Lý thuyết Sự chuyển thể của chất (Khoa học lớp 5 bài 35)

1. Lý thuyết Sự chuyển thể của chất:

* Sự nóng chảy

Sự nóng chảy là một quá trình quan trọng trong vật lý, mô tả sự chuyển động của các phân tử từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng. Khi chất rắn được đun nóng đến một nhiệt độ cụ thể, năng lượng được cung cấp làm tăng động năng của các phân tử, làm cho chúng có khả năng vượt qua lực liên phân tử và di chuyển linh hoạt hơn.

Mỗi chất rắn có một điểm nóng chảy cụ thể, nơi mà nó chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng. Điểm này liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ và áp suất. Ví dụ, nước ở mức áp suất môi trường, nóng chảy ở 100 độ C. Tuy nhiên, với áp suất thấp hơn, nhiệt độ nóng chảy của nước cũng giảm xuống.

Sự đông đặc, ngược lại, là quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới mức nóng chảy, các phân tử mất năng lượng và sắp xếp lại thành cấu trúc rắn hơn. Ví dụ, nước đóng đá ở 0 độ C.

Các chất rắn có thể có nhiều dạng kết tinh khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện nhiệt độ và áp suất. Sự hiểu biết về sự nóng chảy và đông đặc của các chất này không chỉ quan trọng trong nghiên cứu vật lý mà còn trong các ứng dụng thực tế như công nghiệp, y học, và kỹ thuật.

Ngoài ra, cần lưu ý rằng không phải tất cả các chất rắn đều có điểm nóng chảy xác định. Có những chất rắn vô định hình, không có điểm nóng chảy xác định và chúng có thể chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng mà không trải qua quá trình nóng chảy truyền thống.

* Nhiệt nóng chảy

Nhiệt lượng Q cung cấp cho chất rắn trong quá trình nóng chảy được gọi là nhiệt nóng chảy. Đây là lượng năng lượng cần thiết để vượt qua lực liên phân tử và chuyển động các phân tử từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng mà không làm tăng nhiệt độ của chất. Trong quá trình này, nhiệt nóng chảy giúp làm thay đổi cấu trúc phân tử và tạo ra tính linh hoạt hơn trong việc di chuyển.

                  Q = λm

trong đó m là khối lượng riêng của chất rắn, λ là nhiệt nóng chảy riêng của chất rắn và đo bằng J/kg.

Quá trình nóng chảy là một phần quan trọng của vật lý và hóa học, đặc biệt là khi ta nghiên cứu và áp dụng kiến thức về nhiệt động học và động học học chất rắn và chất lỏng. Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng như công nghiệp, năng lượng, và y học.

2. Sự bay hơi:

Sự bay hơi và sự ngưng tụ là hai hiện tượng liên quan đến việc chuyển động của pha hơi và pha lỏng của một chất. Sự bay hơi xảy ra khi các phân tử chất lỏng nhận được đủ năng lượng từ môi trường xung quanh để vượt qua lực hấp dẫn và chuyển sang trạng thái hơi. Ngược lại, sự ngưng tụ là quá trình mà pha hơi chuyển động từ trạng thái hơi về trạng thái lỏng do mất năng lượng.

Một ví dụ cụ thể về sự bay hơi và sự ngưng tụ là quá trình làm lạnh nước. Khi đặt một đồ uống lạnh ra khỏi tủ lạnh, bạn thường thấy một lớp sương mỏng xuất hiện trên bề mặt nó. Đó chính là hơi nước trong không khí chuyển từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng khi tiếp xúc với bề mặt lạnh của đồ uống. Ngược lại, khi bạn đặt một cốc nước ấm lên bàn, bạn có thể thấy nước ngưng tụ trên bề mặt cốc khi chúng ta tiếp xúc với không khí lạnh.

Định luật Bôi-lơ-Ma-ri-ốt giải thích mối quan hệ giữa áp suất hơi và nhiệt độ trong quá trình sự bay hơi. Khi tốc độ bay hơi lớn hơn tốc độ ngưng tụ, áp suất hơi tăng, và chất lỏng được coi là ở trạng thái hơi khô. Khi tốc độ bay hơi bằng tốc độ ngưng tụ, chất lỏng ở trạng thái hơi bão hòa, và áp suất hơi bão hòa đạt giá trị cực đại.

Áp suất hơi bão hòa là một đặc điểm quan trọng của mỗi chất lỏng và có thể ảnh hưởng đến các quá trình vận chuyển và chuyển đổi trạng thái của chất trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

3. Sự sôi:

Sự sôi là quá trình quan trọng khi chất lỏng chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác động của nhiệt độ và áp suất. Đây là một hiện tượng phổ biến trong cuộc sống hàng ngày, như khi đun sôi nước để nấu ăn. Quá trình này xảy ra bên trong và bên trên bề mặt chất lỏng.

Mỗi chất lỏng có nhiệt độ sôi cụ thể và không đổi ở áp suất atm (1 atm). Ví dụ, nước sôi ở 100 độ C ở áp suất 1 atm. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng áp suất có thể ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi của chất lỏng.

Nhiệt độ sôi của chất lỏng tăng theo áp suất chất khí ở phía trên bề mặt chất lỏng. Điều này giải thích tại sao nước sôi ở nhiệt độ thấp hơn khi ở độ cao, nơi áp suất thấp hơn. Đây là nguyên tắc cơ bản của nồng độ cao suốt. Ví dụ, ở độ cao, áp suất không khí thấp hơn, do đó nước có thể sôi ở nhiệt độ thấp hơn so với mức biển.

