Back to the topics list

thay đổi trạng thái của vật chất

Có ba trạng thái / pha của vật chất là rắn, lỏng và khí. Cùng một chất có thể tồn tại ở cả ba pha trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau. Ví dụ, nước đá (rắn) ở 0° khi được làm nóng sẽ trở thành nước (lỏng) ở 0°C, khi được làm nóng thêm sẽ chuyển thành hơi (khí) ở 100°C. Do đó, ở một áp suất khí quyển, nước được tìm thấy ở cả ba pha ở các nhiệt độ khác nhau.

Quá trình biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác ở nhiệt độ không đổi gọi là sự biến đổi pha . Nó được mang lại do sự trao đổi nhiệt.
Sự thay đổi từ pha rắn sang pha lỏng được gọi là sự nóng chảy , trong khi sự thay đổi ngược lại từ chất lỏng sang chất rắn được gọi là sự đóng băng. Sự thay đổi từ chất lỏng sang hơi được gọi là sự hóa hơi, trong khi sự thay đổi ngược lại từ chất khí sang chất lỏng được gọi là sự ngưng tụ (hoặc hóa lỏng). Sự chuyển trực tiếp từ thể rắn sang thể hơi gọi là sự thăng hoa và sự biến đổi ngược lại từ thể hơi sang thể rắn gọi là sự lắng đọng.

NÓNG CHẢY VÀ ĐÔNG LẠNH

Sự chuyển từ pha rắn sang pha lỏng bằng cách hấp thụ nhiệt ở nhiệt độ không đổi được gọi là sự nóng chảy. Các nhiệt độ không đổi mà tại đó chất rắn chuyển sang thể lỏng gọi là nhiệt độ nóng chảy của chất rắn. Sự thay đổi ngược lại từ pha lỏng sang pha rắn với sự giải phóng nhiệt ở nhiệt độ không đổi được gọi là sự đóng băng và nhiệt độ mà chất lỏng đóng băng thành chất rắn được gọi là điểm đóng băng của nó. Năng lượng nhiệt được hấp thụ trong quá trình nóng chảy và nó bị loại bỏ trong quá trình đóng băng ở nhiệt độ không đổi.

Đường cong nhiệt của nước đá trong quá trình nóng chảy

Nhìn vào biểu đồ trên. Nhiệt độ của nước đá không đổi bằng 0°C trong phần AB cho đến khi toàn bộ nước đá tan chảy. Nhiệt cung cấp trong thời gian này được sử dụng để làm tan băng. Sau đó, nhiệt độ của nước hình thành do băng tan bắt đầu tăng từ 0 °C (phần BC).

BAY HƠI HOẶC SÔI

Sự chuyển từ pha lỏng sang pha khí (hoặc hơi) do sự hấp thụ nhiệt ở nhiệt độ không đổi được gọi là sự hóa hơi. Nhiệt độ cụ thể mà tại đó sự hóa hơi xảy ra được gọi là điểm sôi của chất lỏng. Tương tự, sự thay đổi từ pha hơi sang pha lỏng khi giải phóng nhiệt ở nhiệt độ không đổi được gọi là sự ngưng tụ và nhiệt độ cụ thể tại đó xảy ra sự ngưng tụ được gọi là điểm ngưng tụ của hơi.
Năng lượng nhiệt được hấp thụ ở nhiệt độ không đổi trong quá trình hóa hơi, trong khi cùng một lượng năng lượng nhiệt được giải phóng trong quá trình ngưng tụ ở nhiệt độ đó cho cùng một khối lượng chất.

Đường cong nhiệt của nước

Tại điểm A, nước ở nhiệt độ phòng (20°C) và sau đó với sự hấp thụ năng lượng nhiệt, nhiệt độ của nước tăng liên tục ở phần AB nơi nó ở trạng thái lỏng. Tại điểm B bắt đầu sôi và nhiệt độ không tăng thêm trong phần BC, năng lượng nhiệt được hấp thụ liên tục và biểu thị cho sự sôi của nước, với B là điểm sôi của nước.

