SGK Vật Lí 10 - Bài 38. Sự chuyển thể của các chất

Hình 38.1 Tảng băng đang tan.
Dựa vào đồ thị trên Hình 38.2, hãy mô tả và nhận xét về sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình nóng chảy và đông đặc của thiếc.
Sự CHUYỂN THỂ CỦA CÁC CHẤT
Khi điều kiện tồn tại (nhiệt độ, áp suất) thay đổi, các chất có thế chuyến thế từ rắn sang lỏng, hỏặc từ lóng sang khí và ngược lại. Nước có thế bay hơi hoặc đông lại thành nước đá, các kim loại có thể chảy lóng và bay hơi.
Vậy sự chuyến thế (còn gọi là chuyến phá) cúa các chất có những đặc điếm 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 lại từ thể lỏng sang thể rắn của các chất gọi là sự đông đặc.
1. Thí nghiệm
ứ) Đun nóng chảy thiếc (kim loại). Theo dõi, ghi và vẽ đường biểu diễn sự biến thiên nhiệt độ. của thiếc theo thời gian trong quá trình chuyển thể từ rắn sang lỏng, ta thu được đồ thị trên Hình 38.2.
ồ) Làm thí nghiệm khảo sát quá trình nóng chảy và đông đặc đối với nhiều chất rắn kết tinh khác như đồng, nhôm, sắt,... người ta đã đi tới kết luận :
Mỗi chất rắn kết tinh (ứng với một cấu trúc tinh thể) có một nhiệt độ nóng chảy không đổi xác định ở mỗi áp suất cho trước (Bảng 38.1).
Các chất rắn vô định hình (thuỷ tinh, nhựa dẻo, sáp nến,...) không có nhiệt độ nóng chảy xầc định.
Đối với đa số các chất rắn, thể tích của chúng sẽ tăng khi nóng chảy và sẽ giảm khi đông đặc. (Riêng nước đá lại có khối lượng riêng nhỏ hơn nước nên nước đá nổi trên mặt nước).
Nhiệt độ nóng chảy của chất rắn thay đổi phụ thuộc áp suất bên ngoài. Đối với các chất có thể tích tăng khi nóng chảy, nhiệt độ nóng chảy của chúng 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.
2. Nhiệt nóng chảy
Nhiệt lượng cung cấp cho chất rắn trong quá trình nóng chảy gọi là nhiệt nóng chảy của chất rắn đó. Nhiệt nóng chảy Q tỉ lệ thuận với khối lượng m của chất rắn :
2 = Ẳm	(38.1)
trong đó hệ số tỉ lệ Ẳ gọi là nhiệt nóng chảy riêng. Giá trị của Ẳ phụ thuộc vào bản chất của chất rắn nóng chảy (Bảng 38.2). Đơn vị đo Ả là jun trên kilôgam (Jỉkg).
Từ công thức (38.1) ta suy ra : Nhiệt nóng chảy riêng của một chất rắn có độ lớn bằng nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy hoàn toàn 1 kg chất rắn đó ở nhiệt độ nóng chảy.
Chất rắn
íc(°C)
Niken
1 452
Sắt
1 530
Thép
1 300
Đồng đỏ
1 083
Vàng
1 063
Bạc
960
Nhôm
659
Chì
327
Thiếc
232
Nước đá
0
chất rắn kết tinh.
Chất rắn
Ẳ(J/kg)
Nước đá
3,33.10s
Nhôm
3.97.105
Sắt
2,72.10s
Chi
0,25.10s
Bạc
0,88.10s
Vàng
0,64.10s
Thiếc
0,59.10s
Bảng 38.1
Nhiệt độ nóng chảy íc của một số chất rắn kết tinh ở áp suất chuẩn.
Bảng 38.2
Nhiệt nóng chảy riêng Ẳ của một số
ứng dụng
Các kim loại được nấu chảy và giữ ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy tc của chúng để đúc các chi tiết máy, đúc tượng và chuông, để luyện thành gang thép và các hợp kim khác nhau.
li - sự BAY HOI
Quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí (hơi) ở bề mặt chất lỏng gọi là sự bay hơi. Quá trình chuyển ngược lại từ thể khí (hơi) sang thể lỏng gọi là sự ngưng tụ.
Hình 38.3
Nhiệt độ của khối chất lỏng khi bay hơi tăng hay giảm ? Tại sao ?
S3 Hãy đoán xem tốc độ bay hơi của chất lỏng phụ thuộc như thế nào vào nhiệt độ, diện tích bề mặt chất lỏng và áp suất khí (hoặc hơi) ở sát phía trên bề mặt chất lỏng ? Tại sao ?
Thí nghiêm
a) Đổ một lớp nước mỏng lên trên mặt đĩa nhôm. Thổi nhẹ lên mặt lớp nước này hoặc hơ nóng đĩa nhôm, ta thấy lớp nước dần dần biến mất: nước đã bốc thành hơi bay vào không khí.
Nếu đặt bản thuỷ tinh gần miệng cốc nước nóng, ta thấy ưên mặt bản thuỷ tinh xuất hiện các giọt nước : hơi nước từ cốc nước đã bay lên đọng thành nước.
b) Nguyên nhân của quá trình bay hơi là do một số phân tử nước ở bề mặt của nước có động năng chuyển động nhiệt lớn, nên chúng có thể thắng được công cản do lực hút của các phân tử nước nằm trên bề mặt của nước và thoát ra khỏi mặt nước, trở thành các phân tử hơi nước (Hình 38.3). Đồng thời khi đó cũng xảy ra quá trình ngưng tụ do một số phân tử hơi nước chuyển động nhiệt hỗn loạn va chạm vào mặt nước, bị các phân tử nước nằm trên bề mặt của nước hút chúng vào trong nước. S3
Làm thí nghiệm với nhiều chất lỏng khác, người ta cũng thấy hiện tượng xảy ra tương tự.
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 bề mặt chất lỏng nhiều hơn số phân tử hơi bị hút vào trong chất lỏng, thì ta nói chất lỏng bị “bay hơi” ; còn nếu số phân tử hơi bị hút vào trong chất lỏng nhiều hơn số phân tử chất lỏng thoát khỏi bề mặt chất lỏng, thì ta nói chất hoi bị “ngưng tụ”.
/ Pit-tông
Ví dụ : ở 20°C, áp suất hơi bão hoà của nước là 17,54 mmHg, của rượu là 44,5 mmHg, của ête là 473 mmHg. Nhưng áp suất hơi bão hoà của nước ở 25°c chỉ bằng 23,8 mmHg và ở 30°C lại tăng lên tới 31,8 mmHg.
S3 Tại sao áp suất hơi bão hoà không phụ thuộc thể tích và lại tăng theo nhiệt độ ?
Hơi khô và hơi bão hoà
Dùng ống xilanh để hút một ít ête lỏng vào trong ống rồi nút kín lại. Sau đó kéo pit-tông lên để tạo ra một khoảng trống trên bề mặt của ête lỏng (Hình 38.4). Người ta quan sát thấy mức ête lỏng trong ống giảm dần và cuối cùng dừng lại {Chú ý : Không thực hiện thí nghiệm này trong lớp.)
Nguyên nhân của hiện tượng trên là do 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 ète trên bề mặt của ête lỏng vẫn tiếp tục tăng, nên hoi ête chưa bị bão hoà và được gọi là hơi khô. Ap suất hơi ête tăng dần làm giảm tốc độ bay hơi và làm tăng tốc độ ngưng tụ. Cho tới khi tốc độ ngưng tụ bằng tốc độ bay hơi thì quá trình bay hơi - ngưng tụ của ête đạt trạng thái cân bằng động : mật độ phân tử hơi ête không tăng nữa. Khi đó hơi ête ở phía trên bề mặt của ête lỏng gọi là hơi bão hoà.
Làm thí nghiệm với các chất lỏng khác, người ta cũng thấy hiện tượng xảy ra tương tự. Khi hơi khô càng xa trạng thái bão hoà, nó càng tuân theo định luật Bôi-lơ - Ma-ri-ốt. Ở nhiệt độ không đổi, nếu giảm thể tích hơi khô thì mật độ các phân tử hơi ở phía trên bề mặt chất lỏng sẽ tăng và áp suất hơi tăng theo. Khi hơi bị bão hoà, áp suất của nó đạt giá trị cực đại và được gọi là áp suất hơi bão hoà.
Áp suất hơi bão hoà 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. G0
ứng dụng
Nước từ biển, sông, hồ,... không ngừng bay hơi tạo thành mây, sương mù, mưa, làm cho khí hậu điều hoà và cây cối phát triển. Sự bay hoi nước biển được sử dụng ương ngành sản xuất muối. Sự bay hơi của amôniac, frêôn,... được sử dụng trong kĩ thuật làm lạnh.
