Khí sang rắn là gì

38

SỰ CHUYỂN THỂ CỦA CÁC CHẤT

1. Kiến thức

- Định nghĩa và nêu được các đặc điểm của sự nóng chảy và sự đông đặc. Viết được công thức tính nhiệt nóng chảy của vật rắn để giải các bài tập đã cho trong bài.

- Nêu được định nghĩa của sự bay hơi và sự ngưng tụ.

- Phân biệt được hơi khô và hơi bão hoà.

- Định nghĩa và nêu được đặc điểm của sự sôi.

2. Kỹ năng

- Áp dụng được công thức tính nhiệt nóng chảy của vật rắn để giải các bài tập đã cho trong bài.

- Giải thích được nguyên nhân của trạng thái hơi bão hòa dựa trên quá trình cân bằng động giữa bay hơi và ngưng tụ.

- Giải thích được nguyên nhân của các quá trình này dựa trên chuyển động của các phân tử.

- Viết và áp dụng được công thức tính nhiệt hoá hơi của chất lỏng để giải các bài tập đã cho trong bài.

- Nêu được những ứng dụng liên quan đến các quá trình nóng chảy đông đặc, bay hơi ngưng tụ và quá trình sôi trong đời sống và kĩ thuật.

3. Thái độ

- GDMT: Nước từ biển, sông, suối, ao hồbay hơi làm cho khí hậu điều hoà, cây cối phát triển. Sự tuần hoàn của nước trong tự nhiên và vấn đề môi trường.

- Có niềm tin, gần gũi với vật lí học. Thích thú môn học, say mê tìm hiểu khoa học.

Vậy sự chuyển thể [còn gọi là chuyển pha] của các chất có những đặc điểm gì?

Khi vật đang nóng chảy ta vẫn tiếp tục đun, nghĩa là vẫn tiếp tục cung cấp nhiệt lượng cho vật mà nhiệt độ của vật lại không tăng? Nhiệt lượng cung cấp cho vật lúc này dùng để làm gì?

I - SỰ NÓNG CHẢY

Quá trình chuyển từ thể rắn sang thể lỏng của các chất gọi là sự nóng chảy.

Quá trình chuyển ngược từ thể lỏng sang thể rắn của các chất gọi là sự đông đặc.

1. Thí nghiệm

a] Đun nóng chảy thiếc [kim loại], ta được đồ thị biểu diễn sự biến thiên nhiệt độ của thiếc theo thời gian trên Hình 38.1.

b] Làm thí nghiệm khảo sát quá trình nóng chảy và đông đặc đối với nhiều vật rắn tinh thể khác như đồng, nhôm, sắt,...người ta đã đi tới kết luận:

- Mỗi vật rắn tinh thể nóng chảy ở một nhiệt độ không đổi xác định ứng với một áp suất bên ngoài xác định [Bảng 38.1].

- Các vật rắn vô định hình [thủy tinh, nhựa dẻo, sáp, nến,...] không có nhiệt độ nóng chảy xác định.

- Đa số các chất rắn, thể tích của chúng sẽ tăng khi nóng chảy và giảm khi đông đặc [trừ nước đá].

- Đối với các chất rắn, thể tích của chúng tăng khi nóng chảy, nhiệt độ nóng chảy tăng theo áp suất bên ngoài. Ngược lại, đối với các chất có thể tích giảm khi nóng chảy, nhiệt độ nóng chảy của chúng giảm khi áp suất bên ngoài tăng.

Hình 38.1

Bảng 38.1. Nhiệt độ nóng chảy ở áp suất chuẩn

2. Nhiệt nóng chảy

Nhiệt lượng cung cấp cho vật rắn trong quá trình nóng chảy gọi là nhiệt nóng chảy của vật rắn. Nhiệt nóng chảy Q tỉ lệ với khối lượng m của vật rắn:

Q = λm

trong đó, hệ số tỉ lệ λ là nhiệt nóng chảy riêng phụ thuộc vào bản chất của chất rắn nóng chảy [Bảng 38.2], có đơn vị đo là jun trên kilôgam [J/kg].

Từ công thức trên suy ra: Nhiệt nóng chảy riêng của một chất có độ lớn bằng nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng 1 kg chất đó ở nhiệt độ nóng chảy.

3. Ứng dụng

Kim loại được nấu chảy để nấu các chi tiết máy, đúc tượng và chuông, để luyện thành gang thép và các hợp kim khác nhau.

Bảng 38.2. Nhiệt nóng chảy riêng

II - SỰ BAY HƠI

Sự chuyển từ thể lỏng sang thể khí [hơi] ở mặt thoáng chất lỏng gọi là sự bay hơi.

Quá trình chuyển ngược lại từ thể khí [hơi] sang thể lỏng gọi là sự ngưng tụ.

1. Thí nghiệm

a] Đổ một lớp nước lên trên mặt đĩa nhôm. Thổi nhẹ lên mặt nước này hoặc hơ nóng đĩa này, ta thấy lớp nước dần biến mất : nước đã bốc thành hơi bay vào không khí.

