Bài 6. Nhiệt hóa hơi riêng trang 27, 28, 29 Vật Lí 12 Kết nối tri thức

Để trả lời câu hỏi này, chúng ta cần phân tích bản chất vật lí của quá trình sôi và đề xuất một phương pháp thực nghiệm để đo lường.

• Bước 1: Thiết lập hệ thống. Đặt một bình nước đang sôi lên một chiếc cân điện tử chính xác. Trong bình có lắp một dây điện trở (điện trở nhiệt) để cung cấp nhiệt lượng.
• Bước 2: Cung cấp năng lượng. Cho dòng điện chạy qua dây điện trở trong một khoảng thời gian $\Delta t$. Sử dụng ampe kế và vôn kế để đo cường độ dòng điện $I$ và hiệu điện thế $U$.
• Bước 3: Đo khối lượng. Theo dõi sự sụt giảm khối lượng của nước trên cân điện tử. Khối lượng giảm đi $\Delta m$ chính là khối lượng nước đã hóa hơi hoàn toàn.
• Bước 4: Tính toán.
  – Tổng nhiệt lượng điện cung cấp là: $Q_{điện} = U \cdot I \cdot \Delta t$.
  – Giả sử toàn bộ nhiệt lượng này dùng để hóa hơi nước (bỏ qua hao phí nhiệt ra môi trường), ta có: $Q = Q_{điện}$.
  – Nếu muốn tìm nhiệt hóa hơi riêng $L$, ta tính: $L = \frac{Q}{\Delta m}$.

1. Tính nhiệt lượng để biến 10 kg nước ở 25 °C thành hơi ở 100 °C:

Quá trình này gồm hai giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Đun nóng nước từ 25 °C lên nhiệt độ sôi 100 °C.
• Giai đoạn 2: Hóa hơi hoàn toàn lượng nước đó ở 100 °C.

Bước 1: Nhiệt lượng cần để nâng nhiệt độ nước từ 25 °C lên 100 °C là:
$Q_1 = m \cdot c \cdot (t_2 - t_1) = 10 \cdot 4200 \cdot (100 - 25) = 3\,150\,000 \text{ J}$

Bước 2: Nhiệt lượng cần để hóa hơi hoàn toàn 10 kg nước ở 100 °C là:
$Q_2 = m \cdot L = 10 \cdot 2,26 \cdot 10^6 = 22\,600\,000 \text{ J}$

Tổng nhiệt lượng cần thiết:
$Q = Q_1 + Q_2 = 3\,150\,000 + 22\,600\,000 = 25\,750\,000 \text{ J} = 25,75 \text{ MJ}$

2. Tính lượng nước thoát ra khỏi cơ thể vận động viên:

Phân tích: Tổng năng lượng hóa học là $E = 11\,000 \text{ kJ} = 11 \cdot 10^6 \text{ J}$. Trong đó, 20% dùng để chạy, 80% còn lại tỏa ra dưới dạng nhiệt để làm bay hơi nước nhằm duy trì nhiệt độ cơ thể.

Bước 1: Tính nhiệt lượng tỏa ra để làm bay hơi nước:
$Q_{bay hơi} = 80\% \cdot E = 0,8 \cdot 11 \cdot 10^6 = 8,8 \cdot 10^6 \text{ J}$

Bước 2: Tính khối lượng nước đã bay hơi:
$m = \frac{Q_{bay hơi}}{L} = \frac{8,8 \cdot 10^6}{2,45 \cdot 10^6} \approx 3,59 \text{ kg}$

Bước 3: Vì khối lượng riêng của nước xấp xỉ $1 \text{ kg/lít}$, nên thể tích nước thoát ra là:
$V \approx 3,59 \text{ lít}$

Kết luận:
1. Nhiệt lượng cần thiết là $25,75 \text{ MJ}$.
2. Lượng nước thoát ra khỏi cơ thể vận động viên khoảng $3,59 \text{ lít}$.

Dưới đây là lời giải chi tiết cho các câu hỏi trong Hoạt động 2 trang 28 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức:

1. Các đại lượng cần đo để xác định nhiệt hóa hơi riêng (L):
\nTừ công thức $Q = L.m \\Rightarrow L = \\frac{Q}{m}$, để xác định $L$, ta cần đo hai đại lượng:
\n- Nhiệt lượng (Q) cung cấp cho nước để hóa hơi.
\n- Khối lượng (m) nước đã hóa hơi trong khoảng thời gian đó.

2. Nguồn cung cấp nhiệt lượng:
\nNhiệt lượng làm cho nước trong bình nhiệt lượng kế hóa hơi được lấy từ dòng điện chạy qua dây điện trở (điện trở nhiệt) đặt trong bình. Khi đó, điện năng được chuyển hóa thành nhiệt năng cung cấp cho nước.

