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 rút gọn: 

- Trong quá trình trên thì nấu kim loại chuyển từ rắn sang lỏng và đun sôi nước thì nước chuyển từ lỏng sang khí.

- Quá trình chuyển thể tuân theo quy luật sau:

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 rút gọn:

- Tính chất:

+ Chất rắn: có thể tích và hình dạng riêng xác định. 

+ Chất khí không có hình dạng và thể tích riêng mà nó có hình dạng và thể tích của bình chứa nó.

+ Chất lỏng có thể tích xác định nhưng không có hình dạng xác định mà có hình dạng của phần bình chứa nó.

- Giải thích:

+ Ở thể rắn: các phân tử gần nhau và sắp xếp có trật tự. Lực tương tác giữa các phân tử mạnh, giữ chúng không di chuyển tự do, chỉ dao động quanh vị trí cân bằng xác định.

+ Ở thể khí: các phân tử ở xa nhau, lực tương tác rất yếu nên chuyển động vô cùng hỗn loạn.

+ Ở thể lỏng: khoảng cách lớn hơn khoảng cách các phân tử ở thể rắn và nhỏ hơn khoảng cách các phân tử ở thể lỏng.  Lực tương tác giữa các phân tử lớn hơn khi ở thể khí và nhỏ hơn ở thể rắn.

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 rút gọn:

Khi mở lọ nước hoa, chất lỏng trong lọ bay hơi tạo thành chất khí. Theo mô hình động học phân tử, các phân tử khí này chuyển động hỗn loạn, va chạm với các phân tử khác trong không khí và lan toả xung quanh. Vì vậy, một thời gian ngắn sau khi mở lọ nước hoa, người trong phòng sẽ ngửi thấy mùi.

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 rút gọn:

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 rút gọn:

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

Khi nước được đun sôi đến một nhiệt độ đến 100⁰C thì nước chuyển từ thể lỏng sang thể khí.

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

Khi hơi nước tiếp xúc với bề mặt rắn có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ của hơi nước, nước ngưng tụ thành các màng hoặc giọt chất lỏng trên bề mặt chất rắn.

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 rút gọn:

Quá trình nóng chảy của nước đá: Cung cấp nhiệt độ cho viên đá, khi đến 0⁰C, nước đá chuyển từ thể rắn sang thể lỏng, trong suốt quá trình này, nhiệt độ của nước đá không thay đổi.

Quá trình nóng chảy của thanh sôcôla: Cung cấp nhiệt độ cho thanh socola, thanh chuyển từ thể rắn sang thể lỏng một cách liên tục, trong quá trình này, nhiệt độ của thanh sôcôla tăng liên tục.

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

Giải rút gọn:

Nhận xét:

Chất rắn kết tinh: có nhiệt độ nóng chảy xác định, ban đầu ở thể rắn khi đạt đến nhiệt độ nóng chảy thì quá trình chuyển thể bắt đầu (nhiệt độ giữ ổn định), sau khi nóng chảy hoàn toàn thì chất rắn chuyển sang thể lỏng và nhiệt độ tiếp tục tăng để chuyển sang dạng khác.

Chất rắn vô định hình: không có nhiệt độ nóng chảy xác định. Quá trình chuyển thể diễn ra liên tục và nhiệt độ của chất rắn tăng đều, liên tục.

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

Giải rút gọn:

Giải thích sự nóng chảy của chất rắn kết tinh: Khi cung cấp cho chúng một nhiệt độ nhất định, các phân tử nóng lên dẫn đến tốc độ chuyển động nhiệt của nó tăng lên, mức độ trật tự trong cấu trúc giảm đi. Khi đạt đến nhiệt độ nóng chảy, mạng lưới phân tử ban đầu bị phá vỡ, các vị trí cân bằng không còn cố định, nên các phân tử chất có thể di chuyển tự do hơn. 

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

Giải rút gọn:

1. Công nghiệp luyện kim: Nấu chảy và đúc

2. Hàn điện: 

- Trong hàn điện, sự nóng chảy được sử dụng trong các phương pháp như hàn cọc, hàn đối, hàn hồ quang, và hàn điện trở.

- Nối và sửa chữa kim loại: Sự nóng chảy của các hạt hàn kim loại là quan trọng trong quá trình hàn điện. 

3. Thực phẩm: sản xuất các nguyên liệu thực phẩm đảm bảo chất lượng và độ tinh khiết của sản phẩm, cũng như giảm thiểu sự mất mát trong quá trình sản xuất. 