Nếu đặt bảng thủy tinh gần miệng cốc nước nóng, ta thấy trên mặt bản thủy tinh xuất hiện các giọt nước: hơi nước từ cốc bay lên đã bay lên đọng thành nước.

b] Làm thí nghiệm với nhiều chất lỏng khác thì hiện tượng cũng xảy ra tương tự.

Nguyên nhân của quá trình bay hơi là do một số phân tử chất lỏng ở mặt thoáng có động năng chuyển động nhiệt lớn nên chúng có thể thắng được công cản do lực hút của các phận tử chất lỏng nằm trên mặt thoáng để thoát ra khỏi mặt thoáng và trở thành phân tử hơi của chính chất ấy. Đồng thời khi đó cũng xảy ra cũng xảy ra quá trình ngưng tụ do một số phân tử hơi của chất này chuyển động nhiệt hỗn loạn va chạm vào mặt thoáng và bị các phân tử chất lỏng nằm trên mặt thoáng hút.

Như vậy sự ngưng tụ luôn xảy ra kèm theo sự bay hơi. Sau mỗi đơn vị thời gian, nếu số phân tử chất lỏng thoát khỏi mặt thoáng nhiều hơn thì ta nói chất lỏng bị "bay hơi". Ngược lại ta nói chất lỏng bị ngưng tụ.

2. Hơi khô và hơi bão hòa

a] Nếu dùng một ống xilanh để hút một ít ête lỏng vào trong ống rồi nút kín lại, sau đó kéo pittông lên để tạo một khoảng trống trên mặt thoáng của ête lỏng thì người ta thấy mức ête lỏng trong ống giảm dần cuối cùng dừng lại.

b] Lúc đầu, tốc độ bay hơi của ête lỏng nhanh hơn tốc độ ngưng tụ của hơi ête nên mức ête lỏng trong ống giảm dần. Nhưng vì mật độ phân tử của hơi ête trên mặt tháng vẫn tiếp tục tăng nên hơi ête chưa được bão hòa và gọi là hơi khô. Áp suất hơi ête tăng dần làm giảm tốc độ bay hơi và tăng tốc độ ngưng tụ. Khi tốc độ ngưng tụ bằng tốc độ bay hơi thì quá trình ngưng tụ - bay hơi đạt trạng thái cân bằng động : mật độ phân tử hơi ête không tăng nữa và hơi ête trên mặt thoáng khi đó gọi là hơi bão hòa.

Làm thí nghiệm với các chất lỏng khác, hiện tượng xảy ra tương tự. Hơi khô càng xa trạng thái bảo hòa sẽ càng tuân theo đúng định luật Bôi-lơ Ma-ri-ốt. Khi hơi bị bão hòa, áp suất của nó đạt giá trị cực đại và được gọi là áp suất hơi bảo hòa.

Áp suất hơi bão hòa không phụ thuộc thể tích và không tuân theo định luật Bôi-lơ Ma-ri-ốt, nó chỉ phụ thuộc bản chất và nhiệt độ của chất lỏng bay hơi.

3. Ứng dụng

Nước từ biển, sông hồ không ngừng bay hơi tạo thành mây, sương mù, mưa, làm khí hậu điều hòa ... Sự bay hơi nước biển được ứng dụng khai thác muối. Sự bay hơi của Âmônic, frêôn,..., được ứng dụng trong kĩ thuật lạnh.

III - SỰ SÔI

Quá trình chuyển thể từ thể lỏng sang thể khí xảy ra ở cả bên trong và trên bề mặt chất lỏng gọi là sự sôi.

1. Thí nghiệm

Làm thí nghiệm với các chất lỏng khác nhau ta thấy:

- Dưới áp suất chuẩn, mỗi chất lỏng sôi ở nhiệt độ xác định và không thay đổi [Bảng 38.3].

- Nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc áp suất, chất khí trên mặt thoáng: áp suất khí càng lớn, nhiệt độ sôi càng cao và ngược lại [Bảng 38.4].

2. Nhiệt hóa hơi

Nhiệt lượng cung cấp cho khối chất lỏng trong quá trình sôi được gọi là nhiệt hóa hơi của chất lỏng ở nhiệt độ sôi:

Q = Lm

trong đó, L là nhiệt hóa hơi riêng [J/kg] phụ thuộc bản chất của chất lỏng, đơn vị là jun trên kilôgam [J/kg]; m là khối lượng của phần chất lỏng đẫ biến thành khí ở nhiệt độ sôi.

Nhiệt hóa hơi riêng của một chất lỏng có độ lớn bằng nhiệt lượng cần cung cấp để làm bay hơi một kg chất đó ở nhiệt độ sôi.

