Nhiệt lượng để nước đá để tăng lên 0^oC

\(Q_2=m_2.c_2.\left(t-t_2\right)=6.2100.\left(0--20\right)=252000J\)

Nhiệt lượng nước tỏa ra để hạ xuống 0^oC

\(Q_1=m_1.c_1.\left(t_1-t\right)=2.4200.\left(25-0\right)=210000J\)

Vì \(Q_1< Q_2\) nên có một lượng nước sẽ đông đặc. Gọi khối lượng nước đông đặc là \(m_3\), ta có phương trình cân bằng nhiệt: 

\(252000=210000+340000m_3\)

\(\Leftrightarrow252000-210000=340000m_3\)

\(\Leftrightarrow42000=340000m_3\)

\(\Leftrightarrow m_3=\dfrac{4200}{3400000}\approx0,12kg\)

Vậy nhiệt độ sau khi cân bằng: \(0^oC\)

Lượng nước còn lại: \(2-0,12=1,88kg\)

Tóm tắt:

\(m_1=2kg\)

\(m_2=30kg\)

\(t_1=25^oC\)

\(t_2=-20^oC\)

\(c_1=4200J/kg.K\)

\(c_2=2100J/kg.K\)

\(\lambda=340000J/kg\)

==========

\(t=?^oC\)

\(m_{\text{nước đá còn trong bình}}=?kg\)

Nhiệt lượng cần thiết để nước đá tăng lên 0^oC:

\(Q_2=m_2.c_2.\left(t-t_2\right)=30.2100.\left(0--20\right)=1260000J\)

Nhiệt lượng cần thiết để nước giảm xuống 0^oC

\(Q_1=m_1.c_1.\left(t_1-t\right)=2.4200.\left(25-0\right)=210000J\)

Vì \(Q_1< Q_2\) nên có một lượng nước sẽ bị đông đặc. Nên ta gọi khối lượng nước đông đặc là \(m_3\), ta có phương trình cân bằng nhiệt: 

\(1260000=210000+340000m_3\)

\(\Leftrightarrow1260000-210000=340000m_3\)

\(\Leftrightarrow1050000=340000m_3\)

\(\Leftrightarrow m_3=\dfrac{1050000}{340000}\approx3,1kg\)

Vậy nhiệt độ nước sau khi cân bằng là \(0^oC\)

Khối lượng nước đá còn lại trong bình: \(m_{\text{nước đá còn trong bình}}=m_2+m_3=30+3,1=33,1kg\)

Gỉa sử trong hệ vật có k vật đầu tiên toả nhiệt (n-k) vật còn lại thu nhiệt

Nhiệt độ cân bằng là T

Nhiệt lượng vật toả ra là:

Q_toả = Q1+ Q2 + ... + Q_k

Q_toả = m1.c1.(t1-T) + m2.c2.(t2-T) + ... + m_k.c_k.(t_k-T)

Nhiệt lượng (n-k) vật thu vào là:

Q_thu = Q_k+1 + Q_k+2 + ... + Q_k

Q_thu = m_k+1 . c_k+1 + ... + m_n . c_n . (T-t_n)

Khi cân bằng nhiệt ta có:

<=> m1.c1.(t1-T) + m2.c2.(t2-T) + ... + m_k.c_k.(t_k-T) = m_k+1 . c_k+1 + ... + m_n . c_n . (T-t_n)

\(\Rightarrow T=\dfrac{m_1.c_1.t_1+m_2.c_2.t_2+...+m_n.c_n.t_n+}{m_1.c_1+m_2.c_2+...+m_n.c_n}\)

Gọi \(m\) là lượng nước chuyển đổi sau mỗi lần chuyển.

Giả sử \(t_1'\) là nhiệt độ cân bằng sau lần chuyển thứ nhất.

Gọi \(t_2'\) là nhiệt độ cân bằng sau lần chuyển thứ hai.

Sau lần chuyển thứ nhất:

Bảo toàn khối lượng: \(m_1+m=m_2-m\Rightarrow m=\dfrac{m_2-m_1}{2}=\dfrac{4-2}{2}=1kg\)

Bảo toàn nhiệt lượng: \(m_1c\left(t_1-t_1'\right)=mc\left(t_2-t_2'\right)\)

\(\Rightarrow2\cdot4200\cdot\left(20-t_1'\right)=1\cdot4200\cdot\left(60-t_2'\right)\) \((1)\)

Sau lần chuyển thứ hai:

Bảo toàn khối lượng: \(m_1+m=m_2\Rightarrow m=m_2-m_1=2kg\)

Bảo toàn nhiệt lượng: \(m_2c\left(t_2-t_2'\right)=mc\left(t_1-t_1'\right)\)

\(\Rightarrow4\cdot4200\cdot\left(60-t_2'\right)=1\cdot4200\cdot\left(30-t_1'\right)\)  \((2)\)

Từ \((1)\) và \((2)\) \(\Rightarrow\left\{{}\begin{matrix}t_1'=\dfrac{130}{7}\approx18,57^oC\\t_2'=\dfrac{400}{7}\approx57,14^oC\end{matrix}\right.\)

Ta có: \(h=\dfrac{1}{2}gt^2=5t^2\)

Thời gian để vật rơi ở quãng đường h - 10 là:

\(h-10=\dfrac{1}{2}gt'^2=5t^2-10=5t'^2\)

\(\Rightarrow t'^2=t^2-2\)

\(\Rightarrow t^2-t'^2=2\left(1\right)\)

Mà \(t-t'=0,2\left(2\right)\)

Từ (1) và (2) \(\Rightarrow t=5,1s\)

Tốc độ của vật khi chạm đất: \(v=v_0+gt=0+10+5,1=51\)m/s

Độ cao h: \(h=v_0t=\dfrac{1}{2}st^2=0.5,1+\dfrac{1}{2}10\left(5,1\right)^2=130,05m\)

\(s_2-s_1=40\Leftrightarrow s-s_1-s_1=40\Leftrightarrow s-2s_1=40\)

\(\Rightarrow\dfrac{1}{2}gt^2-2\cdot\dfrac{1}{2}gt_1^2=40\)

Mà: \(t_1=\dfrac{1}{2}t\Rightarrow\dfrac{1}{2}gt^2-2\cdot\dfrac{1}{2}g\left(\dfrac{1}{2}t\right)^2=40\)

\(\Leftrightarrow\dfrac{1}{4}gt^2=40\Leftrightarrow t=\sqrt{\dfrac{40}{\dfrac{1}{4}g}}=\sqrt{\dfrac{40}{\dfrac{1}{4}\cdot10}}=4\left(s\right)\)

\(\Rightarrow\left\{{}\begin{matrix}h=s=\dfrac{1}{2}gt^2=\dfrac{1}{2}\cdot10\cdot4^2=80\left(m\right)\\v=gt=10\cdot4=40\left(m/s\right)\end{matrix}\right.\)

Vậy: h = 80 (m), t = 4 (s) và v = 40 (m/s).

Đáp án D

Gọi t là thời gian vật rơi