Bài tập về vật lí nhiệt (Vật lí 12): Phương pháp giải và bài tập ví dụ

Trong cấu trúc đề thi tốt nghiệp THPT môn Vật lí theo chương trình giáo dục phổ thông mới, bài tập về vật lí nhiệt chiếm một tỷ trọng điểm số rất lớn và thường xuyên xuất hiện trong cả cấu trúc trắc nghiệm nhiều lựa chọn lẫn dạng bài trả lời ngắn.

Tuy nhiên, do đặc thù kiến thức đan xen giữa các quá trình truyền nhiệt, chuyển thể và biến đổi nội năng, học sinh rất dễ mắc phải các sai lầm mang tính hệ thống như nhầm lẫn công thức, áp dụng sai quy ước dấu của các đại lượng nhiệt động, hoặc bỏ sót hao phí năng lượng ra môi trường.

Bài viết này được thiết kế như một cuốn cẩm nang toàn diện, giúp các bạn học sinh lớp 12 phân loại rõ ràng các dạng bài tập về vật lí nhiệt, nắm vững phương pháp giải toán tư duy và quét sạch mọi bẫy điểm số trong quá trình ôn luyện.

Hệ thống biểu thức cốt lõi và kiến thức nền tảng để giải bài tập về vật lí nhiệt

Trước khi bước vào phân tích các dạng toán cụ thể trong bài tập về vật lí nhiệt, người học cần phải làm chủ được toàn bộ biểu thức và các nguyên lý xác định dấu dưới đây:

Bảng tổng hợp công thức Vật lý nhiệt

Quy ước dấu trong Định luật I Nhiệt động lực học

Quy ước dấu là trung tâm của mọi bài toán biến đổi nội năng. Hệ quy ước được xác định dựa trên góc nhìn của hệ đang xét:

• Đối với Nhiệt lượng (\(Q\)):

  • \(Q > 0\): Hệ nhận nhiệt lượng từ môi trường bên ngoài.

  • \(Q < 0\): Hệ tỏa nhiệt lượng ra môi trường bên ngoài.

• Đối với Công (\(A\)):

  • \(A > 0\): Hệ nhận công từ lực bên ngoài tác dụng lên hệ (thể tích hệ giảm - bị nén).

  • \(A < 0\): Hệ thực hiện công (sinh công) tác dụng lên môi trường (thể tích hệ tăng - giãn nở).

Nguyên lý cân bằng nhiệt

Trong một hệ cô lập về nhiệt (không có sự trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài), tổng nhiệt lượng do các vật trong hệ tỏa ra bằng tổng nhiệt lượng do các vật trong hệ thu vào:

\[Q_{\text{thu}} = Q_{\text{tỏa}}\]Hoặc biểu diễn dưới dạng đại số (giữ nguyên dấu \(\Delta t = t_{\text{sau}} - t_{\text{đầu}}\) cho tất cả các vật):

\[\sum Q=Q_1+Q_2+\ldots+Q_{n}=0\]

Lưu ý về thang đo nhiệt độ

Khi tính toán độ biến thiên nhiệt độ, học sinh cần nhớ rằng một độ chia trong thang Celsius (\(^\circ\text{C}\)) có độ lớn đúng bằng một độ chia trong thang Kelvin (\(K\)). Do đó:

\[\Delta T \, (\text{K}) = \Delta t \, (^\circ\text{C})\]Tuy nhiên, đối với giá trị nhiệt độ tuyệt đối tại một trạng thái, ta phải tuân thủ công thức chuyển đổi: \(T \, (\text{K}) = t \, (^\circ\text{C}) + 273,15\). [1]

Dạng 1: Xác định độ biến thiên nội năng theo Định luật I

Nhận diện dạng toán

Bài toán cung cấp dữ kiện về một lượng chất khí hoặc một hệ vật cơ học thực hiện quá trình trao đổi công (\(A\)) và trao đổi nhiệt (\(Q\)) với môi trường, yêu cầu xác định độ biến thiên nội năng (\(\Delta U\)), hoặc cho biết \(\Delta U\) để tìm một trong hai đại lượng còn lại.

