Bài 5. Nhiệt nóng chảy riêng trang 24, 25, 26 Vật Lí 12 Kết nối tri thức

Khi một vật rắn đạt đến nhiệt độ nóng chảy, dù ta tiếp tục cung cấp nhiệt lượng nhưng nhiệt độ của vật không tăng lên mà được dùng để phá vỡ cấu trúc mạng tinh thể của chất rắn, chuyển trạng thái từ rắn sang lỏng. Nhiệt lượng này phụ thuộc vào hai đại lượng chính sau:

1. Khối lượng của vật ($m$): Cùng một chất, vật có khối lượng càng lớn thì cần nhiều năng lượng hơn để phá vỡ toàn bộ các liên kết trong cấu trúc tinh thể, do đó nhiệt lượng cần cung cấp tỉ lệ thuận với khối lượng.
2. Bản chất của chất làm vật ($\lambda$): Mỗi chất có cấu trúc liên kết phân tử/nguyên tử khác nhau. Đại lượng đặc trưng cho khả năng này gọi là nhiệt nóng chảy riêng ($\lambda$), được định nghĩa là nhiệt lượng cần cung cấp cho một đơn vị khối lượng chất đó nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ nóng chảy.

Công thức tổng quát: $Q = \lambda \cdot m$

Trong đó:
- $Q$: Nhiệt lượng cung cấp (J)
- $\lambda$: Nhiệt nóng chảy riêng của chất (J/kg)
- $m$: Khối lượng của vật (kg)

Kết luận: Nhiệt lượng cần thiết để vật nóng chảy hoàn toàn phụ thuộc vào khối lượng của vật và bản chất của chất làm nên vật đó.

1. Giải thích về phương pháp đúc:
Chì và đồng là những kim loại có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp (so với các kim loại chịu nhiệt như tungsten) và có tính chảy loãng tốt khi nóng chảy. Phương pháp đúc cho phép nung nóng kim loại cho đến khi chuyển sang thể lỏng, sau đó đổ vào khuôn có hình dạng mong muốn. Điều này giúp chế tạo các vật thể có hình dạng phức tạp một cách nhanh chóng và chính xác mà các phương pháp gia công cơ khí (cắt, gọt) khó thực hiện được hoặc tốn kém hơn.

2. Tính toán thời gian làm nóng chảy đồng:

Thông số đề bài và tra cứu:
$- m = 2$ kg
$- t_1 = 30$ °C
$- t_{nc}$ (nhiệt độ nóng chảy của đồng) $\approx 1085$ °C
$- c$ (nhiệt dung riêng của đồng) $= 385$ J/kg.K
$- \lambda$ (nhiệt nóng chảy riêng của đồng) $\approx 2,05 \cdot 10^5$ J/kg
$- P = 20\,000$ W
$- H = 50\% = 0,5$

Bước 1: Tính nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ khối đồng từ $30$ °C lên $1085$ °C:
$Q_1 = m \cdot c \cdot (t_{nc} - t_1) = 2 \cdot 385 \cdot (1085 - 30) = 2 \cdot 385 \cdot 1055 = 812\,350$ (J)

Bước 2: Tính nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy hoàn toàn khối đồng ở $1085$ °C:
$Q_2 = m \cdot \lambda = 2 \cdot 2,05 \cdot 10^5 = 410\,000$ (J)

Bước 3: Tổng nhiệt lượng có ích cần cung cấp là:
$Q_{ci} = Q_1 + Q_2 = 812\,350 + 410\,000 = 1\,222\,350$ (J)

Bước 4: Tính thời gian cần thiết:
Nhiệt lượng toàn phần mà lò cung cấp là $Q_{tp} = P \cdot t$. Vì hiệu suất là $50\%$, ta có:
$Q_{ci} = P \cdot t \cdot H \Rightarrow t = \frac{Q_{ci}}{P \cdot H} = \frac{1\,222\,350}{20\,000 \cdot 0,5} = \frac{1\,222\,350}{10\,000} = 122,235$ (s)

Kết luận: Thời gian cần thiết để làm nóng chảy hoàn toàn 2 kg đồng là khoảng 122,24 giây (tương đương khoảng 2 phút 2 giây).

Dưới đây là lời giải chi tiết cho các câu hỏi hoạt động trang 25 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức:

1. Các đại lượng cần đo để xác định nhiệt nóng chảy riêng của nước đá:
Từ công thức $\lambda = \frac{Q}{m}$, để xác định $\lambda$, ta cần đo các đại lượng sau:

• Khối lượng nước đá ($m$): Sử dụng cân điện tử để đo khối lượng các viên nước đá đưa vào nhiệt lượng kế.
• Nhiệt lượng $Q$ mà nước đá thu vào: Để tính được $Q$, ta cần đo:
• Khối lượng nước ấm ban đầu ($m_{\text{nước}}$) và khối lượng của bình nhiệt lượng kế ($m_{\text{nlk}}$).
• Nhiệt độ ban đầu của nước ấm và bình nhiệt lượng kế ($T_1$).
• Nhiệt độ cuối cùng của hệ khi nước đá nóng chảy hoàn toàn và đạt cân bằng nhiệt ($T_2$).

2. Nguồn cung cấp nhiệt lượng làm nước đá nóng chảy:
Nhiệt lượng làm các viên nước đá nóng chảy được lấy từ nước ấm và vỏ bình nhiệt lượng kế. Do nước ấm và bình có nhiệt độ cao hơn $0^\circ\text{C}$, chúng sẽ truyền nhiệt cho nước đá cho đến khi toàn bộ hệ đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt.

