(SKKN mới NHẤT) SKKN một số giải pháp hướng dẫn học sinh làm bài tập về nhiệt học

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập - Tự do - Hạnh phúc ĐƠN YÊU CẦU CÔNG NHẬN SÁNG KIẾN Kính gửi: Hội đồng sáng kiến huyện Bình Xuyên a Tác giả sáng kiến: HOÀNG THỊ HỒNG HẠNH - Ngà

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐƠN YÊU CẦU CÔNG NHẬN SÁNG KIẾN

Kính gửi: Hội đồng sáng kiến huyện Bình Xuyên

a) Tác giả sáng kiến: HOÀNG THỊ HỒNG HẠNH

- Ngày tháng năm sinh: 24/02/1982 Nam (nữ): nữ

- Đơn vị công tác (hoặc hộ khẩu thường trú): Trường THCS Phú Xuân

- Chức danh: Giáo viên

- Trình độ chuyên môn: + Đại học sư phạm kỹ thuật

+ Cao đẳng sư phạm Lí- KTCN

- Tỷ lệ (%) đóng góp vào việc tạo ra sáng kiến: 100%

b) Chủ đầu tư tạo ra sáng kiến: Hoàng Thị Hồng Hạnh

c) Tên sáng kiến; lĩnh vực áp dụng; mô tả bản chất của sáng kiến; các thông tin cần được bảo mật (nếu có):

- Tên sáng kiến: Một số giải pháp hướng dẫn học sinh làm bài tập về nhiệt học

- Lĩnh vực áp dụng:

+ Sáng kiến có thể áp dụng cho đối tượng học sinh khá, giỏi và học sinh đội tuyển vật lí lớp 8, 9 cấp Trung học cơ sở

+ Sáng kiến giúp phân loại, hướng dẫn cách giải, bài tập minh họa và bài tập

áp dụng ở một số dạng bài tập về nhiệt học

- Mô tả sáng kiến:

+ Về nội dung của sáng kiến:

1 Cơ sở lý luận, khoa học của sáng kiến

1.1 Cơ sở lý luận về giải bài tập Vật lí :

- Vật lí là cơ sở của nhiều ngành kỹ thuật quan trọng, sự phát triển của khoa học Vật lí gắn bó chặt chẽ tác động qua lại trực tiếp với sự tiến bộ của khoa học

Vì vậy Vật lí có giá trị to lớn trong đời sống và sản xuất, đặc biệt trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước

- Căn cứ vào yêu cầu đổi mới mục tiêu giáo dục, đổi mới phương pháp dạy học phát huy tính tích cực chủ động của học sinh, để giúp học sinh có thể tự học ở nhà thông qua tài liệu học tập bộ môn

- Trong quá trình bồi dưỡng học sinh khá giỏi môn vật lí lớp 8,9 cấp trung học cơ sở, tôi đã phát hiện ra các bài tập phần nhiệt học có thể phân ra thành một

số giải pháp cơ bản và các bước thực hiện các giải pháp đó

- Với những lí do trên đã thôi thúc tôi viết lên sáng kiến: Một số giải pháp hướng dẫn học sinh làm bài tập về nhiệt học Với mong muốn sau khi nghiên cứu

sáng kiến này học sinh có thể hệ thống được kiến thức, phân dạng được bài tập và biết cách giải một số dạng bài tập cơ bản phần nhiệt học

1

2 Cơ sở khoa học

Để giải các bài tập có liên qua đến nhiệt học môn Vật lí bậc Trung học cơ

sở, cần một số kiến thức sau:

- Nhiệt lượng, nhiệt dung riêng

- Nguyên lí truyền nhiệt, phương trình cân bằng nhiệt

- Sự chuyển thể của các chất

2 Nội dung nghiên cứu.

2.1 Nhiệt lượng

- Nhiệt lượng là phần nhiệt năng mà vật nhận được hay mất bớt đi trong quá trình truyền nhiệt

- Công thức tính nhiệt lượng

Q = m.c.t0

Trong đó:

+ Q : là nhiệt lượng vật nhận được (hay mất đi) (J) + m: là khối lượng của vật (kg)

+ c: là nhiệt dung riêng của chất cấu tạo nên vật (J/kg.K) + t0: là độ tăng (hay giảm) nhiệt độ của vật (oC hoặc 0K) (Nhiệt dung riêng của một chất là nhiệt lượng cần thiết để làm cho 1kg chất đó tăng thêm 10C.)

