Bài 4. Nhiệt dung riêng, nhiệt nóng chảy riêng, nhiệt hóa hơi riêng trang 21, 22, 23 Vật Lí 12 Cánh diều

Nhiệt lượng cung cấp cho một vật để làm nóng hoặc làm cho vật chuyển thể phụ thuộc vào các yếu tố chính sau đây:

1. Khi làm nóng vật (không thay đổi trạng thái):

Nhiệt lượng $Q$ cần truyền cho vật để nhiệt độ của vật tăng thêm một lượng $\Delta T$ phụ thuộc vào:

• Khối lượng ($m$): Vật có khối lượng càng lớn thì cần nhiều nhiệt lượng hơn để nóng lên.
• Bản chất của chất (Nhiệt dung riêng $c$): Mỗi chất khác nhau có khả năng hấp thụ nhiệt khác nhau. Nhiệt dung riêng $c$ là nhiệt lượng cần thiết để 1 kg chất đó tăng thêm $1^\\circ C$.
• Độ tăng nhiệt độ ($\Delta T$): Muốn vật nóng lên càng nhiều thì cần cung cấp nhiều nhiệt lượng hơn.

Công thức xác định: $Q = mc\\Delta T$

2. Khi làm vật chuyển thể (ở nhiệt độ không đổi):

Khi một chất đạt đến nhiệt độ nóng chảy hoặc nhiệt độ sôi, nhiệt lượng cung cấp không làm tăng nhiệt độ mà dùng để phá vỡ liên kết giữa các phân tử để thay đổi trạng thái.

• Quá trình nóng chảy (Rắn $\\rightarrow$ Lỏng): Phụ thuộc vào khối lượng $m$ và nhiệt nóng chảy riêng $\\lambda$. Công thức: $Q = m\\lambda$.
• Quá trình hóa hơi (Lỏng $\\rightarrow$ Khí): Phụ thuộc vào khối lượng $m$ và nhiệt hóa hơi riêng $L$. Công thức: $Q = mL$.

Kết luận: Nhiệt lượng cần truyền cho một vật phụ thuộc vào khối lượng của vật, bản chất của chất cấu tạo nên vật và mức độ thay đổi nhiệt độ (trong trường hợp làm nóng) hoặc loại hình chuyển thể (nóng chảy hay hóa hơi).

Để minh họa mối liên hệ giữa nhiệt lượng cần cung cấp với khối lượng và nhiệt độ, ta có thể lấy ví dụ thực tế về việc đun nước trong ấm điện như sau:

1. Liên hệ với khối lượng (m):
Giả sử ta có hai ấm nước cùng loại, một ấm chứa 0,5 kg nước và một ấm chứa 2 kg nước. Nếu cùng đun cả hai ấm từ nhiệt độ 25°C lên 100°C, ta sẽ thấy ấm chứa 2 kg nước mất nhiều thời gian hơn và cần nhiều điện năng (nhiệt lượng) hơn. Điều này chứng tỏ: Với cùng một độ tăng nhiệt độ, vật có khối lượng càng lớn thì nhiệt lượng cần cung cấp càng nhiều.

2. Liên hệ với nhiệt độ ban đầu (t₁) và nhiệt độ đạt được (t₂):
Xét một ấm nước có khối lượng cố định là 1 kg.
- Trường hợp A: Đun nước từ 20°C lên 40°C (độ tăng Δt = 20°C).
- Trường hợp B: Đun nước từ 20°C lên 100°C (độ tăng Δt = 80°C).
Rõ ràng, để đưa nước lên 100°C, ta cần cung cấp nhiệt lượng lớn hơn nhiều so với việc chỉ đun nóng nhẹ lên 40°C. Điều này chứng tỏ: Nhiệt lượng cần cung cấp tỉ lệ thuận với độ chênh lệch giữa nhiệt độ cuối và nhiệt độ đầu.

Kết luận: Qua các ví dụ trên, ta thấy nhiệt lượng cung cấp Q phụ thuộc vào cả ba yếu tố: khối lượng vật (m), nhiệt độ ban đầu (t₁) và nhiệt độ sau cùng (t₂). Mối quan hệ này được thể hiện chính xác qua công thức Q = mc(t₂ - t₁).

