Câu 2:
Cho:
- Công suất điện: \( P_{\text{điện}} = 70\, MW = 7 \times 10^7\, W \)
- Công suất nhiệt: \( P_{\text{nhiệt}} = 300\, MW = 3 \times 10^8\, W \)
- Độ giàu uranium-235: 14,1%
- Năng lượng phân hạch 1 hạt nhân \(^{235}U = 200\, MeV = 200 \times 1.6 \times 10^{-13} = 3.2 \times 10^{-11} J \)
- Thời gian hoạt động: 40 năm
- 1 năm = 365 ngày
a) Nhà máy đã sử dụng năng lượng nhiệt từ phản ứng phân hạch của \(^{235}U\) — Đúng, vì đây là nhà máy điện hạt nhân, công suất nhiệt cho biết năng lượng nhiệt được sinh ra từ phân hạch.
b) Tính khối lượng uranium-235 tiêu thụ trong 1 ngày:
- Năng lượng nhiệt sinh ra trong 1 ngày:
\[
E = P_{\text{nhiệt}} \times t = 3 \times 10^8\, W \times (24 \times 3600) s = 3 \times 10^8 \times 86400 = 2.592 \times 10^{13} J
\]
- Số hạt nhân phân hạch:
\[
N = \frac{E}{3.2 \times 10^{-11}} = \frac{2.592 \times 10^{13}}{3.2 \times 10^{-11}} = 8.1 \times 10^{23} \text{ hạt nhân}
\]
- Khối lượng 1 hạt nhân uranium-235:
\[
m_{\text{hạt nhân}} = \frac{235\,g}{6.02 \times 10^{23}} = 3.9 \times 10^{-22} g
\]
- Khối lượng uranium-235 tiêu thụ trong 1 ngày:
\[
m = N \times m_{\text{hạt nhân}} = 8.1 \times 10^{23} \times 3.9 \times 10^{-22} = 316 g
\]
Như vậy khối lượng tiêu thụ là khoảng 316 g — Đúng.
c) Hiệu suất phát điện:
\[
\eta = \frac{P_{\text{điện}}}{P_{\text{nhiệt}}} = \frac{70}{300} = 0.233 = 23,3\%
\]
— Đúng.
d) Khối lượng nhiên liệu dùng trong 40 năm:
- Tổng năng lượng nhiệt cần:
\[
E_{\text{40 năm}} = P_{\text{nhiệt}} \times (40 \times 365 \times 24 \times 3600) = 3 \times 10^8 \times (40 \times 365 \times 86400) = 3 \times 10^8 \times 1.26 \times 10^9 = 3.78 \times 10^{17} J
\]
- Số hạt nhân phân hạch trong 40 năm:
\[
N = \frac{3.78 \times 10^{17}}{3.2 \times 10^{-11}} = 1.18 \times 10^{28}
\]
- Khối lượng uranium-235:
\[
m = N \times 3.9 \times 10^{-22} g = 1.18 \times 10^{28} \times 3.9 \times 10^{-22} = 4600 \times 10^{3} g = 4600 kg = 4.6 tấn
\]
- Nhưng uranium chỉ có 14,1% độ giàu, vậy khối lượng nhiên liệu là:
\[
m_{\text{nhiên liệu}} = \frac{4.6 tấn}{0.141} \approx 32.7 tấn
\]
— Đúng.
**Kết luận Câu 2:** tất cả các ý a, b, c, d đều đúng.
---
Câu 3:
Cho:
- Mẫu A: \(m_A = 200 g\), \(c_A = 4 J/g.K\), \(t_A = 25^\circ C\)
- Mẫu B: \(t_B = 40^\circ C\)
- Mẫu C: \(t_C = 50^\circ C\)
- Trộn A + B: nhiệt độ cân bằng \(t_{AB} = 35^\circ C\)
- Trộn B + C: nhiệt độ cân bằng \(t_{BC} = 46^\circ C\)
a) Tính nhiệt độ cân bằng khi trộn A + C
Đặt khối lượng của B và C là \(m_B, m_C\), nhiệt dung riêng là \(c_B, c_C\) (chưa cho). Ta sẽ dùng dữ kiện để tìm \(m_B c_B\) và \(m_C c_C\).
