Kiến thức về phương trình cân bằng nhiệt Vật lý 8 (có bài tập thực hành)

Phương trình cân bằng nhiệt là một trong những phần kiến thức quan trọng trong Vật lý 8, thường xuất hiện trong các bài tập và đề thi ở phần nhiệt lượng. Vậy nên, bài viết này giúp các em hiểu được bản chất của phương trình cân bằng nhiệt và hướng dẫn các em giải bài tập sao cho hiệu quả nhất. 

Nguyên lý truyền nhiệt 

Có ba đặc điểm cần tìm hiểu trong nguyên lý truyền nhiệt. Dựa vào những hiện tượng các em quan sát được trong đời sống, tự nhiên, kỹ thuật…thì thời điểm hai vật trao đổi nhiệt cho nhau thì: 

• Nhiệt tự truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn 

• Sự truyền nhiệt xảy ra cho tới khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau thì ngừng lại 

• Nhiệt lượng do vật này toả ra bằng nhiệt lượng do vật kia thu vào 

Hiểu được nguyên lý này, các em sẽ không còn thắc mắc liệu khi nhỏ một giọt nước sôi vào ca đựng nước nóng thì giọt nước truyền nhiệt cho ca nước hay ca nước truyền nhiệt cho giọt nước nữa. Cũng như dựa vào đây để nhận biết được pt cân bằng nhiệt một cách dễ dàng. 

Nhiệt lượng là gì và công thức tính nhiệt lượng

Để bổ sung kiến thức phương trình cân bằng nhiệt, ta cần ôn lại nhiệt lượng và công thức tính của nó. 

=> Công thức nhiệt lượng vật thu vào: 

Trong đó 

• Q: Nhiệt lượng (J) 

• m: Khối lượng vật (kg)

• ∆t: Độ tăng nhiệt độ vật (Độ C hoặc độ K) 

• c: Nhiệt dung riêng của chất làm vật (J/kg.K)

Phương trình cân bằng nhiệt

Công thức cân bằng nhiệt sẽ là:

Q thu vào là nhiệt lượng vật thu vào đã được giải thích bên trên với công thức là  Q thu vào = m.c.∆t

=> Q toả ra = m.c.∆t

Chú ý: Hai công thức này giống nhau cách tính, khác nhau ở phần thay đổi nhiệt độ 

• Với Q thu vào thì ∆t = t2 – t1 (t1 là nhiệt độ đầu, t2 là nhiệt độ cuối)

• Với Q toả ra thì  ∆t  = t1 – t2 (t1 là nhiệt độ đầu, t2 là nhiệt độ cuối)

Phương pháp giải bài tập cân bằng nhiệt 

Để các em giải được những bài tập cân bằng nhiệt, chúng ta làm theo các bước dưới đây: 

Bước 1: Cần xác định được vật nào tỏa nhiệt và vật nào thu nhiệt? 

Bước 2: Viết ra công thức tính nhiệt lượng toả ra của vật 

Bước 3: Viết công thức tính nhiệt lượng thu vào của vật 

Bước 4: Viết phương trình cân bằng nhiệt => đại lượng cần tìm. 

Ví dụ: Thả một quả cầu nhôm khối lượng 0,15 kg được đun nóng tới 100°C vào một cốc nước 20 °C. Sau một thời gian, nhiệt độ của quả cầu và của nước đều bằng 25 °C. Tính khối lượng nước? Coi như chỉ có quả cầu và nước truyền nhiệt cho nhau?

