Bài 5. Nhiệt nóng chảy riêng – Tóm tắt Vật lí 12

1. Sự nóng chảy và nhiệt lượng trao đổi

Khái niệm

Nóng chảy là quá trình chuyển thể từ rắn sang lỏng. Ở một áp suất xác định, chất rắn kết tinh nóng chảy ở một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ nóng chảy. Chất rắn vô định hình không có nhiệt độ nóng chảy xác định.
Trong suốt quá trình nóng chảy, nhiệt độ của hỗn hợp rắn–lỏng không thay đổi. Nhiệt lượng cung cấp lúc này làm tăng nội năng để phá vỡ cấu trúc tinh thể, chứ không làm tăng nhiệt độ.
Nhiệt nóng chảy riêng $\lambda$ của một chất là nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy hoàn toàn $\,1\,\mathrm{kg}\,$ chất ở nhiệt độ nóng chảy.

Có thể hình dung quá trình làm nóng một khối băng như sau: băng từ nhiệt độ dưới $\,0^{\circ}\mathrm{C}\,$ được nóng lên; tới $\,0^{\circ}\mathrm{C}\,$ thì bắt đầu tan; trong suốt thời gian băng còn, nhiệt độ vẫn là $\,0^{\circ}\mathrm{C}\,$ ; khi băng đã tan hết, nhiệt độ nước mới tăng lên.

Đồ thị nhiệt độ $\theta$ theo thời gian $t$ khi đun đều một khối nước đá. Đoạn giữa, từ $t_1$ đến $t_2$ , là quá trình nóng chảy: nhiệt độ giữ ở $\theta_0=0^{\circ}\mathrm{C}$ . Đoạn cuối (nước) ít dốc hơn đoạn đầu (nước đá) vì nhiệt dung riêng của nước lớn hơn của nước đá.

2. Công thức và ý nghĩa các đại lượng

Công thức nhiệt nóng chảy.

Nhiệt lượng trao đổi trong quá trình nóng chảy hoặc đông đặc của một khối lượng chất được tính bởi

Q=\lambda m

hoặc

\lambda=\frac{Q}{m}.

Các kí hiệu và đơn vị được dùng như sau.

Đại lượng	Kí hiệu	Đơn vị
Nhiệt nóng chảy riêng	$\lambda$	$\mathrm{J/kg}$
Khối lượng chất chuyển thể	$m$	$\mathrm{kg}$
Nhiệt lượng trao đổi	$Q$	$\mathrm{J}$

Chú ý về dấu và bản chất của đại lượng

Trong quá trình nóng chảy, vật thu vào nhiệt lượng; độ lớn nhiệt lượng thu là $\lambda m$ .
Trong quá trình đông đặc, vật tỏa ra nhiệt lượng có độ lớn cũng bằng $\lambda m$ .
$\lambda$ phụ thuộc vào bản chất của chất, không phụ thuộc vào khối lượng vật.
Không dùng $Q=mc\Delta t$ cho quá trình nóng chảy hay đông đặc, vì trong quá trình này $\Delta t=0$ .

Thí nghiệm đo nhiệt nóng chảy riêng của nước đá

Dùng dây điện trở có công suất $\mathcal{P}$ (đo bằng oát kế hoặc jun kế) làm tan nước đá ở $0^{\circ}\mathrm{C}$ ; dùng cân đo khối lượng $m$ nước đá đã tan sau thời gian $\tau$ . Bỏ qua hao phí:

\lambda=\frac{\mathcal{P}\tau}{m}.

3. Phương pháp giải bài tập

Các bước thường dùng

1.
Xác định các quá trình: làm nóng, làm nguội, nóng chảy, đông đặc; xác định nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của mỗi quá trình.
2.
Với quá trình có biến thiên nhiệt độ, dùng $Q=mc\Delta t$ , trong đó $c$ là nhiệt dung riêng của chất, $\Delta t$ là độ biến thiên nhiệt độ.
3.
Với quá trình nóng chảy hoặc đông đặc, dùng $Q=\lambda m$ .
4.
Cộng nhiệt lượng của các quá trình để được nhiệt lượng tổng cộng.
5.
Nếu bài toán cân bằng nhiệt trong bình kín, ta so sánh độ lớn: tổng nhiệt lượng thu vào bằng tổng nhiệt lượng tỏa ra.

