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

Trắc nghiệm: Sự chuyển thể

PHẦN I. Câu trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn. Thí sinh trả lời từ câu 1 đến câu 7. Mỗi câu hỏi thí sinh chỉ lựa chọn một phương án.

Câu 1: Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về mô hình động học phân tử?

A. Lực tương tác giữa các phân tử trong chất lỏng mạnh hơn so với các phân tử trong chất rắn.

B. Khoảng cách giữa các phân tử trong chất lỏng lớn hơn khoảng cách giữa các phân tử trong chất rắn.

C. Các phân tử trong chất rắn chuyển động hỗn độn hơn so với các phân tử trong chất lỏng.

D. Các phân tử trong chất rắn có kích thước lớn hơn so với các phân tử trong chất lỏng.

Câu 2: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về mô hình động học phân tử đối với chất khí?

A. Chất khí gồm các phân tử có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng.

B. Những phân tử này không có cùng khối lượng.

C. Các phân tử chuyển động hỗn loạn, không ngừng.

D. Các phân tử chuyển động nhanh, va chạm đàn hồi với nhau và với thành bình, tạo áp suất lên thành bình.

Câu 3: Chọn phát biểu đúng về sự nóng chảy của một chất nào đó.

A. Xảy ra ở cùng nhiệt độ với sự hoá hơi.

B. Toả nhiệt ra môi trường.

C. Cần cung cấp nhiệt lượng.

D. Xảy ra ở 100 °C.

Câu 4: Vào mùa hè, nước trong hồ thường lạnh hơn không khí. Ví dụ, nước trong hồ bơi có thể ở 22 °C trong khi nhiệt độ không khí là 25 °C. Mặc dù không khí ấm hơn nhưng bạn vẫn cảm thấy lạnh khi ra khỏi nước. Điều này được giải thích là do:

A. Nước cách nhiệt tốt hơn không khí.

B. Trong không khí có hơi nước.

C. Nước trên da bạn đã bay hơi.

D. Hơi nước trong không khí bị ngưng tụ trên da bạn.

Câu 5: Một số chất ở thể rắn như iodine (i-ốt), băng phiến, đá khô (CO₂ ở thể rắn),... có thể chuyển trực tiếp sang ...(1)...khi nó ...(2). Hiện tượng trên gọi là sự thăng hoa. Ngược lại, với sự thăng hoa là sự ngưng kết. Điền cưm từ thích hợp vào chỗ trống.

A. (1) thể lỏng; (2) toả nhiệt.

B. (1) thể hơi; (2) toả nhiệt.

C. (1) thể lỏng; (2) nhận nhiệt.

D. (1) thể hơi; (2) nhận nhiệt.

Câu 6: Tính nhiệt lượng Q cần cung cấp để làm nóng chảy 500 g nước đá ở 0 °C. Biết nhiệt nóng chảy riêng của nước đá bằng 3,34.10⁵ J/kg.

A. Q = 7.10⁷ J.

B. Q = 167 kJ.

C. Q = 167 J.

D. Q = 167.10⁶ J.

Câu 7: Nhiệt hóa hơi riêng của nước là 2,3.10⁶ J/kg. Câu nào sau đây đúng?

A. Một lượng nước bất kì cần thu một lượng nhiệt là 2,3.10⁶ J để bay hơi hoàn toàn.

B. Mỗi kilogam nước cần thu một lượng nhiệt là 2,3.10⁶ J để bay hơi hoàn toàn.

C. Mỗi kilogam nước sẽ tỏa ra một lượng nhiệt là 2,3.10⁶ J khi bay hơi hoàn toàn ở nhiệt độ sôi.

D. Mỗi kilogam nước cần thu một lượng nhiệt là 2,3.10⁶ J để bay hơi hoàn toàn ở nhiệt độ sôi và áp suất chuẩn.

PHẦN II. Câu trắc nghiệm đúng sai. Trong mỗi ý a), b), c), d) ở mỗi câu, thí sinh chọn đúng hoặc sai

Câu hỏi: Các phát biểu sau đây đúng hay sai?

a) Chất khí không có hình dạng và thể tích riêng, luôn chiếm toàn bộ thể tích bình chứa và có thể nén được dễ dàng.

b) Vật ở thể rắn có thể tích và hình dạng riêng, rất khó nén.

c) Vật ở thể lỏng có thể tích riêng nhưng không có hình dạng riêng.

d) Các chất không thể chuyển từ dạng này sang dạng khác.

PHẦN III. Câu trả lời ngắn

Câu hỏi: Một bình đựng nước ở 0,00°C. Người ta làm nước trong bình đông đặc lại bằng cách hút không khí và hơi nước trong bình ra ngoài. Lấy nhiệt nóng chảy riêng của nước là 3,3.105 J/kg và nhiệt hoá hơi riêng ở nước là 2,48.10⁶ J/kg. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài. Tỉ số giữa khối lượng nước bị hoá hơi và khối lượng nước ở trong bình lúc đầu là bao nhiêu?