Báo cáo SKKN môn Vật Lí 8 - Phần Nhiệt Học

MỤC LỤC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BÁO CÁO SÁNG KIẾN

VẬN DỤNG KIẾN THỨC

BÀI HỌC CÔNG THỨC TÍNH NHIỆT LƯỢNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT ĐỂ GIẢI BẢI TẬP

I – TÁC GIẢ SÁNG KIẾN

-         Họ và tên: CHU TUẤN KHANG

-         Chức vụ: TTCM

-         Đơn vị: Trường THPT Nà Bao

II – LĨNH VỰC ÁP DỤNG

1.   Phương pháp giải bài tập công thức tính nhiệt lượng và phương trình cân bằng nhiệt cho học sinh lớp 8.
2.   Làm tài liệu tham khảo cho học sinh lớp 8 và giáo viên giảng dạy môn Vật Lí bậc THCS.

III – THỰC TRẠNG TRƯỚC KHI ÁP DỤNG SÁNG KIẾN

 Sau 11 năm giảng dạy tại Trường THPT Nà Bao đồng thời qua việc tìm hiểu, trao đổi chuyên môn với các đồng nghiệp thông qua các tiết giảng dạy và bồi dưỡng học sinh (HS) giỏi và phụ đạo HS yếu kém. Tôi nhận thấy đa số HS có ham mê học môn Vật Lí, nhưng khi giải bài tập Vật Lí các em chưa định hướng giải được tốt và chưa biết cách trình bày lời giải khoa học. Đặc biệt khi dạy bài học: Công thức tính nhiệt lượng và bài học: Phương trình cân bằng nhiệt ở mức độ sách giáo khoa, Tôi thấy rất nhiều HS chưa biết suy luận từ công thức Q = mc∆t để tính các đại lượng tương ứng mà đề bài yêu cầu. Ở bài tập tổng hợp do HS chưa hiểu đề bài và kiến thức: Nguyên lí truyền nhiệt cũng như vận dụng linh hoạt công thức Qtỏa ra = Qthu vào nên kết quả học tập của đa số HS chưa cao. Mặt khác do đặc điểm HS của nhà trường chủ yếu các em ở xa trường, là dân tộc thiểu số, chưa có nhiều điều kiện học tập, gia đình chưa quan tâm đúng mức… cũng là ảnh hưởng phần nào đến kết quả học tập.

 Mặt khác tôi nhận thấy thực trạng nêu trên còn tồn tại ở những nguyên nhân sau:

-         HS chưa có phương pháp tổng quan để giải bài toán Vật Lí.

-         HS chưa hiểu bản chất bài tập và chưa vận dụng được tốt các kiến thức, nguyên lí cũng như các định luật Vật Lí …..

-         HS chưa có kỹ năng tính toán; khả năng suy luận còn nhiều hạn chế.

-         Mặt khác thời gian dành cho việc giải bài tập trên lớp của hai bài học trên còn ít.

 Trong những năm ôn thi HSG môn Vật Lí. Đặc biệt trong kỳ thi GVDG cấp tỉnh năm học 2012 – 2013 ở bài kiểm tra năng lực giáo viên về chuyên môn có nội dung bài tập trong bài học nêu trên.

 Số liệu điều tra trước khi thực hiện SKKN.

 Trước khi thực hiện sáng kiến kinh nghiệm (SKKN) tôi đã tiến hành kiểm tra và khảo sát đối với học sinh lớp 8 của Trường THPT Nà Bao bằng một số bài tập cơ bản ứng với mức độ nội dung kiến thức.

 Kết quả thu được như sau:

 Xuất phát từ thực trạng nêu trên, tôi mạnh dạn viết báo cáo SKKN: “Vận dụng kiến thức bài học công thức tính nhiệt lượng và phương trình cân bằng nhiệt để giải bài tập”. Với mục đích giúp HS có phương pháp và cách giải các dạng bài tập ở chủ đề này. Đồng thời coi đây là tài liệu tham khảo cho HS, phụ huynh HS và các đồng nghiệp trực tiếp giảng dạy môn Vật Lí 8 – Bậc THCS làm tài liệu ôn luyện và bỗi dưỡng HS giỏi, phụ đạo HS yếu kém.

