Bài 1. Cấu trúc của chất. Sự chuyển thể – Tóm tắt Vật lí 12

Khái niệm

Chất được cấu tạo từ các hạt: phân tử, nguyên tử hoặc ion.
Các hạt chuyển động không ngừng và hỗn loạn; đó là chuyển động nhiệt. Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho mức độ chuyển động nhiệt: nhiệt độ càng cao, chuyển động nhiệt càng mạnh.
Chất tồn tại ở ba thể rắn, lỏng, khí; sự thay đổi từ thể này sang thể khác gọi là sự chuyển thể.
Quá trình chuyển thể kèm theo thu hoặc tỏa nhiệt lượng: $Q=m\lambda$ hoặc $Q=mL$ .

1. Cấu trúc của chất và chuyển động nhiệt

Định nghĩa

Chất được cấu tạo từ những hạt riêng biệt gọi là hạt cấu tạo nên chất. Tuỳ chất mà hạt đó có thể là phân tử, nguyên tử hoặc ion.
Các hạt cấu tạo nên chất chuyển động không ngừng và hỗn loạn; chuyển động đó gọi là chuyển động nhiệt.

Từ mô hình trên, nhiệt độ được hiểu một cách định tính: vật càng nóng thì các hạt chuyển động càng nhanh; càng lạnh thì chuyển động nhiệt càng yếu. Vì vậy, nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho mức độ chuyển động nhiệt của các hạt cấu tạo nên chất.

Ba thể khác nhau chủ yếu do khoảng cách giữa các hạt và mức độ ràng buộc giữa chúng:

Thể	Nhận xét về hình dạng, thể tích	Sự sắp xếp và chuyển động của hạt
Rắn	Giữ nguyên hình dạng và thể tích	Hạt sắp xếp có trật tự, kề nhau; phần lớn chỉ dao động quanh vị trí cân bằng
Lỏng	Không giữ nguyên hình dạng, vẫn giữ thể tích	Hạt vẫn ở gần nhau, dao động quanh vị trí cân bằng không cố định nên có thể di chuyển
Khí	Không giữ hình dạng, lấp đầy bình chứa	Hạt rất xa nhau, chuyển động tự do, hỗn loạn

2. Sự chuyển thể

Định nghĩa

Sự thay đổi từ thể này sang thể khác của chất gọi là sự chuyển thể. Trong quá trình chuyển thể, chất phải thu hoặc tỏa nhiệt lượng. Ở áp suất xác định, chất rắn kết tinh nóng chảy (đông đặc) và chất lỏng sôi ở một nhiệt độ xác định, nhiệt độ không thay đổi trong suốt quá trình đó.

Quá trình	Chiều chuyển thể	Nhiệt lượng
Nóng chảy	Rắn $\to$ lỏng	Thu nhiệt
Đông đặc	Lỏng $\to$ rắn	Tỏa nhiệt
Bay hơi (gồm sôi và bốc hơi)	Lỏng $\to$ khí	Thu nhiệt
Ngưng tụ	Khí $\to$ lỏng	Tỏa nhiệt
Thăng hoa	Rắn $\to$ khí	Thu nhiệt
Ngưng kết	Khí $\to$ rắn	Tỏa nhiệt

Điểm nóng chảy, điểm sôi và hai dạng bay hơi

Nhiệt độ nóng chảy (điểm nóng chảy) là nhiệt độ mà chất rắn kết tinh nóng chảy; suốt thời gian nóng chảy, nhiệt độ được giữ không đổi. Chất rắn vô định hình (thuỷ tinh, nhựa…) không có nhiệt độ nóng chảy xác định.
Nhiệt độ sôi (điểm sôi) là nhiệt độ mà sự sôi xảy ra; nhiệt độ sôi phụ thuộc áp suất: áp suất bên ngoài càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao, và ngược lại.
Bay hơi gồm hai dạng: sôi xảy ra trong toàn thể chất lỏng, chỉ ở nhiệt độ sôi; bốc hơi chỉ xảy ra ở bề mặt, diễn ra ở mọi nhiệt độ.

3. Nhiệt lượng của quá trình chuyển thể

Nhiệt lượng trong quá trình chuyển thể.

Khi làm tan chảy hoàn toàn một khối lượng chất rắn ở nhiệt độ nóng chảy, nhiệt lượng cần cung cấp

Q=m\lambda.

Khi làm bay hơi hoàn toàn một khối lượng chất lỏng ở nhiệt độ sôi, nhiệt lượng cần cung cấp

Q=mL.

Ngược lại, khi đông đặc hay ngưng tụ, chất có nhiệt độ chuyển thể tương ứng sẽ tỏa ra nhiệt lượng có độ lớn bằng các biểu thức trên.

Kí hiệu và đơn vị

$Q$ : nhiệt lượng thu vào hoặc toả ra, đơn vị jun, kí hiệu J.
$m$ : khối lượng chất chuyển thể, đơn vị ki-lô-gam, kí hiệu kg.
$\lambda$ : nhiệt nóng chảy riêng, đơn vị J/kg.
$L$ : nhiệt hóa hơi riêng, đơn vị J/kg.

Lưu ý

Trong lúc chất rắn kết tinh đang nóng chảy hay chất lỏng đang sôi, nhiệt độ giữ nguyên; nhiệt lượng cung cấp dùng để phá vỡ liên kết giữa các hạt, chứ không làm tăng nhiệt độ. Nếu đề bài cho sẵn giá trị $\lambda$ hoặc $L$ thì thay trực tiếp vào công thức trên.

4. Phương pháp giải bài tập

Các bước thường dùng

1.
Xác định chất, khối lượng $m$ và tên quá trình chuyển thể (nóng chảy, đông đặc, bay hơi, ngưng tụ, thăng hoa, ngưng kết).
2.
Xác định chiều truyền nhiệt: nóng chảy, bay hơi, thăng hoa thì chất thu nhiệt; đông đặc, ngưng tụ, ngưng kết thì chất tỏa nhiệt.
3.
Chọn công thức đúng: tan chảy hoặc đông đặc dùng $Q=m\lambda$ ; bay hơi hoặc ngưng tụ dùng $Q=mL$ .
4.
Nếu đề bài có thay đổi nhiệt độ trước hoặc sau khi chuyển thể, chia quá trình thành các chặng và kết hợp thêm công thức $Q=mc\Delta T$ (Bài 4); chặng chuyển thể thì nhiệt độ giữ nguyên.
5.
Đổi đơn vị về J và kg cho nhất quán, rồi thay số, tính toán và kết luận đầy đủ (nói rõ chất thu hay tỏa nhiệt).

5. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Tính nhiệt lượng cần cung cấp để làm tan chảy hoàn toàn $0{,}5$ kg nước đá đang ở $0^\circ\mathrm{C}$ . Cho nhiệt nóng chảy riêng của nước đá $\lambda=3{,}34\times10^{5}$ J/kg.

Lời giải

Nước đá đã ở đúng nhiệt độ nóng chảy nên nhiệt lượng chỉ dùng để làm tan chảy, nhiệt độ không đổi:

Q=m\lambda=0{,}5\times 3{,}34\times10^{5}=1{,}67\times10^{5}\ \mathrm{J}.

Ví dụ 2

Tính nhiệt lượng toả ra khi $2$ kg hơi nước ở $100^\circ\mathrm{C}$ ngưng tụ hoàn toàn thành nước ở $100^\circ\mathrm{C}$ . Cho nhiệt hóa hơi riêng của nước $L=2{,}26\times10^{6}$ J/kg.

Lời giải

Ngưng tụ là quá trình khí chuyển sang lỏng, chất toả nhiệt với độ lớn

Q=mL=2\times 2{,}26\times10^{6}=4{,}52\times10^{6}\ \mathrm{J}.

Ví dụ 3

Khối nước đá khối lượng $200$ g ở $0^\circ\mathrm{C}$ được cấp nhiệt lượng $6{,}68\times10^{4}$ J. Cho $\lambda=3{,}34\times10^{5}$ J/kg. Xác định kết quả và trạng thái sau cùng.

Lời giải · 2 bước

Nhiệt lượng cần để tan chảy hết $200$ g nước đá là

Q_{\text{tan}}=m\lambda=0{,}2\times 3{,}34\times10^{5}=6{,}68\times10^{4}\ \mathrm{J}.

Bước 2

So sánh thấy nhiệt lượng cấp vào bằng đúng $Q_{\text{tan}}$ , nên nước đá tan vừa hết; không còn dư nhiệt để làm nóng lên trên $0^\circ\mathrm{C}$ . Vậy thu được $0{,}2$ kg nước ở $0^\circ\mathrm{C}$ .

Câu hỏi 1 (Tự kiểm)

Trên đỉnh núi cao, áp suất khí quyển nhỏ hơn ở đồng bằng. Nước ở đó sôi ở nhiệt độ cao hơn hay thấp hơn $100^\circ\mathrm{C}$ ? Vì sao nấu canh trên núi cao thường lâu chín hơn?

Gợi ý trả lời

Áp suất giảm thì nhiệt độ sôi giảm, nên nước sôi dưới $100^\circ\mathrm{C}$ . Thức ăn được đun ở nhiệt độ thấp hơn nên cần thời gian lâu hơn để đạt mức nhiệt cần thiết.

6. Liên hệ thực tế

Đá tan chảy hấp thụ nhiệt lượng $Q=m\lambda$ từ môi trường; vì thế nước đá dùng để làm lạnh đồ uống.
Mồ hôi trên da bay hơi hấp thụ nhiệt lượng lớn của cơ thể ( $Q=mL$ ), giúp làm mát khi thời tiết nóng hoặc khi vận động mạnh.
Quần áo ướt vẫn có thể khô dù không đun sôi vì nước bốc hơi ở mọi nhiệt độ; phơi nắng, phơi nơi có gió làm tăng tốc độ bốc hơi.
Băng phiến để lâu trong tủ quần áo nhỏ dần do thăng hoa trực tiếp từ rắn sang khí.
Nồi áp suất làm tăng áp suất bên trong, kéo theo nhiệt độ sôi của nước tăng cao hơn $100^\circ\mathrm{C}$ , nhờ đó thức ăn chín nhanh hơn.
Nước đá dùng để bảo quản thực phẩm (cá, rau quả) nhờ nhiệt lượng lớn hấp thụ được khi tan.