2.2 Nguyên lý truyền nhiệt, phương trình cân bằng nhiệt.

* Nguyên lý truyền nhiệt:

- Nhiệt được truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn

- Sự truyền nhiệt xảy ra tới khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau thì ngừng lại

- Nhiệt lượng do vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng do vật kia thu vào

*Phương trình cân bằng nhiệt:

Qtỏa ra = Qthu vào

2.3 Sự chuyển thể của các chất

* Sự nóng chảy và đông đặc

- Nhiệt lượng của vật tỏa ra khi đông đặc bằng nhiệt lượng mà vật đó thu vào khi nóng chảy ở nhiệt độ nóng chảy

- Công thức tính:

Q = m.

Trong đó:

+ Q: nhiệt lượng vật thu vào (hay tỏa ra) ở nhiệt độ nóng chảy (J)

+ : nhiệt nóng chảy của chất cấu tạo nên vật (J/kg)

+ m: khối lượng của vật (kg)

* Sự bay hơi và sự ngưng tụ

- Nhiệt lượng vật thu vào khi bay hơi bằng nhiệt lượng mà vật tỏa ra khi ngưng tụ ở nhiệt độ bay hơi

- Công thức tính:

Q = m.L Trong đó:

+ Q: nhiệt lượng vật thu vào (hay tỏa ra) ở nhiệt độ sôi (J)

+ L: nhiệt hóa hơi của chất cấu tạo nên vật (J/kg)

+ m: khối lượng của vật (kg)

3 Một số giải pháp hướng dẫn học sinh làm bài tập về nhiệt học

3.1.

Giải pháp 1: Hướng dẫn học sinh làm bài tập về tính nhiệt lượng

a Các bước thực hiện giải pháp:

Bước 1- Xác định đúng các quá trình vật thu (hay tỏa) nhiệt

Bước 2- Áp dụng trực tiếp các công thức tính nhiệt lượng

Bước 3 - Tính toán và biện luận kết quả.

b Ví dụ minh họa

Bài 1: Tính nhiệt lượng cần cung cấp để 1,5kg nước đá từ -200C đến hóa hơi hoàn toàn ở 1000C Biết nhiệt dung riêng của nước đá và nước lần lượt là: c1 = 2100J/kg.K; c2 = 4200 J/kg.K; nhiệt nóng chảy của nước đá là:  = 340000J/kg; nhiệt hóa hơi của nước là: L = 2 300 000J/ kg

Lời giải:

Bước 1: Để nước đá từ -200C hóa hơi hoàn toàn ở 1000C thì cần thu nhiệt lượng để trải qua các quá trình: tăng từ -200C đến 00C; nóng chảy hoàn toàn ở 00C; tăng từ

00C đến 1000C; hóa hơi hoàn toàn ở 00C

Bước 2: Áp dụng công thức tính nhiệt lượng trong các quá trình ta có:

- Nhiệt lượng cung cấp để nước đá tăng từ -200C đến 00C là:

Q1 = m.c1.(t0 – t1) = 1,5.2100.[00 – (-200)] = 63000 (J)

- Nhiệt lượng cần cung cấp để nước đá nóng chảy hoàn toàn ở 00C là:

Q2 = m  = 1,5 340 000= 510 000 (J)

- Nhiệt lượng cần cung cấp để nước tăng từ 00C đến 1000C là:

Q3 = m.c2.(t2 – t0) = 1,5 4200 (1000 – 00) = 630 000 (J)

- Nhiệt lượng cần cung cấp để nước hóa hơi hoàn toàn ở 1000C là:

Q4 = m.L = 1.5 2 300 000 = 3 450 000 (J)

Bước 3- Nhiệt lượng tổng cộng cần cung cấp để nước đá từ -200C đến hóa hơi hoàn toàn ở 1000C là:

Q= Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 63 000 + 510 000 + 630 000 + 3 450 000

Q = 4 653 000 (J) = 4653 kJ

c Bài tập vận dụng

Bài 2: Một miếng đồng và một miếng nhôm có khối lượng lần lượt là: m1 = 100gam, m2 = 150 gam cùng ở nhiệt độ ban đầu là 1500C, cùng thả vào nước và có cùng nhiệt độ lúc sau là 500C Tính nhiệt lượng mà đồng và nhôm đã tỏa ra? Cho biết nhiệt dung riêng của đồng và nhôm lần lượt là: c1 = 380J/kg.K; c2 = 880J/kg.K

Đáp số: Q = 17 000 (J)

Bài 3: Một ấm nhôm khối lượng 250 gam chứa 1 kg nước ở 200C Để làm hóa hơi hoàn toàn lượng nước trên cần cung cấp cho ấm nước một nhiệt lượng bằng bao nhiêu? Biết nhiệt dung riêng của nhôm và nước lần lượt là: c1 = 880J/kg.K;

c2 = 4200J/kg.K; nhiệt hóa hơi của nước là; L = 2 300 000J/kg

Đáp số: Q = 2 653 600 (J)

Bài 4: Một bình bằng đồng khối lượng 200gam bên trong chứa 1kg hơi nước ở

1000C Tính nhiệt lượng do bình hơi nước tỏa ra nếu làm đông đặc hoàn toàn lượng hơi nước trên? Cho biết nhiệt dung riêng của đồng và nước lần lượt là: c1 = 380J/kg.K; c2 = 4200J/kg.K; nhiệt nóng chảy của nước là  = 340000J/kg; nhiệt hóa hơi của nước là: L = 2 300 000J/kg

Đáp số: Q = 3 067 600 (J)

3.

2 Giải pháp 2 : Hướng dẫn học sinh làm bài tập có nhiều vật tham gia trao đổi nhiệt.

a Các bước thực hiện giải pháp:

Bước 1- Xác định vật tỏa nhiệt, vật thu nhiệt

Bước 2- Viết phương trình cân bằng nhiệt

Bước 3- Giải phương trình, tìm dữ liệu của bài.

b Ví dụ minh họa

Bài 1: Trộn lẫn rượu với nước người ta thu được hỗn hợp có khối lượng 140g ở

nhiệt độ 36 0C Tính khối lượng nước và rượu? Biết rằng nhiệt độ ban đầu của rượu

là 190C, của nước là 1000C, nhiệt dung riêng của rượu và nước lần lượt là;

c1 = 2500 J/kg.K, c2 = 4200 J/kg.K Bỏ qua nhiệt lượng hao phí ra môi trường

Lời giải

Bước 1: Theo đề bài ra thì rượu là vật thu nhiệt, nước là vật tỏa nhiệt.

- Nhiệt lượng mà rượu thu vào là:

Q1 = m1.c1 .(t – t1) = m1.2500.(36 - 19)  Q1 = 42500 m1

- Nhiệt lượng mà nước tỏa ra là:

Q2 = m2.c2 .(t2 - t) = m2.4200.(100 - 36)  Q2 = 268800 m2

Bước 2 -Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt ta có:

Qtỏa ra = Qthu vào

Bước 3  Q1= Q2

 42500 m1 = 268800 m2 (1)

Mà theo đề bài cho:

m1 + m2 = 0,14 (2) Kết hợp (1) và (2) ta có: m1 = 0,121 (kg) = 121 (g)

m2 = 0,019 (kg) = 19 (g)

Vậy khối lượng của rượu là 121g, của nước là 19g

Bài 2: Cho một hệ vật gồm n vật có khối lượng lần lượt là m1; m2; m3… mn; có nhiệt độ ban đầu lần lượt là t1; t2; t3… tn; và nhiệt dung riêng lần lượt là c1; c2;

c3… cn; tham gia trao đổi nhiệt với nhau (trong quá trình trao đổi nhiệt không có

sự thay đổi trạng thái)

a Xác định nhiệt độ chung của hệ khi có cân bằng nhiệt

b Vận dụng giải bài tập sau:

Có 3 bình cách nhiệt A ;B; C đựng nước có nhiệt độ ban đầu lần lượt là: t1;

t2; t3 nếu múc mỗi bình một ca rồi trộn với nhau ta được hỗn hợp có nhiệt độ là 60

0C Nếu múc 3 ca nước ở bình A trộn với một ca nước ở bình B thì được hỗn hợp

có nhiệt độ là 90 0C Nếu múc 3 ca nước ở bình B trộn với 2 ca nước ở bình C thì được hỗn hợp có nhiệt độ là 44 0C

Hỏi muốn có hỗn hợp ở nhiệt độ 30 0C thì phải pha nước ở bình A với bình

B hoặc nước ở bình B với nước ở bình C theo tỷ lệ như thế nào? Biết rằng khối lượng nước mỗi lần múc là như nhau Bỏ qua hao phí nhiệt với môi trường

Lời g iải Câu a:

Bước 1: Giả sử trong hệ có x vật ban đầu tỏa nhiệt, số còn lại là (n-x) vật thu nhiệt.

- Nhiệt lượng tỏa ra của x vật khi chúng hạ từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ chung t là:

Qtỏa = m1 .c1 .(t1 – t) + m2.c2.(t2– t) + …… + mx .cx .(tx– t)

- Nhiệt lượng thu vào của n-x vật còn lại khi chúng tăng từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ chung t là:

Qthu = mx+1.cx+1 .(t – tx+1) + …….+ mn.cn .(t– tn)

Bước 2- Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt là:

Qtỏa ra = Qthu vào

Bước 3:

m1.c1 .(t1 – t) + m2.c2 .(t2– t)+ + mx.cx.(tx– t)= mx+1.cx+1 .(t – tx+1) +…+ mn.Cn .(t– tn)

Giải phương trình ta được:

t =

Biểu thức trên cho thấy kết quả t không phụ thuộc vào x

Câu b :

Gọi m là khối lượng mỗi ca nước, c là nhiệt dung riêng của nước

Áp dụng công thức tổng quát ở phần a: t =

+ Khi múc mỗi bình một ca nước thì hỗn hợp có nhiệt độ là T1 = 60 0C ta có:

 t1 + t2 + t3 = 3.T1 = 3.600 = 1800 (1)

+ Khi múc 3 ca nước ở bình A hòa với một ca nước bình B thì được hỗn hợp

có nhiệt độ T2= 900 thì ta có:

T2 = =

 3t1 + t2 = 4 T2 = 4.900=3600 (2)

+ Khi múc 3 ca nước bình B hòa với 2 ca nước bình C được hỗn hợp có nhiệt độ

T3 = 44 0C ta có:

 3t2 + 2t3 = 5 T3 = 5.440=2200 (3)

Từ (1); (2); (3) ta có hệ phương trình sau: t1 + t2 + t3 =1800

3t1 + t2 =3600 3t2 + 2t3 = 2200 Sau khi giải hệ phương trình ta có: t1 = 1000C: t2 = 600C: t3 = 200C

Ta thấy T4 = 30 0C < t2< t1 vậy không thể trộn nước ở bình A và bình B với nhau Mà phải trộn nước ở bình B với bình C

Gọi x là số ca nước lấy ở bình B và y là số ca nước lấy ở bình C ( x,y N*)

ta được nước ở T4 = 30 0C Do đó ta có:

 T4 =

 30x + 30y = 60x + 20y  30x = 10y  3x = y 

Vậy cần lấy nước ở bình B và bình C để trộn với nhau theo tỷ lệ thì được hỗn hợp nước có nhiệt độ là: T4 = 30 0C

c Bài tập vận dụng

Bài 3 : Một bình nhiệt lượng kế bằng đồng khối lượng 128g chứa 240g nước ở

nhiệt độ 8,4 0C Người ta thả vào bình một miếng kim loại khối lượng 192g đã được nung nóng tới 1000C Nhiệt độ khi bắt đầu có sự cân bằng nhiệt là 21,5 0C Xác định nhiệt dung riêng của kim loại? Cho biết nhiệt dung riêng của đồng là 380 J/kg.k; nước là 4200 J/kg.k

Đáp số: c = 918 J/kg.k

Bài 4 : Hai bình giống nhau, chứa hai lượng nước như nhau Bình thứ nhất có nhiệt

độ là t1, bình thứ hai có nhiệt độ là t2 = t1.Sau khi trộn lẫn với nhau, nhiệt độ sau khi cân bằng là 25 0C Tìm các nhiệt độ ban đầu của mỗi bình?