Từ A + B:
\[
m_A c_A (t_A - t_{AB}) = m_B c_B (t_{AB} - t_B)
\]
\[
200 \times 4 \times (25 - 35) = m_B c_B \times (35 - 40)
\]
\[
-8000 = m_B c_B \times (-5)
\]
\[
m_B c_B = \frac{8000}{5} = 1600 \, J/K
\]
Từ B + C:
\[
m_B c_B (t_B - t_{BC}) = m_C c_C (t_{BC} - t_C)
\]
\[
1600 \times (40 - 46) = m_C c_C \times (46 - 50)
\]
\[
1600 \times (-6) = m_C c_C \times (-4)
\]
\[
-9600 = -4 m_C c_C \Rightarrow m_C c_C = 2400\, J/K
\]
Bây giờ tính nhiệt độ cân bằng khi trộn A + C:
\[
m_A c_A (t - t_A) + m_C c_C (t - t_C) = 0
\]
\[
200 \times 4 (t - 25) + 2400 (t - 50) = 0
\]
\[
800 (t - 25) + 2400 (t - 50) = 0
\]
\[
800 t - 20000 + 2400 t - 120000 = 0
\]
\[
3200 t = 140000
\]
\[
t = \frac{140000}{3200} = 43.75^\circ C \approx 44^\circ C
\]
Do đề bài cho câu a là 43°C, nên câu a — Đúng gần đúng.
b) Nhiệt độ cân bằng khi trộn cả ba mẫu:
Tổng nhiệt:
\[
m_A c_A (t - t_A) + m_B c_B (t - t_B) + m_C c_C (t - t_C) = 0
\]
Thay số:
\[
800 (t - 25) + 1600 (t - 40) + 2400 (t - 50) = 0
\]
\[
800 t - 20000 + 1600 t - 64000 + 2400 t - 120000 = 0
\]
\[
(800 + 1600 + 2400) t = 20000 + 64000 + 120000 = 204000
\]
\[
4800 t = 204000 \Rightarrow t = \frac{204000}{4800} = 42.5^\circ C
\]
Câu b — Đúng.
c) Pha thêm một mẫu nước trà đen (C) nữa: tức là \(m_C c_C\) tăng gấp đôi:
Tổng nhiệt:
\[
800 (t - 25) + 1600 (t - 40) + 4800 (t - 50) = 0
\]
\[
800 t - 20000 + 1600 t - 64000 + 4800 t - 240000 = 0
\]
\[
(800 + 1600 + 4800) t = 20000 + 64000 + 240000 = 324000
\]
\[
7200 t = 324000 \Rightarrow t = \frac{324000}{7200} = 45^\circ C
\]
Câu c — Đúng.
d) Bỏ thêm 1 kg đá ở -15°C vào hỗn hợp ở c (nhiệt độ 45°C), tính khối lượng đá còn lại.
Cho:
- \(m_{đá} = 1000 g\)
- \(c_{đá} = 2.1 J/g.K\)
- Nhiệt nóng chảy đá: \(L = 334 J/g\)
- Nhiệt độ ban đầu đá: \(-15^\circ C\)
- Nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp trước khi thêm đá: \(45^\circ C\)
Nhiệt cần để làm đá từ -15°C lên 0°C:
\[
Q_1 = m c (0 - (-15)) = 1000 \times 2.1 \times 15 = 31500 J
\]
Nhiệt cần để làm đá tan hoàn toàn:
\[
Q_2 = m L = 1000 \times 334 = 334000 J
\]
Tổng nhiệt cần để đá lên 0°C và tan hết:
\[
Q = Q_1 + Q_2 = 31500 + 334000 = 365500 J
\]
Nhiệt mà hỗn hợp cung cấp để làm đá tan:
\[
Q' = m_{\text{hỗn hợp}} c_{\text{hh}} (45 - t_{\text{cân bằng cuối}})
\]
Nếu đá tan chưa hết, nhiệt độ cân bằng cuối sẽ là 0°C. Giả sử nhiệt cung cấp từ hỗn hợp là \(Q' = m_{\text{hỗn hợp}} c_{\text{hh}} (45 - 0) \approx 4800 \times (45 - 0) = 216000 J\)
Số nhiệt này nhỏ hơn \(Q\) cần để làm đá tan hết, nghĩa là đá không tan hết. Số nhiệt dư có thể tính để xác định khối lượng đá tan:
Giả sử đá tan khối lượng \(m_{tan}\):
\[
Q' = m_{tan} \times 2.1 \times 15 + m_{tan} \times 334 = m_{tan} (31.5 + 334) = m_{tan} \times 365.5 J
\]
Nhiệt lượng cung cấp từ hỗn hợp là \(Q' = 4800 \times (45 - 0) = 216000 J\)
Do đó:
\[
216000 = m_{tan} \times 365.5 \Rightarrow m_{tan} = \frac{216000}{365.5} \approx 591 g
\]
Khối lượng đá còn lại:
\[
1000 - 591 = 409 g = 0.409 kg
\]
Vậy đá còn lại là khoảng 0.41 kg, không phải 0.88 kg như đề bài.
**Kết luận Câu 3:**
a) Đúng
b) Đúng
c) Đúng
d) Sai (đá còn lại khoảng 0,41 kg, không phải 0,88 kg)
---
**Tóm tắt kết quả:**
- Câu 2: a, b, c, d đều đúng.
- Câu 3: a, b, c đúng; d sai.