Hướng dẫn giải: Nhiệt lượng của quả cầu tỏa ra là: Qtỏa = m.c.∆t = 0,15.880. (100- 25) = 9900 (J) 

Nhiệt lượng mà nước thu vào là: Qthu = m(nước).c(nước).∆t = m(nước).4200.(25-20) = 21000m 

Ta có Qtoả = Qthu => m(nước) = Qtoả/21000 0,5 kg

Giải bài tập nhiệt lượng lớp 8có đáp án 

Bài 1: Nếu hai vật có nhiệt độ khác nhau đặt tiếp xúc nhau thì:

A. Quá trình truyền nhiệt dừng lại khi nhiệt độ hai vật như nhau.

B. Quá trình truyền nhiệt dừng lại khi nhiệt độ một vật đạt 0°C.

C. Quá trình truyền nhiệt tiếp tục cho đến khi nhiệt năng hai vật như nhau.

D. Quá trình truyền nhiệt cho đến khi nhiệt dung riêng hai vật như nhau.

Hướng dẫn trả lời: Sự truyền nhiệt xảy ra cho đến khi nhiệt độ của hai vật như nhau thì dừng lại

⇒Đáp án A

Bài 2: Phương trình nào sau đây là phương trình cân bằng nhiệt?

Hướng dẫn trả lời: Phương trình cân bằng nhiệt: Q_tỏa = Q_thu

⇒Đáp án B

Bài 3: Đổ 5 lít nước ở 20°C vào 3 lít nước ở 45°C. Nhiệt độ khi cân bằng là:

Hướng dẫn trả lời:

Đổi: m₁ = 5 lít nước = 5 kg, m₂ = 3 lít nước = 3 kg, t₁ = 20°C, t₂ = 45°C

– Gọi nhiệt độ khi cân bằng là t

– Nhiệt lượng thu vào của 5 lít nước là: Q₁ = m₁c.(t – t₁)

– Nhiệt lượng thu vào của 3 lít nước là: Q₂ = m₂c.(t₂ – t)

– Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt ta có:

Q₁ = Q₂ ⇔ m₁c.(t – t₁) = m₂c.(t₂ – t)

⇔ m₁.(t – t₁) = m₂.(t₂ – t)

⇔ 5.(t – 20) = 3.(45 – t)

⇔ t = 29,375 ≈ 29,4°C

⇒Đáp án D

Bài 4: Điều nào sau đây đúng với nguyên lý truyền nhiệt:

A. Nhiệt tự truyền từ vật có nhiệt độ thấp hơn sang vật có nhiệt độ cao hơn.

B. Nhiệt tự truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn.

C. Nhiệt truyền từ vật có nhiệt dung riêng cao hơn sang vật có nhiệt dung riêng thấp hơn.

D. Nhiệt truyền từ vật có nhiệt dung riêng thấp hơn sang vật có có nhiệt dung riêng cao hơn.

Hướng dẫn trả lời: Nhiệt tự truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn.

⇒Đáp án B

Bài 5: Thả một miếng thép 2 kg đang ở nhiệt độ 345°C vào một bình đựng 3 lít nước. Sau khi cân bằng nhiệt độ cuối cùng là 30°C. Bỏ qua sự tỏa nhiệt qua môi trường. Biết nhiệt dung riêng của thép, nước lần lượt là 460 J/kg.K, 4200 J/kg.K. Nhiệt độ ban đầu của nước là:

Hướng dẫn trả lời

Đổi: 3 lít nước = 3 kg

Gọi nhiệt độ ban đầu của nước là t₀

– Nhiệt lượng của miếng thép tỏa ra là:

Q1 = m₁c₁Δt₁ = 2.460.(345 – 30) = 289800 J

– Nhiệt lượng mà nước thu vào là:

Q2 = m₂c₂Δt₂ = 3.4200.(30 – t₀)

– Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt, ta có:

Q₁ = Q₂ ⇔ 289900 = 3.4200.(30 – t₀)

⇒ t₀ = 7°C

⇒Đáp án A

Bài 6: Thả một quả cầu nhôm khối lượng 0,15 kg được đun nóng tới 100°C vào một cốc nước ở 20°C. Sau một thời gian, nhiệt độ của quả cầu và của nước đều bằng 25°C. Coi quả cầu và nước chỉ truyền nhiệt cho nhau. Biết nhiệt dung riêng của nhôm và nước là 800 J/kg.K, 4200 J/kg.K. Khối lượng của nước là:

Hướng dẫn trả lời

Ta có:

Nhôm m₁ = 0,15kg, c₁ = 880J/kg.K, t₁ = 100⁰C

Nước: m₂ = ?, c₂ = 4200J/kg.K, t₂ = 20⁰C

Nhiệt độ cân bằng t = 25°C

Nhiệt lượng mà quả cầu nhôm tỏa ra là: Q₁ = m₁c₁(t₁ – t)

Nhiệt lượng mà nước nhận được là: Q₂ = m₂c₂(t – t₂)

Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt, ta có:

Q₁ = Q₂ ⇔ m₁c₁(t₁ – t) = m₂c₂(t – t₂)

⇔ 0,15.880.(100 – 25) = m₂.4200.(25 – 20)

⇔ m₂ = 0,471 kg

⇒Đáp án B

Bài 7: Người ta muốn pha nước tắm với nhiệt độ 38°C. Phải pha thêm bao nhiêu lít nước sôi vào 15 lít nước lạnh ở 24°C?

Hướng dẫn trả lời

Đổi: 15 lít nước = 15 kg

Nhiệt độ cân bằng của nước pha là t = 38°C

Nhiệt lượng mà nước sôi tỏa ra là: Q₁ = m₁c(t₁ – t)

Nhiệt lượng mà 15 lít nước lạnh nhận được là: Q₂ = m₂c(t – t₂)

Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt, ta có:

Q₁ = Q₂ ⇔ m₁c(t₁ – t) = m₂c(t – t₂)

⇔ m₁(t₁ – t) = m₂(t – t₂)

⇔ m₁.(100 – 38) = 15.(38 – 24)

⇔ m₁ = 3,38 kg

⇒Đáp án B

Bài 8: Người ta thả ba miếng đồng, nhôm, chì có cùng khối lượng vào một cốc nước nóng. So sánh nhiệt độ cuối cùng của ba miếng kim loại trên:A. Nhiệt độ của miếng chì cao nhất, rồi đến miếng đồng, miếng nhôm.

B. Nhiệt độ miếng đồng cao nhất, rồi đến miếng nhôm, miếng chì.

C. Nhiệt độ miếng nhôm cao nhất, rồi đến miếng đồng, miếng chì.

D. Nhiệt độ ba miếng bằng nhau.

⇒Đáp án D

Bài 9: Người ta thả một miếng đồng khối lượng 0,5 kg vào 500 g nước. Miếng đồng nguội đi từ 80°C xuống 20°C. Hỏi nước nóng lên thêm bao nhiêu độ? Biết nhiệt dung riêng của đồng là 380 J/kg.K, của nước là 4200 J/kg.K.

Hướng dẫn trả lời

Nhiệt lượng mà miếng đồng tỏa ra là:

Q₁ = m_cuc_cu(80 – 20) = 0,5.380.(80 – 20) = 11400 J

Nhiệt lượng mà nước nhận được là:

Q₂ = m_nướcc_nướcΔt

Theo phương trình cân bằng nhiệt, ta có:

Q₁ = Q₂ = 11400 J

⇒Δt = Q₂  (m_nước. c_nước ) = 11400 / (0,5.4200) = 5,43⁰C

Vậy nước nóng thêm được 5,43°C

Bài 10: Khi thả 1 quả cầu nhôm có khối lượng 500g vào 2kg nước ở 25 độ C thì nhiệt độ của chúng sau khi cân bằng nhiệt là 30 độ C. Hỏi nhiệt độ ban đầu của quả cầu nhôm là bao nhiêu? Biết nhiệt lượng hao phí trong trường hợp này bằng 20% nhiệt lượng do nước thu vào. Biết nhiệt dung riêng của nhôm là 880 J/kg.K, nhiệt dung riêng của nước là 4200 J/kg.K

Hướng dẫn trả lời

Nhiệt lượng nước thu vào:

Q₂ = m₂.c₂. (t – t₂) = 2.4200.(30 – 25) = 42000J

Nhiệt lượng hao phí:

Q_hp= 20%.Q₂= 20%.42000 = 8400J

Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt tao có Q₁ = Q₂ + Q_hp

⇔m₁.c₁.(t₁ − t) = 8400 + 42000

⇔0,5.880.(t₁− 30)= 50400

Bài 11: Người ta thả ba miếng đồng, chì có cùng khối lượng vào một cốc nước nóng. Hãy so sánh nhiệt độ cuối cùng của ba miếng kim loại trên.