Đáp số: t1 = 20 0C

t2 = 30 0C

Bài 5 : Một bình cách nhiệt được ngăn làm hai phần bằng một vách ngăn cách

nhiệt Hai phần chứa hai chất lỏng có nhiệt dung riêng lần lượt là C1 và C2 với nhiệt độ ban đầu là t1, t2 Bỏ vách ngăn hai chất lỏng không có tác dụng hóa học với nhau và có nhiệt độ cân bằng là t

Tìm tỉ số m1/m2 ? Biết (t1-t) = (t1-t2)

Đáp số: =

3.

3 Giải pháp 3 : Hướng dẫn học sinh làm bài tập về sự trao đổi nhiệt có sự thay đổi trạng thái.

a Các bước thực hiện giải pháp:

Bước 1- Xác định các vật tham gia trao đổi nhiệt.

Bước 2- Xác định trạng thái của các vật, biện luận để tìm ra nhiệt độ chung của hệ Bước 3- Viết phương trình cân bằng nhiệt

Bước 4- Giải phương trình và biện luận kết quả.

b Ví dụ minh họa

Bài 1: Trong một bình có chứa m1= 2kg nước ở t1= 25 0C Người ta thả vào bình

m2 kg nước đá ở t2= -20 0C Hãy xác định nhiệt độ chung, khối lượng nước và khối lượng nước đá có trong bình khi có cân bằng nhiệt trong mỗi trường hợp sau đây?

a.m2= 1 kg

b.m2= 0,2 kg

c.m2= 6kg

Cho biết: nhiệt dung riêng của nước đá là 2100 J/kg.K; của nước là 4200 J/kg.K; nhiệt nóng chảy của nước đá là: = 340000 J/kg Bỏ qua nhiệt lượng hao phí ra môi trường

Lời g iải Câu a :

Bước 1: Vật trao đổi nhiệt là nước ở 250C và nước đá ở -200C

Bước 2:

- Nếu nước hạ từ 25 0C đến 0 0C thì tỏa ra nhiệt lượng là:

Q1 = m1.c1.(t1- t0) = 2.4200.(25 - 0) Q1 = 210000 (J)

- Nhiệt lượng cung cấp để m2 kg nước đá tăng từ -200C đến 00C là

Q2 = m2.c2.(t0- t2) = 1.2100.[0 – (-20)] Q2 = 42000 (J)

Ta thấy Q1 > Q2 do vậy nước đá bị nóng chảy

- Nhiệt lượng cần cung cấp để nước đá nóng chảy hoàn toàn:

Q3 = m2 = 1.340000 = 340000 (J)

Q1 < Q2 + Q3 như vậy chỉ có một phần nước đá bị nóng chảy và nhiệt

độ cân bằng của hệ là t0= 0 0C

Bước 3:

- Gọi m là khối lượng nước đá nóng chảy, ta có phương trình cân bằng nhiệt:

Qtỏa ra = Qthu vào

Bước 4:  Q1 = Q2 + Q

 210000 = 42000 + m’ ( =340000) m’ = (210000 - 42000):340000 = 0,494(kg)

Vậy sau khi cân bằng nhiệt, khối lượng nước đá có trong bình là:

m3 = 1 – 0,494 m3 = 0,506 (kg)

Khối lượng nước trong bình là: 2 + 0,494 = 2,494 (kg)

Câu b:

Bước 1: Vật trao đổi nhiệt là nước ở 250C và nước đá ở -200C

Bước 2:

- Nhiệt lượng để m2 kg tăng từ -20 0C đến 0 0C là:

Q2 = m2.c2.(t0- t2) = 0,2.2100 [0 - (20) ] = 8400 (J)

- Nhiệt lượng để nước đá nóng chảy hoàn toàn là:

Q3 = m2 = 0,2.340000 = 68000 (J)

Ta thấy Q1 > Q2 + Q3 vậy nước đá nóng chảy hết và nhiệt độ của hệ sau khi cân bằng là: t0C > 0 0C

Bước 3:

- Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt:

Qtỏa ra = Qthu vào

Bước 4: Q1 = Q2 + Q3 + Q4

21000 = 42000 + 68000 + m2.c2.(t- t0) (với t0 = 00C) Thay số ta được: t = = 14,46 0C

Câu c :

Bước 1: Vật trao đổi nhiệt là nước ở 250C và nước đá ở -200C

Bước 2

- Nhiệt lượng cung cấp để m2 = 6 kg nước đá tăng từ -20 0C đến 0 0C là:

Q2 = m2.c2.(t0- t2) = 6.2100 [0 - (20) ] = 252000 (J)

- Ta thấy Q1 < Q2 do vậy nước bị đông đặc

- Nhiệt lượng do nước bị đông đặc tỏa ra là:

Q3 = m1 = 1.340000 = 340000 (J)

Ta thấy Q1 + Q3 > Q2 do vậy nước chỉ bị đông đặc một phần

Bước 3- Áp dụng phương trình cân bằng nhiệ ta có:

Qtỏa ra = Qthu vào

Bước 4: Q1 + Q = Q2

210000 + m = 252000

Vậy khối lượng nước sau khi cân bằng là: m3 = 0,8765 (kg) Khối lượng nước đá là 6,1235 (kg)

c Bài tập vận dụng Bài 2: Rót m1 = 0,4 kg nước ở nhiệt độ t1= 400C vào bình bằng đồng khối lượng m3

= 1,5 kg trong đó m2 = 10 kg nước đá ở t2= -200C Tính nhiệt độ và khối lượng nước đá có trong bình khi có cân bằng nhiệt Biết nhiệt dung riêng của nước đá, bình lần lượt là c1 = 4200 J/kg.K; c2 = 2100 J/kg.K; c3 = 380 J/kg.K;

Nhiệt nóng chảy của nước đá là: 340000 J/kg.k

Đáp số: Nhiệt độ của hệ là : t = -10,180C

Khối lượng nước đá là 10,4 kg

Bài 3 : Thả 1,6kg nước đá ở -100C vào một nhiệt lượng kế đựng 1,6kg nước ở

800C; bình nhiệt lượng kế bằng đồng có khối lượng 200g và có nhiệt dung riêng c

= 380 J/kg.K

a Nước đá có tan hết không?

b.Tính nhiệt độ cuối cùng của nhiệt lượng kế Cho biết nhiệt dung riêng của nước đá cđ = 2100 J/kg.K và nhiệt nóng chảy của nước đá là =336.103J/kg

Đáp số: a Nước đá không tan hết

b 00C

Bài 4: Thả một cục nước đá lạnh có khối lượng m1 = 900g vào m2 =1,5 kg nước ở nhiệt độ t = 60C khi có cân bằng nhiệt, lượng nước chỉ còn lại 1,47 kg xác định nhiệt độ ban đầu của cục nước đá? Cho biết nhiệt dung riêng cựa nước đá là c1 =

2100 J/kg.K, của nước là c 2 = 4200J/kg.K, nhiệt nóng chảy của nước đá là = 3,4.105 J/kg

Đáp số: Nhiệt độ ban đầu của nước đá là t1 = - 25,40C

3.

4 Giải pháp 4 : Hướng dẫn học sinh làm bài tập có nhiều quá trình trao đổi nhiệt:

a Các bước thực hiện giải pháp:

Bước 1- Xác định các quá trình trao đổi nhiệt và vật tỏa nhiệt, vật thu nhiệt trong

các quá trình đó

Bước 2- Viết biểu thức tính nhiệt lượng tỏa ra, nhiệt lượng thu vào, phương trình

cân bằng nhiệt cho từng quá trình