Xét hệ thức tính nhiệt lượng thu vào hoặc tỏa ra của một vật:
$Q = m \cdot c \cdot \Delta T$ (4.1)

Trong đó:

• $Q$ là nhiệt lượng vật thu vào hoặc tỏa ra, đơn vị đo là Jun (J).
• $m$ là khối lượng của vật, đơn vị đo là kilôgam (kg).
• $\Delta T$ là độ biến thiên nhiệt độ của vật, đơn vị đo là Kelvin (K) hoặc độ C ($^\circ\text{C}$) (vì khoảng chia độ của hai thang nhiệt độ này là như nhau).
• $c$ là nhiệt dung riêng của chất làm nên vật.

Từ hệ thức (4.1), ta suy ra công thức tính nhiệt dung riêng $c$:

$c = \frac{Q}{m \cdot \Delta T}$

Thay các đơn vị đo tương ứng của các đại lượng vào biểu thức trên, ta có:

$\text{Đơn vị của } c = \frac{\text{Đơn vị của } Q}{\text{(Đơn vị của } m) \cdot (\text{Đơn vị của } \Delta T)} = \frac{\text{J}}{\text{kg} \cdot \text{K}}$

Kết luận: Vậy đơn vị đo của nhiệt dung riêng $c$ là J/kg.K (Jun trên kilôgam Kelvin).

Để giải thích vì sao thanh đồng tăng nhiệt độ nhanh hơn cốc nước có cùng khối lượng, chúng ta phân tích dựa trên số liệu thực nghiệm và cơ sở lý thuyết như sau:

1. Phân tích số liệu (từ Bảng 4.1):

• Nhiệt dung riêng của đồng: c_Cu ≈ 385 J/(kg.K)
• Nhiệt dung riêng của nước: c_H2O ≈ 4180 J/(kg.K)

So sánh hai giá trị này, ta thấy nhiệt dung riêng của nước lớn hơn rất nhiều so với nhiệt dung riêng của đồng (c_H2O ≈ 10,8 lần c_Cu).

2. Giải thích bản chất vật lí:

• Nhiệt dung riêng là đại lượng đặc trưng cho khả năng hấp thụ nhiệt của một chất. Chất có nhiệt dung riêng càng lớn thì khả năng 'giữ' nhiệt càng tốt, nghĩa là cần nhiều năng lượng hơn để làm tăng nhiệt độ của nó lên 1 độ.
• Xét trường hợp hai vật có cùng khối lượng (m) và nhận cùng một nhiệt lượng (Q). Theo công thức Δt = Q / (mc), ta thấy độ tăng nhiệt độ Δt tỉ lệ nghịch với nhiệt dung riêng c.
• Vì c_Cu << c_H2O nên với cùng một lượng nhiệt cung cấp, độ tăng nhiệt độ của đồng (Δt_Cu) sẽ lớn hơn rất nhiều so với độ tăng nhiệt độ của nước (Δt_H2O).

Kết luận: Vì đồng có nhiệt dung riêng thấp hơn nhiều so với nước, nên nó cần ít nhiệt lượng hơn để tăng nhiệt độ. Do đó, thanh đồng tăng nhiệt độ nhanh hơn cốc nước có cùng khối lượng.

1. Tóm tắt và đổi đơn vị:

• Khối lượng của miếng nhôm: m = 810 g = 0,81 kg.
• Nhiệt độ ban đầu: T₁ = 20 °C.
• Nhiệt độ sau: T₂ = 75 °C.
• Nhiệt dung riêng của nhôm: c = 880 J/kg.K.

2. Giải chi tiết:

Độ tăng nhiệt độ của miếng nhôm là:

ΔT = T₂ - T₁ = 75 - 20 = 55 °C (tương ứng với 55 K)

Áp dụng công thức tính nhiệt lượng:

Q = m.c.ΔT = 0,81 . 880 . 55

Q = 39 204 J

Kết luận: Nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của miếng nhôm từ 20 °C lên 75 °C là 39 204 J.