3. Cách xác định nhiệt lượng nước thu được để hóa hơi:
\nCó hai cách chính để xác định nhiệt lượng $Q$:
\n- Cách 1: Sử dụng công thức điện năng: $Q = P \cdot t = U \cdot I \cdot t$. Trong đó $U$ là hiệu điện thế, $I$ là cường độ dòng điện và $t$ là thời gian đun sôi nước.
\n- Cách 2: Sử dụng cân điện tử để đo khối lượng nước ban đầu và khối lượng nước sau một khoảng thời gian hóa hơi. Khối lượng nước bị giảm chính là khối lượng $m$ đã hóa hơi.

4. Các bước tiến hành thí nghiệm:
\n- Bước 1: Lắp ráp thiết bị gồm bình nhiệt lượng kế, dây điện trở, nguồn điện, ampe kế, vôn kế và đồng hồ bấm giờ.
\n- Bước 2: Cho một lượng nước vào bình nhiệt lượng kế và đun cho đến khi nước sôi ($100^\circ\text{C}$).
\n- Bước 3: Bật nguồn điện để cung cấp nhiệt lượng cho nước hóa hơi, đồng thời khởi động đồng hồ bấm giờ.
\n- Bước 4: Duy trì dòng điện ổn định trong một khoảng thời gian $t$ xác định. Ghi lại giá trị $U$ và $I$ (hoặc công suất $P$).
\n- Bước 5: Dùng cân điện tử đo khối lượng nước còn lại trong bình để xác định khối lượng nước đã hóa hơi $m = m_{\\text{đầu}} - m_{\\text{cuối}}$.
\n- Bước 6: Áp dụng công thức $L = \\frac{U \cdot I \cdot t}{m}$ để tính nhiệt hóa hơi riêng của nước.

5. Lưu ý an toàn khi làm thí nghiệm:
\n- An toàn điện: Kiểm tra kỹ các đầu nối dây điện, tránh chạm tay vào các phần dẫn điện hở để không bị điện giật.
\n- Phòng tránh bỏng: Cẩn thận với nước sôi và hơi nước nóng thoát ra từ bình. Sử dụng kẹp hoặc găng tay cách nhiệt khi di chuyển bình.
\n- Vận hành: Không để dây điện trở bị hở ra khỏi mặt nước khi đang đun vì có thể gây cháy dây do quá nhiệt."

Vì đây là bài tập hướng dẫn dựa trên kết quả thí nghiệm thực tế của học sinh, tôi sẽ trình bày quy trình thực hiện chi tiết kèm theo một ví dụ minh họa với số liệu giả định để bạn dễ dàng theo dõi và áp dụng cho số liệu thực tế của mình.

1. Vẽ đồ thị và xác định các giá trị

Dựa trên bảng số liệu thực nghiệm (cột thời gian $\\tau$ và cột khối lượng $m$), ta vẽ đồ thị với trục tung là khối lượng $m$ (g hoặc kg) và trục hoành là thời gian $\\tau$ (s). Vì nước bay hơi nên khối lượng sẽ giảm dần theo thời gian, đồ thị sẽ là một đường thẳng dốc xuống.

Ví dụ: Chọn hai điểm $P, Q$ trên đường thẳng vừa vẽ:
- Điểm $P$: $\\tau_P = 100\\text{ s}, m_P = 200,0\\text{ g} = 0,200\\text{ kg}$
- Điểm $Q$: $\\tau_Q = 500\\text{ s}, m_Q = 182,3\\text{ g} = 0,1823\\text{ kg}$

2. Tính công suất trung bình của dòng điện

Giả sử trong thí nghiệm, bạn đo được hiệu điện thế $U = 12,0\\text{ V}$ và cường độ dòng điện $I = 8,3\\text{ A}$.
Công suất trung bình của dòng điện là:
$$\\overline{P} = U \\cdot I = 12,0 \\cdot 8,3 = 99,6\\text{ W}$$

3. Tính nhiệt hóa hơi riêng của nước

Áp dụng công thức đã cho:

Thay số từ ví dụ:

Kết quả này xấp xỉ với giá trị lý thuyết của nước ($2,26 \\times 10^6\\text{ J/kg}$).

4. Xác định sai số của phép đo

Sai số của $L$ được tính dựa trên sai số của các đại lượng đo trực tiếp ($\\Delta U, \\Delta I, \\Delta \\tau, \\Delta m$).

• Sai số tuyệt đối của công suất: $\\frac{\\Delta \\overline{P}}{\\overline{P}} = \\frac{\\Delta U}{U} + \\frac{\\Delta I}{I}$
• Sai số của hiệu thời gian và khối lượng: $\\Delta(\\tau_Q - \\tau_P) = 2\\Delta \\tau$ và $\\Delta(m_P - m_Q) = 2\\Delta m$.
• Sai số tương đối của $L$:
  $$\\frac{\\Delta L}{L} = \\frac{\\Delta \\overline{P}}{\\overline{P}} + \\frac{\\Delta(\\tau_Q - \\tau_P)}{\\tau_Q - \\tau_P} + \\frac{\\Delta(m_P - m_Q)}{m_P - m_Q}$$
• Sai số tuyệt đối: $\\Delta L = L \\cdot (\\text{sai số tương đối})$.

Kết luận: Giá trị nhiệt hóa hơi riêng của nước đo được là $L = \\overline{L} \\pm \\Delta L\\text{ (J/kg)}$.