IV – MÔ TẢ BẢN CHẤT SÁNG KIẾN

1. Tính mới, tính sáng tạo, tính khoa học

Trong nhiều năm công tác tại đơn vị trường THPT Nà Bao, bắt đầu từ năm học 2003 – 2004. Cá nhân tôi sinh hoạt tại tổ chuyên môn (tổ Toán – Lí); gồm 03 đồng chí giáo viên, chuyên môn đào tạo: Toán học, Vật lí dạy bậc học THCS. Tính đến thời điểm năm học 2013 – 2014, các đồng chí giáo viên trong tổ chưa viết SKKN có tên và lĩnh vực trùng với tôi. Quá trình công tác và tích lũy kiến thức tôi nhận thấy phần “Nhiệt học” có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực: Khoa học – Kỹ thuật và đời sống. Chính vì lẽ đó tôi ấp ủ suy nghĩ, hướng tới viết SKKN này. Theo ý kiến chủ quan của tôi: SKKN làm nổi bật được các tiêu chí sau:

a)     Tính mới: Bổ sung đầy đủ phần lý thuyết và bài tập dưới dạng cơ bản, nâng cao theo từng cấp độ, để HS có cách nhìn nhận một cách tổng thể.

b)    Tính sáng tạo: Mở rộng phần lý thuyết và có đủ các dạng bài tập mà SGK trong tiết học chính khóa chưa giấy thiệu. Có thêm mục giúp hiểu sâu; nhìn xa hơn, học giải toán để HS cùng suy ngẫm.

c)     Tính khoa học: Trình bày nội dung lôgic, chính xác và hợp lý.

1.1.            Cơ sở lý thuyết

1.1.1.   Nhiệt lượng một vật thu vào để nóng lên phụ thuộc những yếu tố nào?

-         Nhiệt lượng là phần nhiệt năng mà vật nhận thêm được hay mất bớt đi trong quá trình truyền nhiệt.

-         Nhiệt lượng vật cần thu vào để nóng lên phụ thuộc vào khối lượng, độ tăng nhiệt độ của vật và nhiệt dung riêng của chất làm nên vật.

1.1.2.     Nhiệt dung riêng

-         Nhiệt dung riêng của một chất cho biết nhiệt lượng cần truyền cho 1 kg chất đó để nhiệt độ tăng thêm 1oC (1K).

-         Kí hiệu: c; Đơn vị: J/kg.K.

1.1.3.     Công thức tính nhiệt lượng

-         Công thức tính nhiệt lượng thu vào:

Q thu = m.c.∆t hay Q thu = m.c.(t2 – t1)

 Trong đó:

 + m là khối lượng của vật (kg).

 + ∆t là độ tăng nhiệt độ của vật (oC).

 + c là nhiệt dung riêng của chất làm nên vật (J/kg.K hay J/kg.độ).

 + Q là nhiệt lượng thu vào của vật (J).

 + t1, t2 là nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của vật (oC).

1.1.4.   Lưu ý

-         Khi vật thu nhiệt thì nhiệt độ đầu nhỏ hơn nhiệt độ cuối.

-         Ngoài J, kJ đơn vị nhiệt lượng còn được tính bằng calo, kcalo.

1 kcalo = 1.000 calo; 1calo ≈ 4,2J.

1.1.5.   Nguyên lý truyền nhiệt

Khi có hai vật truyền nhiệt cho nhau thì:

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

-         Sự truyền nhiệt xảy ra cho đến khi nhiệt độ của hai vật cân bằng nhau thì ngừng lại.

-         Nhiệt lượng của vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng của vật kia thu vào.

1.1.1.   Phương trình cân bằng nhiệt

• Nội dung kiến thức 1.

