giải pháp nâng cao chất lượng học sinh giỏi vật lí trung học cơ sở qua bài tập nhiệt học liên quan đến sự chuyển thể của các chất

Trong những năm gần đây, chúng ta thấy các đề thi học sinh giỏi Vật lícấp huyện, cấp tỉnh, thi vào lớp 10 THPT chuyên Vật Lí bao giờ cũng có mộtbài về chủ đề nhiệt học trong đó phần bài

1 Biện pháp 1: Giáo viên xây dựng chuyên đề bài tập nhiệt học

liên quan đến sự chuyển thể của các chất.

4

Dạng 1: Tính nhiệ lượng của một vật thu vào hay tỏa ra có kèm

theo quá trình chuyển thể.

6

Dạng 2: Bài tập về trao đổi nhiệt có sự chuyển thể từ thể rắn

sang thể lỏng và ngược lại

8

Dạng 3: Bài tập về trao đổi nhiệt có sự chuyển thể từ thể lỏng

sang thể khí và ngược lại

13

Dạng 4: Bài tập về chuyển thể liên quan đến hiện tượng cơ học 15

2 Biện pháp 2: Rèn cho học sinh tự nắm vững kiến thức cơ bản

về nhiệt học.

21

3 Biện pháp 3: Tổ chức dạy học hướng dẫn học sinh làm các

dạng bài tập nhiệt học liên quan đến sự chuyển thể của các chất.

22

4 Biện pháp 4: Tổ chức kiểm tra đánh giá mức độ kiến thức của

học sinh.

27

1 Đối tượng thực hiện và đánh giá hiệu quả của giải pháp 36

2 Kết quả đánh giá hiệu quả của giải pháp 36

3 Kết quả đánh giá về thái độ và ý thức học tập 40

BÁO CÁO BIỆN PHÁP THAM GIA HỘI THI GIÁO VIÊN GIỎI CẤP

TỈNH CHU KỲ 2020-2024

Tên giải pháp: Nâng cao chất lượng học sinh giỏi Vật lí trung học cơ sở qua

bài tập nhiệt học liên quan đến sự chuyển thể của các chất.

PHẦN A ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, công tác bồi dưỡng học sinh giỏi là một trong những nhiệm

vụ trọng tâm và then chốt của các nhà trường THCS Nó có ý nghĩa đặc biệtquan trọng, tạo nguồn cho bậc THPT, góp phần đào tạo và bồi dưỡng nhân tàicho đất nước Chính vì vậy luôn thôi thúc tôi cần nghiên cứu, học hỏi, trau dồikiến thức, đổi mới phương pháp dạy và học để nâng cao chất lượng học sinhgiỏi môn Vật lí tại trường THCS Thái Sơn

Trong những năm gần đây, chúng ta thấy các đề thi học sinh giỏi Vật lícấp huyện, cấp tỉnh, thi vào lớp 10 THPT chuyên Vật Lí bao giờ cũng có mộtbài về chủ đề nhiệt học trong đó phần bài tập liên quan đến sự chuyển thể củacác chất thường xuất hiện Đây là một dạng bài rất trừu tượng với học sinh, nếuhọc sinh xác định không đúng hiện tượng chuyển thể xảy ra thì sẽ không phântích đúng, đầy đủ các giai đoạn thu nhiệt hay tỏa nhiệt của các chất nên rất dễ bịnhần lẫn ở dạng bài tập này

Qua thực tế giảng dạy và nghiêm cứu tài liệu trong sách tham khảo và

nguồn tài liệu trên mạng internet tôi thấy nguồn tài liệu liên quan đến dạng bài

tập về sự chuyển thể của các chất còn ít, không phân chia thành dạng bài cơ bản

mà chỉ đưa ra phương pháp giải chung cho cả bài toán chuyển thể dẫn tới cảgiáo viên và học sinh gặp rất nhiều khó khăn khi dạy dạng bài tập này

Đặc biệt trong chương trình giáo dục phổ thông mới như hiện nay việclấy người học làm trung tâm, đòi hỏi người giáo viên phải thay đổi phương phápdạy học và tìm kiếm học liệu sao cho phát huy được các năng lực của học sinh

từ đó nâng cao chất lượng dạy và học Theo tôi việc đổi mới phương pháp dạyhọc không chỉ thay đổi với việc học kiến thức ở trên lớp mà cũng phải thay đổitrong công tác bồi dưỡng học sinh giỏi, nhất là đối với các em theo học độituyển thì cần phải nâng cao hơn nữa khả năng tự học cho các em để phát huyđược tốt khả năng tư duy của học sinh Chính vì vậy tôi đã mạnh dạn đưa ra giảipháp “Nâng cao chất lượng học sinh giỏi Vật lí trung học cơ sở qua bài tập

nhiệt học liên quan đến sự chuyển thể của các chất’’ Giải pháp được bắt đầu

thực hiện vào năm học 2019-2020 và đối tượng thực hiện là học sinh giỏi độituyển Vật lí 8 và vật lí 9 tại trường THCS Thái Sơn

và nhiệt huyết với nghề chiếm tỉ lệ khá đông đến 80% Chính vì vậy tạo thànhphong trào dạy và học tích cực từ các thầy cô giáo đến các em học sinh.