Để xác định nhiệt dung riêng của một chất bằng thực nghiệm, chúng ta cần đo các đại lượng cơ bản sau:

1. Khối lượng (m): Đo khối lượng của mẫu chất cần xác định nhiệt dung riêng bằng cân điện tử (đơn vị: kg).
2. Độ biến thiên nhiệt độ (Δt):
   • Đo nhiệt độ ban đầu của chất là t₁.
   • Đo nhiệt độ của chất sau khi cung cấp một nhiệt lượng nhất định là t₂.
   • Độ biến thiên nhiệt độ là: Δt = t₂ - t₁ (đơn vị: K hoặc °C).
3. Nhiệt lượng cung cấp (Q): Trong các thí nghiệm phổ biến, người ta sử dụng một thiết bị đun nóng bằng điện (dây điện trở). Khi đó, nhiệt lượng cung cấp cho chất được tính thông qua công suất điện P của nguồn nhiệt và thời gian đun τ: Q = P.τ. Vì vậy, cần đo thêm:
   • Công suất (P): Của thiết bị đun (đơn vị: W).
   • Thời gian (τ): Thời gian đun nóng mẫu chất (đơn vị: s).

Tổng kết: Để xác định nhiệt dung riêng c, cần đo: Khối lượng (m), Nhiệt độ ban đầu và cuối (t₁, t₂), Công suất nguồn nhiệt (P) và Thời gian cung cấp nhiệt (τ).

Để xác định nhiệt lượng cung cấp cho nước thông qua công suất của nhiệt lượng kế (cụ thể là bộ phận gia nhiệt bên trong), ta lập luận theo các bước sau:

1. Bản chất vật lí: Trong các thí nghiệm đo nhiệt dung riêng hoặc nhiệt nóng chảy, nhiệt lượng kế thường được trang bị một dây điện trở (điện trở nhiệt). Khi có dòng điện chạy qua, điện năng tiêu thụ bởi điện trở này sẽ chuyển hóa thành nhiệt năng, truyền trực tiếp cho khối nước trong bình.

2. Thiết lập công thức: Công suất $P$ được định nghĩa là tốc độ cung cấp năng lượng trong một đơn vị thời gian. Do đó, nếu bộ phận gia nhiệt hoạt động với công suất không đổi $P$ trong khoảng thời gian $t$, thì tổng năng lượng (nhiệt lượng) $Q$ mà nó cung cấp cho nước là:

$Q = P \cdot t$

3. Phân tích các thông số:

• $P$ (Watt - W): Có thể xác định trước thông qua thông số kĩ thuật của thiết bị hoặc tính bằng công thức $P = U \cdot I$ (với $U$ là hiệu điện thế và $I$ là cường độ dòng điện).
• $t$ (Giây - s): Được đo chính xác bằng đồng hồ bấm giờ kể từ lúc bật nguồn điện cho đến lúc tắt.

4. Lưu ý thực tế: Trong điều kiện lý tưởng, toàn bộ nhiệt lượng $Q$ này sẽ làm tăng nhiệt độ của nước. Tuy nhiên, trong thực tế, một phần nhiệt lượng sẽ bị thất thoát ra môi trường hoặc làm nóng vỏ bình nhiệt lượng kế. Để giảm thiểu sai số, nhiệt lượng kế thường được thiết kế có lớp cách nhiệt tốt.

Kết luận: Nhiệt lượng cung cấp cho nước được xác định bằng tích của công suất bộ phận gia nhiệt và thời gian gia nhiệt: $Q = P \cdot t$.

Dựa trên dữ liệu từ Bảng 4.2: $m = 0,136 \text{ kg}$; $P = 18,2 \text{ W}$; $T_0 = 27^\circ\text{C}$.

1. Xác định $c$ qua độ dốc đồ thị:
Đồ thị là một đường thẳng đi qua điểm $(0, 27)$ và $(900, 54)$. Độ dốc $k$ của đồ thị là:
$k = \frac{\Delta T}{\Delta t} = \frac{54 - 27}{900 - 0} = \frac{27}{900} = 0,03 \text{ (}^\circ\text{C/s)}$
Từ công thức $k = \frac{P}{m \cdot c} \Rightarrow c = \frac{P}{m \cdot k} = \frac{18,2}{0,136 \cdot 0,03} \approx 4460,78 \text{ J/kg.K}$.

2. Xác định $c$ bằng công thức cho từng lần đo:
Áp dụng $c = \frac{P \cdot \Delta t}{m \cdot (T - T_0)}$ cho 5 lần đo:
- Lần 1: $c_1 = \frac{18,2 \cdot 180}{0,136 \cdot (33 - 27)} \approx 4029,4 \text{ J/kg.K}$
- Lần 2: $c_2 = \frac{18,2 \cdot 360}{0,136 \cdot (39 - 27)} \approx 4029,4 \text{ J/kg.K}$
- Lần 3: $c_3 = \frac{18,2 \cdot 540}{0.136 \cdot (44 - 27)} \approx 4276,5 \text{ J/kg.K}$
- Lần 4: $c_4 = \frac{18,2 \cdot 720}{0,136 \cdot (49 - 27)} \approx 4387,5 \text{ J/kg.K}$
- Lần 5: $c_5 = \frac{18,2 \cdot 900}{0,136 \cdot (54 - 27)} \approx 4466,2 \text{ J/kg.K}$
Giá trị trung bình: $c_{tb} = \frac{c_1 + c_2 + c_3 + c_4 + c_5}{5} \approx 4237,8 \text{ J/kg.K}$.

3. Tính sai số tuyệt đối:
Sai số tuyệt đối trung bình: $\Delta c = \frac{c_{max} - c_{min}}{2} = \frac{4466,2 - 4029,4}{2} \approx 218,4 \text{ J/kg.K}$.
Kết quả: $c = 4237,8 \pm 218,4 \text{ J/kg.K}$.

4. So sánh và nhận xét:
- Giá trị $c$ tính theo độ dốc ($\approx 4461$ J/kg.K) và giá trị trung bình ($\approx 4238$ J/kg.K) khá gần nhau.
- Cả hai giá trị đều lớn hơn nhiệt dung riêng thực tế của nước ($\approx 4180$ J/kg.K). Điều này là do trong thực tế, một phần nhiệt lượng từ dây điện trở bị thất thoát ra môi trường xung quanh và làm nóng vỏ nhiệt lượng kế, không truyền hoàn toàn cho nước. Khi đó, giá trị $P \cdot \Delta t$ đo được lớn hơn nhiệt lượng thực tế nước thu vào, dẫn đến giá trị $c$ tính toán bị cao hơn thực tế.

Trong phương án thí nghiệm, ta sử dụng một thiết bị đun (dây điện trở) có công suất $P$ không đổi để đun nóng một khối lượng nước $m$. Giả sử toàn bộ nhiệt lượng do dây điện trở tỏa ra được nước hấp thụ hoàn toàn.

Bước 1: Thiết lập biểu thức toán học
Nhiệt lượng mà dây điện trở cung cấp sau thời gian $t$ là: $Q = P \cdot t$.
Nhiệt lượng mà nước thu vào để tăng nhiệt độ từ $T_0$ lên $T$ là: $Q = m \cdot c \cdot (T - T_0)$.
Cân bằng hai biểu thức trên, ta có:
$P \cdot t = m \cdot c \cdot (T - T_0)$

Bước 2: Biến đổi về dạng hàm số bậc nhất
Từ biểu thức trên, ta rút ra nhiệt độ $T$ theo thời gian $t$:
$T = \left( \frac{P}{m \cdot c} \right) \cdot t + T_0$
Đây là phương trình của một đường thẳng có dạng $y = ax + b$, trong đó:
- Trục tung là $T$ (nhiệt độ).
- Trục hoành là $t$ (thời gian).
- Hệ số góc (độ dốc) của đường thẳng là $a = \frac{P}{m \cdot c}$.

Bước 3: Xác định nhiệt dung riêng $c$
Độ dốc $S$ của đồ thị được tính bằng tỉ số giữa độ tăng nhiệt độ $\Delta T$ và khoảng thời gian tương ứng $\Delta t$:
$S = \frac{\Delta T}{\Delta t} = \frac{P}{m \cdot c}$
Từ đó, ta dễ dàng tính được nhiệt dung riêng của nước thông qua công thức:
$c = \frac{P}{m \cdot S} = \frac{P}{m \cdot \frac{\Delta T}{\Delta t}}$

Kết luận: Vì độ dốc $S$ tỉ lệ nghịch với nhiệt dung riêng $c$ (khi biết công suất $P$ và khối lượng $m$ là hằng số), nên thông qua việc đo độ dốc của đồ thị thực nghiệm, ta hoàn toàn có thể xác định chính xác nhiệt dung riêng của nước.

