BÀI 5: NHIỆT NÓNG CHẢY RIÊNG

(18 CÂU)

1. NHẬN BIẾT (5 CÂU)

Câu 1: Nhiệt lượng cần cung cấp cho vật khi vật bắt đầu nóng chảy tới khi vật nóng chảy hoàn toàn phụ thuộc vào các yếu tố nào?

Trả lời:

Nhiệt lượng cần truyền cho vật khi vật bắt đầu nóng chảy tới khi vật nóng chảy hoàn toàn phụ thuộc vào các yếu tố là:

• Khối lượng của vật
• Tính chất làm vật

Câu 2: Em hãy nêu hệ thức tính nhiệt lượng trong quá trình truyền nhiệt để làm vật nóng chảy hoàn toàn.

Trả lời:

Hệ thức tính nhiệt lượng trong quá trình truyền nhiệt để làm vật nóng chảy hoàn toàn.

là:

Q = λ.m

Trong đó:

+ Q là nhiệt lượng cần truyền cho vật (J)

+ m là khối lượng vật (kg)

+ λ là nhiệt nóng chảy riêng của chất làm vật (J/kg)

Câu 3: Em hãy nêu định nghĩa nhiệt nóng chảy riêng.

Trả lời:

Định nghĩa: Nhiệt nóng chảy riêng của một chất là nhiệt lượng cần để làm cho một kilôgam chất đó nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ nóng chảy.

Câu 4: Em hãy nêu ứng dụng của nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt độ nóng chảy.

Trả lời:

Nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt độ nóng chảy có ứng dụng:

• Giúp xác định được năng lượng cần cung cấp cho lò nung, thời gian nung, thời điểm đổ kim loại nóng chảy vào khuôn, thười điểm lấy sản phẩm ra khỏi khuôn.
• Cần thiết cho việc lựa chọn vật liệu chế tạo hợp kim phù hợp với từng yêu cầu sử dụng khác nhau, tách các kim loại nguyên chất ra khỏi quặng hỗn hợp,…

Câu 5: Em hãy nêu các bước tiến hành thí nghiệm đo nhiệt nóng chảy riêng của nước đá.

Trả lời:

• Cho viên nước đá (khối lượng m kg) và một ít nước lạnh vào bình nhiệt lượng kẽ, sao cho toàn bộ điện trở chìm trong hỗn hợp nước và nước đá.
• Cắm đầu đo của nhiệt kế vào bình nhiệt lượng kế.
• Nối oát kế với nhiệt lượng kế và nguồn điện.
• Bật nguồn điện.
• Khuấy liên tục nước đá, cứ sau mỗi khoảng thời gian 2 phút lại đọc số đo công suất trên oát kế và nhiệt độ trên nhiệt kế rồi ghi kết quả vào vở theo mẫu tương tự Bảng 5.2 (sgk trang 25)
• Tắt nguồn điện.

2. THÔNG HIỂU (5 CÂU)

Câu 1: Em hãy giải thích tại sao khối lượng của vật ảnh hưởng đến nhiệt lượng cần để làm nóng chảy vật?

Trả lời:

Khối lượng của vật càng lớn thì cần cung cấp nhiều nhiệt lượng hơn để làm nóng chảy vật, bởi vì nhiệt lượng cần thiết để làm vật nóng chảy hoàn toàn phụ thuộc trực tiếp vào khối lượng theo công thức Q = λ.m. Khối lượng càng lớn thì giá trị Q (nhiệt lượng) càng tăng.

Câu 2: Nếu khối lượng của hai vật bằng nhau nhưng làm từ hai chất khác nhau, thì nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy hai vật đó có bằng nhau không? Em hãy giải thích?

Trả lời:

• Không bằng nhau.
• Nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy vật phụ thuộc vào nhiệt nóng chảy riêng (λ) của chất làm vật. Nếu hai vật có cùng khối lượng nhưng được làm từ các chất khác nhau (λ), thì nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy sẽ khác nhau.

Câu 3: Trong thí nghiệm đo nhiệt nóng chảy riêng của nước đá, tại sao cần khuấy liên tục hỗn hợp nước và nước đá trong quá trình đo?