Về lãnh đạo nhà trường, tôi luôn nhận được sự chỉ đạo đúng đắn, kịp thờicủa Ban giám hiệu nhà trường, sự quan tâm chia sẻ của thầy Hiệu trưởng LêThanh Miện, sự động viên, khích lệ của cô Phó hiệu trưởng Nghiêm Thị Lan

Về tổ chuyên môn thì các thầy cô trong tổ chuyên môn luôn đoàn kết,giúp đỡ, trao đổi chuyên môn, chia sẻ kinh nghiệm cho nhau

Về phía phụ huynh học sinh, đa số phụ huynh có con em theo học độituyển đều rất ủng hộ và tạo điều kiện cho con cả về vật chất và tinh thần

Về phía học sinh, các em theo đội tuyển vật lí đều ngoan, thích học vàchịu khó

Về bản thân tôi cũng đã có nhiều năm được tham gia vào công tác ra đềthi khảo sát học sinh giỏi và tham gia chấm thi học sinh giỏi cấp huyện nên đượctiếp cận nhiều với đề thi và bài làm của học sinh nhiều trường từ đó học hỏiđược một số kinh nghiệm từ các anh, chị đồng nghiệp cùng bộ môn trong toànhuyện, từ bài làm của học sinh để thấy được những khó khăn, sai lầm mà họcsinh thường mắc phải khi gặp dạng bài tập này

3 nên nếu không dành nhiều thời gian để nghiên cứu, sưu tầm tài liệu thì khôngxây dựng được hệ thống các chuyên đề bồi dưỡng cho học sinh phù hợp, đápứng được đề thi như hiện nay

Trước đây khi bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí 8 phần chuyên đề nhiệt họcnói chung tôi thường dành tiết đầu để cung cấp toàn bộ kiến thức lí thuyết phầnnhiệt học, sau đó đưa ra luôn dạng bài tập trao đổi nhiệt của hai hay nhiều chấtchứ không phân ra dạng bài tập liên quan đến sự chuyển thể của chất riêng và

khi dạy dạng này tôi đưa ra một vài ví dụ, rồi tập trung vào phân tích ví dụ đó

mà không hướng dẫn được học sinh cách tính nhiệt lượng của các chất khi thayđổi nhiệt độ để so sánh các mốc thu nhiệt và tỏa nhiệt của chất nên học sinh bịmông lung và khó hiểu không biết khi nào xảy ra nóng chảy hoàn toàn hay nóngchảy một phần… Vì vậy học sinh không rút ra được phương pháp giải cho dạngbài tập này và không phân tích được đầy đủ các trường hợp có thể xảy ra Đôikhi dạng bài tập đưa ra nâng cao, nhiều khi vượt ra khỏi khả năng tiếp thu củahọc sinh mà không đưa ra bài tập theo mức độ từ dễ đến khó, gây cho học sinhcảm giác nhàm chán và sợ học

Với cách dạy học như trước đây thì thời gian tôi dạy một chuyên đề hếtrất nhiều buổi dạy Người dạy và học chủ yếu tương tác với nhau trong khônggian lớp học nên thời gian dành để rèn kĩ năng trình bày cho học sinh còn ít.Trong quá trình dạy học ở trên lớp giáo viên phải làm việc vất vả, nói nhiều, làmnhiều, học sinh tiếp thu kiến thức một cách thụ động nên học sinh thường làmbài và giải bài theo hình thức bắt trước, không phá huy được tính tích cực, tựhọc và khả năng tư duy bài toán của học sinh Do đó không khắc sâu được kiếnthức nên học sinh rất nhanh quên và khi có bài tập hỏi lạ là học sinh lúng túngkhông tìm ra được cách làm

b Nguyên nhân

Thứ nhất, trường THCS Thái Sơn dao động từ 10 đến 12 lớp, có mộtmình tôi là giáo viên dạy chuyên ngành Vật lí nên bản thân tôi không chỉ phảidạy tất cả các khối lớp và còn kiêm nghiệm dạy 2 đội tuyển Vật lí 8 và Vật lí 9chính vì vậy không chỉ phải đảm bảo chất lượng đại trà ở trên lớp mà còn cảchất lượng học sinh giỏi nên thời gian để tập trung cho công tác bồi dưỡng họcsinh giỏi cũng còn chưa nhiều

Thứ hai, theo quy định hiện nay thì công tác bồi dưỡng học sinh giỏikhông được tính tiết dạy mà chỉ được hỗ trợ một phần nhỏ kinh phí trong mộtnăm và được tính vào xếp loại thi đua của giáo viên ( nếu có học sinh đạt giải)nên nhiều thầy cô giáo không thật sự mặn mà với công tác bồi dưỡng học sinhgiỏi

Thứ ba, công tác bồi dưỡng học sinh giỏi đòi hỏi nhiều thời gian, tâmhuyết và trách nhiệm nặng nề nên một số ít giáo viên không muốn tạo áp lực chobản thân khi tham gia vào công tác bồi dưỡng

2.2 Học sinh

a Hạn chế:

Một số em học sinh tham gia đội tuyển chưa thực được là học sinh xuấtsắc của trường, đôi khi chỉ là học sinh khá nên mức độ tư duy của các em rất hạnchế

Học sinh chỉ học và làm các bài tập giáo viên giao, chứ không tham gianghiên cứu các nguồn tài liệu tham khảo khác như sách tham khảo hay trênmạng Internet.

Phụ huynh chưa thực sự đầu tư cho con em mình khi tham gia đội tuyểnhọc sinh giỏi

“chất” gặp rất nhiều khó khăn

Thứ hai, kiến thức học trên lớp của các em rất lớp 8, lớp 9 rất nhiều, cộngvới áp lực thi vào cấp 3 nên thời gian các em dành cho học đội tuyển học sinhgiỏi còn rất ít

Thứ ba, một bộ phận phụ huynh coi môn Vật lí là môn phụ, chính vì vậy họchỉ tập trung cho con em học Toán, Văn, Anh mà chưa thực sự đầu tư cho các

em học bộ môn Vật Lí

Thứ tư, đa số các em là con em nông thôn nên việc nhận được sự hỗ trợ,giúp đỡ từ phía gia đình học sinh về kiến thức là gần như rất ít các em chỉ nhậnđược hỗ trợ từ phía giáo viên

II Biện pháp

Qua nghiên cứu và tự rút kinh nghiệm của bản thân, tôi mạnh dạn đưa ra

giải pháp “Nâng cao chất lượng học sinh giỏi Vật lí trung học cơ sở qua bài

tập nhiệt học liên quan đến sự chuyển thể của các chất” với các biện phápsau:

Biện pháp 1: Giáo viên xây dựng chuyên đề bài tập nhiệt học liên quan đến

sự chuyển thể của các chất.

