Nhiệt nóng chảy riêng
Dùng Q = λm cho sự nóng chảy và đông đặc, cộng đủ các giai đoạn khi đun một chất rắn (mcΔt + λm + mcΔt), giải bài thả đá vào nước (tan hết hay không), đọc đồ thị nhiệt độ – thời gian và số liệu thí nghiệm đo λ.
Ứng với SGK Vật lí 12 (bộ thống nhất): Bài 5
⚡ Nhớ nhanh
- 1Nhiệt nóng chảy riêng λ: nhiệt lượng cần để 1 kg chất rắn nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ nóng chảy: Q = λm, đơn vị J/kg.
- 2Nước đá: λ = 3,34·10⁵ J/kg. Làm tan 1 kg đá 0 °C tốn 334 kJ, đủ để đun 1 kg nước nóng thêm khoảng 80 °C.
- 3Trong lúc nóng chảy (chất rắn kết tinh), nhiệt độ không đổi dù vẫn nhận nhiệt ⇒ đồ thị T–t có đoạn nằm ngang. Đông đặc thì toả ra đúng λm.
- 4Đun chất rắn từ dưới nhiệt độ nóng chảy: Q = m·c rắn·Δt₁ + λm + m·c lỏng·Δt₂. Đá c = 2100, nước c = 4200 J/(kg·K).
- 5Thả đá vào nước ấm: so Q toả tối đa (nước nguội về 0 °C) với λm trước. Nhỏ hơn ⇒ đá không tan hết, cân bằng ở 0 °C.
- 6Bẫy: viết λmΔt (không có Δt), quên giai đoạn làm nóng đá, dùng c nước cho đá.
👀 Nhìn là hiểu
Bấm ▶ Đun: bếp cấp nhiệt đều cho cốc nước đá, đồ thị T–t chạy và thanh Q chia ba phần mc đá Δt / λm / mc nước Δt (kéo thanh để tua). Chế độ 🥤 thả đá vào nước ấm cho thấy khi nào đá tan hết. Tab Thí nghiệm đo λ như SGK, tab Đoán trước có 4 cái bẫy.
Tua nhanh ×14. Đổi thông số sau một lượt chạy thì lượt cũ còn lại nét đứt.
Kéo thả tự do, xem số và đồ thị chạy theo.
Bấm ▶ Đun: bếp cấp đều 500 W cho 200 g nước đá ở 0 °C. Đoán trước: lúc đá đang tan, nhiệt kế chỉ bao nhiêu?
1 🧊 Nhiệt nóng chảy riêng
Cần nhớ
- ✦Định nghĩa: nhiệt nóng chảy riêng λ của một chất là nhiệt lượng cần cung cấp để làm 1 kg chất đó chuyển hoàn toàn từ thể rắn sang thể lỏng ở nhiệt độ nóng chảy.
- ✦Công thức: Q = λm (Q tính bằng J, m bằng kg, λ bằng J/kg). Không có Δt vì trong lúc nóng chảy nhiệt độ không đổi.
- ✦Vì sao nhiệt độ đứng yên: nhiệt nhận vào dùng để phá vỡ liên kết giữa các phân tử trong mạng tinh thể, không làm tăng động năng phân tử, nên nhiệt kế không lên (trên sim: bếp vẫn cháy mà nhiệt kế đứng ở 0 °C).
- ✦Đông đặc là quá trình ngược: cùng chất, cùng khối lượng thì toả ra đúng Q = λm.
Dạng bài
Tính nhiệt lượng nóng chảy
- 1 Kiểm tra chất rắn đã ở nhiệt độ nóng chảy chưa (nước đá ở 0 °C). Chưa thì phải cộng thêm phần làm nóng (mục sau).
- 2 Đổi đơn vị: m ra kg; λ tra bảng hoặc đề cho (J/kg).
- 3 Tính Q = λm.
- 4 Thử lại: Q/m phải bằng λ; kiểm độ lớn (1 kg đá cần khoảng 330 kJ).
