40 câu Vật Lý Lớp 12 – Chương 1. Vật lý nhiệt

Giải thích: Quá trình nước đá tan chảy là một quá trình chuyển thể từ thể rắn sang thể lỏng. Trong quá trình này, nhiệt độ của khối chất không thay đổi (duy trì ở 0 °C) nhưng khối chất phải nhận một nhiệt lượng nhất định từ môi trường (nhiệt nóng chảy) để phá vỡ liên kết trong cấu trúc tinh thể, làm tăng nội năng của nó. Thể tích của nước đá khi tan thành nước sẽ giảm (nước có khối lượng riêng lớn hơn nước đá).

Giải thích: Để chuyển đổi nhiệt độ từ độ Celsius (°C) sang Kelvin (K), ta sử dụng công thức: T(K) = t(°C) + 273.15.
Áp dụng công thức: T = 25 + 273.15 = 298.15 K.

Giải thích: Theo Định luật 1 của nhiệt động lực học, biến thiên nội năng của hệ được tính bằng công thức: ΔU = Q + A.
Trong đó:
Q là nhiệt lượng mà hệ nhận được (Q > 0 nếu hệ nhận nhiệt, Q < 0 nếu hệ tỏa nhiệt).
A là công mà môi trường thực hiện lên hệ (A > 0 nếu môi trường thực hiện công lên hệ, A < 0 nếu hệ thực hiện công lên môi trường).

Trong bài toán này:
- Khí nhận nhiệt lượng 150 J, vậy Q = +150 J.
- Khí thực hiện công 50 J, vậy công mà môi trường thực hiện lên khí là A = -50 J.

Thay vào công thức: ΔU = 150 J + (-50 J) = 100 J.

Giải thích: Nhiệt lượng cần thiết để làm tan chảy hoàn toàn một khối chất rắn ở nhiệt độ nóng chảy được tính bằng công thức: Q = λm.
Trong đó:
- Q là nhiệt lượng cần cung cấp.
- λ là nhiệt nóng chảy riêng của chất (3,34 × 10⁵ J/kg).
- m là khối lượng của chất (2 kg).

Áp dụng công thức: Q = (3,34 × 10⁵ J/kg) × 2 kg = 6,68 × 10⁵ J = 668000 J.

Giải thích: Theo Định luật 1 của nhiệt động lực học, biến thiên nội năng của hệ được tính bằng công thức: ΔU = Q + A.
Trong quá trình đoạn nhiệt, theo định nghĩa, hệ không trao đổi nhiệt với môi trường, tức là Q = 0.
Do đó, công thức trở thành: ΔU = 0 + A = A.
Ở đây, A là công mà môi trường thực hiện lên hệ. Nếu hệ thực hiện công (giãn nở), A sẽ âm, dẫn đến nội năng giảm. Nếu môi trường thực hiện công lên hệ (nén), A sẽ dương, dẫn đến nội năng tăng.

Giải thích: Trong quá trình sôi, chất lỏng chuyển từ thể lỏng sang thể khí. Đây là một quá trình chuyển thể pha diễn ra ở nhiệt độ không đổi (nhiệt độ sôi) nếu áp suất không đổi. Để duy trì quá trình sôi, chất lỏng phải liên tục nhận nhiệt lượng (nhiệt hóa hơi riêng) từ môi trường để phá vỡ các liên kết giữa các phân tử, tạo thành hơi.

Giải thích: Để chuyển đổi nhiệt độ từ Kelvin (K) sang độ Celsius (°C), ta sử dụng công thức: T(°C) = T(K) - 273.15.
Với T(K) = 350 K, ta có T(°C) = 350 - 273.15 = 76.85 °C.

Giải thích: Theo định luật 1 của nhiệt động lực học, biến thiên nội năng của hệ là ΔU = Q + A.
Trong đó:
- Q là nhiệt lượng mà hệ nhận được. Nếu hệ tỏa nhiệt, Q mang giá trị âm. Ở đây, hệ tỏa nhiệt 30 J, nên Q = -30 J.
- A là công mà hệ nhận được từ môi trường. Nếu hệ nhận công, A mang giá trị dương. Ở đây, hệ nhận công 80 J, nên A = 80 J.
Vậy, ΔU = -30 J + 80 J = 50 J.