*Mô tả biện pháp:

- Tài liệu chuyên đề có sự liên thông giữa lí thuyết và bài tập

- Các dạng bài tập đưa ra được phân hóa theo mức độ từ dễ đến khó, mỗimột dạng bài tập có phương pháp giải, ví dụ minh họa, và bài tập tương tự

*Thực hiện biện pháp:

- GV tiến hành nghiêm cứu tài liệu dựa trên các nguồn tài liệu tham khảonhư sách tham khảo, các chuyên đề bài tập nhiệt học có trên mạng, các đề thihọc sinh giỏi cấp huyện, cấp tỉnh để xây dựng chuyên đề bài tập nhiệt học liênquan đến quá trình chuyển thể của các chất

- GV xây dựng chuyên đề gồm kiến thức cơ bản phần nhiệt học và cácdạng bài tập.

- Các dạng bài tập đưa ra phải được phân hóa theo mức độ từ dễ đến khó,mỗi một dạng cần đưa ra phương pháp giải cụ thể, ví dụ minh họa và bài tậptương tự cho học sinh

* Kết quả thực hiện:

I Kiến thức lí thuyết cơ bản

a Nguyên lý truyền nhiệt:

Nếu chỉ có hai vật trao đổi nhiệt với nhau thì:

+ Nhiệt tự truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn

+ Sự truyền nhiệt xảy ra cho đến khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau thì dừng lại.+ Nhiệt lượng của vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng của vật kia khi thu vào

* Nếu bài toán có hai hay nhiều chất trao đổi nhiệt với nhau thì nguyên lí truyềnnhiệt vẫn đúng

b Công thức tính nhiệt lượng vật thu vào (không có sự chuyển thể của các

chất)

Q = m.c.(t2 –t1)

Trong đó: m: Khối lượng của vật (kg)

c: Nhiệt dung riêng của chất làm vật Nhiệt dung riêng là nhiệtlượng cần cung cấp cho 1kg của một chất để nó tăng thêm 10K (J/kg.k)

t2, t1: Nhiệt độ lúc sau và lúc đầu của vật (0C ) Lưu ý: t2 > t1

Q: Nhiệt lượng vật thu vào (J)

c Nhiệt lượng vật tỏa ra

Q = m.c.(t1 –t2)

Lưu ý: t1 > t2

d Phương trình cân bằng nhiệt: Nếu không có sự trao đổi năng lượng (nhiệt)

với môi trường ngoài thì

Qtỏa = Q thu

Trong đó: Qtỏa : Tổng nhiệt lượng các vật tỏa ra.

Qthu: Tổng nhiệt lượng các vật thu vào

e Nhiệt lượng vật thu vào để nó nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ nóng chảy:

Q = m λ

Trong đó: λ : Nhiệt nóng chảy của chất làm vật (J/kg)

m: Khối lượng của vật (kg)

Chú ý : + Nhiệt nóng chảy là nhiệt lượng cần cung cấp cho 1kg chất rắn

khi nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ nóng chảy

+ Đối với mỗi một chất xác định nhiệt độ nóng chảy bằng nhiệt độ đông đặc.+ Khi chất lỏng đông đặc ở nhiệt độ đông đặc, nhiệt lượng chất lỏng tỏa

ra cũng tính bằng công thức trên

f Nhiệt lượng chất lỏng thu để hóa hơi hoàn toàn ở nhiệt độ sôi (điểm sôi):

Q = L.m

Trong đó: L: Nhiệt hóa hơi (J/kg).

m: Khối lượng của vật (kg)

Chú ý:

+ Nhiệt hóa hơi là nhiệt lượng cần cung cấp cho 1kg chất lỏng để hóa hơi hoàntoàn ở nhiệt độ sôi

+ Khi ngưng tụ ở điểm sôi, nhiệt lượng hơi tỏa ra cũng tính bằng công thức trên

II Phân loại các dạng bài tập

Dạng 1: Tính nhiệt lượng một vật thu vào hay tỏa ra khi có sự chuyển thể

Dạng 2: Bài tập về trao đổi nhiệt có sự chuyển thể từ thể rắn sang thể lỏng và

Bước 1: Tìm hiểu tóm tắt đề bài.

Bước 2: Phân tích hiện tượng vật lí, cần phân tích rõ về thể của chất đó từ

giai đoạn ban đầu đến giai đoạn kết thúc và phân tích rõ từng giai đoạn thu nhiệthay tỏa nhiệt của các chất khi có sự thay đổi nhiệt độ hay chuyển thể

Bước 3: Sử dụng công thức tính nhiệt lượng một vật thu vào hoặc công

thức tính nhiệt lượng vật tỏa ra để tính nhiệt lượng của từng giai đoạn

Bước 4: Tính tổng nhiệt lượng cần cung cấp

Bước 5: Biệm luận và kiểm tra lại kết quả.

Chú ý: Mỗi một chất ở một thể khi có sự tăng nhiệt độ thì phải tính nhiệt lượngthu vào của chất đó để tăng nhiệt độ và khi xảy ra quá trình chuyển thể thì nhiệt

độ của chất đó không đổi nhưng nó cần nhiệt lượng thu vào hoặc tỏa ra mớichuyển thể được

*Các ví dụ:

Ví dụ 1: Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho 5kg nước đá ở - 100C chuyểnthành nước ở 800C Cho biết nhiệt dung riêng của nước đá là 1800J/kg.K; củanước là 4200J/kg.K; nhiệt nóng chảy của nước đá là 3,4.105J/kg

Tóm tắt:

+ Nước ban đầu ở thể rắn, cần thu nhiệt để tăng từ -100C lên 00C.