Phương trình cân bằng nhiệt:

Q tỏa = Q thu

-         Công thức tính nhiệt lượng tỏa ra: Q tỏa = m.c.∆t hay Q tỏa = m.c.(t1 – t2)

-         Công thức tính nhiệt lượng thu vào: Q thu = m.c.∆t hay Q thu = m.c.(t2 – t1)

Lưu ý: Khi vật tỏa nhiệt thì nhiệt độ đầu lớn hơn nhiệt độ cuối.

• Nội dung kiến thức 2.

Nếu không có sự trao đổi nhiệt năng (nhiệt) với môi trường thì:

Q thu vào = Q tỏa ra

 Q thu vào : Tổng nhiệt lượng của các vật thu vào (J)

Q tỏa ra : Tổng nhiệt lượng của các vật tỏa ra (J)

+ Sự trao đổi nhiệt của hai vật: m1c1(t1 – t) = m2c2(t – t2) (*)

 m1: khối lượng vật 1 (kg).

 t1: nhiệt độ vật 1 (oC).

 c1: nhiệt dung riêng của chất làm ra vật 1 (J/kg.K).

 m2: khối lượng của vật 2 (kg).

 t2: nhiệt độ của vật 2 (oC).

 c2: nhiệt dung riêng của chất làm ta vật 2 (J/kg.K).

 t: nhiệt độ cân bằng (oC).

Phương trình (*) có thể được viết dưới dạng (với t2 < t < t1)

m1c1(t1 – t) + m2c2(t2 – t) = 0

Áp dụng cho hệ vật gồm nhiều vật trao đổi nhiệt với nhau

m1c1(t1 – t) + m2c2(t2 – t) + m3c3(t3 – t) + ………. + mncn(tn – t) = 0

• Nội dung kiến thức 3.

Phương trình: Qtỏa ra = Qthu vào

Ta có:

hay:

1.1.2.     Năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu

Q = q.m

Q: nhiệt lượng nhiên liệu tỏa ra (J).

q: năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu (J/kg).

m: khối lượng của nhiên liệu bị đốt cháy hoàn toàn (kg).

1.1.3.   Nhiệt nóng chảy

Q = 𝛌.m

Q: nhiệt lượng cần thiết vật thu vào để nóng chảy hoàn toàn m (kg) chất ở nhiệt độ nóng chảy (J).

m: khối lượng vật (kg).

λ: nhiệt nóng chảy của chất làm vật (J/kg).

Khi chuyển từ thể lỏng sang thể rắn (đông đặc) ở nhiệt độ nóng chảy thì cũng tỏa ra một nhiệt lượng như trên.

1.1.1.   Nhiệt hóa hơi

Q = L.m

Q: nhiệt lượng cần thiết vật thu vào để hóa hơi hoàn toàn m (kg) chất ở nhiệt độ sôi (J).

m: khối lượng vật (kg).

L: nhiệt hóa hơi của chất làm vật (J/kg).

Khi chuyển từ thể hơi sang thể lỏng (ngưng tụ) ở nhiệt độ sôi thì cũng tỏa ra một nhiệt lượng như trên.

1.1.2.            Giúp hiểu sâu

Xem trên bảng nhiệt dung riêng của một số chất, ta thấy nhiệt dung riêng của đất là 800J/(kg.K) và của nước là 4200J/(kg.K). Điều đó có nghĩa là nếu ta có một lượng đất và lượng nước với khối lượng như nhau, và nếu ta muốn chúng nóng thêm lên một số độ như nhau, ta phải cung cấp cho nước một nhiệt lượng gấp 5 lần nhiệt lượng cần cung cấp cho đất. Ngược lại, nếu muốn chúng lạnh đi một số độ như nhau, nước phải mất đi một nhiệt lượng gấp hơn 5 lần nhiệt lượng mà đất mất đi. Có thể nói rằng nước thay đổi nhiệt độ khó hơn đất hơn 5 lần.

Điều đó giải thích được vì sao những miền ở gần biển, gần những hồ lớn, có khí hậu ôn hòa hơn những miền ở xa các khối nước lớn.