Tại sao chúng ta thêm muối trong khi nấu đậu? Điều này dựa trên thực tế là việc thêm tạp chất làm tăng nhiệt độ sôi của nước. Chúng tôi thêm muối trong khi nấu các loại đậu, do đó, nước sẽ cung cấp đủ năng lượng nhiệt cho các thành phần của nó trước khi đun sôi và do đó việc nấu trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn. Vì sao nấu thức ăn ở vùng đồi lâu hơn ở vùng đồng bằng? Điều này dựa trên thực tế là điểm sôi giảm khi áp suất giảm. Ở những nơi có độ cao lớn như đồi núi, áp suất khí quyển thấp nên ở những nơi này, nước sôi ở nhiệt độ thấp hơn 100°C và do đó không cung cấp nhiệt năng cần thiết cho nội dung của nó để nấu ăn. Do đó nấu ăn mất nhiều thời gian hơn ở những nơi như vậy.

NHIỆT ẨN VÀ NHIỆT ẨM CỤ THỂ

Trong quá trình thay đổi pha của một chất diễn ra ở nhiệt độ không đổi, một lượng năng lượng nhiệt đáng kể được hấp thụ hoặc giải phóng.   Vì năng lượng nhiệt được hấp thụ hoặc giải phóng trong quá trình thay đổi pha không được biểu hiện ra bên ngoài bởi bất kỳ sự tăng hoặc giảm nhiệt độ nào, nên nó được gọi là Nhiệt ẩn.
Nhiệt ẩn, khi được biểu thị cho một đơn vị khối lượng của một chất, được gọi là nhiệt ẩn cụ thể và được ký hiệu là ký hiệu L.

Đơn vị SI của nhiệt ẩn cụ thể là J kg ^-1 , các đơn vị phổ biến khác là cal g ^-1 .
1 cal g ^-1 = 4,2 × 10 ³ J kg ^-1

Nhiệt nóng chảy là năng lượng nhiệt phải được rút ra để hóa rắn một khối lượng hoặc lượng chất lỏng nhất định hoặc thêm vào để làm tan chảy một khối lượng hoặc lượng chất rắn nhất định. Nó còn được gọi là nhiệt ẩn của phản ứng tổng hợp. Ẩn nhiệt hóa hơi là nhiệt tiêu thụ hoặc thải ra khi vật chất phân hủy, thay đổi trạng thái từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí ở nhiệt độ không đổi.
Nhiệt ẩn riêng của quá trình nóng chảy nước đá là năng lượng nhiệt cần thiết để làm tan chảy một đơn vị khối lượng nước đá ở 0 °C thành nước ở 0 °C mà không có bất kỳ sự thay đổi nào về nhiệt độ. Nhiệt dung riêng của sự đóng băng băng là năng lượng nhiệt được giải phóng/giải phóng khi một đơn vị khối lượng của nước ở 0 °C đóng băng thành băng ở 0 °C mà không có bất kỳ sự thay đổi nào về nhiệt độ. Đối với nước đá, ẩn nhiệt riêng của phản ứng tổng hợp là 336000 J kg ^-1 , có nghĩa là 1 kg nước đá ở 0 °C hấp thụ 336000 J năng lượng nhiệt để chuyển thành nước ở 0 °C. Đối với sự hóa hơi, đó là lượng nhiệt (540 cal g ^-1 ) dự kiến sẽ biến đổi trên 1 g nước thành 1 g hơi nước. Một lượng nhiệt tương tự được giải phóng trong giai đoạn di chuyển trong quá trình tích tụ 1 g nước khói thành 1 g nước.

Giải thích ẩn nhiệt nóng chảy trên cơ sở mô hình động học
Theo mô hình động học, các phân tử trong chất rắn dao động quanh vị trí trung bình của chúng. Tổng năng lượng của một phân tử là tổng của động năng (phụ thuộc vào nhiệt độ) do chuyển động của nó và thế năng của nó (phụ thuộc vào lực hút giữa các phân tử và sự phân tách giữa chúng). Khi chất rắn chuyển thành chất lỏng mà không thay đổi nhiệt độ, động năng trung bình của các phân tử không thay đổi nhưng sự phân cách trung bình giữa các phân tử tăng lên. Một số năng lượng là cần thiết để tăng sự phân tách chống lại lực hấp dẫn giữa các phân tử (nghĩa là để tăng thế năng của các phân tử). Do đó, nhiệt năng cung cấp trong quá trình nóng chảy chỉ được sử dụng để làm tăng thế năng của các phân tử và được gọi là ẩn nhiệt nóng chảy.

