Giải SBT Vật lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3. Nội năng. Định luật 1 của nhiệt động lực học
24 câu hỏi
Nội năng của một vật
là tổng động năng của các phân tử cấu tạo nên vật.
không phụ thuộc vào nhiệt độ của vật, chỉ phụ thuộc vào thể tích của vật.
không phụ thuộc vào thể tích của vật, chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật.
phụ thuộc cả thể tích và nhiệt độ của vật.
Đáp án đúng là D
Nội năng của một vật là tổng động năng (phụ thuộc vào nhiệt độ) và thế năng phân tử (phụ thuộc vào thể tích) cấu tạo nên vật.
Biểu thức nào sau đây mô tả định luật 1 của nhiệt động lực học?
U = A + Q.
U = A - Q.
DU = A + Q.
DU = A - Q.
Đáp án đúng là C
Trường hợp nào dưới đây làm biến đổi nội năng của vật không phải do thực hiện công?
Mài dao.
Đóng đinh.
Khuấy nước.
Nung đồng trong lò.
Đáp án đúng là D
Nung đồng trong lò là quá trình truyền nhiệt.
Đặt thanh gỗ A đứng yên, cọ xát thanh gỗ B lên thanh gỗ A thì
nhiệt độ thanh gỗ A không đổi, nhiệt độ thanh gỗ B tăng lên.
nhiệt độ thanh gỗ A tăng lên, nhiệt độ thanh gỗ B không đổi.
nhiệt độ cả hai thanh gỗ đều tăng.
nhiệt độ cả hai thanh gỗ đều không đổi.
Đáp án đúng là C
Khi cọ xát hai thanh gỗ, hai thanh gỗ nhận công của lực ma sát, làm nội năng của hai thanh gỗ tăng, dẫn đến nhiệt độ của chúng tăng.
Trong mỗi phát biểu sau, em hãy chọn đúng hoặc sai.
a) Có hai cách làm thay đổi nội năng của vật là thực hiện công và truyền nhiệt.
b) Công và nhiệt lượng là hai dạng cụ thể của nội năng.
c) Khi xoa hai bàn tay vào nhau, nội năng của hai bàn tay tăng là do sự truyền nhiệt.
d) Nội năng của một chiếc yên xe đạp khi để ngoài trời nắng tăng lên là do sự truyền nhiệt.
e) Khi vật nhận công và cách nhiệt với bên ngoài thì nội năng của vật tăng.
f) Khi vật truyền nhiệt cho vật khác thì nội năng của nó tăng.
g) Số đo độ biến thiên nội năng trong quá trình truyền nhiệt gọi là nhiệt lượng.
h) Nhiệt dung riêng của một chất có giá trị bằng nhiệt lượng làm nóng 1 kg chất đó lên 1 °C.
i) Trong quá trình đúc đồng, nội năng của đồng tăng lên, sau đó giảm đi.
j) Khi bơm xe đạp bằng bơm tay, ống bơm thường bị nóng lên, nội năng của ống bơm tăng lên là do nhận nhiệt từ bên ngoài.
a) Đúng;
b) Sai; nội năng không phải là nhiệt lượng.
c) Sai; nội năng thay đổi do quá trình thực hiện công.
d) Đúng;
e) Đúng;
f) Sai; vật truyền nhiệt cho vật khác thì nội năng giảm.
g) Đúng,
h) Đúng;
i) Đúng;
j) Sai. Ống bơm nóng lên là do khối khí nhận công từ bên ngoài.
Một khối khí xác định nhận nhiệt và thực hiện công thì nội năng của nó sẽ
tăng.
giảm.
không đổi.
Chưa đủ căn cứ để kết luận.
Đáp án đúng là D
Chưa đủ căn cứ để kết luận vì Q > 0 và A < 0 nên DU = A + Q chưa xác định được dấu.
Hệ thức DU = A + Q với A > 0, Q < 0 diễn tả cho quá trình nào của chất khí?
Nhận công và truyền nhiệt.
Nhận nhiệt và sinh công.
Truyền nhiệt và nội năng giảm.
Nhận công và nội năng giảm
Đáp án đúng là A
A > 0: khối khí nhận công
Q < 0: khối khí truyền nhiệt.
Hệ thức nào sau đây phù hợp với quá trình khối khí được làm lạnh và giữ nguyên thể tích?
DU = A, A > 0.
DU = Q, Q > 0.
DU = A, A < 0.
DU = Q, Q < 0.
Đáp án đúng là D
Vì khối khí giữ nguyên thể tích nên công A = 0 (lúc này DU = Q) và khối khí được làm lạnh (khối khí toả nhiệt ra bên ngoài) nên Q < 0.