Giải thích: Nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng vật được tính bằng công thức Q = mcΔT, trong đó:
- m = 0.5 kg (khối lượng đồng)
- c = 380 J/(kg.K) (nhiệt dung riêng của đồng)
- ΔT = T_sau - T_trước = 120 °C - 20 °C = 100 °C. (Lưu ý: Độ biến thiên nhiệt độ tính bằng °C hay K đều như nhau).
Vậy, Q = 0.5 kg × 380 J/(kg.K) × 100 K = 19000 J.

Giải thích: Nội năng của một vật là tổng động năng chuyển động hỗn loạn của các phân tử và tổng thế năng tương tác giữa các phân tử cấu tạo nên vật đó. Nó không bao gồm động năng và thế năng của vật khi nó chuyển động như một khối hay thế năng khi vật biến dạng, cũng không chỉ riêng động năng của các electron.

Giải thích: Điểm sôi của chất lỏng phụ thuộc vào áp suất bên ngoài. Khi áp suất bên ngoài tăng lên, các phân tử chất lỏng cần nhiều năng lượng hơn để thoát ra khỏi bề mặt, do đó nhiệt độ sôi sẽ tăng lên. Ngược lại, khi áp suất giảm, nhiệt độ sôi sẽ giảm (ví dụ nước sôi ở nhiệt độ thấp hơn 100 °C trên đỉnh núi cao do áp suất khí quyển thấp).

Giải thích: Để chuyển đổi từ độ Fahrenheit (°F) sang độ Celsius (°C), ta sử dụng công thức: T_C = (T_F - 32) × ⁵/₉.
Với T_F = 68 °F, ta có:
T_C = (68 - 32) × ⁵/₉ = 36 × ⁵/₉ = 20 °C.
Vậy nhiệt độ của vật là 20.00 °C.

Giải thích: Định luật 1 của nhiệt động lực học phát biểu: ΔU = Q + A, trong đó ΔU là biến thiên nội năng, Q là nhiệt lượng hệ nhận vào, và A là công môi trường thực hiện lên hệ.
Trong quá trình đẳng tích, thể tích của khí không đổi, nên công mà khí thực hiện (hoặc công môi trường thực hiện lên khí) bằng 0 (A = 0).
Khi đó, biến thiên nội năng chỉ bằng nhiệt lượng mà khí nhận vào hoặc tỏa ra: ΔU = Q.
Vì khí nhận nhiệt lượng 120 J, nên Q = 120 J. Vậy ΔU = 120 J.

Giải thích: Nhiệt lượng cần thiết để hóa hơi hoàn toàn một chất lỏng ở nhiệt độ sôi được tính bằng công thức Q = m × L, trong đó m là khối lượng của chất và L là nhiệt hóa hơi riêng của chất đó.
Với m = 0.2 kg và L = 2,26 × 10⁶ J/kg, ta có:
Q = 0.2 × 2,26 × 10⁶ = 0.452 × 10⁶ J = 452000 J.

Giải thích: Nội năng của khí lí tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ (và số mol khí). Trong quá trình đẳng nhiệt, nhiệt độ của khí không đổi (ΔT = 0). Do đó, biến thiên nội năng của khí lí tưởng trong quá trình đẳng nhiệt luôn bằng 0 (ΔU = 0).

Giải thích: Trong quá trình nóng chảy của chất rắn kết tinh, nhiệt độ của chất không đổi dù vẫn nhận nhiệt. Điều này có nghĩa là động năng trung bình của các phân tử không tăng lên (vì động năng trung bình tỉ lệ với nhiệt độ). Nhiệt lượng nhận vào trong giai đoạn này được dùng để phá vỡ các liên kết mạng tinh thể, làm tăng thế năng tương tác giữa các phân tử, chuyển chúng từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng. Thể tích có thể tăng hoặc giảm tùy thuộc vào chất (ví dụ nước đá tan thành nước thì thể tích giảm).

Giải thích: Độ lớn của một độ Kelvin (K) bằng độ lớn của một độ Celsius (°C). Do đó, khi nhiệt độ tăng thêm 25 K, thì cũng có nghĩa là nhiệt độ tăng thêm 25 °C. Nhiệt độ ban đầu là 30 °C. Nhiệt độ sau khi tăng là 30 °C + 25 °C = 55 °C.

Giải thích: Theo định luật 1 của nhiệt động lực học, biến thiên nội năng của hệ là ΔU = Q + A. Trong quá trình đoạn nhiệt, Q = 0 (không có sự trao đổi nhiệt). Khi khí bị nén, môi trường thực hiện công lên khí, tức là A > 0. Do đó, ΔU = 0 + A = A. Vì A > 0, nên ΔU > 0, tức là nội năng của khí tăng lên.

