Bài 6. Nhiệt hoá hơi riêng – Tóm tắt Vật lí 12

1. Từ hiện tượng đến khái niệm

Đun một nồi nước để lửa vừa: lúc đầu nhiệt độ nước tăng dần. Khi nước đạt $100^{\circ}\mathrm{C}$ và bắt đầu sôi, nếu vẫn tiếp tục cung cấp nhiệt thì nước sôi ở $100^{\circ}\mathrm{C}$ và dần chuyển thành hơi, nhiệt độ không tăng nữa. Suốt quá trình đó, chất lỏng liên tục thu nhiệt lượng nhưng không nóng thêm.

Khái niệm

Nhiệt hoá hơi riêng của một chất lỏng, kí hiệu $L$ , là nhiệt lượng cần truyền cho $1\,\mathrm{kg}$ chất lỏng đó để nó hoá hơi hoàn toàn ở một nhiệt độ xác định.

Đơn vị: $\mathrm{J/kg}$ trong SI. Ngoài ra có thể gặp đơn vị $\mathrm{cal/g}$ , với $1\,\mathrm{cal/g}\approx 4{,}2\cdot 10^{3}\,\mathrm{J/kg}$ .
$L$ là đại lượng đặc trưng của chất lỏng: nước, rượu, amoniac có $L$ khác nhau; giá trị này còn phụ thuộc vào nhiệt độ.
Khi hơi ngưng tụ thành lỏng (ở cùng nhiệt độ), chất toả ra nhiệt lượng có độ lớn bằng nhiệt lượng đã thu vào lúc hoá hơi.

2. Công thức và đơn vị

Công thức nhiệt lượng trong sự hoá hơi và ngưng tụ.

Gọi $L$ là nhiệt hoá hơi riêng của chất lỏng, $m$ là khối lượng chất đã hoá hơi hoặc khối lượng hơi đã ngưng tụ. Nhiệt lượng trao đổi được xác định bởi

Q_{\text{hoá hơi}}=Lm,\qquad Q_{\text{ngưng tụ}}=Lm.

Giải thích kí hiệu và đơn vị SI:

$Q_{\text{hoá hơi}}$ : nhiệt lượng mà chất lỏng thu vào khi hoá hơi, đơn vị $\mathrm{J}$ .
$Q_{\text{ngưng tụ}}$ : nhiệt lượng mà hơi toả ra khi ngưng tụ, đơn vị $\mathrm{J}$ .
$L$ : nhiệt hoá hơi riêng, đơn vị $\mathrm{J/kg}$ .
$m$ : khối lượng chất chuyển thể, đơn vị $\mathrm{kg}$ .

Dưới đây là giá trị gần đúng của $L$ của một số chất lỏng ở nhiệt độ sôi (áp suất tiêu chuẩn):

Chất lỏng	$L$ ( $\mathrm{J/kg}$ )
Amoniac	$1{,}37\cdot 10^{6}$
Nước	$2{,}26\cdot 10^{6}$
Rượu (ethanol)	$0{,}85\cdot 10^{6}$
Ether	$0{,}35\cdot 10^{6}$
Thủy ngân	$0{,}29\cdot 10^{6}$

Phân biệt hai dạng nhiệt lượng

Có chuyển thể lỏng $\to$ khí (hoặc khí $\to$ lỏng) ở nhiệt độ sôi: nhiệt độ không đổi, dùng $Q=Lm$ .
Chỉ làm thay đổi nhiệt độ của vật chưa chuyển thể: dùng $Q=mc\Delta t$ .
Nếu xảy ra cả hai (hơi ngưng tụ rồi nguội đi, hoặc nước được đun nóng tới sôi rồi hoá hơi), ta lấy tổng nhiệt lượng của các chặng.

Thí nghiệm đo nhiệt hoá hơi riêng của nước

Đun nước đang sôi bằng dây điện trở có công suất $\mathcal{P}$ (đo bằng oát kế hoặc jun kế); dùng cân đo khối lượng nước $m$ đã hoá hơi sau thời gian $\tau$ . Bỏ qua hao phí:

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

3. Phương pháp giải bài tập

Các bước thường dùng

1.
Xác định các quá trình nhiệt xảy ra: có chuyển thể không? Có làm biến đổi nhiệt độ không?
2.
Viết nhiệt lượng cho từng quá trình: chuyển thể dùng $Lm$ ; biến đổi nhiệt độ dùng $mc\Delta t$ .
3.
Với hệ kín, không trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài, áp dụng phương trình cân bằng nhiệt

$Q_{\text{toả}}=Q_{\text{thu}}.$
4.
Giải phương trình, rồi kiểm tra lại nhiệt độ cuối có phù hợp với thể đã giả thiết hay không.

4. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Tính nhiệt lượng cần cung cấp để làm cho $150\,\mathrm{g}$ nước ở $100^{\circ}\mathrm{C}$ hoá hơi hoàn toàn ở $100^{\circ}\mathrm{C}$ . Biết $L_{\text{nước}}=2{,}26\cdot 10^{6}\,\mathrm{J/kg}$ .

Lời giải · 2 bước

Khối lượng nước $m=150\,\mathrm{g}=0{,}15\,\mathrm{kg}$ . Vì nước đã ở $100^{\circ}\mathrm{C}$ , nhiệt chỉ dùng để chuyển thể:

Q_{\text{hoá hơi}}=Lm=2{,}26\cdot 10^{6}\cdot 0{,}15=3{,}39\cdot 10^{5}\,\mathrm{J}.

Bước 2

Nhận xét: cùng một nhiệt lượng ấy, nếu dùng để tăng nhiệt độ nước lạnh (lấy $c=4200\,\mathrm{J/(kg\cdot K)}$ ), đủ đun nóng khoảng $0{,}8\,\mathrm{kg}$ nước từ $0^{\circ}\mathrm{C}$ lên $100^{\circ}\mathrm{C}$ . Điều đó cho thấy nhiệt hoá hơi riêng của nước rất lớn.

Ví dụ 2

Trong một bình kín cách nhiệt có $0{,}50\,\mathrm{kg}$ nước ở $20^{\circ}\mathrm{C}$ . Cho vào bình $20\,\mathrm{g}$ hơi nước ở $100^{\circ}\mathrm{C}$ . Bỏ qua hao phí nhiệt ra môi trường. Tính nhiệt độ cuối của nước trong bình. Lấy $L=2{,}26\cdot 10^{6}\,\mathrm{J/kg}$ , $c_{\text{nước}}=4{,}2\cdot 10^{3}\,\mathrm{J/(kg\cdot K)}$ .

Lời giải · 5 bước

Gọi $t$ là nhiệt độ chung cuối cùng. Khối lượng hơi nước ngưng tụ $m_h=0{,}020\,\mathrm{kg}$ , khối lượng nước ban đầu $m_n=0{,}50\,\mathrm{kg}$ .

Bước 2

Hơi nước toả nhiệt gồm hai chặng: ngưng tụ rồi nguội từ $100^{\circ}\mathrm{C}$ xuống $t$ :

Q_{\text{toả}}=Lm_h+c m_h\,(100-t).

Bước 3

Nước trong bình thu nhiệt:

Q_{\text{thu}}=c m_n\,(t-20).

Bước 4

Áp dụng $Q_{\text{toả}}=Q_{\text{thu}}$ :

2{,}26\cdot 10^{6}\cdot 0{,}020+4{,}2\cdot 10^{3}\cdot 0{,}020\,(100-t)=4{,}2\cdot 10^{3}\cdot 0{,}50\,(t-20).

45\,200+8\,400-84t=2\,100t-42\,000\ \Rightarrow\ 2\,184\,t=95\,600.

Bước 5

Suy ra $t\approx 43{,}8^{\circ}\mathrm{C}$ . Vì $t<100^{\circ}\mathrm{C}$ , toàn bộ hơi nước đã ngưng tụ nên giả thiết là hợp lí.

5. Liên hệ với thực tế

Cơ thể tự làm mát: mồ hôi tiết ra da rồi bay hơi, thu nhiệt lượng lớn (do nhiệt hoá hơi riêng của nước lớn) nên làm hạ nhiệt độ cơ thể.
Máy lạnh, tủ lạnh: chất làm lạnh bay hơi ở dàn lạnh bên trong, thu nhiệt từ không khí; sau đó được nén và ngưng tụ ở dàn nóng, toả nhiệt ra ngoài.
Sưởi ấm bằng hơi nước: hơi ngưng tụ trong bộ tản nhiệt, toả nhiệt $Lm$ lớn nên sưởi ấm hiệu quả.
Bỏng do hơi nước nặng hơn nước sôi: ở cùng $100^{\circ}\mathrm{C}$ , hơi nước khi gặp da vừa toả nhiệt ngưng tụ $Lm$ rất lớn, vừa toả nhiệt do hạ nhiệt độ.

Nhớ nhanh

1. Từ hiện tượng đến khái niệm

2. Công thức và đơn vị

3. Phương pháp giải bài tập

4. Ví dụ minh hoạ

5. Liên hệ với thực tế