Bảng 38.3. Nhiệt độ sôi ở áp suất chuẩn

* Nói chung chất lỏng có chứa một lượng không khí hòa tan. Khi đun nóng chất lỏng, lượng không khí này thoát ra, vì tính hòa tan giảm cùng với nhiệt độ. Trên thành bình chứa sẽ xuất hiện các bọt không khí, bên trong các bọt sẽ xảy ra hiện tượng bay hơi.

Do hiện tượng nói trên, áp suất trong các bọt tăng lên và chúng tách khỏi thành bình. Chúng biến mất khi đi đến các vùng lạnh hơn [chính lúc đó ấm đun nước ''reo'']. Ðến một lúc nào đó nhiệt độ bên trong chất lỏng sẽ đủ để các bọt khí to ra khi đi lên và vỡ ra ở trên mặt: đó là sự sôi.

Bảng 38.4. Nhiệt độ sôi của nước phụ thuộc vào áp suất

* Cách đọc λ: Lamđa

Quá trình chuyển từ thể rắn sang thể lỏng gọi là sự nóng chảy. Quá trình chuyển ngược lại từ thể lỏng sang thể rắn là sự đông đặc.

Mỗi vật rắn tinh thể nóng chảy [hoặc đông đặc] ở một nhiệt độ không đổi xác định ứng với một áp suất bên ngoài xác định. Các vật rắn vô định hình không có nhiệt độ nóng chảy xác định.

Nhiệt lượng Q cung cấp cho vật rắn trong quá trình nóng chảy gọi là nhiệt nóng chảy :

Q =m

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

Quả trình chuyển từ thể lỏng snag thể khí [hơi] tại mặt thoáng chất lỏng gọi là sự bay hơi. Quá trình chuyển ngược lại từ thể khí sang thể lỏng lag sự ngưng tụ. Sự bay hơi xảy ra ở nhiệt độ bất kỳ luôn kèm theo sự ngưng tụ.

- Khi tốc độ bay hơi lớn hơn tốc độ ngưng tụ, áp suất hơi tăng dần và hơi trên mặt thoáng là hơi khô. Hơi khô tuân theo định luật Boyle - Marriotte.

- Khi tốc độ bay hơi bằng tốc độ ngưng tụ, hơi trên mặt thoáng là hơi bão hòa có áp suất đạt giá trị cực đại gọi là áp suất hơi bão hòa. Áp suất hơi bão hòa không phụ thuộc thể tích và không tuân theo định luật Boyle - Marriotte, nó chỉ phụ thuộc bản chất và nhiệt độ của chất lỏng.

Quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí [hơi] xảy ra ở cả bên trong và trên mặt thoáng chất lỏng gọi là sự sôi.

- Mỗi chất lỏng sôi ở nhiệt độ xác định và không đổi.

- Nhiệt độ sôi của chất lỏng còn phụ thuộc áp suất chất khí trên mặt thoáng: áp suất chất khí càng lớn, nhiệt độ sôi của chất lỏng càng cao và ngược lại.

- Nhiệt lượng Q cung cấp cho khối chất lỏng khi đang sôi gọi là nhiệt hóa hơi của khối chất lỏng ở nhiệt độ sôi:

Q = Lm

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

1. Quá trình chuyển từ thể rắn sang thể lỏng của các chất gọi là

a] nhiệt hóa hơi.

2. Quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể rắn của các chất gọi là

b] hơi bão hòa.

3. Nhiệt lượng cần cung cấp cho vật rắn ở nhiệt độ nóng chảy để vật rắn nóng chảy hoàn toàn gọi là

c] sự ngưng tụ.

4. Đại lượng đo bằng nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy hoàn toàn 1 kg chất rắn ở nhiệt độ nóng chảy và có đơn vị là jun trên kilôgam [J/kg] gọi là

d] áp suất hơi bão hòa.

5. Quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí [hơi] của các chất gọi là

đ] nhiệt nóng chảy.

6. Quá trình chuyển từ thể khí [hơi] sang thể lỏng của các chất gọi là

e] sự sôi.

7. Chất hơi có mật độ phân tử đang tiếp tục tăng gọi là

g] sự bay hơi.

8. Chất hơi có mật độ phân tử không tăng nữa gọi là

h] nhiệt hóa hơi riêng.

9. Áp suất cực đại của trạng thái hơi khi mật độ phân tử của nó không thể tăng thêm được nữa gọi là

i] nhiệt nóng chảy riêng.

10. Quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí [hơi] của các chất xảy ra ở cả bên trong và ở trên bề mặt chất lỏng gọi là

k] sự đông đặc.

11. Nhiệt lượng cần cung cấp cho khối chất lỏng ở nhiệt độ sôi để chuyển hoàn toàn sang thể khí gọi là

l] sự nóng chảy.

12. Đại lượng đo bằng nhiệt lượng cần cung cấp để làm bay hơi hoàn toàn 1 kg chất lỏng ở nhiệt độ sôi và có đơn vị là jun trên kilôgam [J/kg] gọi là

m] hơi khô.