Một học sinh thực hiện thí nghiệm xác định nhiệt dung riêng của thanh đồng bằng phương pháp cân bằng nhiệt. Các dữ kiện được xác định sau: · Thanh đồng có khối lượng ${{\text{m}}_{1}}=150$ g, được nung nóng đến nhiệt độ ${{\text{t}}_{1}}=100$ °C. · Nước trong nhiệt lượng kế có khối lượng ${{\text{m}}_{2}}=250$ g và nhiệt độ ban đầu ${{\text{t}}_{2}}=25$ °C. Sau khi thả thanh đồng vào nước, học sinh ghim nhiệt kế vào nước và quan sát. Khi giá trị của nhiệt kế không thay đổi nữa và hiển thị 28 °C. Cho nhiệt dung riêng của nước là ${{\text{c}}_{\text{n}\text{c}}}=4200$ J/(kg.K). Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với nhiệt lượng kế và môi trường bên ngoài. Gọi ${{\text{c}}_{\text{}\text{ng}}}$ (J/(kg.K)) và ${{\text{t}}_{\text{cb}}}$ (°C) lần lượt là nhiệt dung riêng của đồng và nhiệt độ của hệ khi xảy ra cân bằng nhiệt.

Một học sinh thực hiện thí nghiệm xác định nhiệt dung riêng của thanh đồng bằng phương pháp cân bằng nhiệt. Các dữ kiện được xác định sau:

· Thanh đồng có khối lượng ${{\text{m}}_{1}}=150$ g, được nung nóng đến nhiệt độ ${{\text{t}}_{1}}=100$ °C.

· Nước trong nhiệt lượng kế có khối lượng ${{\text{m}}_{2}}=250$ g và nhiệt độ ban đầu ${{\text{t}}_{2}}=25$ °C.

Sau khi thả thanh đồng vào nước, học sinh ghim nhiệt kế vào nước và quan sát. Khi giá trị của nhiệt kế không thay đổi nữa và hiển thị 28 °C.

Cho nhiệt dung riêng của nước là ${{\text{c}}_{\text{n}\text{c}}}=4200$ J/(kg.K). Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với nhiệt lượng kế và môi trường bên ngoài. Gọi ${{\text{c}}_{\text{}\text{ng}}}$ (J/(kg.K)) và ${{\text{t}}_{\text{cb}}}$ (°C) lần lượt là nhiệt dung riêng của đồng và nhiệt độ của hệ khi xảy ra cân bằng nhiệt.

a) Nhiệt lượng do thanh đồng tỏa ra bằng nhiệt lượng nước thu vào.

b) Công thức dùng để tính nhiệt dung riêng của đồng là ${{\text{c}}_{\text{}\text{ng}}}=\dfrac{{{\text{m}}_{2}}.{{\text{c}}_{\text{n}\text{c}}}.\left( {{\text{t}}_{\text{cb}}}-{{\text{t}}_{2}} \right)}{{{\text{m}}_{1}}.\left( {{\text{t}}_{1}}-{{\text{t}}_{\text{cb}}} \right)}$.

c) Giá trị nhiệt dung riêng của đồng thu được trong thí nghiệm xấp xỉ bằng 233 J/(kg.K).

d) Nếu tính đến sự trao đổi nhiệt với nhiệt lượng kế và môi trường thì giá trị nhiệt dung riêng tính được của đồng sẽ nhỏ hơn so với giá trị thực tế.

Hãy suy nghĩ và trả lời câu hỏi trước khi xem đáp án

Lời giải

a) ĐÚNG

Do bỏ qua sự trao đổi nhiệt với nhiệt lượng kế và môi trường bên ngoài nên chỉ có sự trao đổi nhiệt giữa thanh đồng và nước (hệ cô lập về nhiệt).

Vậy nhiệt lượng do thanh đồng tỏa ra bằng nhiệt lượng nước thu vào.

b) ĐÚNG

Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt, ta có:

$\left| {{Q}_{ta}} \right|=\left| {{Q}_{thu}} \right|$ $\Leftrightarrow$ ${{m}_{1}}.{{c}_{ng}}.\left( {{t}_{1}}-{{t}_{cb}} \right)={{m}_{2}}.{{c}_{nc}}.\left( {{t}_{cb}}-{{t}_{2}} \right)$

$\Leftrightarrow$ ${{c}_{ng}}=\dfrac{{{m}_{2}}.{{c}_{nc}}.\left( {{t}_{cb}}-{{t}_{2}} \right)}{{{m}_{1}}.\left( {{t}_{1}}-{{t}_{cb}} \right)}$

c) SAI

Giá trị nhiệt dung riêng của đồng thu được trong thí nghiệm:

${{c}_{ng}}=\dfrac{{{m}_{2}}.{{c}_{nc}}.\left( {{t}_{cb}}-{{t}_{2}} \right)}{{{m}_{1}}.\left( {{t}_{1}}-{{t}_{cb}} \right)}=\dfrac{0,25.4200.\left( 28-25 \right)}{0,15.\left( 100-28 \right)}\approx 292$ J/(kg.K).

d) ĐÚNG

Trong thực tế có tổn thất nhiệt, một phần nhiệt từ thanh đồng thoát ra môi trường nên lượng nhiệt còn lại truyền cho nước sẽ ít hơn, nước sẽ tăng nhiệt độ ít hơn. Vì vậy, nhiệt độ cân bằng thực tế sẽ thấp hơn so với trường hợp lý tưởng.

Mà: ${{c}_{ng}}=\dfrac{{{m}_{2}}.{{c}_{nc}}.\left( {{t}_{cb}}-{{t}_{2}} \right)}{{{m}_{1}}.\left( {{t}_{1}}-{{t}_{cb}} \right)}$

Suy ra, hiệu $\left( {{t}_{cb}}-{{t}_{2}} \right)$ giảm làm giá trị ${{c}_{ng}}$ giảm; hiệu $\left( {{t}_{1}}-{{t}_{cb}} \right)$ tăng làm giá trị ${{c}_{ng}}$ giảm.

Vậy nếu tính đến sự trao đổi nhiệt với nhiệt lượng kế và môi trường thì giá trị nhiệt dung riêng tính được của đồng sẽ nhỏ hơn so với giá trị thực tế.