Khi trời nắng nóng, đất nóng nhanh hơn nước và nhiệt độ của nó cao hơn nhiệt độ của nước. Vì thế, nó vừa nhận nhiệt lượng do Mặt Trời cung cấp, vừa truyền bớt một phần nhiệt lượng đó cho nước biển, do đó nó lại nguội bớt đi một chút. Khi trời lạnh đi, đất lạnh nhanh hơn nước, nhiệt độ của nó thấp hơn nhiệt độ của nước. Vì thế nó vừa mất bớt nhiệt lượng đi, vừa nhận thêm nhiệt lượng mà nước biển truyền cho nó, do đó đất ấm lên một chút.

Như vậy biển có tác dụng điều hòa khí hậu, làm cho những miền đất ở lân cận nó đỡ nóng và đỡ lạnh hơn những miền đất ở xa biển khi thời tiết thay đổi.

Nguyên lí truyền nhiệt là định lí tổng quát nhất của sự truyền nhiệt. Ta không thể chứng minh được nó, nhưng kinh nghiệm đời sống và kinh nghiệm khoa học cho thấy rằng mọi sự truyền nhiệt đều tuân theo nguyên lí này. Khi ta nói rằng nhiệt chỉ truyền từ vật nóng sang vật lạnh, giống như nước chỉ chảy từ chỗ cao xuống chỗ thấp, thì đó chỉ là một cách so sánh để minh họa, không phải là một sự chứng minh.

Trong phương trình cân bằng nhiệt, Q tỏa ra và Q thu vào đều được tính bằng công thức Q = m.c.∆t, trong đó ∆t = = . Ở đây ∆t là một số học, nghĩa là ta chỉ cần lấy nhiệt độ cao trừ đi nhiệt độ thấp, không cần quan tâm đâu là nhiệt độ đầu, đâu là nhiệt độ cuối.

Phương trình cân bằng nhiệt được xây dựng từ khi thuyết chất nhiệt được mọi người công nhận. Các nhà vật lí cho rằng chất nhiệt không tự sinh ra và không tự nó mất đi, nó chỉ chảy từ vật này sang vật khác, vì vậy nhiệt lượng do vật nóng tỏa ra phải bằng nhiệt lượng do vật lạnh thu vào.

Sau này khi thuyết chất nhiệt đã bị loại bỏ thì phương trình cân bằng nhiệt vẫn được công nhận, vì nó phản ánh đúng quá trình diễn ra trong sự truyền nhiệt. Cơ sở của phương trình cân bằng nhiệt là định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.

1.1.1.          Nhìn xa hơn

Cân bằng nhiệt

Nhiệt kế thông thường được chế tạo dựa trên một nguyên lí phát biểu đơn giản rằng: Khi hai vật cùng cân bằng nhiệt với một vật thứ ba thì chúng cân bằng nhiệt với nhau.

Khi chúng ta đặt thức ăn, ví dụ như thịt, bánh, … vào trong lò nướng thì nhiệt năng của lò nướng được truyền sang thức ăn. Quá trình tiếp tục cho đến khi có sự cân bằng nhiệt giữa thức ăn và không khí bên trong lò nướng. Khi đó, thức ăn và không khí bên trong lò nướng có nhiệt độ bằng nhau.

1.1.2.          Học giải toán

1.1.2.1.       Tính nhiệt lượng

Nhiệt lượng một vật thu vào hoặc tỏa ra phụ thuộc khối lượng, độ tăng hoặc giảm nhiệt độ của vật và nhiệt dung riêng của chất làm vật: Q = mc∆t

1.1.2.2.       Phương trình cân bằng nhiệt

Các bước giải bài toán:

+ Bước 1: Tóm tắt, đổi đơn vị. Do có hỗn hợp, nên chúng ta thêm chỉ số vào dưới các đại lượng tương ứng của mỗi vật.

+ Bước 2: Xác định vật thu nhiệt, vật tỏa nhiệt (dựa vào so sánh nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối của hỗn hợp). Viết công thức tính nhiệt lượng thu vào hay tỏa ra của mỗi vật.