ví dụ

• Tuyết trên núi không tan hết cùng một lúc: Lý do là băng có nhiệt dung nóng chảy riêng cao (336000 J kg ^-1 ). Nó chuyển thành nước từ từ khi nhận năng lượng nhiệt từ mặt trời. Nếu nhiệt ẩn thấp, tất cả tuyết sẽ tan trong thời gian ngắn khi nhận được nhiệt từ mặt trời và sẽ có lũ lụt ở các con sông.
• Ở xứ lạnh, nước trong hồ, ao không bị đóng băng cùng một lúc: Nguyên nhân là do nhiệt dung riêng của nước đá nóng chảy ẩn đủ cao, do đó nước trong hồ, ao sẽ phải tỏa một lượng nhiệt lớn để xung quanh trước khi đóng băng. Lớp băng hình thành trên bề mặt nước là một chất dẫn nhiệt kém cũng sẽ ngăn sự thất thoát nhiệt từ nước trong hồ do đó nó không bị đóng băng cùng một lúc.
• Đồ uống được làm lạnh nhanh hơn bằng cách thêm một viên đá so với nước đá lạnh ở 0 °C: Điều này là do 1 gam đá ở 0 °C cần 336 J năng lượng nhiệt từ thức uống để tan vào nước ở 0 ° C. Điều này khiến đồ uống giải phóng thêm 336 J năng lượng nhiệt cho 1 gam nước đá ở 0 °C, so với 1 gam nước đá lạnh ở 0 °C.

• Đổ mồ hôi làm mát: Đổ mồ hôi là một chức năng cơ thể cứu mạng sống giúp điều chỉnh nhiệt độ cơ thể của bạn. Khi thời tiết nóng hoặc nhiệt độ cơ thể tăng lên do tập thể dục hoặc sốt, mồ hôi sẽ được tiết ra qua các ống dẫn trên da. Nó chứa 90% nước. Những giọt mồ hôi có trên cơ thể bạn sử dụng nhiệt của cơ thể để chuyển pha từ lỏng sang hơi. Điều này dẫn đến hiệu ứng làm mát giúp duy trì nhiệt độ cơ thể và làm mát cơ thể.
• Luôn cẩn thận khi mở nắp nồi khi nước trong nồi đang sôi: Nước có nhiệt hóa hơi riêng lớn. Khi hơi nước ngưng tụ trên da cánh tay của bạn, một lượng nhiệt ẩn rất lớn sẽ được giải phóng, gây bỏng nặng.

Câu 1: Nhiệt lượng cần cung cấp để làm tan chảy 10kg nước đá là bao nhiêu? (Nhiệt dung riêng của nước đá = 336 J g ^-1 )
Giải: m = 10 kg, L = 336 J g ^-1
Năng lượng nhiệt cần thiết = mL = 10000 × 336 = 3360000 J

Câu 2: Nhiệt độ của 250 gam nước ở 40°C được hạ xuống 0°C bằng cách thêm nước đá vào. Tìm khối lượng nước đá đã thêm vào. (Nhiệt dung riêng của nước đá là 336 J g ^-1 và nhiệt dung riêng của nước là 4,2 J g ^-1 K ^-1 )
Giải: Nhiệt năng do nước mất đi = nhiệt năng do nước đá thu được
Nhiệt độ giảm là 40 − 0 = 40 °C.
Nhiệt lượng nước mất đi = m⋅c⋅Δt = 250 × 4,2 × 40 = 42000 J
Nhiệt lượng do nước đá thu vào = 42000 = khối lượng nước đá × 336 ⇒ khối lượng nước đá = 42000 ∕ 336 = 125 g

Câu 3: Nhiệt năng tỏa ra 10125J làm sôi 4,5g nước ở 100°c thành hơi nước ở 100°c, tìm ẩn nhiệt của hơi nước theo đơn vị SI.
Giải: Ẩn nhiệt của hơi nước L = 10125 J ∕ (4,5 × 10 ^-3 ) kg = 2250 × 10 ³ J∕kg