⚠️ Bẫy hay gặp: Viết Q = λmΔt rồi lúng túng vì Δt = 0 (ra Q = 0) hoặc lấy Δt = 1 °C. Nóng chảy không có Δt: Q = λm = 66,8 kJ.
Tính nhiệt lượng cần cung cấp để 200 g nước đá ở 0 °C tan hoàn toàn. Nếu dùng bếp 500 W (coi toàn bộ nhiệt truyền cho đá) thì mất bao lâu? Cho λ = 3,34·10⁵ J/kg.
Hướng dẫn giải
Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt nóng chảy riêng (áp suất thường, số liệu tham khảo)
| Chất | Nhiệt độ nóng chảy | λ (J/kg) |
|---|---|---|
| Nước đá | 0 °C | 3,34·10⁵ |
| Nhôm | 660 °C | 3,97·10⁵ |
| Sắt | 1535 °C | 2,77·10⁵ |
| Đồng | 1083 °C | 1,80·10⁵ |
| Chì | 327 °C | 0,25·10⁵ |
2 📈 Đun nóng chất rắn: đồ thị có đoạn nằm ngang
Đun đều nước đá ở −10 °C tới nước 20 °C
| Giai đoạn | Nhiệt độ | Nhiệt lượng | Đồ thị T–t |
|---|---|---|---|
| ① Đá nóng lên | −10 → 0 °C | Q₁ = m·c đá·Δt | Đi lên, dốc |
| ② Nóng chảy | Giữ 0 °C | Q₂ = λm | Nằm ngang |
| ③ Nước nóng lên | 0 → 20 °C | Q₃ = m·c nước·Δt | Đi lên, dốc bằng nửa ① |
Đọc đồ thị đun đều (công suất P không đổi)
- ✦Nhiệt lượng tỉ lệ với thời gian: Q = P·t. Đoạn ngang dài t ⇒ λ = P·t/m.
- ✦Đoạn dốc: tốc độ tăng nhiệt độ là P/(mc). Nước có c = 4200 gấp đôi đá (2100) ⇒ đoạn nước dốc bằng một nửa đoạn đá.
- ✦Nước đá có λ rất lớn: với đá −10 °C, đoạn ngang dài gấp 16 lần đoạn làm nóng đá (66 800 J so với 4 200 J cho 0,2 kg).
- ✦Chất vô định hình (sáp, nhựa đường) không có nhiệt độ nóng chảy xác định ⇒ đồ thị không có đoạn nằm ngang.
Dạng bài
Nhiệt lượng cho cả quá trình nhiều giai đoạn
- 1 Vẽ nháp đường T–t từ nhiệt độ đầu tới nhiệt độ cuối; đánh dấu các đoạn dốc và đoạn ngang.
- 2 Mỗi đoạn dốc: Q = mcΔt với c của đúng thể đó; mỗi đoạn ngang: Q = λm.
- 3 Cộng tất cả: Q = Q₁ + Q₂ + Q₃. Cần thời gian thì t = Q/P.
- 4 Thử lại: cộng thời gian từng đoạn phải bằng thời gian cả quá trình.
⚠️ Bẫy hay gặp: Chỉ tính λm = 66,8 kJ (thiếu 21 kJ, tức 24 %) hoặc dùng c nước cho đá: Q₁ thành 8 400 J thay vì 4 200 J.
Bếp 500 W đun 200 g nước đá ở −10 °C thành nước ở 20 °C. Coi toàn bộ nhiệt truyền cho đá và nước. Tính nhiệt lượng và thời gian đun. Cho c đá = 2100 J/(kg·K), c nước = 4200 J/(kg·K), λ = 3,34·10⁵ J/kg.
Hướng dẫn giải
3 🥤 Thả đá vào nước: tan hết hay không?
Dạng bài
Bài cân bằng nhiệt có nước đá
- 1 Tính Q toả tối đa của nước ấm khi nguội về 0 °C: Q_max = M·c nước·t.