Hiểu về sự sôi không chỉ quan trọng trong việc nấu ăn mà còn trong nhiều ứng dụng công nghiệp, như sản xuất điện, quá trình hấp thụ nhiệt năng, và trong các thiết bị làm lạnh. Đồng thời, nó cũng liên quan đến nhiều lĩnh vực của vật lý và hóa học.

Nhiệt lượng Q cung cấp cho khối chất lỏng trong khi sôi gọi là nhiệt hóa hơi của khối chất lỏng, nhiệt độ sôi:

                 Q = Lm

trong đó m là khối lượng của phần chất lỏng biến thành hơi, L là nhiệt hóa hơi riêng của chất lỏng và đo bằng J/kg.

4. Bài tập vận dụng:

Bài 1: Người ta thả một cục nước đá khối lượng 80g ở 0°C vào một cốc nhôm đựng 0,4kg nước ở 20°C đặt trong nhiệt lượng kế. Khối lượng của cốc nhôm là 0,20kg. Tính nhiệt độ của nước trong cốc nhôm khi cục nước vừa tan hết. Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá là 3,4.10⁵J/kg. Nhiệt dung riêng của nhôm là 880 J/kg.K và của nước là J/kg.K. Bỏ qua sự mất mát nhiệt độ do nhiệt truyền ra bên ngoài nhiệt lượng kế.

Lời giải:

– Gọi t là nhiệt độ của cốc nước khi cục đá tan hết.

– Nhiệt lượng mà cục nước đá thu vào để tan thành nước ở t°C là: Q₁ = l.m_nđ + c_nđ.m_nđ.t

– Nhiệt lượng mà cốc nhôm và nước tỏa ra cho nước đá là: Q₂ = c_Al . m_Al ( t₁ – t ) + c_n . m_n (t₁ – t)

– Áp dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng. Q₁ = Q₂      Φt = 4,5°C

Bài 2: Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho 5kg nước đá ở -10°C chuyển thành nước ở 0°C. Cho biết nhiệt dung riêng của nước đá là 2090J/kg.K và nhiệt nóng chảy riêng của nước đá 3,4.10⁵J/kg.

Lời giải:

– Nhiệt lượng cần cung cấp cho 5kg nước đá ở -10°C chuyển thành nước đá ở 0°C là: Q₁ = m.c.Δt = 104500 J

– Nhiệt lượng cần cung cấp để 5kg nước đá ở 0°C chuyển thành nước ở 0°C là: Q₂ = λ.m = 17.105 J

– Nhiệt lượng cần cung cấp cho 5kg nước đá ở -10°C chuyển thành nước ở 0°C là: Q = Q₁ + Q₂ = 1804500 J

Bài 3: Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho 10kg nước ở 25°C chuyển thành hơi ở 100°C. Cho biết nhiệt dung riêng của nước 4180 J/kg.K và nhiệt hóa hơi riêng của nước là 2,3.10⁶J/kg.

Lời giải:

– Nhiệt lượng cần cung cấp cho 10kg nước ở 25°C tăng lên 100°C là: Q₁ = m.c.Δt = 3135 KJ

– Nhiệt lượng cần cung cấp để 10kg nước đá ở 100°C chuyển thành hơi nước ở 100°C là: Q₂ = L.m = 23000 KJ

– Nhiệt lượng cần cung cấp cho 10kg nước đá ở 25°C chuyển thành hơi nước ở 100°C là: Q = Q₁ + Q₂ = 26135 KJ

Bài 4: Tính nhiệt lượng cần phải cung cấp để làm cho 0,2 kg nước đá ở -20°C tan thành nước và sau đó được tiếp tục đun sôi để biến hoàn toàn thành hơi nước ở 100°C. Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá là 3,4.10⁵J/kg, nhiệt dung riêng của nước đá là 2,09.10³ J/kg.K, nhiệt dung riêng của nước 4,18.10³ J/kg.K, nhiệt hóa hơi riêng của nước là 2,3.10⁶ J/kg.

Lời giải:

– Nhiệt lượng cần phải cung cấp để làm cho một cục nước đá có khối lượng 0,2kg ở
-20°C tan thành nước và sau đó tiếp tục đun sôi để biến hoàn toàn thành hơi nước ở 100°C.

Q = c_d.m (t₀ – t₁) + l.m + c_n.m(t₂ – t₁)+ L m = 619,96 kJ

Bài 5: Lấy 0,01kg hơi nước ở 100°C cho ngưng tụ trong bình nhiệt lượng kế chứa 0,2kg nước ở 9,5°C. nhiệt độ cuối cùng là 40°C, cho nhiệt dung riêng của nước là c = 4180 J/kg.K. Tính nhiệt hóa hơi của nước.

Lời giải:

– Nhiệt lượng tỏa ra khi ngưng tụ hơi nước ở 100°C thành nước ở 100°C:

Q₁ = L m₁ = 0,01.L

– Nhiệt lượng tỏa ra khi nước ở 100°C thành nước ở 40°C:

Q₂ = m_c(100 – 40) = 0.01 .4180 (100 – 40) = 2508 J

– Nhiệt lượng tỏa ra khi hơi nước ở 100°C biến thành nước ở 40°C:

Q = Q₁ + Q₂ = 0,01 L + 2508       (1)

– Nhiệt lượng cần cung cấp để 0,2kg nước từ 9,5°C thành nước ở 40°C:

Q₃ = 0,2.4180 (40 – 9,5) = 25498 J      (2)

– Theo phương trình cân bằng nhiệt: (1) = (2). Vậy 0,01 L + 2508 = 25498. Suy ra: L = 2,3.10⁶ J/kg.