Lý thuyết Sự chuyển thể - Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Lý thuyết Vật lí 12 Bài 1: Sự chuyển thể

1. Mô hình động học phân tử và cấu trúc vật chất

Mô hình động học phân tử

Mô hình động học phân tử gồm các nội dung cơ bản:

- Vật chất được cấu tạo bởi một số rất lớn những hạt có kích thước rất nhỏ gọi là phân tử. Giữa các phân tử có khoảng cách.

- Các phân tử chuyển động không ngừng, gọi là chuyển động nhiệt. Các phân tử chuyển động nhiệt càng nhanh thì nhiệt độ của vật càng cao.

- Giữa các phân tử có các lực tương tác (hút và đẩy).

Cấu trúc của vật chất

2. Sự chuyển thể của các chất

3. Sự nóng chảy

Sự nóng chảy là quá trình chuyển thể từ thể rắn sang thể lỏng.

Sự nóng chảy của chất rắn kết tinh

Khi nung nóng liên tục một vật rắn kết tinh (ví dụ nước đá), nhiệt độ của vật rắn tăng dần.

Khi nhiệt độ đạt một giá trị xác định gọi là nhiệt độ nóng chảy thì vật bắt đầu chuyển sang thể lỏng và trong suốt quá trình này nhiệt độ của vật là không đổi.

Khi toàn bộ vật rắn đã chuyển sang thể lỏng, tiếp tục cung cấp nhiệt lượng thì nhiệt độ của vật sẽ tiếp tục tăng (Hình 1.12). Như vậy, chất rắn kết tinh có nhiệt độ nóng chảy xác định (ở một áp suất cụ thể).

Sự nóng chảy của chất rắn vô định hình

Khi nung nóng liên tục vật rắn vô định hình (ví dụ thanh sô-cô-la), vật rắn mềm đi và chuyển dần sang thể lỏng một cách liên tục, trong quá trình này nhiệt độ của vật tăng liên tục (Hình 1.12). Do đó, vật rắn vô định hình không có nhiệt độ nóng chảy xác định.

Khi đun nóng đến một nhiệt độ nào đó, vật rắn bắt đầu chuyển trạng thái từ rắn sang lỏng (sự nóng chảy). Chất rắn kết tinh có nhiệt độ nóng chảy xác định (ở một áp suất cụ thể). Chất rắn vô định hình không có nhiệt độ nóng chảy xác định.

Giải thích sự nóng chảy của chất rắn kết tinh

Ở áp suất không đổi, các hạt ở thể rắn liên kết chặt chẽ với nhau, chúng dao động quanh các vị trí cân bằng xác định. Khi nung nóng chất rắn, các hạt được cung cấp nhiệt năng làm tốc độ chuyển động nhiệt của nó tăng lên, mức độ trật tự trong cấu trúc của các hạt giảm đi. Khi đạt đến nhiệt độ nóng chảy, chuyển động của các hạt giống như chuyển động của các phân tử chất lỏng, đó là quá trình nóng chảy.

Nhiệt nóng chảy riêng

Nhiệt lượng nước đá nhận được trong quá trình nóng chảy này tỉ lệ với khối lượng của nó.

Q = mλ

Trong đó, Q là nhiệt lượng khối chất thu vào (đơn vị là J);

m là khối lượng của khối chất (đơn vị là kg);

λ là hằng số phụ thuộc vào bản chất của chất nóng chảy và áp suất môi trường, gọi là nhiệt nóng chảy riêng của chất đó (đơn vị là J/kg).

Nhiệt nóng chảy riêng của một chất có giá trị bằng nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kg chất đó chuyển hoàn toàn từ thể rắn sang thể lỏng tại nhiệt độ nóng chảy:

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

4. Sự hoá hơi

Sự bay hơi

Sự hoá hơi xảy ra trên bề mặt chất lỏng gọi là sự bay hơi. Sự bay hơi xảy ra ở nhiệt độ bất kì. Tốc độ bay hơi của chất lỏng càng nhanh nếu diện tích mặt thoáng càng lớn, tốc độ gió càng lớn, nhiệt độ càng cao, và độ ẩm không khí càng thấp.

Giải thích sự bay hơi

Các phân tử chất lỏng tham gia chuyển động nhiệt, trong đó có những phân tử ở bề mặt chất lỏng chuyển động hướng ra ngoài chất lỏng (Hình 1.15). Một số phân tử chất lỏng này có động năng đủ lớn, thắng lực tương tác giữa các phân từ chất lỏng với nhau thì chúng có thể thoát ra khỏi mặt thoáng, trở thành các phân tử hơi.

Tác dụng của sự bay hơi

Nước từ sông, hồ, biển, ... liên tục bay hơi tạo thành mây, sương mù, mưa, làm cho khí hậu điều hoà, thực vật phát triển. Sự bay hơi của nước biển được ứng dụng trong ngành sản xuất muối. Sự bay hơi của các khí ammonia (NH₂), difluoromethane (CH₂F₂) còn gọi là R-32 .. được sử dụng trong các thiết bị làm lạnh như tủ lạnh, máy điều hoà không khí.

Sự sôi

Sự hoá hơi xảy ra ở bên trong và trên bề mặt chất lỏng gọi là sự sôi. Sự sôi xảy ra ở nhiệt độ sôi. Nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc áp suất khí trên mặt thoáng và bản chất của chất lỏng. Trong suốt thời gian sôi, nhiệt độ chất lỏng không thay đổi.

Giải thích sự sôi của chất lỏng

Khi đun chất lỏng đến nhiệt độ sôi, do tiếp tục được cung cấp nhiệt lượng nên các phân tử chất lỏng chuyển động nhiệt mạnh hơn, làm phá vỡ sự liên kết giữa các phân tử chất lỏng với nhau, phân tử chất lỏng chuyển sang phân tử hơi. Hiện tượng này xảy ra với tất cả các phân tử chất lỏng ở bên trong và trên bề mặt khối chất lỏng.

Nhiệt hoa hơi riêng

Nhiệt lượng nước nhận được trong quá trình hoá hơi tỉ lệ với khối lượng của nó.

Q = mL

Trong đó, Q là nhiệt lượng khối chất lỏng nhận vào (đơn vị là J); m là khối lượng của khối chất lỏng (đơn vị là kg); L là hằng số phụ thuộc vào bản chất chất lỏng hoá hơi và áp suất môi trường, gọi là nhiệt hoá hơi riêng (đơn vị là J/kg).

Nhiệt hoá hơi riêng của một chất lỏng có giá trị bằng nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kg chất lỏng đó hoá hơi hoàn toàn ở nhiệt độ sôi:

$L=\frac{Q}{m}$

Sơ đồ tư duy Sự chuyển thể