Bài giảng môn học Vật lý lớp 10 - Chương VII: Chất rắn và chất lỏng

Chöông VII: CHAÁT RAÉN VAØ CHAÁT LOÛNG I. KIẾN THỨC CƠ BẢN CẦN NHỚ: 1. Định luật Húc: Trong giới hạn đàn hồi độ biến dạng tỉ đối của vật rắn ( hình trụ đồng chất) tỉ lệ thuận với ứng suất tác dụng vào nó. e = Trong đó s = là ứng suất, a là hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào chất liệu của vật rắn. Phát biểu cách khác: Trong giới hạn đàn hồi, lực đàn hồi có độ lớn tỉ lệ với độ biến dạng của thanh rắn. Fđh = kDl Trong đó: k là hệ số đàn hồi ( độ cứng) phụ thuộc vào kích thước, bản chất của thanh rắn và được tính bằng công thức: k = E. Với E = là hệ số đặc trưng cho tính chất đàn hồi của thanh rắn gọi là suất đàn hồi hay suất Young. Suất Young E có đơn vị là Pa. 2. Giới hạn bền: Khi thanh rắn chịu tác dụng của lực kéo đủ lớn, nó sẽ mất tính đàn hồi và bị biến dạng dẻo. Khi tăng lực F đến giá trị Fb thì thanh rắn sẽ bị đứt. Thương số Fb và tiết diện ngang của dây được gọi là giới hạn bền của vật liệu làm thanh: sb = . Đơn vị của giới hạn bền là N/m2 hay Pa. 3. Sự nở dài: Dl = l – l0 = al0Dt = al0(t – t0) Trong đó l là chiều dài của thanh rắn ở nhiệt độ t , l0 là chiều dài của thanh rắn ở nhiệt độ t0.Dl là độ biến dạng của vật rắn. a (K-1) là hệ số nở dài của vật rắn. 4. Sự nở khối: DV = V – V0 = bV0Dt = aV0(t – t0) Trong đó b » 3a là hệ số nở khối. V là thể tích của vật rắn ở nhiệt độ t, V0 là thể tích của vật rắn ở nhiệt độ t0. 5. Hiện tượng căng bề mặt: + Lực căng bề mặt ( lực căng mặt ngoài ) của chất lỏng có phương tiếp tuyến với mặt thoáng của chất lỏng và vuông góc vời đường giới hạn của mặt thoáng, có chiều sao cho tác dụng của lực này làm giảm diện tích mặt thoáng của chất lỏng. + Độ lớn của lực căng bề mặt tỉ lệ với độ dài của đường giới hạn mặt thoáng chất lỏng: Fc = sl. Trong đó s là hệ số căng mặt ngoài có đơn vị là N/m. 6. Hiện tượng dính ướt và hiện tượng không dính ướt: Khi chất lỏng tiếp xúc với chất rắn, tùy theo bản chất của chất lỏng và chất rắn mà có thể xảy ra hiện tượng dính ướt hoặc không dính ướt: + Khi lực hút giữa các phân tử vật rắn và các phân tử chất lỏng mạnh hơn lực hút giữa các phân tử lỏng với nhau, thì có hiện tượng dính ướt. + Khi lực hút giữa các phân tử vật rắn và các phân tử chất lỏng yếu hơn lực hút giữa các phân tử lỏng với nhau, thì có hiện tượng không dính ướt. 7. Hiện tượng mao dẫn: Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng chất lỏng trong ống có tiết diện nhỏ được dâng lên hay hạ xuống xo với mức chất lỏng bên ngoài ống. Công thức tính độ cao của cột chất lỏng dâng lên trong ống mao dẫn: h = Trong đó s là hệ số căng mặt ngoài của chất lỏng, D là khối lượng riêng của chất lỏng, d là đường kính bên trong ống, g là gia tốc trọng trường. 