Phương pháp giải từng bước

1. Bước 1: Đọc kỹ từ ngữ trong đề bài để xác định xem hệ "nhận" hay "tỏa", "nhận công" hay "sinh công".

2. Bước 2: Áp dụng chính xác quy ước dấu để gán giá trị dương (+) hoặc âm (-) cho \(A\) và \(Q\).

3. Bước 3: Thay các giá trị kèm dấu vào biểu thức \(\Delta U = A + Q\).

4. Bước 4: Biện luận kết quả: Nếu \(\Delta U > 0\) thì nội năng của hệ tăng; nếu \(\Delta U < 0\) thì nội năng của hệ giảm.

Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Người ta cung cấp một nhiệt lượng \(400J\) cho một khối khí trong xi lanh. Khí nở ra đẩy pittông dịch chuyển và thực hiện một công có độ lớn \(150J\) ra môi trường bên ngoài. Tính độ biến thiên nội năng của khối khí.

• Phân tích & Giải:

  • Khối khí "nhận nhiệt lượng" \(\Rightarrow Q=+400\,\text{J}\).

  • Khối khí "thực hiện một công" (sinh công) \(\Rightarrow A=-150\,\text{J}\).

  • Áp dụng định luật I nhiệt động lực học:

    \(\Delta U = A + Q = (-150) + 400 = +250 \, \text{J}\)

  • Kết luận: Nội năng của khối khí đã tăng một lượng bằng \(250J\).

Ví dụ 2 (Tích hợp cơ học): Một viên đạn chì có khối lượng \(m = 0,05 \, \text{kg}\) đang bay với vận tốc \(v = 200 \, \text{m/s}\) thì đâm sầm vào một bức tường gỗ kiên cố và dừng lại hoàn toàn. Giả sử \(80\%\) động năng ban đầu của viên đạn đã biến thành nhiệt làm tăng nội năng của chính viên đạn. Xác định độ biến thiên nội năng của viên đạn chì.

• Phân tích & Giải:

  • Động năng ban đầu của viên đạn chì trước khi va chạm:

    \(W_d = \frac{1}{2} m v^2 = \frac{1}{2} \cdot 0,05 \cdot 200^2 = 1000 \, \text{J}\)

  • Khi va chạm và dừng lại, toàn bộ động năng này đã chuyển hóa thành công của lực cản phá hủy và nhiệt năng. Lượng năng lượng chuyển hóa trực tiếp làm tăng nội năng viên đạn chiếm \(80\%\):

    \(\Delta U = 80\% \cdot W_d = 0,8 \cdot 1000 = 800 \, \text{J}\)

  • Kết luận: Nội năng của viên đạn chì tăng thêm một lượng là \(800J\).

Các sai lầm thường gặp

Học sinh hay có thói quen lấy các trị tuyệt đối cộng trừ một cách cảm tính mà không xét đến hướng dịch chuyển của năng lượng. Việc nhầm lẫn giữa cụm từ "hệ sinh công" (\(A < 0\)) và "hệ nhận công" (\(A>0\)) là nguyên nhân phổ biến nhất dẫn đến kết quả sai lệch hoàn toàn về mặt dấu đại số.

Bài tập tự luyện Dạng 1

• Bài 1: Một khối khí bị nén trong xi lanh bởi một lực bên ngoài, lực này thực hiện một công bằng \(250J\) lên khối khí. Trong quá trình đó, khối khí truyền ra môi trường xung quanh một nhiệt lượng bằng \(80J\). Tính độ biến thiên nội năng của khối khí.

  (Đáp án: \(\Delta U = +170 \, \text{J}\))

• Bài 2: Khi thực hiện một quá trình biến đổi, nội năng của một hệ giảm đi một lượng \(120J\) trong khi hệ nhận vào một công bằng \(90J\). Hỏi trong quá trình này, hệ nhận hay tỏa nhiệt lượng là bao nhiêu?

  (Đáp án: \(Q=-210\,\text{J}\Rightarrow\) Hệ tỏa nhiệt lượng \(210J\))

Dạng 2: Tính nhiệt lượng thu vào hoặc tỏa ra khi thay đổi nhiệt độ

Nhận diện dạng toán

Dạng toán này xuất hiện khi đề bài yêu cầu xác định năng lượng cần thiết để thay đổi trạng thái nhiệt của vật (đun nóng, làm nguội) mà vật chưa đạt đến các điểm chuyển thể đặc biệt (nhiệt độ nóng chảy hoặc nhiệt độ sôi).