+ Bước 3: Viết phương trình cân bằng nhiệt Q thu = Q tỏa. Nhiệt lượng thu vào là nhiệt lượng của vật tăng nhiệt độ.

+ Bước 4: Xác định các đại lượng cần tìm dựa vào kết quả thu được từ bước 3. Viết đáp số và ghi rõ đơn vị.

1.2.     Một số bài tập ví dụ

Chủ đề: CÔNG THỨC TÍNH NHIỆT LƯỢNG. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT

 A - Dạng 1: Tính nhiệt lượng thu vào, khối lượng, nhiệt độ đầu hay nhiệt độ cuối và nhiệt dung riêng của một vật khi bỏ qua sự hao phí nhiệt

Phương pháp giải

Bài tập 1

Trong bảng nhiệt dung riêng của một số chất ở sách giáo khoa ta thấy nhiệt dung riêng của chì là 130J/kg.K.

a)     Con số đó có ý nghĩa như thế nào ?

b)    Tính nhiệt lượng thu vào của 5 kg chì để tăng nhiệt độ từ 20oC đến 50oC. Biết nhiệt dung riêng của chì là 130J/kg.K.

Giải

a)     Con số 130J/kg.K có ý nghĩa là cứ 1kg chì muốn tăng thêm 1oC (hay 1K) thì ta cần cung cấp cho nó một nhiệt lượng là 130J.

b)    Nhiệt lượng thu vào của 5kg chì để tăng nhiệt độ từ 20oC đến 50oC là :

Q = m.c.(t2 – t1) = 5.130.(50 – 20) = 19500(J)

Đáp số: b) Q = 19500(J).

Bài tập 2

Cần cung cấp một nhiệt lượng bằng bao nhiêu để đun sôi 2 lít nước từ 30oC. Biết ấm đựng nước làm bằng nhôm có khối lượng 200g, nhiệt dung riêng của nhôm và nước lần lượt là 800J/kg.K và 4200J/kg.K. Khối lượng riêng của nước là 1000kg/m3. Bỏ qua nhiệt lượng do môi trường ngoài hấp thụ.

Tóm tắt

mnh = 200g = 0,2kg ; Vn = 2lít → mn = 2kg

t1 = 30oC ; t2 = 100oC

cnh = 800J/kg.K ; cn = 4200J/kg.K

Q = ? (J)

Giải

Nhiệt lượng thu vào của ấm nhôm là:

Qâ = mnh.cnh.(t2 – t1) = 0,2.880.(100 – 30) = 12320 (J).

Nhiệt lượng thu vào của 2 lít nước là:

Qn = mn.cn.(t2 – t1) = 2.4200.(100 – 30) = 58800 (J).

Vì bỏ qua nhiệt lượng do môi trường ngoài hấp thụ nên nhiệt lượng thu vào của ấm nước từ 30oC đến khi sôi là:

Q = Qâ + Qn = 12320 + 58800 = 600320 (J).

Đáp số: Q = 600320 (J)

Bài tập 3

Một vật làm bằng thép ở 20oC, sau khi nhận thêm một nhiệt lượng là 184000J thì nhiệt độ của nó lên đến 100oC. Hỏi vật đó có khối lượng là bao nhiêu? Biết nhiệt dung riêng của thép là 460J/kg.K.

Tóm tắt

t1 = 20oC ; t2 = 100oC

Q = 184000J ; c = 460J/kg.K

m = ? (kg)

Giải

Từ công thức: Q = m.c.(t2 – t1)

Khối lượng của vật là: (kg)

Đáp số: m = 5 (kg)

Bài tập 4

Một vật có khối lượng 9 kg khi nhận thêm một nhiệt lượng là 1188kJ thì nhiệt độ của nó tăng thêm 150oC. Hỏi vật đó làm bằng chất gì? Cho sử dụng bảng nhiệt dung riêng của một số chất ở sách giáo khoa.