Giải thích: Quá trình này gồm hai giai đoạn: 1. **Giai đoạn 1: Nước đá nóng chảy hoàn toàn thành nước ở 0 °C.** Nhiệt lượng cần cung cấp: Q₁ = m × λ = 0.05 kg × 3,34 × 10⁵ J/kg = 16700 J. 2. **Giai đoạn 2: Nước ở 0 °C nóng lên 30 °C.** Nhiệt lượng cần cung cấp: Q₂ = m × c × ΔT = 0.05 kg × 4200 J/(kg.K) × (30 °C - 0 °C) = 0.05 × 4200 × 30 = 6300 J. Tổng nhiệt lượng cần cung cấp là: Q = Q₁ + Q₂ = 16700 J + 6300 J = 23200 J.

Giải thích: Theo định luật 1 của nhiệt động lực học, biến thiên nội năng của hệ là ΔU = Q + A, trong đó Q là nhiệt lượng hệ nhận được và A là công mà môi trường thực hiện lên hệ. * Hệ thực hiện công 60 J ra môi trường, điều này có nghĩa là công mà môi trường thực hiện lên hệ là A = -60 J. * Nội năng của hệ giảm 30 J, tức là ΔU = -30 J. Thay vào công thức: -30 J = Q + (-60 J) Q = -30 J + 60 J = 30 J. Vì Q > 0, hệ đã nhận nhiệt lượng 30 J từ môi trường.

Giải thích: Sương giá là hiện tượng hơi nước trong không khí (thể khí) chuyển trực tiếp thành tinh thể băng (thể rắn) khi nhiệt độ rất thấp, mà không qua pha lỏng. Đây chính là quá trình ngưng kết, hay còn gọi là sự đọng sương ở thể rắn. Đông đặc là lỏng thành rắn. Thăng hoa là rắn thành khí. Nóng chảy là rắn thành lỏng.

Giải thích: Đầu tiên, chuyển đổi nhiệt độ từ °F sang °C theo công thức: °C = (°F - 32) × ⁵/₉.
212 °F = (212 - 32) × ⁵/₉ = 180 × ⁵/₉ = 100 °C.
Sau đó, chuyển đổi từ °C sang K theo công thức: K = °C + 273.15.
100 °C = 100 + 273.15 = 373.15 K.

Giải thích: Đối với khí lí tưởng, các phân tử không tương tác với nhau (thế năng tương tác bằng 0). Do đó, nội năng của khí lí tưởng chỉ là tổng động năng của các phân tử. Động năng trung bình của các phân tử chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối của khí. Vì vậy, nội năng của khí lí tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối của nó.

Giải thích: Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt: Q_tỏa = Q_thu
Q_tỏa là nhiệt lượng do khối kim loại tỏa ra: m_kl.c_kl.(T_{kl ban đầu} - T_{cân bằng})
Q_thu là nhiệt lượng do nước thu vào: m_nước.c_nước.(T_{cân bằng} - T_{nước ban đầu})
Ta có: 0.2 × c_kl × (100 - 25) = 0.5 × 4200 × (25 - 20)
0.2 × c_kl × 75 = 0.5 × 4200 × 5
15 × c_kl = 10500
c_kl = ¹⁰⁵⁰⁰/₁₅ = 700 J/(kg.K).

Giải thích: Theo Định luật 1 của nhiệt động lực học, biến thiên nội năng của hệ là ΔU = Q + A.
Trong đó:
Q là nhiệt lượng mà hệ nhận được từ môi trường. Vì hệ nhận nhiệt, Q = +120 J.
A là công mà môi trường thực hiện lên hệ. Vì môi trường thực hiện công lên hệ, A = +50 J.
Vậy, ΔU = 120 J + 50 J = 170 J.

Giải thích: Tốc độ bay hơi của một chất lỏng phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Khi nhiệt độ của chất lỏng tăng, động năng trung bình của các phân tử tăng lên, khiến chúng dễ dàng thoát ra khỏi bề mặt chất lỏng hơn, do đó tốc độ bay hơi tăng. Ngược lại, giảm diện tích bề mặt thoáng, tăng độ ẩm của không khí (tức là tăng nồng độ hơi nước trong không khí), hoặc tăng áp suất riêng phần của hơi trên bề mặt chất lỏng đều làm giảm tốc độ bay hơi.