Phương pháp giải

Áp dụng trực tiếp công thức truyền nhiệt: \(Q = m \cdot c \cdot \Delta t\). Khi tính toán cho một hệ gồm nhiều vật được đun nóng đồng thời (ví dụ: một chiếc ấm chứa nước bên trong), ta phải tính tổng nhiệt lượng cung cấp cho từng cấu phần:

\[Q_{\text{tổng}} = Q_{\text{ấm}} + Q_{\text{nước}} = (m_1 c_1 + m_2 c_2) \cdot (t_2 - t_1)\]

Ví dụ minh họa

Ví dụ: Một chiếc ấm bằng nhôm có khối lượng \(0,4\operatorname{\mathrm{kg}}\) chứa \(1,5\operatorname{\mathrm{kg}}\) nước ở nhiệt độ ban đầu là \(25^\circ\text{C}\). Người ta đun ấm nước này cho đến khi nước bắt đầu sôi ở \(100^\circ\text{C}\). Tính nhiệt lượng tổng cộng cần cung cấp cho ấm nước. Biết nhiệt dung riêng của nhôm là \(c_{\text{nhôm}} = 880 \, \text{J/kg.K}\) và của nước là \(c_{\text{nước}} = 4200 \, \text{J/kg.K}\).

• Phân tích & Giải:

  • Độ tăng nhiệt độ của cả ấm nhôm và nước: \(\Delta t = 100 - 25 = 75^\circ\text{C}\) (hoặc \(\Delta t=75K\)).

  • Nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng ấm nhôm:

    \(Q_1 = m_{\text{nhôm}} \cdot c_{\text{nhôm}} \cdot \Delta t = 0,4 \cdot 880 \cdot 75 = 26400 \, \text{J}\)

  • Nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng lượng nước bên trong:

    \(Q_2 = m_{\text{nước}} \cdot c_{\text{nước}} \cdot \Delta t = 1,5 \cdot 4200 \cdot 75 = 472500 \, \text{J}\)

  • Tổng nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho cả hệ thống:

    \(Q_{\text{tổng}} = Q_1 + Q_2 = 26400 + 472500 = 498900 \, \text{J} = 498,9 \, \text{kJ}\)

  • Kết luận: Nhiệt lượng cần cung cấp là \(498,9 \, \text{kJ}\).

Lỗi sai phổ biến

Rất nhiều học sinh khi làm bài toán đun nước thường chỉ tính nhiệt lượng cho phần nước mà bỏ sót hoàn toàn phần nhiệt lượng dùng để nung nóng chính chiếc ấm chứa (vật hấp thụ song song). Ngoài ra, cần chú ý đổi đơn vị khối lượng từ gam (\(g\)) sang kilôgam (\(\operatorname{kg}\)) cho đồng bộ với đơn vị của nhiệt dung riêng.

Bài tập tự luyện Dạng 2

• Bài 1: Cần cung cấp một nhiệt lượng bằng bao nhiêu để làm nóng một thỏi sắt khối lượng \(2,5\operatorname{\mathrm{kg}}\) từ nhiệt độ \(30^\circ\text{C}\) lên \(210^\circ\text{C}\)? Biết nhiệt dung riêng của sắt là \(460 \, \text{J/kg.K}\).

  (Đáp án: \(Q = 207000 \, \text{J} = 207 \, \text{kJ}\))

• Bài 2: Một bình đun bằng đồng khối lượng \(0,6\operatorname{\mathrm{kg}}\) chứa một lượng dầu hỏa khối lượng \(m\). Khi cung cấp một nhiệt lượng \(114kJ\) thì cả bình và dầu tăng từ \(20^{\circ}\text{C}\) lên \(80^{\circ}\text{C}\). Tìm \(m\), biết \(c_{\text{đồng}}=380\,\text{J/kg.K}\) và \(c_{\text{dầu}}=2100\,\text{J/kg.K}\).

  (Đáp án: \(m \approx 0,796 \, \text{kg}\))

Dạng 3: Bài toán cân bằng nhiệt giữa các vật tiếp xúc

Nhận diện dạng toán

Hệ gồm hai hay nhiều vật có nhiệt độ ban đầu khác nhau được cho tiếp xúc nhiệt trực tiếp với nhau trong một môi trường cách nhiệt tốt (bình nhiệt lượng kế). Đề bài yêu cầu xác định nhiệt độ sau cùng khi hệ đạt trạng thái cân bằng hoặc xác định khối lượng/nhiệt dung riêng của một vật thành phần.

Phương pháp giải

1. Bước 1: Xác định rõ vật nào có nhiệt độ cao hơn (đóng vai trò tỏa nhiệt) và vật nào có nhiệt độ thấp hơn (đóng vai trò thu nhiệt).

2. Bước 2: Thiết lập công thức tính nhiệt lượng cho từng vật.

   • Vật tỏa nhiệt: \(Q_{\text{tỏa}} = m_{\text{tỏa}} \cdot c_{\text{tỏa}} \cdot (t_{\text{cao}} - t_{\text{cb}})\)

   • Vật thu nhiệt: \(Q_{\text{thu}} = m_{\text{thu}} \cdot c_{\text{thu}} \cdot (t_{\text{cb}} - t_{\text{thấp}})\)

3. Bước 3: Cho \(Q_{\text{thu}} = Q_{\text{tỏa}}\), giải phương trình bậc nhất để tìm ẩn số duy nhất (thường là nhiệt độ cân bằng \(t_{\text{cb}}\)).

Ví dụ minh họa

Ví dụ: Một nhiệt lượng kế bằng đồng có khối lượng \(0,2\operatorname{\mathrm{kg}}\) chứa \(0,5\operatorname{\mathrm{kg}}\) nước ở nhiệt độ \(20^\circ\text{C}\). Người ta thả vào đó một miếng hợp kim sắt có khối lượng \(0,3\operatorname{\mathrm{kg}}\) đã được nung nóng tới nhiệt độ \(150^\circ\text{C}\). Hãy tính nhiệt độ của hệ khi có sự cân bằng nhiệt. Bỏ qua mọi sự mất mát nhiệt ra không khí. Biết \(c_{\text{đồng}}=380\,\text{J/kg.K}\), \(c_{\text{nước}}=4200\,\text{J/kg.K}\), \(c_{\text{sắt}}=460\,\text{J/kg.K}\).

• Phân tích & Giải:

  • Gọi \(t\) là nhiệt độ cân bằng của hệ sau khi thiết lập trạng thái ổn định (\(20^\circ\text{C} < t < 150^\circ\text{C}\)).

  • Miếng sắt hạ nhiệt độ từ \(150^{\circ}\text{C}\) xuống \(t\), đóng vai trò tỏa nhiệt lượng:

    \(Q_{\text{tỏa}} = m_{\text{sắt}} \cdot c_{\text{sắt}} \cdot (150 - t) = 0,3 \cdot 460 \cdot (150 - t) = 138 \cdot (150 - t)\)

  • Nhiệt lượng kế bằng đồng và nước tăng nhiệt độ từ \(20^\circ\text{C}\) lên \(t\), đóng vai trò thu nhiệt lượng:

    \[Q_{\text{thu}} = (m_{\text{đồng}} c_{\text{đồng}} + m_{\text{nước}} c_{\text{nước}}) \cdot (t - 20)\]\[Q_{\text{thu}} = (0,2 \cdot 380 + 0,5 \cdot 4200) \cdot (t - 20) = (76 + 2100) \cdot (t - 20) = 2176 \cdot (t - 20)\]

  • Lập phương trình cân bằng nhiệt (\(Q_{\text{thu}} = Q_{\text{tỏa}}\)):

    \[2176 \cdot (t - 20) = 138 \cdot (150 - t)\]\[2176t - 43520 = 20700 - 138t\]\[2314t = 64220 \Rightarrow t \approx 27,75^\circ\text{C}\]

  • Kết luận: Nhiệt độ của hệ khi đạt trạng thái cân bằng nhiệt là \(27,75^\circ\text{C}\).

