CHƯƠNG 1: VẬT LÝ NHIỆT

BÀI 1. SỰ CHUYỂN THỂ

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Trong công nghiệp, người ta có thể tạo ra các hợp kim, các sản phẩm đúc kim loại bằng cách nấu chảy kim loại và đổ vào khuôn (Hình 1.1). Một ấm nước được đun sôi và tiếp tục đun thì lượng nước trong ấm sẽ cạn dần (Hình 1.2). Trong các quá trình trên, kim loại và nước đã có sự chuyển thể như thế nào và quá trình chuyển thể này tuân theo những quy luật nào?

Giải nhanh:

- Những quy luật của quá trình chuyển thể: 

1. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ VÀ CẤU TRÚC VẬT CHẤT

Thảo luận 1: Nêu các tính chất của chất rắn, chất lỏng, chất khí về hình dạng và thể tích của chúng. Các tính chất này được giải thích như thế nào?

Giải nhanh:

Luyện tập: Dựa vào mô hình động học phân tử, hãy giải thích hiện tượng: Mở lọ nước hoa và đặt ở một góc trong phòng, một lúc sau, người trong phòng có thể ngửi thấy mùi nước hoa.

Giải nhanh:

Trong nước hoa có các phân tử mùi có khả năng bay hơi ở nhiệt độ phòng. Do đó khi mở lọ nước hoa, theo tính chất vật lý của chất khí, va chạm với các phân tử khác trong không khí,  và lan tỏa ra mọi phía.

2. SỰ CHUYỂN THỂ CỦA CÁC CHẤT

Thảo luận 2: Nêu tên các quá trình chuyển thể qua lại giữa các thể rắn, lỏng, khí của vật chất mà em đã học?

Giải nhanh:

Các quá trình chuyển thể của vật chất đã được học là:

• Quá trình nóng chảy 

• Quá trình đông đặc

• Quá trình ngưng tụ

• Quá trình hóa hơi (bay hơi

• Quá trình sôi

Thảo luận 3: Lấy ví dụ minh họa quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí và ngược lại.

Giải nhanh:

• Ví dụ về quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí: Đun sôi nước

• Ví dụ về quá trình chuyển từ thể khí sang thể lỏng: Ngưng tụ hơi nước

3. SỰ NÓNG CHẢY

Thảo luận 4: Hãy mô tả quá trình nóng chảy của nước đá (Hình 1.11a) và thanh sôcôla (Hình 1.11b).

Giải nhanh:

Quá trình nóng chảy của nước đá: Khi cung cấp nhiệt độ cho viên nước đá, có sự thay đổi dần dần chuyển từ thể rắn sang thể lỏng của viên nước đá 

Quá trình nóng chảy của thanh sôcôla: Khi cung cấp nhiệt độ cho thanh socola, thanh socola mềm đi và chuyển từ thể rắn sang thể lỏng một cách liên tục

Thảo luận 5: Quan sát đồ thị ở Hình 1.12, từ đó nhận xét về sự biến độ nhiệt độ của chất rắn kết tinh và chất rắn vô định hình trong quá trình chuyển thể từ rắn sang lỏng.

Giải nhanh:

Chất rắn kết tinh có nhiệt độ nóng chảy xác định, khi đạt đến nhiệt độ này, quá trình chuyển thể bắt đầu, chất chuyển từ thể rắn sang thể lỏng. Trong quá trình nóng chảy nhiệt độ đó không thay đổi. Sau khi nóng chảy hoàn toàn thì chất rắn kết tinh chuyển sang thể lỏng, và khi nhiệt độ tiếp tục tăng thì chúng sẽ chuyển sang quá trình biến đổi trạng thái khác.

Thảo luận 6: Vận dụng mô hình động học phân tử, hãy giải thích sự nóng chảy của chất rắn kết tinh

Giải nhanh:

Theo mô hình động học phân tử, ở trạng thái rắn, các phân tử liên kết chặt chẽ trong mạng lưới tinh thể và chỉ dao động quanh vị trí cân bằng. Khi nhiệt độ tăng, biên độ dao động của các phân tử tăng lên. Đến một mức nhiệt độ nhất định, một số phân tử thoát khỏi lực tương tác với các phân tử xung quanh, bắt đầu quá trình nóng chảy.

Luyện tập: Nêu ứng dụng của sự nóng chảy trong công nghiệp luyện kim, hàn điện, thực phẩm.

Giải nhanh:

1. Luyện kim:

Nấu chảy quặng: Sử dụng nhiệt độ cao để nấu chảy quặng kim loại, tách kim loại nguyên chất ra khỏi tạp chất.

Đúc kim loại: Kim loại nóng chảy được đổ vào khuôn để tạo hình sản phẩm cuối cùng, như các bộ phận máy móc, đồ gia dụng, và vật liệu xây dựng.

Hàn điện:

Hàn kim loại: Sử dụng dòng điện để tạo ra nhiệt độ cao làm nóng chảy kim loại ở vị trí cần nối, giúp liên kết chắc chắn các phần kim loại lại với nhau.

Hàn các hợp kim đặc biệt: Áp dụng kỹ thuật hàn để kết hợp các loại hợp kim khó gia công, đảm bảo độ bền và khả năng chịu lực của sản phẩm.

2. Thực phẩm:

Chế biến chocolate: Chocolate được đun chảy để tạo ra các hình dạng khác nhau, như thanh chocolate, kẹo, hay phủ lên các loại bánh.

Sản xuất bơ và phô mai: Quá trình đun chảy giúp trộn đều các thành phần và tạo ra các sản phẩm đồng nhất với kết cấu mịn màng.

Đóng gói thực phẩm: Sử dụng màng nhựa nóng chảy để bọc thực phẩm, bảo quản và kéo dài thời gian sử dụng sản phẩm.

Vận dụng: Từ Bảng 1.1, hãy giải thích tại sao dây tóc bóng đèn sợi đốt thường được làm bằng wolfram.

Giải nhanh:

Do wolfram là kim loại có nhiệt độ nóng chảy rất cao, khi đạt đến một nhiệt độ nhất định sẽ phát sáng (nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy), do đó nó rất bền phù hợp cho việc dùng làm dây tóc bóng đèn

Thảo luận 7: Quan sát Hình 1.13, xác định các quá trình biến đổi ứng với mỗi đoạn AB, BC, CD, DE.

Giải nhanh:

Đoạn AB: nước đá nhận nhiệt lượng để tăng nhiệt độ  

Đoạn BC: nước đá trong quá trình nóng chảy hoàn toàn (chuyển từ thể rắn sang thể lỏng)

Đoạn CD: nước nhận nhiệt lượng tăng nhiệt độ (sôi)

Đoạn DE: nước trong quá trình hóa hơi (chuyển từ thể lỏng sang thể khí)

Luyện tập: Để hàn các linh kiện bị đứt trong mạch điện tử, người thợ sửa chữa thường sử dụng mỏ hàn điện để làm nóng chảy dây thiếc hàn. Biết rằng loại thiếc hàn sử dụng là hỗn hợp của thiếc và chì với tỉ lệ khối lượng là 63:37, khối lượng một cuộn dây thiếc hàn là 50g. Tính nhiệt lượng mỏ hàn cần cung cấp để làm nóng chảy hết một cuộn dây thiếc hàn ở nhiệt độ nóng chảy.

Giải nhanh:

Khối lượng của thiếc trong hỗn hợp là m1= 50,53% = 31,5 g

Khối lượng của thiếc trong hỗn hợp là m2= 50 – m1  = 18,5g

Nhiệt lượng mỏ hàn cần cung cấp để làm nóng chảy hết cuộn dây thiếc là: 

Q = m.c.∆T = 25.10^-3. 18,5. 10^-3+ 0,61. 10 ⁵ . 31,5. 10^-3 = 2384 (J)

4. SỰ HÓA HƠI

Thảo luận 8: Dự đoán các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi của nước trong Hình 1.14.

Giải nhanh:

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi của nước là: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm không khí, diện tích bề mặt nước, gió…

Thảo luận 9: Vận dụng mô hình động học phân tử, hãy giải thích nguyên nhân gây ra sự bay hơi.

Giải nhanh:

Ở thể lỏng, các phân tử dao động không cố định. Khi nhận đủ năng lượng (như nhiệt độ), các phân tử bề mặt có thể thoát khỏi lực liên kết và bay hơi. Phân tử gần bề mặt dễ bay hơi hơn vì có ít liên kết với phân tử lân cận hơn.

Luyện tập:

1. Giả sử được giao nhiệm vụ cất giữ và bảo quản một lít cồn, em hãy nêu cách thực hiện trong điều kiện thực tế sẵn có của gia đình.

