1. Mục đích

Xác định nhiệt nóng chảy riêng λ của nước đá bằng cách dùng bình nhiệt lượng kế và bộ sinh nhiệt điện.

Luyện kỹ năng đo thời gian, nhiệt độ, công suất điện và xử lý đồ thị.

2. Dụng cụ

• Bình nhiệt lượng kế có gắn nhiệt kế.
• Điện trở sưởi nhúng trong bình (điện trở đốt), nguồn điện, ampe kế, vôn kế.
• Đồng hồ bấm giây (hoặc bộ ghi thời gian), khuấy.
• Nước đá nghiền (khối lượng m), nước lạnh (nếu cần), cân, băng keo, giấy ghi số liệu.

3. Lý thuyết (công thức chính)

Khi đốt trong bình chứa hỗn hợp nước đá + nước, trong giai đoạn tan hết đá (nhiệt độ ≈ 0°C) nhiệt độ không đổi. Gọi \(τ_M\) là thời gian từ lúc bắt đầu đốt đến lúc toàn bộ đá tan (tức thời điểm nhiệt độ bắt đầu tăng trên đồ thị).

Tổng nhiệt lượng do dòng điện truyền vào trong thời gian \(τ_M\) là:

\(Q_{điện} = \overline{P}.τ_M\)

Trong đó 

\(\overline{P}\) là công suất trung bình của điện trở (W).

Nhiệt này dùng để làm tan khối lượng đá m nên:

\(\overline{P}.τ_M = mλ\)

Suy ra công thức để tính nhiệt nóng chảy riêng:

 \(λ= \frac{\overline{P}.τ_M}{m}\)

 Lưu ý: nếu có tổn thất nhiệt ra môi trường hoặc bình cũng hấp thụ nhiệt thì cần hiệu chỉnh (xem mục Sai số).

4. Tiến hành thí nghiệm (thực hiện từng bước)

• Cân chính xác khối lượng nước đá m (kg), ghi lại. Đổ vào bình nhiệt lượng kế. Nếu cần thêm nước lạnh để che điện trở thì ghi khối lượng nước đó.
• Nối điện trở vào nguồn điện; đặt ampe kế, vôn kế để đo dòng và điện áp. Tính công suất theo P=U.I. Có thể tính nhiều lần và lấy trung bình.
• Nhúng điện trở và nhiệt kế, khuấy nhẹ, bật nguồn, bắt đầu bấm giờ.
• Mỗi khoảng thời gian cố định (ví dụ mỗi 120 s) đọc và ghi nhiệt độ t và công suất. Tiếp tục ghi cho đến khi thấy nhiệt độ bắt đầu tăng rõ rệt (hết đá).
• Dừng nguồn, ghi lại toàn bộ dữ liệu, vẽ đồ thị t theo τ.

5. Xử lý số liệu bước-bước

Ghi bảng dữ liệu( minh họa bên dưới)

Vẽ đồ thị t (trục tung) theo τ (trục hoành) từ dữ liệu.(minh họa bên dưới)

Trên đồ thị, trong giai đoạn tan đá đường biểu diễn gần như một đoạn thẳng nằm ngang tại t ≈ 0°C. Sau khi đá tan hết, nhiệt độ bắt đầu tăng (đường dốc lên).

Xác định \(τ_M\) là giao điểm của đường ngang (đoạn trước) và đường dốc (đoạn sau). Kỹ thuật: fit hai đường thẳng tương ứng phần trước và phần tăng rồi lấy giao điểm.

Tính 

\(\overline{P}\) (công suất trung bình) từ số đo U và I hoặc lấy giá trị trung bình các P đo được.

Áp dụng công thức 

\(λ= \frac{\overline{P}.τ_M}{m}\)

để tính λ. 

6. Ví dụ minh họa (dựa trên bảng mẫu)

Giả sử từ thí nghiệm ta có:

khối lượng nước đá: m=0,25 kg

công suất trung bình: \(\overline{P}=14,24 W\) (lấy từ cột công suất)

từ đồ thị ta đọc được thời điểm kết thúc tan đá 

\(𝜏_M ≈ 600 s \)(ví dụ minh họa)

Tính:

\(λ= \frac{14,24 . 600}{0,25} ≈ 34176 J/Kg\)

Ta viết gọn: 

\(λ≈3,42×10^4 J/kg.\)

Chú ý: giá trị thật của λ (nhiệt nóng chảy riêng của nước đá) là khoảng \(3,34.10^5J/kg\). Nếu kết quả thí nghiệm lệch nhiều (như ví dụ trên kém hơn 10 lần), đó là dấu hiệu có sai số hệ thống — xem phần tiếp theo về nguyên nhân và hiệu chỉnh.

7. Nguyên nhân sai số & cách hiệu chỉnh

Những nguyên nhân làm kết quả thấp hoặc lệch:

Tỏa nhiệt ra môi trường: một phần năng lượng sinh ra bị mất ra môi trường thay vì tan đá. Cần hiệu chỉnh tổn thất nhiệt.

Bình nhiệt lượng kế và nước trong bình cũng hấp thụ nhiệt: nếu ban đầu có phần nước và bình ở 0°C thì ít ảnh hưởng; nhưng nếu nhiệt độ khác 0°C thì cần tính thêm năng lượng làm ấm bình.

Tuy nhiên nếu sai số 10 lần như trong minh họa SGK thì đó có thể là chỉ đơn thuần là số liệu minh họa chứ không phải thật. Trong thực tế công suất có thể lớn hơn, 140W chẳng hạn

8. Dạng toán đồ thị và thí nghiệm

Ví dụ: Một bình nhiệt lượng kế chứa 0,5 kg nước. Thả vào 1 cục nước đá sau đó bật nguồn. Đồ thị nhiệt độ theo thời gian biểu diễn bên dưới. Tính khối lượng cục nước đá và công suất của nguồn điện. Biết nhiệt dung riêng của nước 4200 J/Kg.K, nhiệt nóng chảy riêng của nước đá \(3,34.10^5 J/Kg\).

Giải:

Gọi m là khối lượng cục nước đá.

Nhiệt lượng làm tan cục nước đá:

\(Q_1 = 3,34.10^5m\)

Nhiệt lượng làm cả nước đá sau khi tan và nước ban đầu tăng lên 10°C:

\(Q_2 = (0,5 + m) . 4200 . 10\)

Dựa vào đồ thị ta có:

\(Q_1 = P.600\)

\(Q_2 = P.300\)

Suy ra: 

\( Q_1 = 2Q_2\)

\(3,34.10^5m = 2 . (0,5 + m) . 4200 . 10\)

\(334000m = 84000m + 42000\)

250000m = 42000

m = 0,168 Kg

Công suất nguồn điện:

\( P = \frac{Q_1}{600} = \frac{334000.0,168}{600}\)

P = 93,52 W

Đang tải câu hỏi...