Bài tập tự luyện Dạng 3

• Bài 1: Thả một quả cầu bằng đồng khối lượng \(0,4\operatorname{\mathrm{kg}}\) ở nhiệt độ \(120^{\circ}\text{C}\) vào một cốc nước ở nhiệt độ \(25^{\circ}\text{C}\). Sau khi cân bằng nhiệt, nhiệt độ của nước là \(30^{\circ}\text{C}\). Tính khối lượng nước trong cốc, biết \(c_{\text{đồng}}=380\,\text{J/kg.K}\) và \(c_{\text{nước}}=4200\,\text{J/kg.K}\).

  (Đáp án: \(m_{\text{nước}} \approx 0,65 \, \text{kg}\))

• Bài 2: Cho ba vật lỏng lần lượt có khối lượng \(m_1=1\,\text{kg}\), \(m_2=2\,\text{kg}\), \(m_3=3\,\text{kg}\) làm bằng cùng một chất nhưng ở các nhiệt độ tương ứng \(t_1=10^{\circ}\text{C}\), \(t_2=40^{\circ}\text{C}\), \(t_3=80^{\circ}\text{C}\) trộn lẫn vào nhau trong bình cách nhiệt. Hãy tìm nhiệt độ cân bằng cuối cùng của hỗn hợp.

  (Đáp án: \(t_{\text{cb}} = 55^\circ\text{C}\))

Dạng 4: Bài toán liên quan đến quá trình chuyển thể của chất

Nhận diện dạng toán

Đề bài cho các quá trình cung cấp năng lượng mà tại đó vật xảy ra sự thay đổi về mặt cấu trúc trạng thái: từ rắn sang lỏng (nóng chảy) tại nhiệt độ nóng chảy, hoặc từ lỏng sang khí (hóa hơi) tại nhiệt độ sôi. Bài toán thường gắn liền với yếu tố thời gian cung cấp nhiệt bằng bếp điện hoặc tính toán hiệu suất dòng năng lượng.

Phương pháp giải

Chìa khóa của dạng toán này là phải phân rã toàn bộ quá trình phức tạp của chất thành một chuỗi liên tục các giai đoạn nhiệt động đơn lẻ.

• Giai đoạn 1: Làm nóng chất từ nhiệt độ ban đầu \(t_1\) đến nhiệt độ chuyển thể \(t_{\text{ct}}\): \(Q_1 = m \cdot c \cdot (t_{\text{ct}} - t_1)\).

• Giai đoạn 2: Cung cấp năng lượng để chất chuyển thể hoàn toàn ở nhiệt độ không đổi: \(Q_2 = \lambda \cdot m\) (nếu nóng chảy) hoặc \(Q_2 = L \cdot m\) (nếu hóa hơi).

• Tổng nhiệt lượng thực tế cần dùng: \(Q_{\text{ích}} = Q_1 + Q_2\).

• Nếu có hao phí với hiệu suất \(H\), nhiệt lượng toàn phần bếp tỏa ra là: \(Q_{\text{tp}} = \frac{Q_{\text{ích}}}{H} = P \cdot \tau\) (\(P\) là công suất đun, \(\tau\) là thời gian đun).

Ví dụ minh họa

Ví dụ: Một ấm điện có công suất \(P = 1500 \, \text{W}\) chứa \(1kg\) nước ở nhiệt độ \(20^{\circ}\text{C}\). Người ta bật bếp để đun sôi lượng nước này và để cho nước hóa hơi một phần. Biết hiệu suất của bếp đun là \(80\%\). Tính khối lượng nước đã hóa thành hơi nước nếu biết tổng thời gian từ lúc bật bếp đến khi dừng lại là 10 phút (600 giây). Cho biết \(c_{\text{nước}} = 4200 \, \text{J/kg.K}\) và nhiệt hóa hơi riêng của nước là \(L = 2,3 \cdot 10^6 \, \text{J/kg}\).