- Sản xuất bơ: trái bơ được đun sôi để làm mềm. Sau đó, bơ được ép ra từ phần thịt bên trong rồi đun nóng để đạt được dạng lỏng và được đóng gói.

- Sản xuất socola: cacao được rang và xay thành bột sau đó được trộn với đường và sữa để tạo ra hỗn hợp socola rồi đun sôi và khuấy đều đổ vào khuôn và đóng gói.

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

Giải rút gọn:

Dây tóc bóng đèn sợi đốt thường được làm bằng wolfram vì: Wolfram có nhiệt độ nóng chảy cao (3122^oC). Do trong quá trình bóng đèn hoạt động, dây tóc bằng wolfram có thể chịu được nhiệt độ cao mà không bị nóng chảy hoặc biến dạng

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

Giải rút gọn:

Các quá trình biến đổi ứng với mỗi đoạn là:

Đoạn AB: đá bắt đầu tan 

Đoạn BC: đá đang tan (quá trình nóng chảy)

Đoạn CD: nước bắt đầu tăng nhiệt độ.

Đoạn DE: nước đang sôi (quá trình bay hơi)

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 rút gọn:

Nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp thiếc - chì khoảng 183⁰C.

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp thiếc – chì khoảng 150 J/kg.K

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

Q = m.c.∆T = 50.10^-3.150.(183 - 25) = 1185 (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 rút gọn:

Các yếu tố ảnh hưởng 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 rút gọn:

Giải thích: Khi chúng được cung cấp một năng lượng nhất định, các phân tử ở bề mặt chất lỏng sẽ tham gia chuyển động nhiệt, trong đó có những phân tử chuyển động hướng ra ngoài chất lỏng. Khi nhận đủ năng lượng, nó có khả năng vượt qua lực liên kết với các phân tử lân cận và thoát ra khỏi mặt thoáng, trở thành các phân tử hơi. 

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 rút gọn:

1. Cách bảo quản cồn:

- Sử dụng lọ hoặc chai sạch, khô, không mùi để chứa cồn và đóng nắp chặt.

- Bảo quản nơi khô ráo, thoáng mát, tránh ánh nắng trực tiếp.

- Không đặt gần nguồn nhiệt, nơi có nguy cơ cháy nổ.

- Tránh xa tầm tay của trẻ em.

2. - Nguyên nhân: Rau xanh sau khi thu hoạch tiếp tục tiêu thụ năng lượng và nước thông qua quá trình hô hấp và quang hợp, nhưng không có nguồn cung cấp nước và chất dinh dưỡng nên chúng dễ bị héo. Ánh nắng mặt trời cũng làm tăng tốc độ mất nước và chất dinh dưỡng.

- Cách hạn chế:

+ Đặt rau xanh vào tủ lạnh ngay sau khi thu hoạch.

+ Đặt rau xanh vào túi chống hơi nước để giảm tình trạng mất nước.

+ Phun nhẹ nước lên rau xanh để giữ độ ẩm.

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

Giải rút gọn:

Ở thể lỏng, các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng không cố định. Khi được cung cấp nhiệt, các phân tử chất lỏng sẽ tham gia chuyển động nhiệt. Khi đun chất lỏng đến nhiệt độ sôi, các phân tử chất lỏng chuyển động nhanh hơn, làm phá vỡ sự liên kết giữa các phân tử với nhau, phân tử chất lỏng chuyển sang phân tử 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 rút gọn:

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

2. Bởi vì: Trên núi cao, áp suất không khí thấp hơn so với dưới mặt đất. Khi áp suất giảm, nhiệt độ sôi của nước cũng giảm. Do đó, nước sôi ở nhiệt độ thấp hơn 100^oC trên núi cao có thể không đủ để nấu chín thực phẩm. 

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 rút gọn:

Phương án để diệt các vi khuẩn là:

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

2. Thêm muối vào nước. Vì khi muối được thêm vào nước, điểm sôi của hỗn hợp muối và nước sẽ cao hơn điểm sôi của nước.

3. Sử dụng các chất diệt khuẩn để ngâm dụng cụ y tế. Các chất này có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và giúp diệt các vi khuẩn.

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 rút gọn:

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 rút gọn:

a) Nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy thép là: Q = m.λ = 9,695.10⁹ (J)

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

m_{khí đốt} =

c) 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.