Lý thuyết Vật lí 12 Bài 7: Bài tập về vật lí nhiệt

1. Dạng 1: Phương trình cân bằng nhiệt cơ bản và nâng cao

Khi có nhiều vật trao đổi nhiệt trong một hệ kín cô lập nhiệt:

• Phương trình cân bằng nhiệt: $\sum Q_{\text{tỏa}} = \sum Q_{\text{thu}}$.
• Nhiệt lượng tỏa ra khi hạ nhiệt độ: $Q_{\text{tỏa}} = m c (t_1 - t_{cb})$ (với $t_1 > t_{cb}$).
• Nhiệt lượng thu vào khi tăng nhiệt độ: $Q_{\text{thu}} = m c (t_{cb} - t_2)$ (với $t_2 < t_{cb}$).
• Lưu ý: Luôn quy đổi khối lượng về đơn vị $\text{kg}$ và chú ý đơn vị của nhiệt dung riêng $c$ ($\text{J/(kg}\cdot\text{K)}$).

2. Dạng 2: Bài toán nhiệt lượng kèm chuyển thể chất (nóng chảy, hóa hơi)

Khi quá trình trao đổi nhiệt dẫn đến biến đổi trạng thái của chất:

• Nhiệt lượng cần để làm nóng chảy hoàn toàn khối lượng $m$ chất rắn ở nhiệt độ nóng chảy: $Q = m \lambda$, trong đó $\lambda$ là nhiệt nóng chảy riêng ($\text{J/kg}$).
• Nhiệt lượng cần để làm hóa hơi hoàn toàn khối lượng $m$ chất lỏng ở nhiệt độ sôi: $Q = m L$, trong đó $L$ là nhiệt hóa hơi riêng ($\text{J/kg}$).
• Quy trình biện luận:
  1. Tính nhiệt lượng tối đa một chất có thể tỏa ra hoặc thu vào trước khi bắt đầu chuyển thể.
  2. So sánh nhiệt lượng đó để xác định chất đã tan hết / sôi hết chưa, hay chỉ chuyển thể một phần.
  3. Nếu chuyển thể một phần, nhiệt độ cuối cùng của hệ chính là nhiệt độ chuyển thể ($0^\circ\text{C}$ với nước đá, $100^\circ\text{C}$ với nước sôi ở áp suất chuẩn).

3. Dạng 3: Bài toán hiệu suất thiết bị gia nhiệt và công suất hao phí

• Nhiệt lượng toàn phần do thiết bị (ấm điện, bếp) cung cấp trong thời gian $t$: $Q_{\text{tp}} = \mathcal{P} \cdot t$ (với $\mathcal{P}$ là công suất tính bằng Watt, $t$ tính bằng giây).
• Hiệu suất nhiệt: $H = \frac{Q_{\text{ích}}}{Q_{\text{tp}}} = \frac{m c \Delta t + m L}{\mathcal{P} \cdot t}$.
• Công suất hao phí ra môi trường: $\mathcal{P}_{\text{hp}} = \mathcal{P} \cdot (1 - H)$.

4. Dạng 4: Đọc và phân tích đồ thị nhiệt độ theo thời gian ($T - t$)

• Đoạn dốc lên/xuống: Biểu diễn quá trình tăng/giảm nhiệt độ của vật ở một thể nhất định. Độ dốc càng lớn thì tích nhiệt dung $m \cdot c$ càng nhỏ (chất nóng lên hoặc nguội đi nhanh hơn).
• Đoạn nằm ngang song song trục thời gian: Quá trình chuyển thể đang diễn ra, nhiệt độ được duy trì không đổi. Chiều dài đoạn nằm ngang tỉ lệ thuận với nhiệt chuyển thể riêng ($\lambda$ hoặc $L$) của khối lượng chất đó.