Câu hỏi: Tiến hành thí nghiệm với một lượng nhôm ở nhiệt độ ban đầu là 30°C. Biết nhiệt nóng chảy riêng của nhôm là 4×10⁵ J/kg, nhiệt độ nóng chảy của nhôm là 660°C, nhiệt dung riêng của nhôm là 880 J/kg.K. Hãy xét tính đúng sai của các phát biểu sau:
- a) Độ biến thiên nhiệt độ của nhôm từ nhiệt độ ban đầu đến khi nóng chảy trong thang nhiệt độ Kelvin là 603 K.
- b) Nhôm sẽ cần thu nhiệt lượng 880 J để 1 kg nhôm nóng lên thêm 1°C.
- c) Cần cung cấp nhiệt lượng 80 kJ để miếng nhôm khối lượng 0,2 kg nóng chảy hoàn toàn tại nhiệt độ nóng chảy.
Đáp án đúng là: a) Sai, b) Đúng, c) Đúng. Độ biến thiên nhiệt độ của nhôm từ 30°C đến nhiệt độ nóng chảy của nhôm là 630 K chứ không phải 603 K; ý b chính là định nghĩa nhiệt dung riêng của nhôm; nhiệt lượng để 0,2 kg nhôm nóng chảy hoàn toàn tại nhiệt độ nóng chảy là Q = λm = 80 kJ, trùng với phát biểu.
Vì sao ý b và ý c đúng
Ý b đúng vì phát biểu này nêu đúng định nghĩa nhiệt dung riêng của nhôm. Nhiệt dung riêng c = 880 J/kg.K nghĩa là: để 1 kg nhôm nóng lên thêm 1°C (tương đương 1 K) thì cần cung cấp cho nó 880 J nhiệt lượng. Kiểm chứng bằng công thức nhiệt lượng sơ cấp Q = mcΔT với m = 1 kg và ΔT = 1°C: Q = 1 × 880 × 1 = 880 J, trùng khớp với con số trong phát biểu.
Ý c đúng, được kiểm tra qua các bước sau:
- Phát biểu yêu cầu nhôm “nóng chảy hoàn toàn tại nhiệt độ nóng chảy”, tức nhôm đã ở 660°C, nên chỉ áp dụng công thức nhiệt nóng chảy: Q = λm, với λ = 4×10⁵ J/kg là nhiệt nóng chảy riêng, m là khối lượng nhôm.
- Thay số: Q = 0,2 × 4×10⁵ = 8×10⁴ J = 80 kJ.
- Kết quả 80 kJ trùng với giá trị 80 kJ trong phát biểu, nên ý c đúng.
Cần lưu ý điều kiện áp dụng: vì nhôm đã nằm ở nhiệt độ nóng chảy nên 80 kJ chỉ là phần nhiệt lượng dùng để đổi pha từ rắn sang lỏng, không bao gồm phần nhiệt đun nhôm từ 30°C lên 660°C.
Vì sao ý a sai
Ý a sai vì độ biến thiên nhiệt độ thực tế là 630 K, không phải 603 K. Các bước tính:
- Đổi nhiệt độ ban đầu sang thang Kelvin: t₁ = 30 + 273 = 303 K.
- Đổi nhiệt độ nóng chảy sang thang Kelvin: t₂ = 660 + 273 = 933 K.
- Độ biến thiên nhiệt độ: ΔT = 933 − 303 = 630 K.
Có cách kiểm tra nhanh: vì khoảng cách 1°C bằng đúng khoảng cách 1 K nên ΔT(K) = ΔT(°C), suy ra ΔT = 660 − 30 = 630 K mà không cần đổi trước hai đầu mút. Đây là ý dễ nhầm nhất trong bài: 603 và 630 chỉ hoán đổi vị trí hai chữ số cuối, rất dễ đọc hay chép nhầm khi làm bài nhanh. Nguyên nhân sai thường gặp là lỗi phép trừ hoặc nhầm khi đổi thang nhiệt độ, chứ không phải do khái niệm.
Hệ thống kiến thức liên quan
Bài tập này gom ba kiến thức nền tảng của chương nhiệt học, cần tách bạch rõ để không dùng nhầm công thức:
- Quan hệ giữa hai thang nhiệt độ: T(K) = t(°C) + 273. Khi cần độ biến thiên nhiệt độ thì ΔT(K) = ΔT(°C), vì hai thang chỉ khác nhau ở điểm mốc 0.
- Nhiệt lượng làm nóng chảy vật liệu (chưa tới nhiệt độ nóng chảy): Q = mcΔT, với c là nhiệt dung riêng (J/kg.K). Công thức này chỉ dùng cho giai đoạn nhiệt độ tăng, không kèm đổi pha.
- Nhiệt lượng nóng chảy (đổi pha): Q = λm, với λ là nhiệt nóng chảy riêng (J/kg). Trong suốt quá trình nóng chảy tại nhiệt độ nóng chảy, vật vẫn thu nhiệt nhưng nhiệt độ giữ nguyên.
- Nếu đề hỏi tổng nhiệt lượng đun nhôm từ 30°C đến nóng chảy hết, phải cộng cả hai phần: Q = mcΔT + λm.
- Chú ý đơn vị khi tính: λ nhân với m (kg) cho kết quả ra J; 1 kJ = 1000 J.
Mẹo ghi nhớ và nhận diện nhanh
Để nhận diện nhanh công thức cần dùng, hãy nhìn vào cụm từ trong đề: gặp “nóng lên thêm bao nhiêu độ” thì dùng Q = mcΔT; gặp “nóng chảy hoàn toàn tại nhiệt độ nóng chảy” thì dùng Q = λm. Với câu hỏi đổi thang Kelvin, nếu đề chỉ hỏi độ biến thiên nhiệt độ thì lấy trực tiếp hiệu theo °C, khỏi cần cộng 273. Sau khi tính xong, đối chiếu từng chữ số của kết quả với phát biểu — bẫy 603/630 trong ý a cho thấy một chữ số viết ngược cũng đủ biến phát biểu đúng thành sai. Cuối cùng luôn rà đơn vị J hay kJ trước khi kết luận.
Bài viết liên quan: