Có 2 cốc chứa nước trà tan có khối lượng m1 ở nhiệt độ t1=45 độ, cốc thứ hai chứa nước tinh khiết có khối lượng m2 ở nhiệt độ t2 = 5 độ. Để làm nguội nước trà trong cốc thư nhất, người ta đổ một khối lượng trà x từ cốc thứ nhất sang cốc thứ hai, sau khi khuấy đều cho cân bằng thì đổ lại cốc thứ nhất cũng một khối lượng x. Kết quả hiệu nhiệt độ ở 2 cốc là 15 độ. Còn nồng độ trà ở cốc thứ nhất gấp k= 2,5 lần cốc thứ hai. Tìm a1=x/m1 và a2=x/m2. Nếu tăng x thì sự chênh lệch nồng độ và nhiệt độ giữa 2 cốc sau khi pha tăng hay giảm? Trong bài toán này, khối lượng trà là nhỏ hơn so với khối lượng nước nên có thể coi khối lượng nước trà bằng khối lượng nước hòa tan trà, nước trà và nước có nhiệt rung riêng như nhau. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt của nước, nước trà với cốc và với môi trường ngoài
gọi n là nồng độ của trà 1 lúc ban đầu
\(n2=\dfrac{\Delta m.n}{\Delta m+m2}=\dfrac{n}{1+\dfrac{m2}{\Delta m}}\left(1\right)\)
thay \(x2=\dfrac{\Delta m}{m2}\)
thay vào trường hợp 1 ta có \(n2=\dfrac{n}{1+\dfrac{1}{x2}}=\dfrac{n.x2}{x2+1}\)
nếu trường hợp đổ trở lại m từ cốc 2 sang cốc 1thì nồng độ nước trà cốc 1
\(n1=\dfrac{\left(m1-\Delta m\right).n+\Delta m.n2}{\left(m1-\Delta m\right)+\Delta m}=\dfrac{\left(m1-\Delta m\right).n+\Delta m.\dfrac{n.x2}{x2+1}}{m1}=n-\dfrac{\Delta m.n}{m1}+\dfrac{\Delta m}{m1}.\dfrac{n.x2}{x2+1}\left(2\right)\)
thay \(x1=\dfrac{\Delta m}{m1}\)
vào trường hợp 2 ta có:\(n1=\left(1-x1\right).n+\dfrac{x1.x2.n}{x2+1}\)
theo giả thiết ta có:\(n1=k.n2\)
hay \(\left(1-x1\right).n+\dfrac{x1.x2.n}{x2+1}=k.\dfrac{n.x2}{x2+1}\)
\(1-x1=\dfrac{\left(k-x1\right).x2}{x2+1}\)
suy ra độ chênh lệch giữa hai cốc:\(k=\dfrac{\left(1-x1\right).\left(1+x2\right)}{x2}+x1=\dfrac{1+x2-x1-x1x2}{x2}+x1=\dfrac{1-x1}{x2}+1\left(3\right)\)
\(< =>\dfrac{1-x1}{x2}=k-1=2,5-1=1,5< =>1=1,5x2+x1\left(4\right)\)
khi đổ nước có khối lượng m từ bình 1 sang bình 2 ta có phương trình cân bằng nhiệt
m.c(t1-t)=m2.c(t-t2)
\(t=\dfrac{\Delta m.c.t1+m2.c.t2}{\Delta m.c+m2.c}=\dfrac{\Delta m.t1+m2.t2}{\Delta m+m2}\)
thêm bớt m2t1 vào tử ta có
\(t=\dfrac{\Delta m.t1+m2.t1+m2.t2-m2.t1}{\Delta m+m2}=t1+\dfrac{m2.\left(t2-t1\right)}{\Delta m+m2}=t1+\dfrac{t2-t1}{x2+1}=t1-\dfrac{t2-t1}{x2+1}\left(6\right)\)
khi đổ m trở lại cốc 1 ta có phương trình cân bằng nhiệt sau
m.c(t'-t)=(m1-m).c(t1-t')
\(=>t'=\dfrac{\Delta m.c.t+\left(m1-\Delta m\right)c.t1}{\Delta m.c\left(m1-\Delta m\right)c}=\dfrac{\Delta m.t+\left(m1-\Delta m\right).t1}{m1}< =>t'=x1.t+t1-x1.t1=x1\left(t-t1\right)+t1\)
thay vào trường hợp 6 ta có:\(t'=\left(t1-\dfrac{t1-t2}{x2+1}\right).x1+t1=t1-\dfrac{x1.\left(t1-t2\right)}{x2+1}\left(< >\right)\)
hiệu nhiệt độ giữa hai cốc
\(t=t'-t=t1-\dfrac{x1.\left(t1-t2\right)}{x2+1}-t1-\dfrac{t1-t2}{x2+1}=\dfrac{t1-t2-x1.\left(t1-t2\right)}{x2+1}=\dfrac{\left(1-x1\right).\left(t1-t2\right)}{x2+1}\left(\backslash\right)\)
thay t1,t2,t vào (/) ta có \(15=\dfrac{\left(1-x1\right).\left(45-5\right)}{x2+1}=>15x2+40x1=25\left(\backslash\backslash\right)\)
giải hệ phương trình từ (4) và (\\) ta có: ta được x1=\(\dfrac{1}{2}\)
x2=\(\dfrac{1}{3}\)
ta thấy khi m tăng thì \(x1=\dfrac{\Delta m}{m1}\)
x2=\(\dfrac{\Delta m}{m2}\)
đều tăng ,do đó từ phần (3) và (//) ta có k và t đều giảm