- 2 Tính Q cần để đá tan hết: λm (cộng thêm m·c đá·Δt nếu đá dưới 0 °C).
- 3 So sánh. Q_max nhỏ hơn ⇒ đá không tan hết, cân bằng ở 0 °C, khối lượng đá tan = Q_max/λ. Q_max lớn hơn ⇒ đá tan hết, lập Q thu = Q toả để tìm θ.
- 4 Thử lại: θ phải nằm giữa 0 °C và nhiệt độ nước ấm; thay θ vào hai vế.
⚠️ Bẫy hay gặp: Lập ngay λm + m·c·θ = M·c·(20 − θ): 33 400 + 420θ = 16 800 − 840θ ⇒ θ ≈ −13,2 °C. Nước ấm trộn với đá 0 °C mà ra dưới 0 °C là vô lí ⇒ phải so sánh trước.
Thả 100 g nước đá ở 0 °C vào 200 g nước ở 20 °C đựng trong bình cách nhiệt (bỏ qua nhiệt dung của bình). Khi cân bằng nhiệt, đá có tan hết không? Nhiệt độ cuối bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
50 g đá 0 °C vào 300 g nước 30 °C: Q_max = 37 800 J > λm = 16 700 J. Lập 16 700 + 210θ = 1260(30 − θ) ⇒ θ ≈ 14,4 °C.
100 g đá 0 °C vào 200 g nước 20 °C: 16 800 J < 33 400 J ⇒ θ = 0 °C, còn khoảng 50 g đá. Không lập phương trình tìm θ.
4 🔬 Thí nghiệm đo nhiệt nóng chảy riêng của nước đá
Dạng bài
Các bước thí nghiệm (SGK)
- 1 Dụng cụ: biến thế nguồn, oát kế (đo năng lượng và thời gian), phễu (hoặc nhiệt lượng kế) chứa nước đá vụn có dây điện trở, nhiệt kế, cốc hứng đặt trên cân điện tử.
- 2 Khuấy đá tới khi nhiệt kế chỉ 0 °C rồi mới bật nguồn.
- 3 Cứ vài phút đọc năng lượng Q trên oát kế và khối lượng nước đá đã tan m trên cân; ghi ít nhất 5 lần.
- 4 Vẽ đồ thị m theo Q: đường thẳng. λ = 1/độ dốc = ΔQ/Δm. Thử lại: Q/m của từng lần đo gần bằng nhau ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Lấy đá thẳng từ tủ đông (−4 °C) rồi bật nguồn ngay: với 0,5 kg đá, 4 200 J đầu chỉ làm đá nóng lên, chưa tan. Tính λ = Q/m từ một lần đo ra lớn hơn thật (ở Q = 36 kJ: 360,0952 ≈ 378 kJ/kg); dùng độ dốc ΔQ/Δm thì vẫn ra ≈ 334 kJ/kg.
Một bảng số liệu mẫu
| Q (kJ) | m (g) | Q/m (kJ/kg) |
|---|---|---|
| 6,0 | 18,1 | 331 |
| 12,0 | 35,8 | 335 |
| 18,0 | 54,0 | 333 |
| 24,0 | 71,6 | 335 |
| 30,0 | 90,2 | 333 |
Đọc bảng số liệu
- ✦Cứ thêm 6 kJ thì tan thêm khoảng 18 g ⇒ m tỉ lệ thuận với Q, độ dốc ≈ 3,0 g/kJ.
- ✦λ = ΔQ/Δm = (30,0 − 6,0) kJ/(90,2 − 18,1) g = 24 kJ/72,1 g ≈ 0,333 kJ/g = 333 kJ/kg ≈ 3,33·10⁵ J/kg.
- ✦Đổi đơn vị cẩn thận: 1 kJ/g = 1000 kJ/kg = 10⁶ J/kg.
5 ❄️ Hiện tượng quanh ta
- ✦🧊 Đá giữ lạnh lâu: 1 kg đá tan thu 334 kJ, đủ làm 4 kg nước nguội đi khoảng 20 °C. Cùng khối lượng nước 0 °C thì làm lạnh kém hơn nhiều.