Giải thích: Công thức chuyển đổi từ độ Celsius (°C) sang độ Fahrenheit (°F) là: T_F = T_C × 1.8 + 32. Thay T_C = 37 °C vào công thức, ta có: T_F = 37 × 1.8 + 32 = 66.6 + 32 = 98.6 °F. Vậy, 37 °C tương ứng với 98.6 °F.

Giải thích: Theo Định luật 1 của nhiệt động lực học, biến thiên nội năng của hệ được tính bằng công thức: ΔU = Q + W. Trong đó: - Q là nhiệt lượng hệ nhận được (Q > 0 nếu nhận nhiệt, Q 0 nếu môi trường thực hiện công lên hệ, W < 0 nếu hệ thực hiện công ra môi trường). Trong trường hợp này: - Khí nhận nhiệt lượng 40 J từ môi trường, nên Q = +40 J. - Khí sinh công 75 J ra môi trường (tức là hệ thực hiện công), nên W = -75 J. Thay các giá trị vào công thức: ΔU = 40 J + (-75 J) = -35 J. Vậy, biến thiên nội năng của khí là -35 J.

Giải thích: Để tính nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng một chất, ta sử dụng công thức: Q = mcΔT. Trong đó: - m là khối lượng của vật (kg). - c là nhiệt dung riêng của chất (J/(kg.K)). - ΔT là độ biến thiên nhiệt độ (°C hoặc K). Các giá trị đã cho: - m = 0.8 kg - c = 900 J/(kg.K) - Nhiệt độ ban đầu T₁ = 25 °C - Nhiệt độ cuối T₂ = 660 °C Độ biến thiên nhiệt độ ΔT = T₂ - T₁ = 660 °C - 25 °C = 635 °C (hoặc 635 K). Thay các giá trị vào công thức: Q = 0.8 kg × 900 J/(kg.K) × 635 K = 720 × 635 = 457200 J. Vậy, cần cung cấp 457200 J nhiệt lượng.

Giải thích: Trong quá trình giãn nở đoạn nhiệt: - Đoạn nhiệt có nghĩa là không có sự trao đổi nhiệt với môi trường (Q = 0). - Giãn nở có nghĩa là khí thực hiện công lên môi trường (W < 0). Theo Định luật 1 của nhiệt động lực học: ΔU = Q + W. Vì Q = 0, nên ΔU = W. Do khí giãn nở nên W < 0 (công do hệ thực hiện ra môi trường là âm theo quy ước). Vậy, ΔU = W < 0, tức là nội năng của khí giảm. Đối với khí lí tưởng, nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối (ΔU tỉ lệ thuận với ΔT). Vì nội năng giảm (ΔU < 0), nên nhiệt độ của khí cũng giảm (ΔT < 0). Do đó, trong quá trình giãn nở đoạn nhiệt, nhiệt độ của khí giảm và nội năng của khí giảm.

Giải thích: Thăng hoa là quá trình chuyển thể từ trạng thái rắn sang trạng thái khí mà không qua trạng thái lỏng. Để chuyển từ trạng thái rắn sang khí, các phân tử cần phải hấp thụ năng lượng để thắng lực liên kết và bay hơi, do đó đây là một quá trình thu nhiệt (hấp thụ nhiệt lượng từ môi trường). Trong quá trình thăng hoa, nhiệt độ của chất vẫn giữ nguyên (nếu là chất tinh khiết và quá trình diễn ra ổn định).

Giải thích: Thang nhiệt độ Celsius (°C) và thang nhiệt độ Kelvin (K) có cùng độ lớn của một độ chia. Điều này có nghĩa là sự thay đổi nhiệt độ 1 °C tương đương với sự thay đổi nhiệt độ 1 K. Do đó, nếu nhiệt độ của vật tăng thêm 45 °C, thì nhiệt độ của vật đó cũng tăng thêm 45 K.

Giải thích: Áp dụng Định luật 1 của nhiệt động lực học: ΔU = Q + A, trong đó ΔU là biến thiên nội năng, Q là nhiệt lượng mà hệ nhận được, và A là công mà môi trường thực hiện lên hệ. Theo đề bài: Q = +80 J (hệ nhận nhiệt lượng) ΔU = +100 J Ta có: 100 J = 80 J + A => A = 100 J - 80 J = 20 J. Vì A > 0, điều này có nghĩa là môi trường đã thực hiện công 20 J lên hệ. Điều này cũng phù hợp với thông tin thể tích của khí giảm (khi thể tích giảm, môi trường thực hiện công lên hệ).

