Một bình đun nước nóng bằng điện có công suất 9,0 kW. Nước ở 15°C được làm nóng khi đi qua buồng đốt của bình. Nước chảy qua buồng đốt với lưu lượng 5,8.10-3 kg/s. Nhiệt độ của nước khi đi vào buồng đốt là 15°C. Cho nhiệt dung riêng của nước là 4 180 J/kg.K.

a) Tính nhiệt độ của nước khi ra khỏi buồng đốt.

b) Việc tính nhiệt độ ở câu a) được xét trong điều kiện lí tưởng nào?

c) Hãy nêu cách để có thể điều chỉnh nhiệt độ của nước ra khi khỏi buồng đốt.

Lời giải:

a) Phương trình Clapeyron với khối lượng riêng: \[\frac{{{p_1}}}{{{T_1}{\rho _0}}} = \frac{R}{M}.\]

Thay số vào phương trình tìm khối lượng riêng của không khí:

          \(\frac{{{{1,013.10}^5}}}{{1,2\left( {20 + 273} \right)}} = \frac{{8,31}}{M} \Rightarrow M \approx 0,0288\left( {kg/mol} \right) = 28,8\left( {g/mol} \right)\)

⟶ a đúng.

b) Vì ban đầu khí cầu có lỗ hở ở dưới nên áp suất luôn bằng áp suất khí quyển.

⟶ b sai.

c) Khí cầu bắt đầu bay lên:

          \({F_A} = {P_v} + {P_k} \Rightarrow {\rho _0}.{g_V} = mg + {\rho _k}gV \Rightarrow {\rho _0}V = m + {\rho _k}V\left( 1 \right)\)

Thay số vào (1) ta được:

          \(1,2.1,15 = 0,2 + {\rho _k}.1,15 \Rightarrow {\rho _k} = \frac{{118}}{{115}}\left( {kg/{m^3}} \right)\)

Do \({p_1} = const \Rightarrow {\rho _0}{T_1} = {\rho _k}T\)

⇒ \(1,2.\left( {20 + 273} \right) = \frac{{118}}{{115}}.T \Rightarrow T \approx 342,7K \Rightarrow t \approx {69,7^0}C\)

⟶ c sai.

d) Với nhiệt độ \({t_2} = {110^0}C\) thì ban đầu \({F_A} > P\) cho đến khi \({F_A} = P\) thì đạt độ cao cực đại.

Áp dụng phương trình Clapeyron với khối lượng riêng, với áp suất không đổi ta được: \({\rho _0}{T_1} = {\rho _2}{T_2} \Rightarrow 1,2.\left( {20 + 273} \right) = {\rho _2}.\left( {110 + 273} \right) \Rightarrow {\rho _2} = \frac{{1758}}{{1915}}\left( {kg/{m^3}} \right)\)

Khi đến độ cao cực đại: \({F_A} = P\)

\( \Leftrightarrow {F_A} = {P_v} + {P_k}\)

\( \Rightarrow \rho  \cdot gV = mg + {\rho _2}gV\)

\( \Rightarrow \rho V = m + {\rho _2}V\quad (2)\)

Thay số vào \((2)\) ta được:

\(\rho  \cdot 1,15 = 0,2 + \frac{{1758}}{{1915}} \cdot 1,15\)

\( \Rightarrow \rho  \approx 1,09193{\rm{ (kg/}}{{\rm{m}}^3}{\rm{)}}\)

Với \(\rho  = {\rho _0}{e^{\frac{{{\rho _0}gh}}{{{p_1}}}}} \Leftrightarrow 1,09193 = 1,2 \cdot {2,718^{\frac{{1,2 \cdot 10 \cdot h}}{{1,013 \cdot {{10}^5}}}}}\)

\( \Rightarrow h \approx 796,8{\rm{ (m)}}\)

\( \to \) d đúng.

Lời giải:

a) Lượng khí trong bình chứa thay đổi nên không áp dụng được định luật Boyle.

→ a sai

b) Phương trình Clapeyron:

\(pV = nRT = \frac{m}{M}RT \Rightarrow \frac{{{m_2}}}{{{m_1}}} = \frac{{{p_2}}}{{{p_1}}} = \frac{{11}}{{55}}\quad (1)\)

\( \Rightarrow {m_1} - {m_2} = 18 - 17,3 = 0,7{\rm{ (kg)}}\quad (2)\)

Giải \((1)\) và \((2)\) ta được:

\({m_1} = 2,625{\rm{ (kg)}}\)

→ b đúng

c) Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng với khối lượng riêng:

\(\frac{p}{{T \cdot D}} = \frac{R}{M} \Rightarrow \frac{{15 \cdot {{10}^6}}}{{D \cdot (27 + 273)}} = \frac{{8,31}}{{32 \cdot {{10}^{ - 3}}}}\)

\( \Rightarrow D \approx 193{\rm{ (kg/}}{{\rm{m}}^3})\)

→ c đúng

d) Số mol của không khí:

\({n_{kk}} = {n_2} - {n_1} = \frac{{p({V_2} - {V_1})}}{{RT}} = \frac{{101 \cdot {{10}^3} \cdot (6 - 5,7) \cdot {{10}^{ - 3}}}}{{8,31 \cdot (37 + 273)}} = \frac{{101}}{{8587}}{\rm{ (mol)}}\)

\({n_{{O_2}}} = 0,21{n_{kk}} = 0,21 \cdot \frac{{101}}{{8587}} \approx 2,47 \cdot {10^{ - 3}}{\rm{ (mol)}}\)

\({m_{{O_2}}} = {n_{{O_2}}} \cdot M = 2,47 \cdot {10^{ - 3}} \cdot 32 \approx 0,079{\rm{ (g)}}\)

→ d sai