Trả lời:

Khuấy liên tục giúp duy trì sự đồng đều của nhiệt độ trong hỗn hợp nước và nước đá. Nếu không khuấy, nhiệt độ trong các vùng khác nhau của hỗn hợp có thể không đồng đều, dẫn đến kết quả đo nhiệt độ không chính xác, ảnh hưởng đến tính toán nhiệt lượng cần thiết.

Câu 4: Một khối sắt có khối lượng 5 kg. Biết nhiệt nóng chảy riêng của sắt là 270 kJ/kg. Hãy tính nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy hoàn toàn khối sắt này ở nhiệt độ nóng chảy.

Trả lời:

Đổi: λ = 270.10³ J/kg

Ta có công thức: Q = λ.m

• Nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy hoàn toàn khối sắt ở nhiệt độ nóng chảy là: Q = 270.10³ × 5 = 1,35.10⁶ (J)

Vậy nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy hoàn toàn khối sắt ở nhiệt độ nóng chảy là 1,35.10⁶ (J).

Câu 5: Một khối nước đá có khối lượng 0.8 kg ở 0°C. Biết nhiệt nóng chảy riêng của nước đá là 334 kJ/kg. Tính nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy hoàn toàn khối nước đá này.

Trả lời:

Đổi: λ = 334.10³ J/kg

Ta có công thức: Q = λ.m

• Nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy hoàn toàn khối nước đá là: Q = 334.10³ 0.8 = 267,2. 10³ (J)

Vậy nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy hoàn toàn khối nước đá này là 267,2. 10³ (J)

3. VẬN DỤNG (5 CÂU)

Câu 1: Tại sao người ta không dùng một loại hợp kim duy nhất cho tất cả các mục đích công nghiệp mà phải chế tạo ra nhiều loại hợp kim khác nhau với nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt độ nóng chảy khác nhau?

Trả lời:

Người ta chế tạo nhiều loại hợp kim khác nhau vì mỗi loại hợp kim có những tính chất cơ lý riêng phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Hợp kim với nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt độ nóng chảy khác nhau giúp đáp ứng được các yêu cầu khác nhau về độ bền, tính chịu nhiệt, tính dẫn điện, và khả năng chịu mài mòn. Ví dụ, hợp kim dùng trong công nghiệp hàng không phải có nhiệt độ nóng chảy cao và độ bền lớn, trong khi hợp kim dùng trong ngành điện tử phải dẫn điện tốt và có nhiệt độ nóng chảy phù hợp để sản xuất linh kiện.

Câu 2: Giải thích tại sao các bếp công nghiệp cần phải điều chỉnh chính xác nhiệt độ và lượng nhiệt cung cấp khi nung chảy kim loại?

Trả lời:

Việc điều chỉnh chính xác nhiệt độ và lượng nhiệt cung cấp giúp kiểm soát quá trình nóng chảy của kim loại, tránh tình trạng nóng chảy không đồng đều hoặc quá nóng. Nếu nhiệt độ không đủ cao, kim loại sẽ không nóng chảy hoàn toàn, làm giảm chất lượng sản phẩm. Ngược lại, nếu cung cấp quá nhiều nhiệt, có thể gây hao phí năng lượng và làm thay đổi tính chất của kim loại, dẫn đến sản phẩm không đạt yêu cầu.

Câu 3: Trong thực tế, làm thế nào để người ta tách các kim loại nguyên chất từ các quặng hỗn hợp dựa trên nhiệt nóng chảy riêng?

Trả lời:

Trong quá trình tách kim loại nguyên chất từ quặng, người ta lợi dụng sự khác nhau về nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt độ nóng chảy của các kim loại để nung quặng hỗn hợp đến một mức nhiệt độ nhất định. Khi đạt nhiệt độ nóng chảy của kim loại cần tách, kim loại đó sẽ tan chảy và được tách ra khỏi các kim loại khác có nhiệt độ nóng chảy cao hơn. Phương pháp này giúp tách kim loại một cách hiệu quả mà không cần dùng hóa chất phức tạp.

Câu 4: Một khối bạc nặng 10 kg được nung nóng đến nhiệt độ nóng chảy. Biết nhiệt nóng chảy riêng của bạc là 105 kJ/kg, và quá trình này cần 1.26 MJ. Em hãy kiểm tra xem khối bạc đã nóng chảy hoàn toàn hay chưa.