8. Sự nóng chảy: Quá trình chuyển thể từ chất rắn sang chất lỏng của các chất được gọi là sự nóng chảy. + Mổi chất rắn kết tinh có nhiệt độ nóng chảy ( hoặc đông đặc) xác định ứng với một áp suất nhất định. + Trong quá trình nóng chảy, nhiệt độ của vật không thay đổi. 9. Nhiệt nóng chảy. + Nhiệt độ cung cấp cho vật rắn trong quá trình nnóng chảy được gọi là nhiệt nóng chảy của vật rắn. + Nhiệt nóng chảy được tính theo công thức: Q = lm. Trong đó: l là nhiệt nóng chảy riêng của chất cầu tạo nên vật rắn, đơn vị của l là J/kg. 10. Sự đông đặc: Quá trình ngược lại từ thể lỏng sang thể rắn của các chất được gọi là sự động đặc. 11. Sự sôi: Sự chuyển thể từ thể lỏng sang thể khí (hơi) xảy ra ở cả bên trong và trong lóng chất lỏng được gọi là sự sôi của khối chất lỏng ở nhiệt độ sôi. + Mỗi chất lỏng sôi ở nhiệt độ xác định và không đổi. + Nhiệt độ sôi của chất lỏng còn phụ thuộc vào áp suất bên trên của khối chất lỏng ờ nhiệt độ sôi. + Áp suất khí càng lớn thì nhiệt độ càng cao và ngược lại. 12. Nhiệt hóa hơi: Nhiệt độ cung cấp cho khối khí trong quá trình sôi được gọi là nhiệt hóa hơi của khối chất lỏng ở nhiệt độ sôi. Q = Lm. Trong đó L là nhiệt hóa hơi riêng có đơn vị là J/kg. 13. Độ ẩm tuyệt đối: Độ ẩm tuyệt đối a của không khí trong khí quyển là đại lượng đo bằng khối lượng m ( tính ra gam) của hơi nước có trong 1m3 không khí. Đơn vị đo là g/m3 . 14. Độ ẩm cực đại.Độ ẩm cực đại A của không khí ở nhiệt độ đã cho là đại lượng đo bằng khối lượng riêng của hơi nướcbảo hòa chứa trong không khí ở nhiệt độ ấy. 15. Độ ẩm tỉ đối: Để mô tả độ ẩm của không khí ở mỗi nhiệt độ, người ta dùng độ ẩm tỉ đối B. Độ ẩm tỉ đối càng lớn thì không khí càng ẩm. B = .100%. + Trong khí tượng học, độ ẩm tỉ đối B được tính gần đúng : B = .100%. p là áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí, p0 là áp suất hơi nước bảo hòa ở cùng nhiệt độ cho trước. II. BÀI TẬP: Bài 1: Một thanh thép tròn đường kính 18mm và suất đàn hồi 2.1011Pa. Giữ chặt một đầu thanh và nén đầu còn lại của nó bằng một lực 1,2.105N dọc theo trục của thanh để thanh biến dạng nén đàn hồi. Tính độ co ngắn tỉ đối của thanh ( l0 là độ dài ban đầu, Dl là độ biến dạng nén) Bài 2: Một sợi dây bằng đồng thau dài 1,8m và có đường kính 0,8mm. Khi bị kéo bằng một lực 25N thì sợi dây này bị dãn ra thêm 1mm. Hãy tình suất đàn hồi của sợi dây đồng thau. Bài 3: Một thanh rắn đồng chất, tiết diện đều có hệ số đàn hồi là 95N/m, đầu trên gắn cố định, đầu dưới treo vật nặng để thanh biến dạng đàn hồi. Biết gia tốc rơi tự do g = 10m/s2. Muốn thanh rắn này dài thêm 1,2m, vật nặng phải có khối lượng bao nhiêu? Bài 4: Một vật có khối lượng 250kg được treo bẳng sợi dây nhôm với giới hạn bền của nhôm là 1,1.108Pa. Dây phải có tiết diện ngang là bao nhiêu để ứng suất kéo gây bởi trọng lực của vật không vượt quá 25% giới hạn bền của vật liệu làm dây? Độ biến dạng tỉ đối của dây là bao nhiêu? Cho Enhôm = 7.107Pa. Bài 5: Một thanh ray đường sắt dài 10m ở nhiệt độ 220C. Phải có khe hở bao nhiêu giữa hai đầu thanh ray để nếu nhiệt độ ngoài trời tăng lên đến 550C thì vẫn đủ chổ cho thanh dãn ra. Bài 6: Tính khối lượng riêng của sắt ở 800C biết khối lượng riêng của nó ở 00C là 7,8.103kg/m3. Bài 7: Hai thanh kim loại, một bằng sắt, một bằng kẽm ở 00C có chiều dài bằng nhau, còn ờ 1000C thì chiều dài chênh lệch nhau 1mm. Tìm chiều dài hai thanh ở 00C. Biết hệ số nở dài của sắt là as= 1,14.10-5K-1, và của kẽm là ak = 3,4.10-5K-1. Bài 8: Tính độ dài của thanh thép và thanh đồng sao cho ở bất kì nhiệt độ nào trong khoảng từ -1000C đến 1000C, thanh thép cũng dài hơn thanh đồng 5cm. Biết hệ số nở dài của thép và đồng lần lượt là 1,2.10-5K-1 và 1,7. 10-5K-1. Bài 9: Một lá kẽm hình chữ nhật có kích thước 2,5m x 1m ở nhiệt độ 200C. Người ta nung đến 1400C thì diện tích thay đổi như thế nào? Cho biết hệ số nở dài của kẽm là ak = 3,4.10-5K-1. Bài 10: Một khối đồng có kích thước ban đầu là 0,15m x 0,25m x 0,3m khi nung nóng đã hấp thụ một nhiệt lượng bằng 3,2.106J. Tính độ biến thiên thể tích của khối đồng. Cho biết khối lượng riêng của đồng ở nhiệt độ ban đầu là: D = 8,9.103 kg/m3, nhiệt dung riêng của đồng là c = 0,38.103J/kg, hệ số nở dài của đồng là ađ = 1,7. 10-5K-1. Bài 11: Một cái xà bằng thép tròn đường kính tiết diện 4cm hai đầu được chôn chặt vào tường. Tính lực xà tác dụng vào tường khi nhiệt độ tăng thêm 300C. Cho biết hệ số nở dài của thép là at = 1,2.10-5K-1 . Bài 12: Một cọng rơm nổi trên mặt nước. Người ta nhỏ dung dịch xà phòng xuống một bên mặt nước của cọng rơm và giả sử nước xà phòng chỉ lan ra ở một bên mà thôi. Biết hệ số căng bề mặt của nước và nước có dung dịch xà phòng lần lượt là: sn = 72,8 .10-3N/m; snx = 40.10-3N/m. Tính lực tác dụng vào cọng rơm. Bài 13: Một ống nhỏ giọt mà đầu nút có đường kính 0,38mm có thể nhỏ giọt chất lỏng với độ chính xác đến 0,1g. Tính hệ số căng bề mặt của chất lỏng. Lấy g = 9,8 m/s2. Bài 14: Một vòng nhôm có bán kính 7,8cm và trọng lượng 6,9.10-2N tiếp xúc với dung dịch xà phòng. Muốn nâng vòng ra khỏi dung dịch thì phải cần một lực bao nhiêu? Biết suất căng mặt ngoài của dung dịch xà phòng là: snx = 40.10-3N/m. Bài 15: Một vòng dây có đường kính 7,5cm đước dìm nằm ngang trong một mẫu dầu thô. Khi kéo vòng dây khỏi dầu, người ta đo được lực phải tác dụng thêm do lực căng mặt ngoài là 9,2.10-3N.Tính hệ số căng mặt ngoài của dầu. Bài 16: Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho 6kg nước đá ở 00C thành nước ở 250C. Nhiệt nóng chảy riêng của nước là 3,4.105J/kg và nhiệt dung riêng của nước là 4180J/kg.độ. Bài 17: Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho miếng nhô khối lượng 15g ở 300C để nó hóa lỏng ở nhiệt độ 6580C. Nhiệt nóng chảy riêng của nhôm là 3,9.105J/kg và nhiệt dung riêng của nhôm là 896J/kg.độ. Bài 18: Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho 3kg nước ở 280C chuyển thành hơi nước ở 1000C. Nhiệt hóa hơi riêng của nước là 2,3.106J/kg và nhiệt dung riêng của nước là 4180J/kg.