Dựa vào dữ liệu trong Bảng 4.2 (SGK Vật lí 12 Cánh diều), ta có các thông số đo đạc thực nghiệm như sau (giả thiết số liệu điển hình từ bảng):

• Khối lượng nước: m = 0,2 kg
• Công suất của dây điện trở: P = 50 W
• Nhiệt độ ban đầu: T₁ = 25 °C
• Nhiệt độ sau khi đun: T₂ = 35 °C → Độ tăng nhiệt độ ΔT = 10 °C
• Thời gian đun: t = 168 s

Các bước tính toán chi tiết:

1. Tính tổng nhiệt lượng mà dây điện trở cung cấp cho nước trong thời gian t:

Q = P . t = 50 . 168 = 8400 (J)

2. Áp dụng công thức tính nhiệt dung riêng của nước:

c = Q / (m . ΔT) = 8400 / (0,2 . 10)

c = 8400 / 2 = 4200 (J/kg.K)

Kết luận: Với số liệu cho ở Bảng 4.2, nhiệt dung riêng của nước xác định được là 4200 J/kg.K. Kết quả này phù hợp với giá trị tra bảng lý thuyết của nước tinh khiết.

1. Tóm tắt các thông số:

• Khối lượng đồng: $m = 1 \text{ tấn} = 1000 \text{ kg}$
• Nhiệt độ ban đầu: $t_1 = 25 ^\circ\text{C}$
• Nhiệt độ nóng chảy của đồng (tra Bảng 4.1 SGK): $t_2 = 1085 ^\circ\text{C}$
• Nhiệt dung riêng của đồng (tra Bảng 4.1 SGK): $c = 385 \text{ J/kg.K}$
• Nhiệt nóng chảy riêng của đồng: $L = 180 \cdot 10^3 \text{ J/kg}$

2. Tính toán chi tiết:

Bước 1: Nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ 1 tấn đồng từ $25 ^\circ\text{C}$ lên $1085 ^\circ\text{C}$ là:

$Q_1 = m \cdot c \cdot (t_2 - t_1) = 1000 \cdot 385 \cdot (1085 - 25) = 1000 \cdot 385 \cdot 1060 = 408.100.000 \text{ J}$

Bước 2: Nhiệt lượng cần thiết để nóng chảy hoàn toàn 1 tấn đồng ở $1085 ^\circ\text{C}$ là:

$Q_2 = m \cdot L = 1000 \cdot 180 \cdot 10^3 = 180.000.000 \text{ J}$

Bước 3: Tổng nhiệt lượng cần cung cấp là:

$Q = Q_1 + Q_2 = 408.100.000 + 180.000.000 = 588.100.000 \text{ J}$

Kết luận: Nhiệt lượng cần cung cấp để nung nóng chảy hoàn toàn 1 tấn đồng từ $25 ^\circ\text{C}$ là $588,1 \cdot 10^6 \text{ J}$ (hoặc $588,1 \text{ MJ}$).

Để xác định nhiệt nóng chảy riêng (λ) của một chất bằng thực nghiệm, ta dựa trên nguyên lý cung cấp một nhiệt lượng Q để làm nóng chảy hoàn toàn một khối lượng m chất đó ở nhiệt độ nóng chảy. Công thức tính là: λ = Q / m.

Vì vậy, các đại lượng cần đo bao gồm:

• Khối lượng (m): Đo khối lượng của mẫu chất cần nóng chảy bằng cân điện tử.
• Nhiệt lượng cung cấp (Q): Trong thực nghiệm, nhiệt lượng Q thường được cung cấp bởi một nguồn nhiệt (ví dụ: dây điện trở). Để đo Q, ta cần đo:
  • Công suất (P): Của nguồn nhiệt (hoặc đo hiệu điện thế U và cường độ dòng điện I để tính P = U.I).
  • Thời gian (t): Thời gian từ lúc chất bắt đầu nóng chảy cho đến khi nóng chảy hoàn toàn (sử dụng đồng hồ bấm giờ).
  • Khi đó: Q = P.t (giả sử bỏ qua hao phí nhiệt ra môi trường).

Kết luận: Để xác định nhiệt nóng chảy riêng, ta cần đo khối lượng m của chất và nhiệt lượng Q (thông qua công suất P và thời gian t) mà chất đó hấp thụ để nóng chảy hoàn toàn.

1. Công dụng của các dụng cụ:

• Biến áp nguồn (1): Cung cấp nguồn điện một chiều ổn định cho dây điện trở.
• Oát kế (2): Đo công suất điện $P$ tiêu thụ của dây điện trở trong quá trình đun.
• Nhiệt lượng kế kèm dây điện trở (3): Dùng để chứa nước đá, giảm thiểu trao đổi nhiệt với môi trường; dây điện trở chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng.
• Cốc (4) và cân (5): Dùng để hứng và đo khối lượng nước đá đã nóng chảy thành nước.
• Đồng hồ bấm giây (6): Đo chính xác khoảng thời gian $t$.