Trả lời:

Đổi: λ = 105.10³ J/kg

Ta có công thức: Q = λ.m

• Nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy hoàn toàn khối sắt ở nhiệt độ nóng chảy là: Q = 105.10³ × 10 = 1,05.10⁶ (J) = 1,05 MJ

Nhiệt lượng thực tế cung cấp là 1.26 MJ, lớn hơn 1.05 MJ, vì vậy khối bạc đã nóng chảy hoàn toàn.

Câu 5: Một lò luyện kim cần làm nóng chảy hoàn toàn 100 kg đồng. Nhiệt nóng chảy riêng của đồng là 210 kJ/kg, nhiệt dung riêng của đồng là 390 J/kg.°C, và nhiệt độ nóng chảy của đồng là 1085°C. Khối đồng ban đầu ở nhiệt độ 25°C. Tính lượng nhiệt cần cung cấp để làm nóng chảy hoàn toàn khối đồng này, bao gồm cả việc nung nóng nó đến nhiệt độ nóng chảy.

Trả lời:

Quá trình này gồm hai giai đoạn:

1. Nhiệt lượng cần để làm nóng khối đồng từ 25°C đến 1085°C.
2. Nhiệt lượng cần để làm nóng chảy khối đồng ở nhiệt độ nóng chảy.

Bước 1: Tính nhiệt lượng để làm nóng đồng từ 25°C đến 1085°C

• Ta có công thức: Q₁ = m.c.Δt
• Trong đó:
  • m = 100 kg
  • c = 390 J/kg.°C
  • Δt = 1085°C − 25°C = 1060°C
• Q₁ = 100.390.1060 = 4,134.10⁷ J = 41.34 MJ

Bước 2: Tính nhiệt lượng để làm đồng nóng chảy:

• Ta có công thức: Q₂ = λ.m
• Trong đó:
  • λ = 210.10³ J/kg
  • m = 100 kg
• Q₂ = 210.10³.100 = 21.10⁶ J = 21 MJ

Tổng nhiệt lượng cần cung cấp là: Q = Q₁ + Q₂ = 41,34 + 21 = 62.34MJ

Vậy tổng nhiệt lượng cần cung cấp để làm khối đồng nóng chảy hoàn toàn là 62.34 MJ.

4. VẬN DỤNG CAO (3 CÂU)

Câu 1: Một thỏi hợp kim được chế tạo từ 60% đồng và 40% kẽm có khối lượng tổng là 5 kg. Nhiệt nóng chảy riêng của đồng là 210 kJ/kg và của kẽm là 113 kJ/kg. Hãy tính tổng nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy hoàn toàn thỏi hợp kim này ở nhiệt độ nóng chảy của mỗi kim loại.

Trả lời:

Bước 1: Tính khối lượng của từng kim loại trong hợp kim:

• Khối lượng đồng: m_Cu = 60%×5 = 3 kg
• Khối lượng kẽm: m_Zn = 40%×5 = 2 kg

Bước 2: Tính nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy đồng và kẽm:

• Nhiệt lượng để làm nóng chảy đồng:
  Qcu = λ_Cu.m_Cu = 210 . 10³ . 3 = 630.10³ J = 630 kJ
• Nhiệt lượng để làm nóng chảy kẽm:
  Q_Zn = λ_Zn.m_Zn = 113 . 10³ . 2 = 226.10³ J = 226 kJ

Bước 3: Tính tổng nhiệt lượng cần thiết:

Tổng nhiệt lượng cần cung cấp: Q = Qcu + Q_Zn = 630 + 226 = 856 kJ

Vậy tổng nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy hoàn toàn thỏi hợp kim là 856 kJ.

Câu 2: Một nhà máy luyện thép muốn làm nóng chảy 2000 kg hợp kim thép (gồm 80% sắt và 20% carbon) trong lò nung. Biết nhiệt nóng chảy riêng của sắt là 270 kJ/kg và của carbon là 710 kJ/kg. Lượng nhiệt thất thoát do lò không hiệu quả chiếm 15% tổng nhiệt cung cấp. Hãy tính lượng nhiệt thực tế mà nhà máy cần cung cấp để làm nóng chảy hoàn toàn hợp kim này, bao gồm cả phần thất thoát.