2. Rau xanh sau khi thu hoạch thường bị héo rất nhanh khi để ngoài nắng. Vì sao lại có hiện tượng trên? Làm thế nào để hạn chế điều này?

Giải nhanh:

1. 

Thảo luận 10: Vận dụng mô hình động học phân tử, giải thích nguyên nhân gây ra sự sôi của chất lỏng.

Giải nhanh:

Ở thể lỏng, các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng không cố định. Khi được cung cấp nhiệt, các phân tử chuyển động nhanh hơn. Khi nhiệt độ đạt điểm sôi, các phân tử chuyển động mạnh mẽ, phá vỡ liên kết và chuyển sang trạng thái hơi.

Luyện tập: 

1. Bạn A muốn đun sôi 1,5 lít nước bằng bếp gas. Do sơ suất nên bạn quên không tắt bếp khi nước sôi. Tính nhiệt lượng đã làm hóa hơi 1 lít nước trong ấm do sơ suất đó. Biết nhiệt hóa hơi riêng của nước là 2,3.10⁶ J/kg.

2. Tại sao trên núi cao, ta không thể luộc chín trứng bằng nồi thông thường, mặc dù nước trong nồi vẫn sôi?

Giải nhanh:

1. Nhiệt lượng làm hóa hơi 1 lít nước là: Q = m.L = 1.2,3.10⁶ = 2,3.10⁶ (J)

2. Ở núi cao, áp suất không khí nhỏ hơn áp suất chuẩn (1 atm), do đó nhiệt độ sôi của nước nhỏ hơn 100o C dẫn đến không thể luộc chín trứng được.

Vận dụng: Trước đây, để khử trùng các dụng cụ y tế dùng nhiều lần (kéo, kẹp gặp, dao mổ tiểu phẫu,...) người ta thường luộc chúng trong nước sôi. Giả sử cần phải thực hiện nhiệm vụ này nhưng có một số vi khuẩn chỉ bị tiêu diệt ở nhiệt độ 105^oC, trong khi nhiệt độ sôi của nước ở điều kiện tiêu chuẩn là 100^oC. Hãy đề xuất phương án đơn giản để diệt các vi khuẩn này và giải thích.

Giải nhanh:

Các phương pháp có thể sử dụng là:

1. Tăng áp suất. Vì khi áp suất tăng, nhiệt độ sôi của nước cũng tăng.

2. Thêm muối vào nước. 

3. Sử dụng các chất diệt khuẩn để ngâm dụng cụ y tế. 

BÀI TẬP

1. Kết luận nào dưới đây là không đúng với thể rắn?

A. Khoảng cách giữa các phân tử rất gần nhau (cỡ kích thước phân tử)

B. Các phân tử sắp xếp có trật tự

C. Các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng cố định

D. Các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng luôn thay đổi.

Giải nhanh:

Đáp án: D

2. Một nhà máy thép mỗi lần luyện được 35 tấn thép. Cho nhiệt nóng chảy riêng của thép là 2,77.10⁵ J/kg.

a) Tính nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy thép trong mỗi lần luyện của nhà máy ở nhiệt độ nóng chảy.

b) Giả sử nhà máy sử dụng khí đốt để nấu chảy thép trong lò thổi (nồi nấu thép). Biết khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg khí đốt thì nhiệt lượng tỏa ra là 44.10⁶ J. Xác định lượng khí đốt cần sử dụng để tạo ra nhiệt lượng tính được ở câu a.

c) Việc sử dụng khí đốt để vận hành các nhà máy thép có thể gây ra những hậu quả gì cho môi trường và đời sống con người?

Giải nhanh:

a) Nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy thép ở nhiệt độ nóng chảy là:

Q = m.λ = 35.10³.2,77.10⁵ = 9,695.10⁹ (J)

b) Lượng khí đốt lần dùng để tạo ra nhiệt lượng làm nóng chảy thép là: 

m_{khí đốt} =

c) Đốt cháy khí đốt thường sinh ra các khí CO₂, SO₂, NO_x và bụi mịn dẫn đến các hậu quả:

- Ô nhiễm không khí;

- Gây biến đổi khí hậu;

- Gây mưa axit;

- Ảnh hưởng đến sức khỏe con người, đặc biệt là những người sống gần nhà máy thép;