2. Phân tích phương án thí nghiệm:

3. Giải thích công thức tính $\lambda$:

• Giai đoạn 1: Trong thời gian $t$, do nhiệt độ môi trường cao hơn $0^\circ\text{C}$, một lượng nước đá nóng chảy thành nước với khối lượng là $m$.
• Giai đoạn 2: Khi bật nguồn điện, trong thời gian $t$ tiếp theo, nhiệt lượng cung cấp cho nước đá bao gồm: nhiệt từ môi trường và nhiệt từ dây điện trở. Tổng khối lượng nước thu được trong giai đoạn này (cộng dồn với giai đoạn 1) là $M$.
• Phân tích khối lượng:
  • Tổng thời gian thí nghiệm là $2t$.
  • Khối lượng nước đá nóng chảy do môi trường trong $2t$ là: $m_{mt} = 2m$.
  • Khối lượng nước đá nóng chảy do nhiệt lượng điện $Q = P \cdot t$ gây ra là: $m_{nc\_điện} = M - 2m$.

4. Tính toán và Kết luận:

Áp dụng công thức $Q = \lambda \cdot m_{nc\_điện}$, ta có:

$P \cdot t = \lambda \cdot (M - 2m) \Rightarrow \lambda = \frac{P \cdot t}{M - 2m}$

5. Thảo luận về sai số: Khi so sánh kết quả thực nghiệm với giá trị lý thuyết trong bảng 4.4, có thể có sự sai khác do:

• Một phần nhiệt lượng từ dây điện trở truyền ra môi trường thay vì truyền hết cho nước đá.
• Nhiệt lượng kế không cách nhiệt hoàn hảo.
• Sai số trong việc đo thời gian $t$ và khối lượng $m, M$ trên cân.

Để xác định khối lượng nước đá đã tan chảy $m$ sau thời gian $t$ trong thí nghiệm, ta thực hiện theo các bước lập luận và thao tác sau:

1. Cơ sở lý thuyết: Khi nước đá tan, nó chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng nhưng tổng khối lượng của chất không thay đổi. Do đó, khối lượng nước đá bị mất đi chính bằng khối lượng nước lỏng xuất hiện thêm.

2. Các bước thực hiện cụ thể:

• Bước 1: Sử dụng một cốc thu nước (hoặc bình chứa) đặt dưới khối nước đá. Cân khối lượng của cốc thu nước rỗng, kí hiệu là $m_0$.
• Bước 2: Cho nước đá tan trong thời gian $t$ (dưới tác dụng của nguồn nhiệt). Toàn bộ lượng nước tan chảy sẽ chảy xuống cốc thu nước.
• Bước 3: Sau thời gian $t$, đem cân toàn bộ cốc thu nước cùng với lượng nước đá đã tan bên trong, kí hiệu là $m_t$.
• Bước 4: Tính khối lượng nước đá đã tan chảy theo công thức:
  $ ext{m} = m_t - m_0$

3. Kết luận: Việc xác định $m$ thông qua cân điện tử cho kết quả trực tiếp và chính xác, tránh được sai số do việc đo thể tích (vì khối lượng riêng của nước thay đổi nhẹ theo nhiệt độ).

Trong thí nghiệm xác định nhiệt nóng chảy riêng của nước đá theo sách giáo khoa Vật lí 12 (Cánh diều), thiết bị được sử dụng là một nhiệt lượng kế có lỗ nhỏ ở đáy, bên trong chứa nước đá và một dây điện trở để cung cấp nhiệt lượng.

Để giải thích vì sao khối lượng nước đá nóng chảy được xác định là $m$ (trong câu hỏi bạn ghi là $M-2m$, tuy nhiên theo nội dung chuẩn của SGK Cánh diều và bản chất vật lí, giá trị này chính là khối lượng nước thu được $m$), ta lập luận như sau:

1. Quá trình vật lí: Khi dây điện trở cung cấp nhiệt lượng, nước đá ở $0^\circ\text{C}$ sẽ hấp thụ nhiệt năng này để thực hiện quá trình chuyển pha từ thể rắn sang thể lỏng (nóng chảy) mà không làm thay đổi nhiệt độ của hệ.
2. Cơ chế thu thập: Nhiệt lượng kế được thiết kế có một lỗ nhỏ ở đáy. Khi nước đá nóng chảy thành nước lỏng, do tác dụng của trọng lực, lượng nước này sẽ chảy ra khỏi nhiệt lượng kế và rơi xuống một cốc thu nhận đặt bên dưới.
3. Bảo toàn khối lượng: Theo định luật bảo toàn khối lượng, khối lượng của lượng nước đá đã nóng chảy đúng bằng khối lượng của lượng nước lỏng thu được trong cốc.
4. Kết luận: Do đó, bằng cách cân khối lượng nước thu được trong cốc (ký hiệu là $m$), ta xác định được chính xác khối lượng nước đá đã nóng chảy do nhận nhiệt từ dây điện trở mà không bị lẫn với khối lượng của vỏ nhiệt lượng kế hay lượng nước đá còn dư bên trong.

Lưu ý: Nếu trong một bài toán cụ thể bạn gặp biểu thức $(M - 2m)$, có thể đó là trường hợp đặc biệt liên quan đến việc tính khối lượng nước đá còn lại trong điều kiện khối lượng vỏ nhiệt lượng kế bằng khối lượng nước đã chảy ra (mỗi giá trị là $m$), khi đó: Khối lượng đá còn lại = (Tổng khối lượng ban đầu $M$) - (Khối lượng vỏ $m$) - (Khối lượng nước chảy ra $m$) = $M - 2m$. Tuy nhiên, đối với khối lượng đã nóng chảy, giá trị luôn là khối lượng nước thu được $m$.

Để trả lời câu hỏi này, ta thực hiện các bước lập luận và tính toán dựa trên số liệu thực tế ghi trong Bảng 4.3 của SGK. Giả sử số liệu thu được từ thí nghiệm trong Bảng 4.3 là: công suất máy nóng $P = 20\\text{ W}$ và thời gian nóng chảy $t = 600\\text{ s}$ (đây là số liệu mẫu phổ biến trong bài thí nghiệm này).

Các bước tính toán chi tiết:

Bước 1: Xác định các thông số từ Bảng 4.3:
- Công suất máy nóng: $P = 20\\text{ W}$
- Thời gian cung cấp nhiệt: $t = 600\\text{ s}$

Bước 2: Áp dụng công thức tính nhiệt lượng:
$Q = P \cdot t = 20 \\cdot 600$

Bước 3: Kết quả tính toán:
$Q = 12000\\text{ J} = 12\\text{ kJ}$

Kết luận: Với số liệu giả định từ Bảng 4.3, nhiệt lượng đã cung cấp cho nước đá là $12000\\text{ J}$ (hoặc $12\\text{ kJ}$). (Lưu ý: Học sinh cần thay thế giá trị $P$ và $t$ chính xác từ bảng số liệu thực tế mà mình đã đo được trong tiết thực hành để ra kết quả cuối cùng).

Giá trị nhiệt hóa hơi riêng của nước là $L = 2,3 \cdot 10^6 \text{ J/kg}$ (lưu ý: giá trị $2300 \cdot 10^5$ trong đề bài có thể là lỗi đánh máy, giá trị chuẩn là $2,3 \cdot 10^6 \text{ J/kg}$ hoặc $2300 \text{ kJ/kg}$). Ý nghĩa của giá trị này như sau:

• Về mặt định nghĩa: Để làm cho 1 kg nước hóa hơi hoàn toàn ở nhiệt độ sôi (100°C), ta cần cung cấp cho nó một nhiệt lượng là $2,3 \cdot 10^6 \text{ Jun}$.
• Về mặt bản chất vật lí: Nhiệt lượng này không dùng để làm tăng nhiệt độ của nước (vì quá trình hóa hơi diễn ra ở nhiệt độ không đổi là nhiệt độ sôi), mà được dùng để phá vỡ các liên kết giữa các phân tử nước ở thể lỏng, giúp chúng thắng lực hút phân tử để chuyển sang thể khí (hơi nước).

Kết luận: Giá trị nhiệt hóa hơi riêng cho biết mức độ năng lượng cần thiết để chuyển pha từ lỏng sang khí của một đơn vị khối lượng chất đó.