Đáp án: Nhiệt độ của ba miếng bằng nhau vì khi thả ba miếng kim loại cùng khối lượng vào cốc nước nóng, thì nhiệt độ của cốc nước cao hơn sẽ truyền sang ba miếng kim loại. Và cuối cùng khi nhiệt độ của ba miếng bằng nhau thì quá trình truyền nhiệt sẽ dừng lại.

Bài 12: Một nhiệt lượng kế chứa 2 lít nước ở nhiệt độ 15°C. Hỏi nước nóng lên tới bao nhiêu độ nếu bỏ vào nhiệt lượng kế một quả cầu bằng đồng thau khối lượng 500g được đun nóng tới 100°C. 

Lấy nhiệt dung riêng của đồng thau là 368J/kgK, của nước là 4186J/kgK. Bỏ qua nhiệt lượng truyền cho nhiệt lượng kế và môi trường bên ngoài.

Đáp án: Nhiệt lượng quả cầu đồng tỏa ra là:

Q2 = m2.c2.(t2 – t) = 0,5.368.(100 – t)

Nhiệt lượng nước thu vào là:

Q1 = m1.c1.(t – t1) = 2.4186.(t – 15)

Vì nhiệt lượng tỏa ra bằng nhiệt lượng thu vào nên:

Qthu = Qtỏa ↔ Q2 = Q1

↔ 0,5.368.(100 – t) = 2.4186.(t – 15)

Suy ra t = 16,83°C

Bài 13: Muốn có 100 lít nước ở nhiệt độ 35°C thì phải đổ bao nhiêu lít nước đang sôi vào bao nhiêu lít nước ở nhiệt độ 15°C. Lấy nhiệt dung riêng của nước là 4190J/kg.K.

Đáp án: Gọi m1 là khối lượng nước ở 15°C và m2 là khối lượng nước đang sôi.

Ta có: m1 + m2 = 100kg (1)

Nhiệt lượng m2 kg nước đang sôi tỏa ra là:

Q2 = m2.c.(t2 – t) = m2.4190.(100 – 35)

Nhiệt lượng m1 kg nước ở nhiệt độ 15°C thu vào để nóng lên 35°C là:

Q1 = m1.c.(t – t1) = m1.4190.(100 – 35)

Vì nhiệt lượng tỏa ra bằng nhiệt lượng thu vào nên: Q2 = Q1

m2.4190.(100 – 35) = m1.4190.(100 – 35) (2)

Giải hệ phương trình giữa (1) và (2) ta được:

m1 = 76,5kg và m2 = 23,5 kg.

Như vậy, phải đổ 23,5 lít nước đang sôi vào 76,5 lít nước ở 15°C để có 100 lít nước ở 35°C.

Kết luận 

Phương trình cân bằng nhiệt mà chúng ta được biết đến thật dễ nhớ phải không nào? Các em chỉ cần nhớ Q toả ra = Q thu vào và công thức tính Qtoả & Qthu. Tuy nhiên một số bài tập lại không cung cấp hết cho chúng ta yếu tố để áp dụng ngay công thức, điều đó đòi hỏi các em phải linh hoạt hơn trong việc tính toán. Vậy chúng ta cần dành thời gian để làm nhiều bài tập khác nhau, chắc chắn sẽ không còn thấy khó khăn nữa. Wikihoc cảm ơn các em đã theo dõi bài viết và chúc các em học tốt bộ môn này.