Chất lỏng
fs(°C)
Rượu
78,3	*
Nước -
.100
Xăng
80,2
Dầu hoả
290
Bảng 38.4
Nhiệt độ sôi fs của áp suất.
nước phụ thuộc
Áp suất (atm)
4 (°C) 'I
0,1
45
0,5
81
1
100
5
151
10
181
Chất lỏng
L(J/kg)
Nước
2,3.10®
Amôniac
1,4.10®
Rượu
0,9.10®
Ête
0,4.10®
Thuỷ ngân
0,3.10®
Nhiệt độ sôi ts của một sô' chất lỏng ở áp suất chuẩn.
Bảng 38.5
Nhiệt hoá hơi riêng L của một số chất lỏng ở nhiệt độ sôi và áp suất chuẩn.
Quá trình chuyển từ thế lỏng sang thể khí xảy ra ở cả bên trong và trên bề mặt chất lỏng gọi là sự sôi.
Thí nghiệm
Làm thí nghiệm với các chất lỏng khác nhau, ta nhận 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 còn phụ thuộc áp suất chất khí ở phía trên bề mặt chất lỏng. Áp suất chất khí càng lớn, nhiệt độ sôi càng cao và ngược lại (Bảng 38.4).
Nhiệt hoá hoi
Nhiệt lượng cung cấp cho khối chất lỏng trong quá trình sôi được gọi là nhiệt hoá hơi của khối chất lỏng ở nhiệt độ sôi. Nhiệt hoá hơi Q tỉ lệ thuận với khối lượng m của phần chất lỏng đã biến thành khí (hơi) ở nhiệt độ sôi :
Ô =	(38.2)
trong đó hệ số tỉ lệ L là nhiệt hoá hơi riêng phụ thuộc bản chất của chất lỏng bay hơi. Đơn vị đo của L là jun trên kilôgam ựlkg).
Từ công thức (38.2) ta suy ra : Nhiệt hoá hơi riêng của một chất lỏng có độ lớn bằng nhiệt lượng cần cung cấp để làm bay hơi hoàn toàn 1 kg chất đó ở nhiệt độ sôi (Bảng 38.5).
Quá trình chuyển từ thể rắn sang thể lòng gọi là sự nóng chày. Quá trinh chuyển ngược lại từ thể lỏng sang thể rắn gọi là sự đông đặc.
Mỗi chất rắn kết tinh (úng với một cấu trúc tinh thể) có nhiệt độ nóng chày không đổi xác định ò mỗi áp suất cho truóc. Các chất rắn vô định hình không có nhiệt độ nóng chảy xác định.
Nhiệt luọng Q cung cấp cho chầt rắn trong quá trình nóng chày gọi là nhiệt nóng chày: Q= Ảm
trong đó m là khối luọng của chất rắn, Ẳ là nhiệt nóng chày riêng của chất rắn và đo bằng J/kg.
Quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí (hoi) ỏ bề mặt chất lỏng gọi là sự bay hoi. Quá trình chuyển ngược lại từ thể khí sang thề lỏng gọi là sự ngưng tụ. Sự bay hoi xảy ra ỏ nhiệt độ bất ki và luôn kèm theo sự ngung tụ.
Khi tốc độ bay hoi lớn hon tốc độ ngưng tụ, áp suất hoi tăng dẩn và hoi ỏ phía trên bề mặt chất lỏng là hoi khô. Hoi khô tuân theo định luật Bôi-lo - Ma-ri-ốt.
Khi tốc độ bay hoi bằng tốc độ ngung tụ, hoi ồ phía trên bề mặt chất lỏng là hoi bão hoà có áp suất đạt giá trị cực đại gọi là áp suất hoi bão hoà. Áp suất hoi bão hoà không phụ thuộc thể tích và không tuấn theo định luật Bôi-lo - Ma-ri-ốt, nó chi phụ thuộc bàn chất và nhiệt độ cùa chất lỏng.
Quá trình chuyền từ thể lỏng sang thề khí (hoi) xảy ra cà ỏ bên trong và trên bề mặt : chất lỏng gọi là sự sôi.
"7	 . .	J.
Môi chất lỏng sôi ờ nhiệt độ xác định và không đòi.
Nhiệt độ sôi cùa chất lỏng phụ thuộc áp suất chất khí ở phía trên bề mặt chất lỏng. Áp suất chất khí càng lớn, nhiệt độ sôi của chất lòng càng cao.
Nhiệt lượng Q cung cấp cho khối chất lỏng trong khi sôi gọi là nhiệt hoá hoi của khối chất lỏng ỏ nhiệt độ sôi:
Q= Lm
ị trong đó m là khối lượng cùa phẩn chất lỏng biến thành hoi, L là nhiệt hoá hoi riêng của chất lỏng và đo bằng J/kg.