Tóm tắt

m = 9kg ; Q = 1188kJ = 1188000J ; ∆t = 150oC

c = ? (J/kg.K)

Giải

Từ công thức: Q thu = m.c.∆t

Vậy nhiệt dung riêng: (J/kg.K)

Tra bảng nhiệt dung riêng của một số chất ở SGK ta thấy nhiệt dung riêng của nhôm là 880J/kg.K. Vậy, chất đó làm bằng nhôm.

Đáp số: Chất đó làm bằng nhôm.

Bài tập 5

Sau khi nhận thêm một nhiệt lượng là 2310kJ thì nhiệt độ của một chiếc tượng đồng lên đến 200oC. Hỏi nhiệt độ ban đầu của tượng đồng là bao nhiêu. Biết khối lượng và nhiệt dung riêng của đồng lần lượt là 15kg và 880J/kg.K (Bỏ qua nhiệt lượng do môi trường xung quanh hấp thụ).

Tóm tắt

Q = 2310kJ = 2310000J ; t2 = 200oC

m = 15kg ; c = 880J/kg.K

t1 = ? (oC)

Giải

Ta có: Q = m.c.(t2 – t1), suy ra:

.

Đáp số: t1 = 25oC.

Bài tập 6

Người ta cung cấp cho 5 lít nước ở 130oC một nhiệt lượng là 1470kJ. Hỏi nước có sôi được không? Biết nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K (Bỏ qua nhiệt lượng do môi trường xung quanh hấp thụ).

Tóm tắt

Vn = 2lít → mn = 2kg ; t1 = 30oC

Q = 1470kJ = 1470000J ; c = 4200J/kg.K

t2 = ? (oC)

Giải

Ta có: Q = m.c.(t2 – t1), suy ra:

.

Vậy nước mới bắt đầu sôi, chứ chưa sôi được.

Đáp số: t1 = 100oC.

B – Dạng 2: Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho một vật khi không bỏ quả sự hao phí nhiệt

Phương pháp giải

Bài tập 1

Một khối chì hình lập phương, cạnh 20 cm ở nhiệt độ 27oC. Khi nung nóng khối chì đó lên đến nhiệt độ nóng chảy thì lò nung cần cung cấp một nhiệt lượng là bao nhiêu? Biết khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt dung riêng của chì lần lượt là 11300kg/m3, 327oC và 130J/kg.K. Nhiệt lượng hao phí bằng 40% nhiệt lượng do lò cung cấp.

Giải

Thể tích của khối chì: V = 203 = 8000(cm3) = 8.10-3 (m3).

Khối lượng của khối chì: m = V.D = 8.10-3.11300 = 90,4 (kg).

Gọi Q, Qc và Qhp là nhiệt lượng tỏa ra của lò nung, nhiệt lượng thu vào của khối chì và nhiệt lượng hao phí. Ta có:

-       Nhiệt lượng thu vào của khối chì là:

Qc = m.c.(t2 – t1) = 90,4.130.(327 – 27) = 3525600 (J)

-       Nhiệt lượng hao phí và nhiệt lượng cung cấp của lò lần lượt là:

Qhp = 0,4Q ; Q = Qc + Qhp = Qc + 0,4Q.

Từ đó, suy ra: 0,6Q = Qc

.

Đáp số: Q = 5876(kJ).

 Bài tập 2

 Một bếp dầu có hiệu suất là 50%. Hỏi khi nó tỏa ra một nhiệt lượng là 3360 kJ thì đun sôi được bao nhiêu lít nước. Biết nhiệt độ ban đầu của nước là 20oC và nhiệt dung riêng của nước là 4200J/kg.K

Giải

 Nhiệt lượng thu vào của nước: Qci = H.Qtp = 0,5.3360000 = 1680000(J)

 Ta có: Qci = mn.cn.(t2 – t1), suy ra:

Đáp số: mn = 5 (kg).

C – Dạng 3: Dựa vào phương trình cân bằng nhiệt để tính các đại lượng có liên quan khi bỏ qua sự hao phí nhiệt

Phương pháp giải