Trả lời:

Bước 1: Tính khối lượng của từng thành phần trong hợp kim:

• Khối lượng sắt: mFe = 80% . 2000 kg = 1600 kg
• Khối lượng carbon: mC = 20% . 2000 kg = 400 kg

Bước 2: Tính nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy từng thành phần:

• Nhiệt lượng để làm nóng chảy sắt:
  Qfe = λFe. mFe = 270.10³.1600 = 432.10⁶ J = 432 MJ
• Nhiệt lượng để làm nóng chảy carbon:
  Q_C = λC.mC = 710.103.400 = 284.10⁶ J = 284 MJ

Bước 3: Tính tổng nhiệt lượng cần thiết: Tổng nhiệt lượng để làm nóng chảy hợp kim:
Q = Qfe + Q_C = 432 MJ + 284 MJ = 716 MJ

Bước 4: Tính nhiệt lượng thực tế cần cung cấp: Do 15% nhiệt bị thất thoát, lượng nhiệt thực tế cần cung cấp là:

Vậy nhà máy cần cung cấp khoảng 842,35 MJ nhiệt để làm nóng chảy hoàn toàn 2000 kg hợp kim thép.

Câu 3: Trong quá trình sản xuất các thiết bị điện tử hiện đại, việc kiểm soát nhiệt độ và sử dụng vật liệu có nhiệt nóng chảy riêng khác nhau là rất quan trọng. Hãy phân tích tại sao việc lựa chọn vật liệu với nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt độ nóng chảy phù hợp lại đóng vai trò quyết định trong việc sản xuất các vi mạch điện tử. Liên hệ điều này với vấn đề tản nhiệt của các thiết bị điện tử hiện nay.

Trả lời:

Việc lựa chọn vật liệu có nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt độ nóng chảy phù hợp trong sản xuất vi mạch điện tử là vô cùng quan trọng vì:

+ Độ bền nhiệt: Các vi mạch điện tử hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao do sự sinh nhiệt trong quá trình truyền tải và xử lý dữ liệu. Vật liệu làm vi mạch phải có nhiệt độ nóng chảy cao để tránh bị hỏng hoặc biến dạng khi gặp nhiệt độ cao trong quá trình hoạt động liên tục.

+ Tản nhiệt: Khi các thiết bị điện tử hoạt động, nhiệt lượng sinh ra cần phải được tản nhanh chóng để tránh ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của sản phẩm. Do đó, các vật liệu dẫn nhiệt tốt (có nhiệt nóng chảy riêng thấp và khả năng chịu nhiệt cao) được ưu tiên sử dụng để giúp tản nhiệt hiệu quả, duy trì nhiệt độ ổn định cho vi mạch.

+ Chế tạo linh kiện: Trong quá trình sản xuất vi mạch, việc kiểm soát chính xác nhiệt độ là cần thiết để các vật liệu được kết hợp mà không bị tan chảy hoặc thay đổi tính chất. Ví dụ, hàn thiếc có nhiệt độ nóng chảy thấp thường được dùng để nối các thành phần của mạch, trong khi các vật liệu như silicon có nhiệt độ nóng chảy cao được dùng để chế tạo chip.

Liên hệ với thực tế: Vấn đề tản nhiệt trong các thiết bị điện tử hiện nay, đặc biệt là máy tính và điện thoại thông minh, đã trở thành một thách thức lớn khi thiết bị ngày càng nhỏ gọn nhưng yêu cầu xử lý dữ liệu nhanh hơn, tạo ra nhiều nhiệt hơn. Sử dụng các vật liệu tản nhiệt tốt như đồng hoặc nhôm, kết hợp với các công nghệ tản nhiệt (như keo tản nhiệt hoặc hệ thống làm mát bằng chất lỏng), giúp duy trì hoạt động ổn định của thiết bị và kéo dài tuổi thọ sản phẩm. Vật liệu với nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt độ nóng chảy phù hợp đảm bảo hiệu suất làm việc trong môi trường nhiệt độ khắc nghiệt, giúp bảo vệ vi mạch khỏi sự cố do quá nhiệt.