- ✦🍊 Phun nước chống sương giá: khi trời sắp xuống dưới 0 °C, nhà vườn phun nước lên cây; nước đông đặc toả nhiệt λm giữ cho nụ không lạnh quá 0 °C nhiều.
- ✦🏭 Đúc kim loại: muốn nấu chảy phải cấp thêm λm ở nhiệt độ nóng chảy; lúc đông đặc trong khuôn, kim loại lại toả nhiệt đó ra.
- ✦🌨️ Tuyết tan thì lạnh: tuyết tan thu nhiệt của không khí xung quanh nên lúc tuyết tan thường thấy lạnh hơn lúc tuyết rơi.
6 💡 Mẹo làm nhanh và lỗi hay sai
⚡ Mẹo làm nhanh trắc nghiệm
- ✦Đề nói "ở nhiệt độ nóng chảy" ⇒ chỉ Q = λm, không có Δt.
- ✦Vẽ nhanh đường T–t ra nháp: mỗi đoạn dốc là mcΔt, mỗi đoạn ngang là λm. Đếm đủ đoạn rồi mới cộng.
- ✦Đun đều (P không đổi): thời gian tỉ lệ với Q ⇒ λ = P·(độ dài đoạn ngang)/m; tỉ số độ dài hai đoạn bằng tỉ số hai nhiệt lượng.
- ✦Bài thả đá vào nước: so Q_max = M·c·t với λm trước khi lập phương trình.
⚠️ Lỗi hay sai nhất
- ✦Viết Q = λmΔt: với 0,2 kg đá 0 °C, đúng là λm = 66,8 kJ.
- ✦Dùng c nước 4200 cho nước đá: 0,5 kg đá từ −20 °C lên 0 °C cần 21 kJ, không phải 42 kJ.
- ✦Quên giai đoạn làm nóng đá: 200 g đá −10 °C thành nước 20 °C cần 87,8 kJ, không phải 66,8 + 16,8 = 83,6 kJ.
- ✦Lập phương trình cân bằng khi đá không tan hết: 100 g đá vào 200 g nước 20 °C ra θ ≈ −13,2 °C. Đúng là θ = 0 °C, còn khoảng 50 g đá.
- ✦Nghĩ đun mạnh hơn thì đá tan ở nhiệt độ cao hơn. Bếp 1000 W thay 500 W: vẫn 0 °C, đoạn ngang chỉ ngắn lại còn một nửa (66,8 s thay vì 133,6 s).
📏 Kiểm tra đơn vị và độ lớn
- ✦λ nước đá = 3,34·10⁵ J/kg = 334 kJ/kg = 334 J/g: làm tan 1 g đá cần 334 J, gần đủ để đun 1 g nước nóng thêm 80 °C.
- ✦Đổi g ra kg trước khi nhân với λ (J/kg): 200 g = 0,2 kg. Quên đổi thì ra 66,8 MJ cho một cốc đá — vô lí.
- ✦Nước ấm trộn với đá 0 °C thì θ luôn từ 0 °C tới nhiệt độ nước ấm. θ ra âm là đã quên so sánh Q_max với λm.
- ✦Đơn vị: λ là J/kg (không có K), c là J/(kg·K). Nhìn đơn vị là biết công thức có Δt hay không.
✏️ Luyện tập
Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần kiến thức.
Nhiệt nóng chảy riêng
- 1Nhận biết
Nhiệt nóng chảy riêng của một chất là nhiệt lượng cần cung cấp để
- 2Nhận biết
Đơn vị của nhiệt nóng chảy riêng λ là
- 3Thông hiểu Làm nóng chảy hoàn toàn 0,5 kg nước đá ở 0 °C (λ = 3,34·10⁵ J/kg) cần Q = kJ.