Trường hợp nào sau đây không làm thay đổi nội năng của miếng đồng?
Cọ xát miếng đồng lên mặt bàn.
Đốt nóng miếng đồng
Làm lạnh miếng đồng.
Đưa miếng đồng lên một độ cao nhỏ so với mặt đất.
Đáp án đúng là D
Đưa vật lên cao sẽ làm thay đổi cơ năng nhưng không làm thay đổi nội năng của vật.
Truyền cho khối khí trong xilanh nhiệt lượng 100 J, khối khí nở ra và sinh một công 70 J đẩy pit-tông lên. Độ biến thiên nội năng của khối khí là
DU = 30 J.
DU = 170 J.
DU = 100 J.
DU = -30 J.
Đáp án đúng là A
A < 0: khối khí thực hiện công
Q > 0: khối khí nhận nhiệt lượng.
DU = A + Q = -70 + 100 = 30 J.
Nội năng của khối khí tăng 15 J khi truyền cho khối khí một nhiệt lượng 35 J. Khi đó, khối khí đã
thực hiện công là 40 J.
nhận công là 20 J.
thực hiện công là 20 J.
nhận công là 40 J.
Đáp án đúng là C
Nội năng khối khí tăng ΔU > 0; khí nhận nhiệt lượng: Q > 0
A = DU – Q = 15 – 35 = -20 J < 0 nên khối khí thực hiện công.
Nhiệt lượng của một vật đồng chất thu vào là 6900 J làm nhiệt độ của vật tăng thêm 50 °C. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trường. Biết khối lượng của vật là 300 g, nhiệt dung riêng của chất làm vật là
460 J/kg.K.
1 150 J/kg.K.
71,2 J/kg.K.
41,4 J/kg.K.
Đáp án đúng là A
c=Qm∆t=69000,3.50=460 Jkg·K
Nêu các cách làm thay đổi nội năng của một vật. Cho ví dụ minh họa.
Có hai cách làm thay đổi nội năng của một vật là thực hiện công và truyền nhiệt.
Ví dụ về thực hiện công: Cọ xát đồng xu lên mặt bàn.
Ví dụ về truyền nhiệt: Hơ nóng đồng xu trên ngọn lửa.
So sánh sự giống và khác nhau của hai cách làm thay đổi nội năng của vật.
Giống nhau: Đều làm thay đổi nội năng của vật.
Khác nhau:
Thực hiện công | Truyền nhiệt |
Là hình thức làm thay đổi nội năng của vật thông qua tác dụng lực lên vật, làm cho vật đó dịch chuyển. | Là hình thức làm thay đổi nội năng của vật khi cho vật tiếp xúc với vật khác có nhiệt độ chênh lệch với vật đó. |
Một ấm đun siêu tốc có phần thân ấm làm bằng thép không gỉ có khối lượng 0,5 kg, đang chứa 1,8 lít nước ở 25 °C. Biết nhiệt dung riêng của thép và nước lần lượt là 460 J/kg.K và 4 180 J/kg.K.
a) Tính nhiệt lượng cần cung cấp để đun ấm nước đến khi sôi ở 100 °C.
b) Biết công suất điện ghi trên ấm đun là 1 500 W. Tính thời gian đun sôi một ấm nước. Coi rằng điện năng chuyển hoàn toàn thành năng lượng nhiệt truyền cho ấm.
a) Nhiệt lượng cần cung cấp để đun ấm nước đến khi sôi ở 100 °C:
Q = (mấmcth + mncn)(t2 − t1) = (0,5.460 + 1,8.4 180).(100 - 25) = 581 550 J
b) Thời gian đun sôi một ấm nước: W=Q=P.t⇒t=QP=5815501500≈388s
Một người thợ xác định nhiệt độ của một lò nung bằng cách đưa vào trong lò một miếng sắt có khối lượng 50 g. Coi thời gian nung là đủ dài và tốc độ nung chậm để miếng sắt có nhiệt độ bằng nhiệt độ lò nung. Khi đó, người thợ lấy miếng sắt ra khỏi lò nung và thả nó vào một nhiệt lượng kế có vỏ bằng thép, khối lượng 150g chứa 0,7 lít nước ở nhiệt độ 20 °C. Coi miếng sắt và nhiệt lượng kế chứa nước chỉ truyền nhiệt cho nhau. Khi cân bằng nhiệt, nhiệt độ của nước lúc này tăng lên đến 26 °C. Biết nhiệt dung riêng của sắt và thép là 460 J/kg.K, của nước là 4 180 J/kg.K.
a) Tính nhiệt độ của lò nung.
b) Tính độ biến thiên nội năng của miếng sắt từ lúc thả vào nước đến lúc cân bằng nhiệt.
a) Gọi t (°C) là nhiệt độ của lò nung.
Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt, ta có: mscst-tcb=mncn+mnlkcthtn-tcb
⇒t=mncn+mnlkcthtn-tcbmscs+tcb=0,7·4180+0,15·460·60,05·460+26≈807,3°C
b) Nhiệt lượng cần thiết: Q=0,7·4180+0,15·460·6=17970 J.
Độ biến thiên nội năng của miếng sắt từ lúc thả vào nước đến lúc cân bằng nhiệt:
∆U = A + Q = 0 – 17 970 = –17 970 J.
Tại sao khi rót nước sôi vào phích (bình thuỷ) và đậy chặt nút phích lại nhưng sau một khoảng thời gian dài (khoảng 12 giờ) thì nhiệt độ của nước trong phích vẫn bị giảm xuống một chút?
Phích được đậy chặt nên không thể thực hiện công ra bên ngoài (A = 0). Ruột phích được cấu tạo bởi hai lớp thuỷ tinh, giữa hai lớp thuỷ tinh được hút không khí, tạo chân không để cách nhiệt. Trong thực tế, vẫn còn một lượng rất nhỏ không khí ở giữa hai lớp thuỷ tinh nên nó vẫn truyền nhiệt chậm ra bên ngoài (Q < 0) làm nội năng của nước sôi bị giảm, dẫn đến nhiệt độ giảm.
Giải thích tại sao sử dụng nồi áp suất để nấu thì sẽ làm thực phẩm nhanh chín và nóng hơn so với dùng nồi thông thường.
Nồi áp suất có nắp vung nồi được đậy rất kín với nồi, giúp hạn chế việc thất thoát do truyền nhiệt lượng ra môi trường ngoài nên thời gian nấu sẽ ngắn hơn.
Vì được đậy rất kín, nên nồi áp suất khí nhận nhiệt lượng từ bếp thì nhiệt lượng này không thể sinh công, gần như chuyển toàn bộ nhiệt lượng nhận được này thành nội năng của hệ làm tăng nhiệt độ nhanh hơn. So với nồi thông thường, hơi nước bốc lên dãn ra sinh công lên nắp vung hoặc lớp không khí bên trên, nên nội năng tăng ít hơn, dẫn đến nhiệt độ tăng chậm hơn.
Mặt khác, áp suất hơi nước trong nồi áp suất cao hơn so với nồi thông thường làm nhiệt độ trong nồi cũng cao hơn và kết quả thực phẩm sẽ nóng hơn.
Khi truyền nhiệt lượng 400 J cho khối khí trong một xilanh hình trụ được nắp kín bằng pit-tông thì khối khí dãn nở đẩy pit-tông lên, làm thể tích của khối khí tăng thêm 0,3 lít. Biết áp suất của khối khí là 2.105 Pa và không đổi trong quá trình khối khí dãn nở.
a) Tính độ lớn công của khối khí thực hiện.
b) Tính độ biến thiên nội năng của khối khí.
a) Công khối khí thực hiện có độ lớn: |A| = Fd = pSd = pDV = 2.105.0,3.10-3 = 60 J
b) Do khối khí thực hiện công nên A = -60 J.
Khối khí nhận nhiệt lượng nên Q = 40 J.
Độ biến thiên nội năng của khối khí: DU = A + Q = −60 + 400 = 340 J.
Một người pha chế một mẫu trà sữa bằng cách trộn các mẫu chất lỏng với nhau: nước trà đen (mẫu A), nước đường nâu (mẫu B) và sữa tươi (mẫu C). Các mẫu chất lỏng này chỉ trao đổi nhiệt lẫn nhau mà không gây ra các phản ứng hoá học. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trường. Nhiệt độ trước khi trộn của mẫu A, mẫu B và mẫu C lần lượt là 12 °C, 19 °C và 28 °C. Biết rằng:
– Khi trộn mẫu A với mẫu B với nhau thì nhiệt độ cân bằng của hệ là 16 °C.