Kiểm tra trạng thái cuối

Khi nhiệt lượng cung cấp nhỏ hơn nhiệt lượng cần thiết để làm tan hết chất rắn ở nhiệt độ nóng chảy, thì chỉ một phần chất rắn tan và hỗn hợp vẫn giữ nguyên nhiệt độ nóng chảy.

4. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1

Cho khối băng khối lượng $3\,\mathrm{kg}$ ở nhiệt độ $0^{\circ}\mathrm{C}$ . Biết nhiệt nóng chảy riêng của nước đá là $\lambda=3{,}34\cdot10^{5}\,\mathrm{J/kg}$ . Tính nhiệt lượng cần cung cấp để làm tan hết khối băng.

Lời giải · 2 bước

Băng đã ở nhiệt độ nóng chảy nên chỉ cần cung cấp nhiệt lượng để làm tan:

Q=\lambda m =\left(3{,}34\cdot10^{5}\right)\cdot 3 =1{,}002\cdot10^{6}\,\mathrm{J}.

Bước 2

Vậy cần cung cấp khoảng $1{,}0\cdot10^{6}\,\mathrm{J}$ . Nếu ngược lại, khối nước đó đông đặc sẽ tỏa ra nhiệt lượng có độ lớn như vậy.

Ví dụ 2

Một khối băng khối lượng $2\,\mathrm{kg}$ ở $0^{\circ}\mathrm{C}$ được cung cấp nhiệt lượng $5{,}01\cdot10^{5}\,\mathrm{J}$ . Biết $\lambda=3{,}34\cdot10^{5}\,\mathrm{J/kg}$ . Hỏi băng có tan hết không? Nếu không, khối lượng băng đã tan là bao nhiêu?

Lời giải · 5 bước

Nhiệt lượng cần để làm tan hết $2\,\mathrm{kg}$ băng là

Q_{1}=\lambda m =\left(3{,}34\cdot10^{5}\right)\cdot 2 =6{,}68\cdot10^{5}\,\mathrm{J}.

Bước 2

Vì

5{,}01\cdot10^{5}\,\mathrm{J}<6{,}68\cdot10^{5}\,\mathrm{J},

Bước 3

nên băng chưa tan hết. Khối lượng băng đã tan là

m_{\text{tan}} =\frac{5{,}01\cdot10^{5}}{3{,}34\cdot10^{5}} =1{,}5\,\mathrm{kg}.

Bước 4

Khối lượng băng còn lại là

2-1{,}5=0{,}5\,\mathrm{kg}.

Bước 5

Hỗn hợp nước–băng vẫn ở nhiệt độ $0^{\circ}\mathrm{C}$ cho đến khi băng tan hết.

5. Liên hệ thực tế

Trong đời sống, nhiệt nóng chảy riêng giải thích vì sao nước đá có tác dụng làm lạnh mạnh dù đang ở nhiệt độ $0^{\circ}\mathrm{C}$ . Muốn làm tan $1\,\mathrm{kg}$ băng ở $0^{\circ}\mathrm{C}$ , người ta phải cung cấp khoảng $3{,}34\cdot10^{5}\,\mathrm{J}$ . Nhiệt lượng này được lấy từ môi trường xung quanh, nên môi trường bị hạ nhiệt độ đáng kể.

Nhờ đó, người ta dùng đá để bảo quản thực phẩm, chườm lạnh khi bị chấn thương. Ngược lại, khi nước đông đặc thành đá, nó toả ra nhiệt lượng có cùng độ lớn.

Nhớ nhanh

1. Sự nóng chảy và nhiệt lượng trao đổi

2. Công thức và ý nghĩa các đại lượng

3. Phương pháp giải bài tập

4. Ví dụ minh họa

5. Liên hệ thực tế