+ Nước đá ở 00C thu nhiệt để nóng chảy hoàn toàn

+ Nước ở 00C sẽ tiếp tục thu nhiệt để tăng từ 00C lên 800C

Bài 1: Tính nhiệt lượng cần phải cung cấp để làm cho 0,2 kg nước đá ở

-200C tan thành nước và sau đó được tiếp tục đun sôi để biến hoàn toàn thành hơinước ở 1000C Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá là 3,4.105J/kg, nhiệt dungriêng của nước đá là 2,09.103 J/kg.K, nhiệt dung riêng của nước 4,18.103 J/kg.K,nhiệt hóa hơi của nước là 2,3.106 J/kg

Bài 2: Tính nhiệt lượng cần thiết để 500g nước đá ở -50C hóa hơi hoàntoàn ở 1000C Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá là 3,4.105J/kg, nhiệt dungriêng của nước đá là 2,09.103 J/kg.K, nhiệt dung riêng của nước 4,18.103 J/kg.K,nhiệt hóa hơi của nước là 2,3.106 J/kg

Bài 3: Có 2 lít nước ở nhiệt độ 250C Tính nhiệt lượng cần thiết để 2 lítnước đó đạt đến nhiệt độ sôi và 1/3 lượng nước bị hóa hơi hoàn toàn Cho nhiệthóa hơi của nước là 2,3.106 J/kg; Nhiệt dung riêng của nước là 4200 J/kg.K;Khối lượng riêng của nước D = 1000 kg/m3

Dạng 2: Bài tập về trao đổi nhiệt có sự chuyển thể từ thể rắn sang thể lỏng và ngược lại

*Dấu hiệu nhận biết: Đề bài thường cho hai hay nhiều chất trao đổi nhiệt

với nhau trong đó có ít nhất một chất là chất lỏng và một chất là chất rắn nên đềbài thường yêu cầu tìm nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp và tìm khối lượng chấtcòn lại trong bình sau khi có cân bằng nhiệt

*Phương pháp giải: Xét sự trao đổi nhiệt của nước và nước đá

Bước 1: Tìm hiểu đề bài: Tóm tắt, đổi đơn vị (nếu cần)

Bước 2: Thử kiểm tra nhiệt độ cân bằng của hệ

- Xác định các chất thu nhiệt, các chất tỏa nhiệt

- Tính nhiệt lượng m1 kg chất tỏa ra để hạ nhiệt độ từ nhiệt độ ban đầu t1đến 00C: Qtỏa

- Tính nhiệt lượng m2 kg chất thu vào để tăng nhiệt độ từ nhiệt độ ban đầut2 đến 00C: Qthu

- So sánh Qtỏa và Qthu sẽ xảy ra các trường hợp sau:

+ Trường hợp 1: Nếu Qtỏa > Qthu khi đó xảy ra quá trình nóng chảy Tínhtiếp nhiệt lượng m2 kg chất đó ở 00C thu vào để nóng chảy hoàn toàn là Qthu1 Sosánh thấy Qthu +Qthu1 < Qtỏa thì rút ra kết luận là chất rắn m2 đã nóng chảy hoàntoàn và chuyển thành chất lỏng, nhiệt độ cân bằng của hệ lớn hơn 00C (t > 00C)

+ Trường hợp 2: Nếu Qtỏa > Qthu thì tính nhiệt lượng m2 kg chất đó ở 00Cthu vào để nóng chảy hoàn toàn là Qthu1 So sánh thấy Qthu +Qthu1 > Qtỏa thì rút rakết luận là chất rắn đã bị nóng chảy một phần và nhiệt độ cân bằng của hệ bằng

00C (t = 00C)

+ Trường hợp 3: Nếu Qtỏa > Qthu thì tính nhiệt lượng m2 kg chất đó ở 00Cthu vào để nóng chảy hoàn toàn là Qthu1 So sánh thấy Qthu +Qthu1 = Qtỏa thì rút rakết luận là chất rắn đã bị nóng chảy hoàn toàn và nhiệt độ cân bằng của hệ bằng

00C (t = 00C)

+ Trường hợp 4: Nếu Qtỏa < Qthu xảy ra quá trình đông đặc Tính nhiệtlượng m1 kg chất đó ở 00C tỏa ra để đông đặc hoàn toàn là Qtỏa1 So sánh thấyQtỏa +Qtỏa1 < Qthu thì rút ra kết luận m1 kg chất lỏng đã đông đặc hoàn toàn thànhchất rắn và nhiệt độ cân bằng của hệ nhỏ hơn 00C (t < 00C)

+ Trường hợp 5: Nếu Qtỏa < Qthu thì tính nhiệt lượng m1 kg chất đó ở 00Ctỏa ra để đông đặc hoàn toàn là Qtỏa1 So sánh thấy Qtỏa +Qtỏa1 > Qthu thì rút ra kếtluận chất lỏng ở 00C đã đông đặc một phần và nhiệt độ cân bằng của hệ bằng

00C (t = 00C)

+ Trường hợp 6: Nếu Qtỏa < Qthu thì tính nhiệt lượng m1 kg chất đó ở 00Ctỏa ra để đông đặc hoàn toàn là Qtỏa1 So sánh thấy Qtỏa +Qtỏa1 = Qthu thì rút ra kết

luận chất lỏng ở 00C đã đông đặc hoàn toàn và nhiệt độ cân bằng của hệ bằng

00C (t = 00C)

+ Trường hợp 7: Nếu Qtỏa = Qthu thì nhiệt độ cân bằng của hệ là 00C vàkhi đó chưa có sự chuyển thể

Bước 3: Xây dựng phương trình cân bằng nhiệt:

*Nếu xảy ra trường hợp 1: Nóng chảy hoàn toàn

- Phân tích quá trình thu nhiệt của chất rắn m2 gồm các giai đoạn:

+ m2 kg chất rắn thu nhiệt để tăng nhiệt độ từ t2 đến 00C: Qthu

+ m2 kg chất rắn ở 00C thu nhiệt để nóng chảy hoàn toàn: Qthu 1

+ m2 kg chất lỏng thu nhiệt để tăng nhiệt độ từ 00C đến t0: Qthu2

- Phân tích quá trình tỏa nhiệt của chất lỏng m1 kg chất lỏng từ t1 xuống t: Q’tỏa

- Viết phương trình cân bằng nhiệt: Qthu + Qthu1 + Qthu2 = Q’tỏa

*Nếu xảy ra trường hợp 2: nóng chảy một phần

- Phân tích quá trình thu nhiệt của chất rắn m2 gồm các giai đoạn:

+ m2 kg chất rắn thu nhiệt để tăng nhiệt độ từ t2 đến 00C: Qthu

+ ∆ mkg chất rắn ở 00C thu nhiệt để nóng chảy ở 00C: Qthu2

- Phân tích quá trình tỏa nhiệt của m1 kg chất rắn từ t1 xuống 00C: Qtỏa

- Viết phương trình cân bằng nhiệt: Qthu + Qthu2 = Qtỏa

*Nếu xảy ra trường hợp 4: Đông đặc hoàn toàn

- Phân tích quá trình tỏa nhiệt của chất lỏng m1 gồm các giai đoạn:

+m1 kg chất lỏng tỏa nhiệt để giảm nhiệt độ từ t1 xuống 00C: Qtỏa

+ m1 kg chất lỏng ở 00C tỏa nhiệt để đông đặc hoàn toàn: Qtỏa1

+ m2 kg chất rắn tỏa nhiệt để giảm nhiệt độ từ 00C đến t0

- Phân tích quá trình thu nhiệt của m2 từ t2 đến t: Q’thu

- Viết phương trình cân bằng nhiệt: Qtỏa + Qtỏa1 + Qtỏa2 = Q’thu

*Nếu xảy ra trường hợp 5: Đông đặc một phần

- Phân tích quá trình tỏa nhiệt của chất lỏng m1 gồm các giai đoạn:

+ m1 kg chất lỏng tỏa nhiệt để giảm nhiệt độ từ t1 đến 00C: Qtỏa

+ ∆ m tỏa nhiệt để đông đặc ở 00C: Qtỏa2

- Phân tích quá trình thu nhiệt của m2 từ t2 đến 00C: Qthu

- Viết phương trình cân bằng nhiệt: Qtỏa + Qtỏa2 = Qthu

Bước 4: Giải phương trình, tìm ẩn.

Bước 5: Kiểm tra và kết luận lại kết quả.

Loại 1: Trao đổi nhiệt có sự chuyển thể hoàn toàn

*Bài tập ví dụ:

Ví dụ 1: Trong một bình chứa m1 = 4kg nước ở t1 = 300C Người ta thảvào bình một cục nước đá có khối lượng m2 = 0,4kg ở t2 = -100C Cho nhiệt

dung riêng của nước và nước đá lần lượt là c1 = 4200J/kg.K và c2 =

1800J/kg.K; Nhiệt nóng chảy của nước đá là  = 34.104J/kg

a Nước đá có tan hết không ? Tính nhiệt độ chung của hệ khi có cân bằngnhiệt

b Tính lượng nước có trong bình khi đó

Vì Qtỏa > Qthu nước đá bị nóng chảy

Nhiệt lượng cần cung cấp để m2 kg nước đá ở 00C nóng chảy hoàn toàn là

Qthu1 = m2  = 0,4.34.104 = 136000 (J)

Do Qtỏa > Qthu +Qthu1 nên nước đá nóng chảy hoàn toàn Vậy nhiệt độ cân bằngcủa hệ lớn hơn 00C

Gọi t là nhiệt độ cân bằng của hệ

Nhiệt lượng m2 kg nước ở 00C thu vào để tăng nhiệt độ lên t0là:

Qthu2 = m2 c1 (t-0) = 0,4.4200.t = 1680.t (J)

Nhiệt lượng 4 kg nước tỏa ra để hạ nhiệt độ xuống t0 là:

Q’tỏa = m1 c1.(t1 – t) = 4.4200.(30-t) = 504000 – 16800.t (J)

Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt

Qthu + Qthu1 +Qthu2 = Q’tỏa

7200 + 136000 + 1680.t = 504000 -16800.t

=> t = 19,5240CVậy nhiệt độ cân bằng của hệ là 19,5240C

Khối lượng nước có trong bình khi đó: m = m1 +m2 = 4,4 kg

Đáp số: a Nước đá có tan hết, t= 19,5240C

b m =4,4 kg

*Bài tập tương tự:

Bài 1: Người ta cho vào nhiệt lượng kế một hỗn hợp m1 = 0,5 kg nước ở

nhiệt độ t1 = 250C và m2 = 6 kg nước đá ở nhiệt độ t2 = - 200C Bỏ qua sự tỏanhiệt ra môi trường xung quanh và nhiệt dung của nhiệt lượng kế Xác địnhnhiệt độ cân bằng Biết nhiệt dung riêng của nước, của nước đá và nhiệt nóngchảy của nước đá lần lượt là c1 = 4200J/kg.k; c2 = 2100 J/kg.k và  = 3,4 105 J/kg

Bài 2: Trong một bình có một cục nước đá có khối lượng 6kg ở -200C.Người ta đổ vào bình chứa 0,1 kg nước ở 50C Cho nhiệt dung riêng của nước

đá, của nước và nhiệt nóng chảy của nước đá lần lượt là c1 = 1800J/kg.K; c2 =

4200J/kg.K,  = 3,4 105 J/kg

a.Tính nhiệt độ chung của hệ khi có cân bằng nhiệt

b.Tính lượng nước và nước đá có trong bình khi đó

Bài 3:Trong một nhiệt lượng kế chứa 1kg nước và 1kg nước đá ở cùng nhiệt độ

00C, người ta rót thêm vào đó 2kg nước ở 500C Cho nhiệt dung riêng của nước

và nước đá lần lượt là c1 = 4200J/kg.K và c2 = 1800J/kg.K; nhiệt nóng chảy của

nước đá là  = 34.104J/kg

a.Tình nhiệt độ chung của hệ khi có cân bằng nhiệt

b.Tính lượng nước và nước đá có trong bình khi đó

Loại 2: Trao đổi nhiệt xảy ra không hoàn toàn

a Tính nhiệt độ chung của hệ khi có cân bằng nhiệt

b Tính lượng nước có trong bình khi đó

Bài giải

a Nhiệt lượng cần cung cấp để m2 kg nước đá tăng từ -100C tới 00 C là:

Qthu = m2.c2.(0-t2) = 4.1800.{0 – (-10)} = 72000J Nhiệt lượng mà m1 kg nước tỏa ra để hạ nhiệt độ từ 100 C xuống 00C là:

Qtỏa = m1.c1.(t1-0)= 1.4200.(10 -0) = 42000 J+ Vì Qtỏa < Qthu nên nước sẽ bị động đặc thành nước đá

Nhiệt lượng m1 kg nước đá tỏa ra để động đặc hoàn toàn là:

Qtỏa1 = m1 .J

Vì Qthu < Qtỏa+Qtỏa1 nên nước bị đông đặc một phần và nhiệt độ cân bằngcủa hệ là 00C

b Gọi m là lượng nước bị đông đặc

Nhiệt lượng mà m kg chất đó tỏa ra để đông đặc là: Qtỏa2 = m 

Phương trình cân bằng nhiệt: Qthu = Qtỏa + Qtỏa 2

72000 = 42000 + m =>m = 0,088 kg Khối lượng nước còn lại trong bình là

M’= m1 – m =1-0,088=0,912 kg

Đáp số: a Nước bị đóng băng một phần t = 00C

b.0,912kg

*Bài tập tương tự

Bài 1: (Nước đá nóng chảy một phần – nhiệt độ của hệ là 00 C).

Một bình hình trụ, ban đầu chứa 3kg nước ở 240C Người ta thả vào bình mộtcục nước đá có khối lượng 1,4kg đang ở 00C Biết chỉ có nước đá và nước traođổi nhiệt với nhau; nhiệt dung riêng của nước là cn = 4200J/kg.K; nhiệt lượngcần cung cấp cho 1kg nước đá nóng chảy hoàn toàn ở 00C là 3,36.105J Khi cócân bằng nhiệt hãy tìm:

a Nhiệt độ của nước trong bình? Khối lượng nước trong bình?

b Độ chênh lệch giữa mực nước trong bình khi có cân bằng nhiệt so với khichưa thả cục nước đá? Biết diện tích đáy trong của bình là S = 200cm2; khốilượng riêng của nước là Dn = 1000kg/m3

Bài 2: Thả 1,6 kg nước đá ở -100C vào một nhiệt lượng kế đựng 2 kgnước ở 600C Bình nhiệt lượng kế bằng nhôm có khối lượng 200g và nhiệtdung riêng là 880 J/kg.K

a Nước đá có tan hết hay không?

b.Tính nhiệt độ cuối cùng của nhiệt lượng kế

Biết cnước đá = 2100J/kg.K , cnước = 4190J/kg.K, nước đá = 3,4.105J/kg,

Bài 3: Có 3 bình nhiệt lượng kế, mỗi bình đều chứa M = 20g nước ở cùng

nhiệt độ Người ta còn thả vào mỗi bình nhiệt lượng kế một cục nước đá có khốilượng khác nhau nhưng có cùng nhiệt độ.Thả vào bình 1 cục nước đá có khốilượng m1= 10g Khi có cân bằng nhiệt, khối lượng nước đá ở bình 1 còn lại làm1/= 9g Thả vào bình 2 cục nước đá có khối lượng m2 = 20g Khi có cân bằngnhiệt, khối lượng nước đá ở bình 2 không đổi Thả vào bình 3 cục nước đá cókhối lượng m3 = 40g thì khi có cân bằng nhiệt khối lượng nước đá trong bình 3

là bao nhiêu?

Dạng 3: Bài tập trao đổi nhiệt có sự chuyển thể từ thể lỏng sang thể khí và ngược lại.

*Dấu hiệu nhận biết: Đề bài thường cho hai hay nhiều chất trao đổi nhiệt

với nhau trong đó có ít nhất một chất là chất khí và một chất là chất lỏng nên đềbài thường yêu cầu tìm nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp và tìm khối lượng chấtcòn lại trong bình sau khi có cân bằng nhiệt

*Phương pháp giải: Xét sự trao đổi nhiệt của nước và hơi nước

Bước 1: Tìm hiểu đề bài: Tóm tắt, đổi đơn vị (nếu cần)

Bước 2: Thử kiểm tra nhiệt độ cân bằng của hệ:

- Xác định các chất thu nhiệt, các chất tỏa nhiệt

- Tính nhiệt lượng m1 kg chất khí tỏa ra để ngưng tụ hoàn toàn thành chấtlỏng ở 1000C: Qtỏa

- Tính nhiệt lượng m2 kg chất lỏng thu vào để tăng nhiệt độ từ nhiệt độban đầu t2 đến 1000C: Qthu

- So sánh Qtỏa và Qthu

+ Trường hợp 1: Qtỏa < Qthu thì kết luận chất khí đã bị ngựng tụ hoàn toàn vàtiếp tục tỏa nhiệt để giảm nhiệt độ xuống dưới 1000C

+ Trường hợp 2: Qtỏa > Qthu thì kết luận chất lỏng m2 đã thu nhiệt để tăng nhiệt

độ đến 1000C và một phần hơi nước đã ngưng tụ thành nước ở 1000C và còn lạimột phần hơi nước Nhiệt độ cân bằng của hệ là 1000C

+ Trường hợp 3: Qtỏa = Qthu thì nhiệt độ cân bằng của hệ là 1000C và chưa có sựchuyển thể xảy ra ở đây

Bước 3: Xây dựng phương trình cân bằng nhiệt:

- Phân tích quá trình tỏa nhiệt của chất khí m1 gồm các giai đoạn:

+ Chất khí m1 tỏa nhiệt để ngưng tụ thành chất lỏng ở 1000C: Qtỏa

+ Chất lỏng m1 tỏa nhiệt để giảm nhiệt độ từ 1000C đến t0C: Qtỏa1

- Phân tích quá trình tthu nhiệt của chất lỏng m2

+ Chất lỏng m2 thu nhiệt để tăng nhiệt độ từ t1 tới t: Qthu1

- Viết phương trình cân bằng nhiệt: Qthu1 = Q tỏa + Qtỏa1

Bước 4: Giải phương trình, tìm ẩn.

Bước 5: Kiểm tra và kết luận lại kết quả.