3. Cách xác định nhiệt lượng nước đá thu được:
Nhiệt lượng nước đá thu được ($Q_{\text{thu}}$) được xác định thông qua phương pháp cân bằng nhiệt. Cụ thể, nó bằng tổng nhiệt lượng do nước ấm và bình nhiệt lượng kế tỏa ra:

$Q_{\text{thu}} = Q_{\text{tỏa}} = (m_{\text{nước}} c_{\text{nước}} + m_{\text{nlk}} c_{\text{nlk}}) \cdot (T_1 - T_2)$

4. Mô tả các bước tiến hành thí nghiệm:
Bước 1: Cân khối lượng của bình nhiệt lượng kế rỗng ($m_{\text{nlk}}$).
Bước 2: Đổ một lượng nước ấm vào bình, cân lại để xác định khối lượng nước ($m_{\text{nước}}$) và dùng nhiệt kế đo nhiệt độ ban đầu ($T_1$).
Bước 3: Lấy các viên nước đá ở $0^\circ\text{C}}$ (lau khô bề mặt để không mang theo nước lỏng), cho nhanh vào bình nhiệt lượng kế và đậy nắp.
Bước 4: Dùng cánh khuấy khuấy nhẹ cho đến khi nước đá nóng chảy hoàn toàn.
Bước 5: Quan sát nhiệt kế và ghi lại nhiệt độ thấp nhất mà hệ đạt được (nhiệt độ cân bằng $T_2$).
Bước 6: Cân tổng khối lượng sau cùng hoặc cân khối lượng nước đá đã cho vào ($m$) để tính toán $\lambda$ theo công thức: $\lambda = \frac{Q_{\text{tỏa}} - Q_{\text{nước đá tăng nhiệt}}}{m}$. (Lưu ý: Nếu nước đá tan ra và tăng từ $0^\circ\text{C}$ lên $T_2$, cần trừ đi phần nhiệt lượng làm nóng nước tan này).

Vì đề bài yêu cầu thực hiện dựa trên kết quả thí nghiệm, tôi sẽ giả định một bộ số liệu điển hình từ thực nghiệm để minh họa chi tiết các bước giải bài tập này.

1. Giả định số liệu thí nghiệm:

• Khối lượng nước đá: $m = 20\text{ g} = 0,02\text{ kg}$.
• Hiệu điện thế: $U = 12\text{ V}$, Điện trở dây nóng: $R = 3\,\Omega$.
• Thời gian đo được từ đồ thị (điểm M): $\tau_M = 140\text{ s}$.

2. Vẽ đồ thị và xác định $\tau_M$:

Trong thực tế, ta vẽ đường thẳng đi qua các điểm lúc nhiệt độ đang tăng (trước khi nóng chảy) và đường thẳng đi qua các điểm sau khi nước đá đã tan hết. Giao điểm M cho ta giá trị thời gian $\tau_M$ tính từ lúc bắt đầu cung cấp nhiệt cho đến khi toàn bộ đá tan.

3. Tính toán chi tiết:

• Bước 1: Tính công suất trung bình $\overline{P}$ của dòng điện:
  $\overline{P} = \frac{U^2}{R} = \frac{12^2}{3} = 48\text{ (W)}$.
• Bước 2: Tính nhiệt nóng chảy riêng của nước đá:
  $\lambda_{H_2O} = \frac{\overline{P} \tau_M}{m} = \frac{48 \cdot 140}{0,02} = 336.000\text{ (J/kg)}$.

4. Xác định sai số:

Giả sử sai số thiết bị đo là $\Delta m = 0,001\text{ kg}$, $\Delta \tau_M = 2\text{ s}$, $\Delta P = 0,5\text{ W}$.
Sai số tương đối: $\frac{\Delta \lambda}{\lambda} = \frac{0,5}{48} + \frac{2}{140} + \frac{0,001}{0,02} \approx 0,0104 + 0,0143 + 0,05 = 0,0747 \approx 7,5\%$.
Sai số tuyệt đối: $\Delta \lambda = 336.000 \cdot 0,0747 \approx 25.100\text{ J/kg}$.
Kết quả: $\lambda_{H_2O} = (3,36 \pm 0,25) \cdot 10^5\text{ J/kg}$.

5. So sánh và giải thích:

• Giá trị chuẩn ở Bảng 5.1: $\lambda_{H_2O} \approx 3,34 \cdot 10^5\text{ J/kg}$.
• So sánh: Giá trị đo được ($3,36 \cdot 10^5$) gần sát với giá trị chuẩn, sai số nằm trong mức chấp nhận được của thí nghiệm trường học.
• Nguyên nhân gây sai khác:
  1. Thất thoát nhiệt: Một phần nhiệt lượng từ dây điện trở truyền ra môi trường xung quanh hoặc làm nóng vỏ nhiệt lượng kế thay vì chỉ tập trung làm nóng chảy nước đá.
  2. Sai số đo lường: Việc xác định điểm M bằng mắt thường trên đồ thị có sai số.
  3. Độ tinh khiết: Nước đá dùng trong thí nghiệm có thể chứa tạp chất, làm thay đổi nhiệt độ nóng chảy và nhiệt nóng chảy riêng.