CÂU HÒI VÀ BÀI TẬP
Bras
Sự nóng chảy là gì ? Tên gọi của quả trình ngược với sự nóng chảy là gì ? Nêu các đặc điểm của sự nóng chảy.
Nhiệt nóng chảy là gì ? Viết công thức tính nhiệt nóng chảy của vật rắn. Nêu tên và đơn vị đo của các đại lượng trong công thức này.
Sự bay hơi là gì ? Tên gọi của quá trình ngược với sự bay hơi là gì ?
Phân biệt hơi bão hoà với hơi khô. So sánh áp suất hơi bão hoà với áp suất hơi khô của chất lỏng ở cùng nhiệt độ.
Sự sôi là gì ? Nêu các đặc điểm của sự sôi. Phân biệt sự sôi và sự bay hơi.
Viết công thức tính nhiệt hoá hơi của chất lỏng. Nêu tên và đơn vị đo của các đại lượng trong công thức này.
Câu nào dưới đây là không đúng khi nói về sự nóng chảy của các chất rắn ?
Mỗi chất rắn kết tinh nóng chảy ở một nhiệt độ xác định không đổi ứng với một áp suất bên ngoài xác định.
Nhiệt độ nóng chảy của chất rắn kết tinh phụ thuộc áp suất bên ngoài.
c. Chất rắn kết tinh nóng chảy và đông đặc ở cùng một nhiệt độ xác định không đổi.
D. Chất rắn vô định hình cũng nóng chảy ở một nhiệt độ xác định không đổi.
Nhiệt nóng chảy riêng của đồng là 1,8.105J/kg. Câu nào dưới đây là đúng ?
Khối đồng sẽ toả ra nhiệt lượng 1,8.1 o5 J khi nóng chảy hoàn toàn.
Mỗi kilôgam đồng cẩn thu nhiệt lượng 1,8.105J để.hoá lỏng hoàn toàn ở nhiệt độ nóng chảy.
c. Khối đồng cần thu nhiệt lượng 1,8.10s J để hoá lỏng.
D. Mỗi kilôgam đồng toả ra nhiệt lượng 1,8.1 o5 J khi hoá lỏng hoàn toàn.
Câu nào dưới đây là không đúng khi nói về sự bay hơi của các chất lỏng ?
Sự bay hơi là quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí xảy ra ở bế mặt chất lỏng.
Quá trinh chuyển ngược lại từ thể khí sang thể lỏng là sự ngưng tụ. Sự ngưng tụ luôn xảy ra kèm theo sự bay hơi.
c. Sự bay hơi là quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí xảy ra ở cả bên trong và trên bề mặt chất lỏng.
D. Sự bay hơi của chất lỏng xảy ra ở nhiệt độ bất kí.
Nhiệt hoá hơi riêng của nước là 2,3.10® J/kg. Câu nào dưới đây là đúng ?
Một lượng nước bất kì cần thu một lượng nhiệt là 2,3.10® J để bay hơi hoàn toàn.
Mỗi kilôgam nước cần thu một lượng nhiệt là 2,3.106J để bay hơi hoàn toàn.
c. Mỗi kilôgam nước sẽ toả ra một lượng nhiệt là 2,3.1 o6 j khi bay hơi hoàn toàn ở nhiệt độ sôi. D. Mỗi kilògam nước cần thu một lượng nhiệt là 2,3.10® J để bay hơi hoàn toàn ở nhiệt độ sôi và áp suất chuẩn.
Một bình cầu thuỳ tinh chứa (không đầy) một íượng nước nóng có nhiệt độ khoảng 80°C và được nút kín. Dội nước lạnh lên phần trên gần cổ bình, ta thấy nước trong bình lại sôi. Giải thích tại sao ?
ở áp suất chuẩn (1 atm) có thể đun nước nóng đến 120°C được không ?
ở trên núi cao người ta không thể luộc chín trứng trong nước sôi. Tại sao ?
Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho 4 kg nước đá ở o°c để chuyển nó thành nước ở 20°C. Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá là 3,4.105J/kg và nhiệt dung riêng của nước là 4 180 J/(kg.K).
Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho miếng nhôm khối lượng 100 g ở nhiệt độ 20°C, để nó hoá lỏng ở nhiệt độ 658°c. Nhôm có nhiệt dung riêng là 896 J/(kg.K), nhiệt nóng chảy riêng là 3,9.105J/kg.