xuống mức 32 độ C, cơ thể sẽ không đủ năng lượng để sản sinh nhiệt, kết quả là thân nhiệt tiếp tục giảm. Nếu giảm xuống 28 độ C, nhịp tim sẽ chậm lại, bạn có thể mất tri giác. Khi thân nhiệt còn 20 độ C, tim bạn sẽ ngừng đập.
• Đáng ngạc nhiên là phản ứng của cơ thể với lạnh có thể bảo vệ chúng ta khỏi bị hạ thân nhiệt theo cách tốt hơn mà cơ thể làm. Vì vậy, ngay cả khi nhiệt độ xung quanh giảm dưới 0 độ C, chúng ta có thể sống sót nếu ở trong phòng ấm, mặc quần áo ấm và bổ sung đúng cách các loại đồ uống và thực phẩm tạo nhiệt.

+ Khi nóng:

• Khi thời tiết quá nóng, cơ thể chúng ta sẽ hoạt động nhiều hơn đồng thời sẽ tạo ra nhiều mồ hôi để giúp cơ thể được “nguội” hơn. Tuy nhiên, trong một số điều kiện, sự tiết mồ hôi xảy ra bị hạn chế khiến cho nhiệt độ cơ thể càng tăng nhanh.
• Điều này thường xảy ra khi khí hậu nóng ẩm hoặc khi cơ thể bị mất quá nhiều nước nên không còn “vốn” để tiết ra mồ hôi. Sự tiết mồ hôi bị hạn chế thường gặp ở nhóm người cao tuổi hoặc những người đang phải sử dụng thường xuyên một số loại dược phẩm. Riêng trẻ em thì sự sản xuất mồ hôi rất hạn chế và nhiệt độ cơ thể sẽ tăng một cách rất nhanh chóng.
• Nếu phải hứng chịu những đợt nắng nóng kéo dài thì những người đang mang sẵn những căn bệnh khó trị thì bệnh tình càng trở nên tồi tệ hơn ví dụ như nắng nóng có thể “kích động” cho một sự nhồi máu cơ tim hoặc có thể gây ra những tổn thương vĩnh viễn, chẳng hạn như: tổn thương não hoặc là tổn thương những cơ quan, bộ phận quan trọng trong cơ thể.

Bài 2. Mặt Trời là một nguồn năng lượng khổng lồ tương đương với khoảng 1,7 tỉ nhà máy điện với tổng công suất là 1,7.10$^{17}$ W. Hãy so sánh tổng công suất của các nhà máy điện ở Việt Nam với công suất này.

Trả lời:

- Dự kiến giai đoạn 2018 - 2022, tổng công suất các nguồn điện đưa vào vận hành là 34.864 MW.

- Công suất Mặt Trời lớn hơn rất nhiều lần tổng công suất đó, lớn gấp 5.10$^{6} lần

Bài 3. Hãy viết một đoạn văn ngắn để tìm hiểu con người đã sử dụng năng lượng Mặt Trời truyền đến Trái Đất.

Trả lời:

    Năng lượng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời, đã được khai thác bởi con người từ thời cổ đại bằng cách sử dụng một loạt các công nghệ phát triển hơn bao giờ hết. Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng lượng mặt trời như sức gió và sức sóng, sức nước và sinh khối, làm thành hầu hết năng lượng tái tạo có sẵn trên Trái Đất. Chỉ có một phần rất nhỏ của năng lượng mặt trời có sẵn được sử dụng.Điện mặt trời nghĩa là phát điện dựa trên động cơ nhiệt và pin quang điện. Sử dụng năng lượng mặt trời chỉ bị giới hạn bởi sự khéo léo của con người. Một phần danh sách các ứng dụng năng lượng mặt trời sưởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc năng lượng mặt trời, qua chưng cất nước uống và khử trùng, chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày, nước nóng năng lượng mặt trời, nấu ăn năng lượng mặt trời, và quá trình nhiệt độ cao nhiệt cho công nghiệp purposes. Để thu năng lượng mặt trời, cách phổ biến nhất là sử dụng tấm năng lượng mặt trời.Công nghệ năng lượng mặt trời được mô tả rộng rãi như là hoặc năng lượng mặt trời thụ động hoặc năng lượng mặt trời chủ độngtùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi và phân phối năng lượng mặt trời. Kỹ thuật năng lượng mặt trời hoạt động bao gồm việc sử dụng các tấm quang điện và năng lượng mặt trời nhiệt thu để khai thác năng lượng. Kỹ thuật năng lượng mặt trời thụ động bao gồm các định hướng một tòa nhà về phía Mặt trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi hoặc tài sản ánh sáng phân tán, và thiết kế không gian lưu thông không khí tự nhiên.