*Ví dụ minh họa:

Ví dụ: Người ta dẫn 0,2 kg hơi nước ở nhiệt độ 1000C vào một bình chứa1,5 kg nước đang ở 150C Tìm nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp và tổng khốilượng xảy ra khi cân bằng nhiệt Biết nhiệt lượng tỏa ra khi 1 kg hơi nước ở

1000C ngưng tụ thành nước là 2,3 106J, nhiệt dung riêng của nước là c = 4200J/kg.K

Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt:

Qthu1 = Qtỏa+ Qtỏa1

6300.(t - 15) = 460000+ 840.(100-t)

t = 89,430C

Vậy nhiệt độ cân bằng của hệ là 89,430C

Khối lượng nước trong bình khi xảy ra cân bằng nhiệt là:

a.Tính nhiệt độ sau cùng của hỗn hợp và khối lượng của nước trong bình

b Nếu tiếp tục dẫn vào nhiệt lượng kế trên 0,4 kg hơi nước nữa Tính nhiệt

độ sau cùng của hỗn hợp và khối lượng của nước trong bình lúc này

Bài 2: Dẫn hơi nước ở 1000C vào một bình chứa nước đang có nhiệt dộ

200C, dưới áp suất bình thường

a Khối lượng nước trong bình tăng lên bao nhiêu khi nhiệt độ nó đạt tới 1000C

b Khi nhiệt độ đã đạt 1000C, nếu tiếp tục dẫn hơi nước ở 1000C vào bình thì cóthể làm cho nước trong bình có thể sôi được không? Cho nhiệt dung riêng củanước c = 4200J/kg.K; nhiệt hóa hơi của nước L = 2,3.106J/kg

Bài 3: Một miếng thép có khối lượng m=1kg được nung nóng đến 6000Crồi đặt vào một cốc cách nhiệt Rót M = 200 g nước ở nhiệt độ 200C lên miếngthép Tính nhiệt độ sau cùng của nước sau khi rót hết nước vào cốc trong mỗitrường hợp

a.Nước được rót rất nhanh vào cốc

b Nước được rót rất chậm lên miếng thép

Cho nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K, của thép là 460J/kg.K, nhiệt hóahơi của nước là L = 2,3 106 J/kg Coi sự cân bằng nhiệt xảy ra tức thời và chỉ có

sự trao đổi nhiệt giữa miếng thép và nước

Dạng 4: bài tập về chuyển thể liên quan đến hiện tượng cơ học.

Loại 1: Bài toán có sự chuyển thể và liên quan đến hiện tượng sự thay đổi mực nước:

*Dấu hiệu nhận biết : Đề bài cho hai hay nhiều chất trao đổi nhiệt với

nhau và có sự chuyển thể của chất và sau khi cân bằng nhiệt mực nước trongbình tăng lên hay hạ xuống

*Phương pháp giải:

Bước 1: Tìm hiểu đề bài: Tóm tắt, đổi đơn vị (nếu cần)

Bước 2: Phân tích hiện tượng Vật lí: Dựa vào sự thay đổi của mực nước để

kết luận hiện tượng xảy ra là nóng chảy hay đông đặc

+ Nếu mực nước trong bình giảm thì xảy ra quá trình nóng chảy vì khichuyển thể khối lượng của chất đó không thay đổi nhưng thể tích giảm đi chứng

tỏ khối lượng riêng tăng lên do đó nước đá nóng chảy thành nước (khối lượngriêng của nước đá nhỏ hơn khối lượng riêng của nước)

+ Nếu mực nước trong bình tăng thì xảy ra quá trình đông đặc vì khichuyển thể khối lượng của chất đó không thay đổi nhưng thể tích tăng lên chứng

tỏ khối lượng riêng giảm đi do đó nước đông đặc thành nước đá (khối lượngriêng của nước đá nhỏ hơn khối lượng riêng của nước)

Bước 3: Xác định được nhiệt độ cân bằng của hệ

* Nếu xảy ra quá trình nóng chảy : Xác định xem nhiệt độ cân bằng của hệ

t > 00C (nóng chảy hoàn toàn) hay t = 00C (chỉ nóng chảy một phần)

- Tính độ cao mực nước trong bình giảm đi khi m1 kg nước đá nóng chảyhoàn toàn (bình đựng chứa nước đá có chiều cao h1; tiết diện S, D là khối lượngriêng của nước đá, D0 là khối lượng riêng của nước)

S.h1 D = S.(h1 -∆ h0¿ D0

 ∆ h0=h1.(D0−D)

D0

- So sánh : ∆ h0 với h0 ( h0 là độ giảm chiều cao mực nước bài cho)

+ ∆ h0 < h0 thì nước đá nóng chảy một phần => Nhiệt độ cân bằng của hệ t

= 00C

+ ∆ h0= ¿ h0 thì nước đá nóng chảy hoàn toàn => Nhiệt độ cân bằng của hệ

t > 00C

* Nếu xảy ra quá trình đông đặc: Xác định xem nhiệt độ cân bằng của hệ

t < 00C (đông đặc hoàn toàn) hay t = 00C (chỉ đông đặc một phần)

- Tính độ cao mực nước tăng lên khi m2 kg nước đông đặc hoàn toàn(bình đựng chứa nước có chiều cao h2; tiết diện S

S.h2 D0 = S.(h2 + ∆ h0¿.D => ∆ h0=h2 (D0−D)

D

- So sánh : ∆ h0 với h0 ( h0 là độ tăng mực nước trong bình bài cho)

+ ∆ h0 < h0 thì nước đông đặc một phần => Nhiệt độ cân bằng của hệ t = 0 0C+ ∆ h0= ¿ h0 thì nước đông đặc hoàn toàn => Nhiệt độ cân bằng của hệ t < 00C

Bước 4: Viết phương trình cân bằng nhiệt

- Tính khối lượng phần nước đá bị nóng chảy hoặc phần nước đá bị đôngđặc:

+ Nếu nóng chảy một phần: Gọi S là diện tích đáy của hình trụ, achiều cao cột nước đá bị nóng chảy, h0 là chiều cao mực nước bị giảm sau khicân bằng nhiệt Sau khi nóng chảy nó có chiều cao là (a - h0)

Vì khối lượng của nước đá không thay đổi nên ta có:

D.S.a = D0 S.(a-h0) => a= D0

D0−D h0Khối lượng phần nước đá bị nóng chảy : m’= S.a.D

+ Nếu đông đặc một phần: Gọi S là diện tích đáy của hình trụ, a chiềucao cột nước đá bị đông đặc, h0 là chiều cao mực nước tăng lên sau khi cânbằng nhiệt Sau khi nóng chảy nó có chiều cao là (a + h0)

Vì khối lượng của nước đá không thay đổi nên ta có:

D0.S.a = D.S.(a + h0) => a= D

D0−D h0Khối lượng phần nước bị đông đặc là : m’= S.a.D0

- Phân tích quá trình thu nhiệt, tỏa nhiệt của từng chất.