- 4Thông hiểu
2 kg nước ở 0 °C đông đặc hoàn toàn thành nước đá ở 0 °C (λ = 3,34·10⁵ J/kg). Trong quá trình này nước
- 5Thông hiểu
Cho λ của nhôm 3,97·10⁵ J/kg, sắt 2,77·10⁵ J/kg, đồng 1,80·10⁵ J/kg, chì 0,25·10⁵ J/kg. Cùng 1 kg đã ở nhiệt độ nóng chảy, chất cần nhiều nhiệt nhất để nóng chảy hết là
- 6Vận dụng Cung cấp 100,2 kJ cho nước đá đang ở 0 °C (λ = 3,34·10⁵ J/kg) thì tan được g đá.
Đường đun nóng và nhiều giai đoạn
- 1Nhận biết
Đun đều một chất rắn kết tinh. Đoạn nằm ngang trên đồ thị nhiệt độ – thời gian ứng với
- 2Thông hiểu
Nhiệt lượng cần để 0,5 kg nước đá ở −20 °C thành nước ở 0 °C là (c đá = 2100 J/(kg·K), λ = 3,34·10⁵ J/kg)
- 3Thông hiểu
Đun đều nước đá từ −10 °C tới nước 20 °C. So với đoạn đá nóng lên, đoạn nước nóng lên trên đồ thị T–t
- 4Thông hiểu Đun đều 0,8 kg băng phiến rắn bằng bếp 400 W (coi toàn bộ nhiệt truyền cho băng phiến). Đồ thị T–t: từ phút 0 đến phút 2 nhiệt độ tăng từ 20 °C lên 80 °C; từ phút 2 đến phút 7 nằm ngang ở 80 °C; sau đó tăng tiếp. Nhiệt nóng chảy riêng của băng phiến là λ = ·10⁵ J/kg.
- 5Vận dụng Cũng đồ thị ở câu trên: nhiệt dung riêng của băng phiến ở thể rắn là c = J/(kg·K).
Thả đá vào nước
- 1Thông hiểu
Thả 100 g nước đá ở 0 °C vào 200 g nước ở 20 °C trong bình cách nhiệt (bỏ qua nhiệt dung của bình). Khi cân bằng nhiệt
- 2Vận dụng Thả 50 g nước đá ở 0 °C vào 300 g nước ở 30 °C trong bình cách nhiệt (bỏ qua nhiệt dung của bình). Nhiệt độ khi cân bằng là °C (làm tròn đến hàng phần mười).
- 3Vận dụng Cần ít nhất g nước ở 50 °C để làm tan hết 100 g nước đá ở 0 °C (bỏ qua trao đổi nhiệt với bình và môi trường, làm tròn đến hàng đơn vị).
- 4Thông hiểu
Hai cốc giống nhau cùng chứa 200 g nước 25 °C. Cho vào cốc A 50 g nước đá 0 °C, cốc B 50 g nước 0 °C. Sau khi cân bằng, cốc nào lạnh hơn?
Thí nghiệm và số liệu
- 1Nhận biết
Trong thí nghiệm đo nhiệt nóng chảy riêng của nước đá, hai đại lượng cần đo là
- 2Thông hiểu
Kết quả đo của một nhóm học sinh (đá luôn ở 0 °C): Giá trị λ của nước đá rút ra gần nhất với
- 3Thông hiểu Theo bảng số liệu ở câu trên, khi Q = 15 kJ thì khối lượng đá đã tan khoảng g.
- 4Vận dụng
Một nhóm cho 0,5 kg đá lấy từ tủ đông (−4 °C) vào phễu rồi bật nguồn ngay, đọc được Q = 36 kJ thì tính λ = Q/m. Kết quả so với giá trị thật
Hiện tượng quanh ta
- 1Thông hiểu
Khi trời sắp có sương giá, nhà vườn phun nước lên cây ăn quả để bảo vệ nụ. Cách này có tác dụng vì
🏆 Luyện theo dạng đề tốt nghiệp
Đề Vật lí có 3 phần: 18 câu 4 lựa chọn, 4 câu đúng/sai (mỗi câu 4 ý) và 6 câu trả lời ngắn (đáp số tối đa 4 ký tự, kể cả dấu − và dấu phẩy). Dưới đây là đủ 3 dạng, chỉ dùng kiến thức của bài này.