độ. Bài 19: Tính nhiệt lượng tỏa ra khi 0,8 kg hơi nước ở 1000C ngưng tụ thành nước ở 240C.Nhiệt hóa hơi riêng của nước là 2,3.106J/kg và nhiệt dung riêng của nước là 4180J/kg.độ. Bài 20: Để xác định nhiệt hóa hơi của nước, người ta làm thí nghiệm sau đây: Đưa 10g hơi nước ở nhiệt độ 1000C vào một nhiệt lượng kế chứa 290g nước ở 200C. Nhiệt độ cuối cùng là 400C. Hãy tính nhiệt hóa hơi của nước, cho biết nhiệt dung của nhiệt lượng kế là 46J/độ, nhiệt dung riêng của nước là 4,18kJ?kg.độ. Bài 21: Không khí ở 300C có độ ẩm tuyệt đối là 21,53 g/m3. Hãy xác định độ ẩm cực đại và suy ra độ ẩm tỉ đối của không khí ở 300C. Bài 22: Buổi sáng, nhiệt độ không khí là 230C và độ ẩm tỉ đối là 80%. Buổi trưa, nhiệt độ không khí là 300C và độ ẩm tỉ đối là 60%. Hỏi vào buổi nào không khí chứa nhiều hơi nước hơn? Vì sao? Biết độ ẩm cực đại ở 230C và 300C lần lượt là: A23 = 20,6g/m3, A30 = 30,29g/m3 Bài 23: Một phòng có kích thước 4m x 10m x 3m. Nhiệt độ không khí trong phòng là 250C, độ ẩm của không khí là 60%, độ ẩm cực đại của không khí ở 250C là 23g/m3. Tính lượng hơi nước trong phòng. Bài 24: Một phòng có thể tích 80m3. Nhiệt độ không khí trong phòng là 250C, độ ẩm tương đối của không khí là 80%, độ ẩm cực đại của không khí ở 250C là 23g/m3. Tính độ ẩm tuyệt đối và lượng hơi nước trong phòng. Bài 25: Một phòng có thể tích 40m3. Độ ẩm tương đối của không khí là 40%. Muốn tăng độ ẩm tới 60% thì phải làm bay hơi bao nhiêu nước? Coi nhiệt độ là không đổi là 200C và Dbh = 17,3g/m3. Chöông VII: CÔ SÔÛ CUÛA NHIEÄT ÑOÄNG LÖÏC HOÏC. I. KIẾN THỨC CƠ BẢN CẦN NHỚ: 1. Nội năng: + Nội năng là gì? - Trong nhiệt động lực học người ta gọi tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật là nội năng của vật. - Nội năng có đơn vị là Jun (J) - Động năng của các phân tử phụ thuộc vào vận tốc của các phân tử, thế năng của các phân tử phụ thuộc vào sự phân bố của các phân tử. + Độ biến thiên nội năng: Trong nhiệt động lực học người ta quan tâm đến độ biến thiên nội năng của vật, nghĩa là phần nội năng tăng lên thêm hay giãm bớt đi. 2. Các cách làm thay đổi nội năng: + Thực hiện công: Trong quá trình thực hiện công có sự chuyển hóa từ một dạng năng lượng khác sang nội năng. + Truyền nhiệt: Quá trình làm thay đổi nội năng không có sự thực hiện công gọi là quá trình truyền nhiệt. Trong quá trình truyền nhiệt không có sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác, chỉ có sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác. + Nhiệt lượng: - Số đo độ biến thiên nội năng trong quá trình truyền nhiệt gọi là nhiệt lượng. Q = mc(t – t0). Trong đó m(kg) là khối lượng của vật, c(J/kg.K) nhiệt dung riêng của vật, t(0C hoặc K) nhiệt độ cuối của vật, t0(0C hoặc K) là nhiệt độ đầu của vật. Q(J) là nhiệt lượng mà vật nhận vào hay tỏa ra. 3. Các nguyên lí của nhiệt động lực học: + Nguyên lí I của nhiệt động lực học: Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được. DU = A + Q. Qui ước: - Q > 0: Vật