- Viết phương trình cân bằng nhiệt

Bước 5 : Giải phương trình tìm được kết quả

Bước 6 : Kiểm tra và biệm luận kết quả.

*Ví dụ minh họa

Ví dụ: Một bình cách nhiệt hình trụ chứa khối nước đá cao 25cm ở nhiệt

độ - 200C Người ta rót nhanh một lượng nước vào bình tới khi mặt nước cáchđáy bình 45cm Khi đã cân bằng nhiệt mực nước trong bình giảm đi 0,5cm sovới khi vừa rót Cho biết khối lượng riêng của nước và nước đá lần lượt là1000kg/m3 và 900kg/m3, nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K, của nước đá

là 2100J/kg.K, nhiệt nóng chảy của nước đá là 3,4.105J/kg Xác định nhiệt độcủa nước rót vào? Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trường ngoài và bình

Gọi S là diện tích đáy của hình trụ, a chiều cao cột nước đá bị nóng chảy

Sau khi nóng chảy nó có chiều cao là (a-h) Vì khối lượng của nước đákhông thay đổi nên ta có:

Q2 = S.a.D  (J)Nhiệt lượng nước tỏa ra để giảm nhiệt độ từ t2 xuống 00C là:

Bài 2: Hai bình nhiệt lượng kế hình trụ giống nhau cách nhiệt có cùng độ

cao là 25cm, bình A chứa nước ở nhiệt độ t0 = 500C, bình B chứa nước đá tạothành do làm lạnh nước đã đổ vào bình từ trước Cột nước và nước đá chứatrong mỗi bình đều có độ cao là h = 10cm Đổ tất cả nước ở bình A vào bình B.Khi cân bằng nhiệt thì mực nước trong bình B giảm đi Δh=0,6cmh=0,6cm so với khi vừamới đổ nước từ bình A vào Cho khối lượng riêng của nước là D0 = 1g/cm3, củanước đá là D= 0,9g/cm3, nhiệt dung riêng của nước đá là c1 = 2,1J/(g.độ), nhiệtdung riêng của nước là c2 = 4,2J/(g.độ), nhiệt nóng chảy của nước đá làλ=335J/g Tìm nhiệt độ nước đá ban đầu ở bình B

Bài 3: Một cục nước đá ở nhiệt độ t1 = -50C được dìm ngập hoàn toàntrong nước ở nhiệt độ t2, có cùng khối lượng với nước đá, đựng trong một nhiệt

lượng kế hình trụ Chỉ có nước và nước đá trao đổi nhiệt với nhau Bỏ qua sựthay đổi thể tích của nước và nước đá theo nhiệt độ.

1.Tùy theo điều kiện nhiệt độ ban đầu t2 của nước Hãy nêu và biệm luận cáctrường hợp có thể xảy ra với mực nước trong bình nhiệt lượng kế khi có cânbằng nhiệt

2 Trường hợp mực nước trong bình nhiệt lượng kế giảm 2% so với ban đầu khi

có cân bằng nhiệt thì nhiệt độ ban đầu của nước là bao nhiêu?

Cho biết: Nhiệt nóng chảy, khối lượng riêng của nước đá lần lượt là c1 =2090J/kg.K, L=3,34.105 J/kg, D1 = 0,916 g/cm3; nhiệt dung riêng, khối lượngriêng của nước lần lượt là c2 = 4180J/kg.K, D2 = 1g/cm3

Loại 2: Bài tập liên quan đến vật chìm trong nước hay vật nổi trên mặt nước

*Dấu hiệu nhận biết: Bài toán thường hỏi vật chìm hay nổi trên mặt nước.

*Phương pháp giải:

Bước 1: Tìm hiểu đề bài: Tóm tắt, đổi đơn vị (nếu cần)

Bước 2: Phân tích hiện tượng Vật lí: Dựa vào dự kiện đầu bài cho để

Bước 3: Xác định nhiệt độ cân bằng của hệ: Thường đối với những bài

toán này sẽ sảy ra nóng chảy một phần nên nhiệt độ cân bằng của hệ là t = 00C

Bước 4: Xây dựng phương trình

+ Viết phương trình lực để có thể xác định được phần đá còn lại

+ Viết phương trình cân bằng nhiệt để xác đinh phần đá đã tan

Bước 5: Giải phương trình tìm được kết quả

Bước 6: Kiểm tra và biệm luận kết quả.

*Ví dụ minh họa:

Ví dụ : Người ta đặt một viên bi đặc bằng sắt hình cầu bán kính R = 6cm

đã được nung nóng tới nhiệt độ 3250C lên mặt một khối nước đá rất lớn ở 00C.Hỏi viên bi chui vào khối nước đá đến độ sây bao nhiêu? Bỏ qua sự dẫn nhiệtcủa nước đá và độ nóng lên của đá đã tan Cho khối lượng riêng của sắt là D =7800kg/m3, khối lượng riêng của nước đá D0 = 915kh/m3, nhiệt dung riêng củasăt là c = 460J/kg.K, nhiệt nóng chảy của nước đá là 3,4.105J/kg.K

Bài 1: Một cục nước đá đóng băng có chứa một mẩu chì nhỏ bên trong.

Phần nước đóng băng có khối lượng M = 0,1kg, mẩu chì khối lượng m = 5g Cục

H