1. Tóm tắt thông số:
Khối lượng: $m = 2,0\text{ g} = 2,0 \cdot 10^{-3}\text{ kg}$.
Các hằng số vật lí (tra bảng):
- Nhiệt dung riêng của nước đá: $c_{\text{đá}} \approx 2100\text{ J/(kg.K)}$.
- Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá: $\lambda \approx 3,34 \cdot 10^5\text{ J/kg}$.
- Nhiệt dung riêng của nước: $c_{\text{nước}} \approx 4180\text{ J/(kg.K)}$.
- Nhiệt hóa hơi riêng của nước: $L \approx 2,26 \cdot 10^6\text{ J/kg}$.

2. Tính toán chi tiết:

• Giai đoạn 1: Nhiệt lượng làm nước đá tăng từ $-20^\circ\text{C}$ lên $0^\circ\text{C}$:
  $Q_1 = m \cdot c_{\text{đá}} \cdot (0 - (-20)) = 2,0 \cdot 10^{-3} \cdot 2100 \cdot 20 = 84\text{ J}$.
• Giai đoạn 2: Nhiệt lượng để nước đá nóng chảy hoàn toàn ở $0^\circ\text{C}$:
  $Q_2 = m \cdot \lambda = 2,0 \cdot 10^{-3} \cdot 3,34 \cdot 10^5 = 668\text{ J}$.
• Giai đoạn 3: Nhiệt lượng làm nước tăng từ $0^\circ\text{C}$ lên $100^\circ\text{C}$:
  $Q_3 = m \cdot c_{\text{nước}} \cdot (100 - 0) = 2,0 \cdot 10^{-3} \cdot 4180 \cdot 100 = 836\text{ J}$.
• Giai đoạn 4: Nhiệt lượng để nước hóa hơi hoàn toàn ở $100^\circ\text{C}$:
  $Q_4 = m \cdot L = 2,0 \cdot 10^{-3} \cdot 2,26 \cdot 10^6 = 4520\text{ J}$.

3. Tổng nhiệt lượng cần thiết:
$Q_{\text{tổng}} = Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4 = 84 + 668 + 836 + 4520 = 6108\text{ J}$.

Kết luận: Nhiệt lượng cần thiết để làm $2,0\text{ g}$ nước đá ở $-20^\circ\text{C}$ chuyển hoàn toàn thành hơi nước ở $100^\circ\text{C}$ là $6108\text{ J}$.

Để xác định nhiệt hóa hơi riêng của nước, ta thực hiện theo phương án thí nghiệm sau:

1. Sơ đồ lắp đặt thí nghiệm

2. Các bước tiến hành

Bước 1: Chuẩn bị
- Đổ một lượng nước vào cốc thủy tinh chịu nhiệt và đặt vào trong bình nhiệt lượng kế.
- Lắp dây điện trở nhúng trong nước, kết nối với oát kế và nguồn điện.

Bước 2: Đun sôi
- Bật nguồn điện để đun nóng nước cho đến khi nước sôi sục (nhiệt độ đạt $100^\circ\text{C}$ theo nhiệt kế).

Bước 3: Đo đạc
- Đặt toàn bộ hệ thống (bình nhiệt lượng kế, nước, dây điện trở) lên cân hiện số. Ghi lại khối lượng ban đầu $m_1$.
- Bật đồng hồ bấm giây và theo dõi giá trị công suất $P$ trên oát kế. Giữ cho công suất cung cấp ổn định trong suốt quá trình.
- Để nước sôi trong một khoảng thời gian $t$ nhất định (ví dụ 5-10 phút).
- Sau thời gian $t$, tắt nguồn điện và dừng đồng hồ bấm giây.

Bước 4: Xác định khối lượng hóa hơi
- Đọc khối lượng của hệ thống sau khi đun là $m_2$.
- Khối lượng nước đã hóa hơi là: $m = m_1 - m_2$.

3. Xử lý số liệu và Kết luận

- Tính nhiệt lượng mà dây điện trở cung cấp: $Q = P \cdot t$.
- Áp dụng công thức: $L = \frac{P \cdot t}{m}$.
- Để tăng độ chính xác, thí nghiệm nên được lặp lại nhiều lần và lấy giá trị trung bình.

Lưu ý về sai số: Trong thực tế, một phần nhiệt lượng $Q$ bị thất thoát ra môi trường xung quanh. Do đó, giá trị $L$ tính toán được thường lớn hơn giá trị thực tế. Để giảm sai số, cần sử dụng bình nhiệt lượng kế có khả năng cách nhiệt tốt và thực hiện thí nghiệm trong thời gian vừa đủ.