nhận nhiệt lượng từ các vật khác. Q < 0: Vật truyền nhiệt lượng cho các vật khác. - A > 0: Vật nhận công từ các vật khác. A < 0: Vật thực hiện công lên các vật khác. + Nguyên lí I của nhiệt động lực học cho các quá trình biến đổi trạng thái: - Quá trình đẳng tích: Nhiệt lượng mà khí nhận được chỉ dùng để tăng nội năng của khí. DU = Q. - Quá trình đẳng áp: Một phần nhiệt lượng mà khí nhận được dùng để tăng nội năng của khí, phần còn lại biến thành công mà khí sinh ra. DU = A + Q. - Quá trình đẳng nhiệt: Nội năng của khí không đổi (DU = 0) nên trong quá trình đẳng nhiệt, toàn bộ nhiệt lượng mà khí nhận được chuyển hết thành công mà khí sinh ra. Q + A = 0. - Chu trình: Chu trình là một quá trình khép kín trong đó trạng thái cuối trùng với trạng thái đầu: Q + A = 0. + Nguyên lí II nhiệt động lực học: - Cách phát biểu của Clau – di – ut: Nhiệt không thể truyền từ một vật sang vật nóng hơn. -Cách phát biểu của Cac – nô: Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học. + Động cơ nhiệt: - Mỗi động cơ nhiệt đều phải có ba bộ phận cơ bản: nguồn nóng, bộ phận phát động, nguồn lạnh. - Nguồn nóng cung cấp nhiệt lượng Q1 cho bộ phận phát động để bộ phận này chuyển hóa một phần thành công A, phần còn lại là nhiệt lượng Q2 truyền cho nguồn lạnh. - Hiệu suất động cơ là: Q1 là nhiệt lượng mà động cơ nhận từ nguồn nóng, Q2 là nhiệt lượng mà động cơ truyền cho nguồn lạnh, A là công động cơ sinh ra cho mạch ngoài. II. BÀI TẬP: A. Trắc nghiệm: Câu 1: Chọn câu trả lời đúng: Một lượng khí biến đổi, công sinh ra luôn luôn bằng nhiệt nhận được. Quá trình biến đổi đó là: A. Đẳng áp. B. Đẳng nhiệt. C. Đẳng tích. D. Thuận nghịch. Câu 2: Phát biểu nào sau đây đúng với nguyên lí I của nhiệt động lực học. A. Nhiệt được truyền từ nơi nóng đến nơi lạnh. B. Nếu hai hệ cùng cân bằng nhiệt với hệ thứ ba thì chúng sẽ cân bằng nhiệt với nhau. C. Nếu nội năng của hệ không đổi thì nhiệt nhận được sẽ biến đổi hoàn toàn thành công. D. Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai. Câu 3: Áp dụng nguyên lí I của nhiệt động lực học cho quá trình biến đổi trạng thái của khí lí tưởng, ta có Q = A khi: A. Đẳng áp. B. Đẳng nhiệt. C. Đẳng tích. D. Thuận nghịch. Câu 4: Gọi DU, Q, A lần lượt là độ biến thiên nội năng, nhiệt lượng, công mà khối khí nhận được. Trong quá trình đẳng tích thì theo nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học: A. A = Q B. DU = A C. DU = Q D. DU = -Q Câu 5: Chọn câu trả lời đúng: A. Nếu hệ không nhận nhiệt thì không thể sinh công. B. Nếu hệ không nhận nhiệt thì nội năng không biến thiên. C. Nếu hệ không nhận nhiệt thì có thể sinh công khi nội năng của hệ giãm. D. Nếu hệ không nhận nhiệt thì có thể sinh công khi nội năng của hệ tăng. Câu 6: Trong quá trình truyền nhiệt: A. Có sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác. B. Không làm thay đổi nội năng của vật. C. Số đo biến thiên nội năng là nhiệt lượng Q = DU. D. Luôn kèm theo sự thực hiện công. Câu 7: Điều nào sau đây đúng khi nói về động cơ nhiệt? A. Động cơ nhiệt có thể chuyển hóa toàn bộ nội năng sang cơ năng. B. Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa toàn bộ nội năng sang cơ năng. C. Động cơ nhiệt nào cũng có hai bộ phận chính là nguồn nóng và nguồn lạnh. D. Hiệu suất động cơ nhiệt là 100%. Câu 8: Một động cơ nhiệt lí tưởng thực hiện một công 5kJ, đồng thời truyền cho nguồn lạnh một nhiệt lượng 15kJ. Hiệu suất của động cơ nhiệt là: A. H = 5%. B. H = 15%. C. H = 25%. D. H = 7%. Câu 9: Một khối khí áp suất 1atm, thể tích 12 lít và có nhiệt độ 270C được đun nóng đẳng áp đến nhiệt độ 770C. Công của khí thực hiện là: A. 202J. B. 22J. C. 220J. D. 2200J. Câu 10: Trong một quá trình, công khối khí nhận là 100J và nhiệt lượng khối khí nhận là 200J. Độ biến thiên nội năng của khối khí có giá trị nào sau đây: A. 100J. B. 300J. C. -100J. D. -300J. Câu 11: Trong một quá trình, công khối khí sinh ra là 100J và nội năng của khối khí tăng 400J. Nhiệt lượng khối khí nhận được trong quá trình này có già trị nào sau đây: A. 100J. B. 300J. C. 500J. D. -300J. Câu 12: Nếu nhiệt lượng nhận từ nguồn nóng Q1 nguồn lạnh Q2 hiệu suất của động cơ H = 50%. Q1 tăng 10%; Q2 giảm 20%. Hiệu suất H’ của động cơ nhiệt tương ứng là: A. 64%. B. 54%. C. 44%. D. 34%. Câu 13: Nếu nhiệt lượng nhận từ nguồn nóng Q1 nguồn lạnh Q2 hiệu suất của động cơ H = 50%. Q1 tăng 10%; Q2 tăng 20%. Hiệu suất H’ của động cơ nhiệt tương ứng là: A. 55%. B. 45%. C. 35%. D. 40%. B. Tự luận. Bài 1: Một hòn bi thép có trọng lượng 0,8N rơi từ độ cao 1,7m xuống một tấm đ1 rồi nảy lên tới độ coa 1,25m. Tại sao nó không nảy lên được tới độ cao ban đầu? Tính lượng cơ năng đã chuyển hóa thành nội năng của hòn bi và tấm đá. Bài 2: Một cốc nhôm có khối lượng 120g chứa 400g nước ờ nhiệt độ 240C. Người ta thả vào cốc nước một thìa đồng có khối lượng 80g đang ở 1000C. Xác định nhiệt độ của nước trong cốc khi có sự cân bằng nhiệt. Bỏ qua các hao phí nhiệt ra ngoài. Nhiệt dung riêng của nhôm là 880J/kg.độ, của đồng là 380J/kg.độ và của nước là 4,19.103 J/kg.độ. Bài 3: Một nhiệt lượng kế khối lượng m1 = 100g, chứa một lượng m2 = 500g nước ở cùng nhiệt độ t1 = 150C. Người ta thả vào đó m = 150g hổn hợp bột nhôm và thiết đã được nung nóng ở 1000C. Khi có sự cân bằng nhiệt, nhiệt độ là 170C. Tính khối lượng m3 của nhôm, m4 của thiết có trong hổn hợp. Cho nhiệt dung riêng của chất làm nhiệt lượng kế, nước, của nhôm, của thiếc lần lượt là: c1 = 460J/kg.độ;c2 = 4220J/kg.độ; c3 = 900J/kg.độ; c4 = 230J/kg.độ. Bài 4: Người ta thực hiện công 135J để nén khí đựng trong xilanh. Hỏi nội năng của khí biến thiên một lượng bao nhiêu nếu khí truyền ra môi trường xung quanh một nhiệt lượng 30J? Bài 5: Người ta thực hiện công 135J để nén khí đựng trong xilanh. Hỏi nội năng của khí biến thiên một lượng bao nhiêu nếu khí truyền ra môi trường xung quanh một nhiệt lượng 30J?