Phần I · Trắc nghiệm 4 lựa chọn
- 1Thông hiểu
Nhiệt lượng cần để làm nóng chảy hoàn toàn 2 kg nhôm đã ở nhiệt độ nóng chảy (λ = 3,97·10⁵ J/kg) là
- 2Thông hiểu
Đun đều nước đá từ −20 °C. Đoạn đá nóng lên tới 0 °C kéo dài 1 phút. Coi toàn bộ nhiệt truyền cho đá (c đá = 2100 J/(kg·K), λ = 3,34·10⁵ J/kg). Đoạn nằm ngang ở 0 °C kéo dài khoảng
- 3Vận dụng
Nhiệt lượng cần để 0,5 kg nước đá ở −4 °C thành nước ở 10 °C là (c đá = 2100, c nước = 4200 J/(kg·K), λ = 3,34·10⁵ J/kg)
Phần II · Đúng / sai
- 1Thông hiểu
Dùng bếp 500 W đun 0,2 kg nước đá ở −10 °C, coi toàn bộ nhiệt cung cấp truyền cho đá và nước. Cho c đá = 2100 J/(kg·K), λ = 3,34·10⁵ J/kg.
a)Trong lúc đá đang tan, nhiệt độ của hỗn hợp nước – đá giữ ở 0 °C.
b)Nhiệt lượng làm đá nóng từ −10 °C lên 0 °C là 8 400 J.
c)Từ lúc đá bắt đầu tan tới lúc tan hết mất khoảng 134 s.
d)Nếu dùng bếp 1000 W thì đá nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn 0 °C.
- 2Vận dụng
Thả 100 g nước đá ở 0 °C vào 200 g nước ở 20 °C đựng trong bình cách nhiệt, bỏ qua nhiệt dung của bình. Cho c nước = 4200 J/(kg·K), λ = 3,34·10⁵ J/kg.
a)Nước toả nhiệt, đá thu nhiệt.
b)Nhiệt lượng tối đa nước có thể toả ra khi nguội về 0 °C là 16,8 kJ.
c)Đá tan hết vì nước ấm hơn đá.
d)Nhiệt độ khi cân bằng là khoảng 13,3 °C.
Phần III · Trả lời ngắn
- 1Thông hiểu Cần bao nhiêu kJ để làm nóng chảy hoàn toàn 1,5 kg nước đá ở 0 °C? Cho λ = 3,34·10⁵ J/kg. Đáp số:
- 2Vận dụng Bếp 800 W (coi toàn bộ nhiệt truyền cho đá) làm tan hết 0,4 kg nước đá đang ở 0 °C trong bao nhiêu giây? Cho λ = 3,34·10⁵ J/kg. Đáp số:
- 3Vận dụng Trong thí nghiệm đo λ, đồ thị khối lượng đá đã tan m theo năng lượng cung cấp Q là đường thẳng qua gốc, đi qua điểm (Q = 24 kJ; m = 72 g). Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá đo được là bao nhiêu kJ/kg (làm tròn đến hàng đơn vị)? Đáp số:
🎯 Bài này vào đề tốt nghiệp ở đâu?
- •Phần I thường hỏi định nghĩa và đơn vị của λ, công thức Q = λm (không có Δt), đọc đoạn nằm ngang trên đồ thị nhiệt độ – thời gian.
- •Phần II hay có một tình huống đun nước đá hoặc thả đá vào nước: ý dễ mất điểm là dùng c nước cho đá, quên giai đoạn làm nóng đá, hoặc cho rằng đá luôn tan hết.
- •Phần III có thể hỏi nhiệt lượng, thời gian đun t = Q/P, nhiệt độ cân bằng, hoặc λ đọc từ số liệu thí nghiệm. Chú ý đổi g ra kg và kJ ra J.
Nhiệt hoá hơi riêng