• Phân tích & Giải:

  • Tổng năng lượng toàn phần mà ấm điện tỏa ra trong thời gian 600 giây:

    \(A_{\text{tp}} = P \cdot \tau = 1500 \cdot 600 = 900000 \, \text{J}\)

  • Lượng nhiệt lượng có ích thực tế mà nước hấp thụ được qua màng bao vỏ:

    \(Q_{\text{ích}} = A_{\text{tp}} \cdot H = 900000 \cdot 80\% = 720000 \, \text{J}\)

  • Nhiệt lượng cần dùng để đưa toàn bộ \(1kg\) nước từ \(20^\circ\text{C}\) lên nhiệt độ sôi \(100^\circ\text{C}\):

    \(Q_1 = m \cdot c \cdot (100 - 20) = 1 \cdot 4200 \cdot 80 = 336000 \, \text{J}\)

  • Lượng nhiệt lượng còn dư lại dùng để phục vụ riêng cho quá trình hóa hơi nước tại \(100^\circ\text{C}\): \(Q_2 = Q_{\text{ích}} - Q_1 = 720000 - 336000 = 384000 \, \text{J}\)

  • Gọi \(m\) là khối lượng nước đã bị hóa hơi. Ta có hệ thức: \(Q_2 = L \cdot m' \Rightarrow m' = \frac{Q_2}{L} = \frac{384000}{2,3 \cdot 10^6} \approx 0,167 \, \text{kg}\)

  • Conclusion: Khối lượng nước đã biến thành hơi là khoảng \(167g\).

Bài tập tự luyện Dạng 4

• Bài 1: Tính nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy hoàn toàn một khối nước đá có khối lượng \(2kg\) đang ở nhiệt độ \(-10^\circ\text{C}\) thành nước lỏng hoàn toàn ở \(0^{\circ}\text{C}\). Cho biết \(c_{\text{đá}} = 2100 \, \text{J/kg.K}\), và nhiệt nóng chảy riêng của nước đá là \(\lambda = 3,4 \cdot 10^5 \, \text{J/kg}\).

  (Đáp án: \(Q_{\text{tổng}} = 722000 \, \text{J} = 722 \, \text{kJ}\))

• Bài 2: Một lò nung có công suất cung cấp nhiệt ổn định tỏa ra nhiệt lượng \(20kJ\) mỗi phút. Người ta dùng lò này để nung nóng chảy một khối thiếc khối lượng \(5\operatorname{\mathrm{kg}}\) từ nhiệt độ nóng chảy của nó. Biết nhiệt nóng chảy riêng của thiếc là \(0,6 \cdot 10^5 \, \text{J/kg}\). Hỏi mất bao lâu để khối thiếc chảy lỏng hoàn toàn?

  (Đáp án: \(\tau = 15 \, \text{phút}\))

Dạng 5 (Nâng cao): Bài tập tổng hợp nhiều đại lượng về nhiệt

Đặc điểm dạng toán nâng cao

Bài toán nâng cao không xuất hiện các công thức mới, mà nó thử thách học sinh ở khả năng phân tích logic qua nhiều giai đoạn và kiểm soát điều kiện biên. Đề bài thường cho một vật có nhiệt độ cực cao thả vào chất lỏng, lượng nhiệt tỏa ra quá lớn khiến chất lỏng thu nhiệt không chỉ tăng nhiệt độ mà còn bị sôi và hóa hơi một phần, hoặc làm tan chảy một phần giá thể chứa.

Chiến lược giải bài tập

1. Bước 1: Giả định hệ chỉ thay đổi nhiệt độ đơn thuần để tìm nhiệt độ cân bằng ảo \(t_{\text{cb}}\).

2. Bước 2: Kiểm tra tính hợp lý của \(t_{\text{cb}}\) dựa trên các điểm chuyển thể (ví dụ: nếu nước mà tính ra \(t_{\text{cb}} = 120^\circ\text{C}\) ở áp suất thường là vô lý, vì nước sẽ sôi ở \(100^\circ\text{C}\)).

3. Bước 3: Nếu vượt ngưỡng, khẳng định chắc chắn nhiệt độ cân bằng thực tế của hệ chính là nhiệt độ chuyển thể (\(100^\circ\text{C}\) hoặc \(0^{\circ}\text{C}\)).

4. Bước 4: Thiết lập lại phương trình cân bằng với ẩn số mới là khối lượng chất bị chuyển thể (\(m^{\prime}\)).

Ví dụ minh họa nâng cao

Ví dụ: Một người thợ rèn nhúng một con dao bằng thép có khối lượng \(1,2\operatorname{\mathrm{kg}}\) đang ở nhiệt độ nung đỏ \(t_1 = 850^\circ\text{C}\) vào một bể chứa \(5kg\) nước đang ở nhiệt độ \(20^\circ\text{C}\). Bể chứa làm bằng sắt có khối lượng \(2kg\). Hãy xác định xem nước có bị hóa hơi không, và nếu có thì khối lượng nước hóa hơi tại \(100^{\circ}\text{C}\) là bao nhiêu? Bỏ qua hao phí nhiệt ra môi trường xung quanh bể. Cho \(c_{\text{thép}} = c_{\text{sắt}} = 460 \, \text{J/kg.K}\), \(c_{\text{nước}} = 4200 \, \text{J/kg.K}\), \(L_{\text{nước}} = 2,3 \cdot 10^6 \, \text{J/kg}\).

• Phân tích & Giải:

  • Trước hết, ta tính nhiệt lượng tối đa mà con dao thép có thể tỏa ra nếu nó hạ nhiệt độ từ \(850^\circ\text{C}\) xuống thẳng mốc nhiệt độ sôi của nước là \(100^\circ\text{C}\):

    \(Q_{\text{tỏa\_max}} = m_{\text{thép}} \cdot c_{\text{thép}} \cdot (850 - 100) = 1,2 \cdot 460 \cdot 750 = 414000 \, \text{J}\)

  • Tiếp theo, tính nhiệt lượng cần thiết để đưa toàn bộ bể sắt và nước từ \(20^\circ\text{C}\) lên đến nhiệt độ sôi \(100^\circ\text{C}\):

    \[Q_{\text{thu\_cần}} = (m_{\text{sắt}} c_{\text{sắt}} + m_{\text{nước}} c_{\text{nước}}) \cdot (100 - 20)\]\[Q_{\text{thu\_cần}} = (2 \cdot 460 + 5 \cdot 4200) \cdot 80 = (920 + 21000) \cdot 80 = 21920 \cdot 80 = 1753600 \, \text{J}\]

  • So sánh hai giá trị: Ta nhận thấy \(Q_{\text{tỏa\_max}} (414000 \, \text{J}) < Q_{\text{thu\_cần}} (1753600 \, \text{J})\).

  • Biện luận hệ thống: Lượng nhiệt tối đa mà khối thép nóng đỏ cung cấp còn không đủ để kéo toàn bộ nước và bể lên đến \(100^\circ\text{C}\). Do đó, nước hoàn toàn không thể bị hóa hơi. Nhiệt độ cân bằng \(t\) của hệ sẽ nằm trong khoảng từ \(20^\circ\text{C}\) đến \(100^{\circ}\text{C}\).

  • Thiết lập lại phương trình cân bằng nhiệt thực tế để tìm \(t\):

    \[Q_{\text{thu}} = Q_{\text{tỏa}}\]\[(2\cdot460+5\cdot4200)\cdot(t-20)=1,2\cdot460\cdot(850-t)\]\[21920 \cdot (t - 20) = 552 \cdot (850 - t)\]\[21920t - 438400 = 469200 - 552t\]\[22472t = 907600 \Rightarrow t \approx 40,39^\circ\text{C}\]

  • Kết luận: Nước không bị hóa hơi, và nhiệt độ cân bằng cuối cùng của hệ thống là \(40,39^\circ\text{C}\).

Tổng kết bài tập về vật lí nhiệt

Việc làm chủ các chuyên đề nhiệt học lớp 12 đòi hỏi học sinh không chỉ dừng lại ở việc học thuộc lòng các công thức rời rạc, mà phải xây dựng được một tư duy mạch lạc về dòng chảy năng lượng. Bạn cần kiểm tra kỹ hệ quy ước dấu của Định luật I và phân chia rõ các giai đoạn biến đổi trạng thái của chất trước khi bấm máy tính để loại bỏ các sai sót không đáng có.

Để tiếp tục củng cố kiến thức toàn chương, rèn luyện thêm các kỹ năng giải nhanh, mời các bạn học sinh tham khảo tại chuyên mục Vật lí lớp 12 của ZIM Academy. Chúc các bạn tự tin học tập, xử lý mượt mọi bài tập về vật lí nhiệt và đạt điểm số tối đa!