Giải bài tập Vật lý 10 bài 33: Các nguyên lí của nhiệt động lực học

A/ HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI CÁC CÂU HỎI SGK VẬT LÝ 10 TRANG 179, 180
1. Phát biểu và viết biểu thức của nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học. Nêu tên, đơn vị và quy ước dấu của các đại lượng trong biểu thức.
Trả lời:
Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được:
∆U = A + Q
∆U = độ biến thiên nội năng. Đơn vị: J
A = công vật nhận vào hay sinh ra. Đơn vị: J
Q = nhiệt lượng vật nhận vào hay sinh ra. Đơn vị: J
Quy ước về dấu:
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.

2. Phát biểu nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học.
Trả lời
Nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn.

3. Trong các hệ thức sau, hệ thức nào diễn tả quá trình nung nóng khí trong một bình kín khi bỏ qua sự nở vì nhiệt của bình:
A. ∆U = A
B. ∆U = Q + A
C. ∆U = 0
D. ∆U = Q
Đáp án: D (Quá trình đẳng tích)

4. Trong quá trình chất khí nhận nhiệt và sinh công thì Q và A trong biểu thức ∆U = Q + A phải có giá trị:
A. Q < 0 và A > 0
B. Q > 0 và A > 0
C. Q > 0 và A < 0
D. Q < 0 và A < 0
Đáp án: C

5. Trường hợp nào sau đây ứng với quá trình đẳng tích khi nhiệt độ tăng?
A. ∆U = Q với Q > 0
B. ∆U = Q + A với A > 0
C. ∆U = Q + A với A < 0
D. ∆U = Q với Q < 0

6. Người ta thực hiện công 100 J để nén khí trong một xi lanh. Tính độ biến thiên nội năng của khí, biết khí truyền ra môi trưòng xung quanh nhiệt lượng 20 J.
Giải:
Do khí nhận công (A > 0), tỏa nhiệt (Q < 0) nên độ biên thiên nội năng của khí là:
∆U = A - Q = 100 - 20 = 80 J
Đáp số: ∆U = 80 J

7. Người ta truyền cho khí trong xilanh nhiệt lượng 100 J. Khí nở ra thực hiện công 70 J đẩy pít-tông lên. Tính độ biến thiên nội năng của khí.
Giải
Do khí nhận nhiệt lượng (Q > 0) và thực hiện công (A < 0) nên ta có:
∆U = A + Q = -70 + 100 = 30 J
Đáp số: 30 J

8. Khi truyền nhiệt lượng 6.106 J cho khí trong một xi lanh hình trụ thì khí nở ra đẩy pit-tông lên làm thể tích của khí tăng thêm 0,50 m³. Tính độ biến thiên nội năng của khí. Biết áp suất của khí là 8.106 N/m² và coi áp suất này không đổi trong quá trình khí thực hiện công.
Giải
Công của áp lực khí đẩy pit-tông lên:
A = F . ∆h = p . S . ∆h = p.∆V = 4.106 J
Độ biến thiên nội năng của khí:
∆U = Q - A = 2 .106 J
Đáp số: ∆U = 2.106 J

B/ BÀI TẬP LUYỆN TẬP
1. Về mùa hè, người ta có thể dùng máy điều hòa nhiệt độ đề truyền nhiệt từ trong phòng ra ngoài trời, mặc dù nhiệt độ ngoài trời cao hơn trong phòng. Hỏi điều này có vi phạm nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học hay không?
Trả lời:
Theo nguyên lí thứ hai nhiệt động lực học thì nhiệt không thể tự truyền từ nơi nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp hơn. Sự truyền nhiệt từ trong phòng ra ngoài trời không tự xảy ra mà nhờ máy điều hòa ( bộ phận phát động) sinh công A để rút nhiệt trong phòng theo công thức:
A = Q₁ - Q₂

2. Người ta thực hiện một công 250 J để nén khí dựng trong xi lanh. Nội năng của khí tăng 120 J. Tính nhiệt lượng khí truyền cho môi trường xung quanh?
Giải:
Do khí nhận công (A > 0), tỏa nhiệt (Q < 0) nên:
Theo nguyên lí I:
∆U = Q + A
Suy ra
Q = ∆U - A = 120 - 250 = -130 J
Đáp số: Q = -130 J

3. Người ta cung cấp nhiệt lượng 4 J cho chất khí đặt trong một xi lanh đặt nằm ngang. Chất khí nở ra đẩy pit tông đi được một đoạn 10 cm. Hỏi nội năng của chất khí biến thiên một lượng là bao nhiêu? Biết lực ma sát giữa pittông và xi lanh cổ độ lớn 25 N.
Giải
Công chất khí thực hiện để đẩy pittông đi là:
A = F.s = 25.0,1 = 2,5 J
Chất khí nhận nhiệt lượng (Q > 0) và thực hiện công (A < 0).
Theo nguyên lí I ta có độ biến thiên nội năng của chất khí:
∆U = Q - A = 4 – 2,5 = 1,5 J
Đáp số: ∆U = 1,5 J

4. Tính hiệu suất lí tưởng của một động cơ nhiệt biết rằng nhiệt độ của luồng khí nóng khi vào tua bin của động cơ là 400°C, và khi ra khỏi tuabin là 45°C.
Hướng dẫn giải:
T₁ = 273 + 400 = 673 K
T₂ = 273 + 45 = 318 K
Hiệu suất lí tưởng của động cơ nhiệt:
H = = 1 -  = 1 - = 0,53 = 53%
Đáp số: H = 53%

5. Một động cơ nhiệt khi nhận được từ nguồn nóng nhiệt lượng là 2 kJ thì thực hiện công 1/2 J.
a) Xác định hiện suất của động cơ nhiệt.
b) Nêu nguồn nóng có nhiệt độ 150^oC thì nguồn lạnh có nhiệt độ cao nhất bao nhiêu ?
Giải:
T₁ = 273 + 450 = 723 K
a) Hiệu suất của động cơ nhiệt:
H = = = 0,6 = 60%
b) Áp dụng công thức:
H = > = 1 -
Vậy: T₂  T₁ – H.T₁ = 723(1-0,6) = 289,2 K
Nhiệt độ cao nhất của nguồn lạnh:
T_2max = 289,2 K = 16,2°C
Đáp số: a) H = 60%; T_2max = 16,2°C.

6. Tính độ biến thiên, nội năng của một lượng khí biết rằng trong quá trình đun nóng đẳng áp ở áp suất 4.106 N/m² thể tích khí tăng 2,5 lít. Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình đun nóng là 1,5.10⁷ J
Giải:
Công lượng khí thực hiện trong quá trình đun nóng đẳng áp:
A = p. ∆V = 4.10⁶.2,5 = 10⁷ J
Theo nguyên lí I ta có độ biến thiên nội năng của lượng khí:
∆U = Q - A = 5.10⁶ J
Đáp số: ∆U = 5.10⁶ J

7. Một động cơ nhiệt mỗi giây nhận từ nguồn nóng nhiệt lượng 6 kJ đồng thời nhả cho nguồn lạnh 4,5 kJ. Tính hiệu suất của động cơ.
Giải:
Hiệu suất của động cơ nhiệt:
H = = 0,25 = 25%
Đáp số: H = 25%.