– Khi trộn mẫu B với mẫu C với nhau thì nhiệt độ cân bằng của hệ là 23 °C.
a) Tìm nhiệt độ cân bằng của hệ khi trộn mẫu A với mẫu C.
b) Tìm nhiệt độ cân bằng khi trộn cả ba mẫu.
c) Nếu người này pha thêm một mẫu nước trà đen nữa vào hỗn hợp ba mẫu ở câu b thì nhiệt độ cân bằng của hệ lúc này là bao nhiêu?
a) Ta có:
mAcA16-12=mBcB19-16⇒4mAcA=3mBcB (1)
mBcB23-29=mCcC28-23⇒5mCcC=4mBcB (2)
Từ (1) và (2), ta được: 16mAcA=15mCcC (3)
Gọi t1 là nhiệt độ cân bằng khi trộn mẫu A với mẫu C, ta có:
mAcAt1-12=mCcC28-t1 (4)
Thay (3) vào (4), ta tính được: t1=20,26°C.
b) Gọi t2 là nhiệt độ cân bằng khi trộn cả ba mẫu với nhau, ta có:
mAcAt2-12+mBcBt2-19=mCcC28-t2
Ta tính được: t2=19,76°C
c) Tương tự, gọi t3 là nhiệt độ cân bằng của hệ lúc này, ta có:
2mAcAt3-12+mBcBt3-19=mCcC28-t3
Ta tính được: t3=18°C
Một ấm nhôm khối lượng 650 g chứa 2 kg nước ở nhiệt độ 23 °C được đun nóng bằng một bếp điện có công suất không đổi và có 80% nhiệt lượng do bếp cung cấp được dùng vào việc đun nóng ấm nước. Sau 40 phút thì có 400 g nước đã hoá hơi ở 100 °C. Biết nhiệt dung riêng của nước và của nhôm lần lượt là 4 200 J/kg.K và 880 J/kg.K. Nhiệt hoá hơi riêng của nước ở 100 °C là 2,3.106 J/kg. Tính công suất cung cấp nhiệt của bếp điện.
Ta có: mncn+mnhcnh∆t+L∆mn=0,8Pt
⇒P=mncn∆t+mnhcnh∆t+L∆mn0,8t
=2.4200·100-23+0,65.880(100-23)+2,3·106.0,40,8.40.60≈839 W
Đặt 1,5 kg nước ở 20 °C vào tủ lạnh thì sau 70 phút, lượng nước này chuyển thành băng (nước đá) ở −15 °C. Cho biết nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt dung riêng của băng lần lượt là 0,34 MJ/kg và 2,1 kJ/kg.K; nhiệt dung riêng của nước là 4,2 kJ/kg.K. Tính công suất làm lạnh của tủ lạnh.
Nhiệt lượng cần cung cấp để đưa 1,5 kg nước ở 20 °C xuống 0 °C:
Q1 = mcnDt1 =1,5.4 200.(20 - 0) = 126 000 J
Nhiệt lượng cần cung cấp để chuyển 1,5 kg nước ở 0 °C trở thành băng ở 0 °C:
Q2 = mλ = 1,5.0,34.106 = 510 000 J
Nhiệt lượng cần cung cấp để đưa 1,5 kg băng từ 0 °C xuống −15 °C:
Q3 = mcbDt2 = 1,5.2 100.(15 - 0) = 47 250J
Công suất làm lạnh của tủ lạnh:
P=Q1+Q2+Q3t=126000+510000+4725070.60≈162,8W
Có 10 người tập trung trong một căn phòng đóng kín, cách nhiệt có kích thước 5m×10 m×3m. Bỏ qua thể tích choán chỗ của người. Giả sử tốc độ truyền nhiệt trung bình của mỗi người ra môi trường là 1 800 kcal/ngày. Biết khối lượng riêng của không khí là 1,2 kg/m3 và nhiệt dung riêng của không khí coi như không đổi bằng 0,24 kcal/kg.°C. Tính độ tăng nhiệt độ không khí trong phòng sau 20 phút.
Do phòng kín và cách nhiệt, nên toàn bộ nhiệt lượng do 10 người toả ra trong 20 phút đều chuyển thành nội năng của không khí trong phòng: ∆U=Q=10.1800.2024.60=250kcal
Khối lượng không khí trong phòng: m=ρV=1,2·5·10·3=180 kg.
Ta có: Q=mc∆t⇒∆t=Qmc=250180.0,24≈5,8°C.
Một viên đạn có khối lượng m = 45 g bay theo phương ngang với tốc độ v0 = 100 m/s xuyên qua một quả dưa có khối lượng M = 2,5 kg đang nằm yên trên sàn ngang nhẵn. Tốc độ của viên đạn và của quả dưa ngay sau khi viên đạn xuyên qua lần lượt là v = 80 m/s và V = 20 cm/s. Tính độ tăng nội năng của viên đạn và quả dưa.
Công mà hệ (viên đạn và quả dưa) thực hiện có độ lớn:
A=∆Wd=12mv2+12MV2-12v02
Do hệ thực hiện công nên: A=-12mv2+12MV2-12mvo2=12mvo2-12mv2-12MV2
Do không có sự truyền nhiệt nên độ tăng nội năng của hệ:
∆U=A=12mv02-12mv2-12MV2=12·0,045·1002-12·0,045·802-12·0,5·0,22=80,95 J