Giải thích: Nhiệt lượng do nước nóng tỏa ra khi hạ nhiệt độ từ 40 °C xuống 20 °C là: Q_tỏa = m_nước × c_nước × ΔT_nước = 0.5 kg × 4200 J/(kg.K) × (40 °C - 20 °C) = 0.5 × 4200 × 20 = 42000 J. Nhiệt lượng do nước đá thu vào gồm hai phần: 1. Nhiệt lượng làm nóng chảy hoàn toàn 0.1 kg nước đá ở 0 °C: Q_{nóng chảy} = m_đá × λ = 0.1 × λ 2. Nhiệt lượng làm nóng 0.1 kg nước (do nước đá tan ra) từ 0 °C lên 20 °C: Q_{làm nóng} = m_đá × c_nước × ΔT_{nước đá tan} = 0.1 kg × 4200 J/(kg.K) × (20 °C - 0 °C) = 0.1 × 4200 × 20 = 8400 J. Theo nguyên lí cân bằng nhiệt, Q_tỏa = Q_thu: 42000 = (0.1 × λ) + 8400 0.1 × λ = 42000 - 8400 0.1 × λ = 33600 λ = 33600 / 0.1 = 336000 J/kg. Vậy nhiệt nóng chảy riêng của nước đá là 336000 J/kg.

Giải thích: Đầu tiên, tính công mà khối khí thực hiện (W) trong quá trình giãn nở đẳng áp: W = P × ΔV Trong đó: P = 1.5 × 10⁵ Pa (áp suất không đổi) ΔV = V_cuối - V_đầu = 5 L - 2 L = 3 L = 3 × 10^-3 m³ W = (1.5 × 10⁵ Pa) × (3 × 10^-3 m³) = 450 J. Khí nhận nhiệt lượng Q = 600 J. Áp dụng Định luật 1 của nhiệt động lực học: ΔU = Q - W (với W là công do hệ thực hiện) ΔU = 600 J - 450 J = 150 J. Vậy biến thiên nội năng của khối khí là 150 J.

Giải thích: Trong quá trình sôi (chuyển từ thể lỏng sang thể hơi) ở nhiệt độ không đổi, động năng trung bình của các phân tử (liên quan đến nhiệt độ) không thay đổi. Tuy nhiên, để chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi, các phân tử phải khắc phục lực hút giữa chúng và di chuyển ra xa nhau hơn, làm tăng thế năng tương tác giữa các phân tử. Quá trình này yêu cầu hệ nhận nhiệt lượng.

Giải thích: Công thức chuyển đổi từ Kelvin sang Celsius là T(°C) = T(K) - 273.15. Áp dụng công thức: T(°C) = 77 - 273.15 = -196.15 °C.

Giải thích: Theo Định luật 1 của nhiệt động lực học, biến thiên nội năng của hệ được tính bằng công thức ΔU = Q + A, trong đó Q là nhiệt lượng hệ nhận được và A là công môi trường thực hiện lên hệ. Trong quá trình đẳng tích (thể tích không đổi), công mà hệ thực hiện ra môi trường hoặc môi trường thực hiện lên hệ bằng 0 (A = 0). Vì khí nhận nhiệt lượng 50 J từ môi trường, nên Q = +50 J. Do đó, ΔU = Q + A = 50 J + 0 J = 50 J.

Giải thích: Nhiệt lượng cần cung cấp để làm hóa hơi hoàn toàn một chất lỏng ở nhiệt độ sôi được tính bằng công thức Q = m × L, trong đó: - m là khối lượng của chất (kg). - L là nhiệt hóa hơi riêng của chất (J/kg). Áp dụng công thức: Q = 0.25 kg × 2.26 × 10⁶ J/kg = 565000 J.

Giải thích: Nội năng là một hàm trạng thái, nghĩa là giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của hệ (nhiệt độ, áp suất, thể tích) chứ không phụ thuộc vào cách hệ đạt đến trạng thái đó. Trong một chu trình nhiệt động, hệ bắt đầu từ một trạng thái ban đầu và sau một loạt các quá trình, quay trở lại đúng trạng thái ban đầu đó. Vì vậy, trạng thái cuối cùng giống hệt trạng thái ban đầu, và do nội năng là hàm trạng thái, biến thiên nội năng của hệ trong một chu trình nhiệt động luôn bằng không (ΔU = 0).