Giải bài tập SGK Vật lý 10 Nâng cao Bài 60: Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh. Nguyên lí II nhiệt động lực học

Chuyển động nào dưới đây không đề cập đến việc biến đổi từ nhiệt sang công?

A. Chuyển động quay của đèn kéo quân.

B. Sự bật lên của nắp ấm nước khi nước trong ấm đang sôi.

C. Bèo trôi trên dòng sông.

D. Sự bay lên của khí cầu hở nhờ đốt nóng khí bên trong khí cầu.

Phương pháp giải

Để trả lời câu hỏi này cần nắm được nội dung lí thuyết về các nguyên lí nhiệt động lực học

Hướng dẫn giải

- Chuyển động của bèo trôi trên dòng sông không đề cập đến việc biến đổi từ nhiệt sang công

- Chọn C

Một động cơ nhiệt làm việc sau một thời gian thì tác nhân đã nhận từ nguồn nóng nhiệt lượng Q₁=1,5.10⁶, truyền cho nguồn lạnh nhiệt lượng Q′₂=1,2.10⁶.

Hãy tính hiệu suất thực của động cơ nhiệt này và so sánh nó với hiệu suất cực đại nếu nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh lần lượt là 250⁰C và 30⁰C.

Phương pháp giải

- Tính hiệu suất thực theo công thức:

\(H = \frac{{{Q_1} - {Q_2}}}{{{Q_1}}}\)

- Tính hiệu suất cực đại theo công thức:

\({H_{\max }} = \frac{{{T_1} - {T_2}}}{{{T_1}}}\)

Hướng dẫn giải

- Hiệu suất thực của động cơ:

\(H = \frac{{{Q_1} - {Q_2}}}{{{Q_1}}} = \frac{{{{1,5.10}^6} - {{1,2.10}^6}}}{{{{1,5.10}^6}}} = 20{\rm{\% }}\)

- Hiệu suất cực đại của động cơ:

\(\begin{array}{l} {H_{\max }} = \frac{{{T_1} - {T_2}}}{{{T_1}}}\\ = \frac{{\left( {250 + 273} \right) - \left( {30 + 273} \right)}}{{250 + 273}} \approx 42{\rm{\% }} \end{array}\)

- So sánh: H<H_max

Ở một động cơ nhiệt, nhiệt độ của nguồn nóng là 520^oC, của nguồn lạnh là 20^oC. Hỏi công cực đại mà động cơ thực hiện được nếu nó nhận từ nguồn nóng nhiệt lượng 10⁷J? Công cực đại là công mà động cơ nhiệt sinh ra nếu hiệu suất của nó là cực đại.

Phương pháp giải

Áp dụng công thức: |A|_max=(T₂−T₁)/T₁.Q₁ để tính công cực đại

Hướng dẫn giải

- Ta có: 

+ H_max= (T₂−T₁)/T₁

+ H_max= |A|_max/Q₁

- Công cực đại mà động cơ thực hiện được là:

|A|_max=(T₂−T₁)/T₁.Q₁

⇒|A|_max=[(520-20)/(520+237)].10⁷= 0,63.10⁷(J)

Để nhiệt độ trong phòng ở 20⁰C, người ta dùng một máy lạnh (trong trường hợp này người ta gọi là máy điều hòa không khí) mỗi giờ tiêu thụ công bằng 5.10⁶J.

Tính nhiệt lượng lấy từ không khí trong phòng mỗi giờ, biết rằng hiệu năng của máy lạnh là ε=4

Phương pháp giải

Áp dụng công thức:

\( {Q} = \varepsilon A \) để tính nhiệt lượng

Hướng dẫn giải

Nhiệt lượng lấy từ không khí trong phòng mỗi giờ là:

\(\varepsilon = \frac{{{Q}}}{A} \Rightarrow {Q} = \varepsilon A = {4.5.10^6} = {2.10^7}\)

Hiệu suất thực của một máy hơi nước bằng nửa hiệu suất cực đại. Nhiệt độ của hơi khi ra khỏi lò hơi (nguồn nóng) là 227⁰C và nhiệt độ của buồng ngưng (nguồn lạnh) là 77⁰C. Tính công suất của máy hơi nước này nếu mỗi giờ nó tiêu thụ 700kg than có năng suất tỏa nhiệt là 31.10⁶J/kg.

Phương pháp giải

Tính công suất của máy hơi nước theo cách sau:

- Áp dụng công thức: Q=mg/3600 để tính nhiệt lượng trong một giây

- Tính hiệu suất động cơ theo công thức:

\(\begin{array}{l} H = \frac{1}{2}{H_{{\rm{max}}}} = \frac{1}{2}.\frac{{{T_1} - {T_2}}}{{{T_1}}}\\ \end{array}\)

- Công suất được tính theo công thức: P=H.Q

Hướng dẫn giải

- Nhiệt lượng cấp cho động cơ trong một giây:

\({Q} = \frac{{mg}}{{3600}} = \frac{{{{700.31.10}^6}}}{{3600}} \approx {6,03.10^6}\)

- Hiệu suất động cơ:

\(\begin{array}{l} H = \frac{1}{2}{H_{{\rm{max}}}} = \frac{1}{2}.\frac{{{T_1} - {T_2}}}{{{T_1}}}\\ = \frac{1}{2}.\frac{{(227 + 273) - (77 + 273)}}{{227 + 273}} \end{array}\)

- Công suất ra của động cơ:

\(P = H.{Q} = {6,03.10^6}.0,15 \approx 904 (kW)\)