Bài học

Sự chuyển thể của các chất

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em gọi đúng tên bốn quá trình chuyển thể (nóng chảy, đông đặc, hóa hơi, ngưng tụ), và đọc được một đồ thị nhiệt độ theo thời gian để chỉ ra đoạn nào là chuyển thể, đoạn nào chỉ đơn thuần đang nóng lên hoặc nguội đi.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã biết cách đổi nhiệt độ giữa các thang đo. Bài này vẫn dùng thang Celsius quen thuộc, nhưng chuyển sang một câu hỏi khác: khi một chất được đun nóng liên tục, nhiệt độ của nó có luôn luôn tăng đều hay không?

Khởi động

Đun một nồi nước đá trên bếp, nhiệt kế cắm trong nồi cho thấy: nhiệt độ tăng dần, rồi bỗng dừng lại đúng ở 0°C trong một khoảng thời gian khá dài dù bếp vẫn cháy đều — trong khi nước đá cứ tan dần. Bếp có ngừng cung cấp nhiệt trong khoảng đó không? Nếu không, nhiệt lượng bếp truyền vào đã đi đâu?

Kiến thức trọng tâm

Nóng chảy là quá trình chất chuyển từ thể rắn sang thể lỏng; quá trình ngược lại — từ lỏng sang rắn — gọi là đông đặc. Hóa hơi là quá trình chất chuyển từ thể lỏng sang thể hơi; quá trình ngược lại — từ hơi sang lỏng — gọi là ngưng tụ. Hóa hơi có hai hình thức: bay hơi xảy ra ở bề mặt thoáng của chất lỏng, ở bất kỳ nhiệt độ nào; còn sôi xảy ra trong toàn bộ khối chất lỏng, chỉ ở một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ sôi, phụ thuộc vào áp suất trên bề mặt chất lỏng.

Với một chất tinh khiết ở áp suất không đổi, trong suốt thời gian đang nóng chảy (hoặc đông đặc), nhiệt độ của nó giữ nguyên ở một giá trị xác định gọi là nhiệt độ nóng chảy — với nước, giá trị đó là 0°C ở áp suất chuẩn. Tương tự, trong suốt thời gian đang sôi, nhiệt độ giữ nguyên ở nhiệt độ sôi — với nước là 100°C ở áp suất chuẩn. Đây không phải trùng hợp: nhiệt lượng cung cấp trong lúc chuyển thể không làm tăng động năng chuyển động nhiệt của phân tử (thứ quyết định nhiệt độ), mà dùng để phá vỡ hoặc hình thành liên kết giữa các phân tử khi chúng sắp xếp lại từ thể này sang thể khác. Nhiệt lượng này gọi là nhiệt chuyển thể — công thức tính cụ thể sẽ học ở khóa học sau.

Trên một đồ thị nhiệt độ theo thời gian khi đun một chất, đoạn dốc (nhiệt độ tăng theo thời gian) tương ứng với việc chất chỉ đang nóng lên ở nguyên một thể — chưa đổi thể. Đoạn nằm ngang (nhiệt độ không đổi trong khi thời gian vẫn trôi và nhiệt vẫn được cung cấp) tương ứng với việc chất đang chuyển thể. Độ dài của đoạn nằm ngang cho biết cần bao lâu để toàn bộ khối chất hoàn tất quá trình chuyển thể ở tốc độ cấp nhiệt đã cho — đoạn càng dài, càng cần nhiều nhiệt lượng để chuyển thể hết khối chất đó.

**Nóng chảy** là quá trình chất chuyển từ thể rắn sang thể lỏng; quá trình ngược lại — từ lỏng sang rắn — gọi là **đông đặc**. **Hóa hơi** là quá trình chất chuyển từ thể lỏng sang thể hơi; quá trình ngược lại — từ hơi sang lỏng — gọi là **ngưng tụ**. Hóa hơi có hai hình thức: bay hơi xảy ra ở bề mặt thoáng của chất lỏng, ở bất kỳ nhiệt độ nào; còn sôi xảy ra trong toàn bộ khối chất lỏng, chỉ ở một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ sôi, phụ thuộc vào áp suất trên bề mặt chất lỏng. Với một chất tinh khiết ở áp suất không đổi, trong suốt thời gian đang nóng chảy (hoặc đông đặc), nhiệt độ của nó giữ nguyên ở một giá trị xác định gọi là nhiệt độ nóng chảy — với nước, giá trị đó là 0°C ở áp suất chuẩn. Tương tự, trong suốt thời gian đang sôi, nhiệt độ giữ nguyên ở nhiệt độ sôi — với nước là 100°C ở áp suất chuẩn. Đây không phải trùng hợp: nhiệt lượng cung cấp trong lúc chuyển thể không làm tăng động năng chuyển động nhiệt của phân tử (thứ quyết định nhiệt độ), mà dùng để phá vỡ hoặc hình thành liên kết giữa các phân tử khi chúng sắp xếp lại từ thể này sang thể khác. Nhiệt lượng này gọi là nhiệt chuyển thể — công thức tính cụ thể sẽ học ở khóa học sau. Trên một đồ thị nhiệt độ theo thời gian khi đun một chất, đoạn dốc (nhiệt độ tăng theo thời gian) tương ứng với việc chất chỉ đang nóng lên ở nguyên một thể — chưa đổi thể. Đoạn nằm ngang (nhiệt độ không đổi trong khi thời gian vẫn trôi và nhiệt vẫn được cung cấp) tương ứng với việc chất đang chuyển thể. Độ dài của đoạn nằm ngang cho biết cần bao lâu để toàn bộ khối chất hoàn tất quá trình chuyển thể ở tốc độ cấp nhiệt đã cho — đoạn càng dài, càng cần nhiều nhiệt lượng để chuyển thể hết khối chất đó.

Hai đoạn nằm ngang là hai lần chuyển thể: nóng chảy tại 0°C (phút 2 đến phút 6) và sôi tại 100°C (phút 16 đến phút 22); ba đoạn dốc còn lại là nước đá, nước lỏng và hơi nước đang nóng lên ở nguyên một thể.

Ví dụ

Đọc đồ thị đun nóng nước đá

1
Đồ thị trên biểu diễn nhiệt độ của một khối nước đá khi được đun nóng liên tục từ phút 0. Hãy cho biết chất đang ở thể gì tại phút thứ 4, và tại phút thứ 20.
2
Phút thứ 4 nằm trong đoạn nằm ngang từ phút 2 đến phút 6 (nhiệt độ giữ nguyên 0°C) — đây là đoạn đang nóng chảy, nghĩa là tại thời điểm này khối chất tồn tại đồng thời cả thể rắn (đá chưa tan hết) và thể lỏng (nước đã tan). (1) Phút thứ 20 nằm trong đoạn nằm ngang từ phút 16 đến phút 22 (nhiệt độ giữ nguyên 100°C) — đây là đoạn đang sôi, khối chất tồn tại đồng thời thể lỏng và thể hơi. (2)
Phút thứ 4 nằm trong đoạn nằm ngang từ phút 2 đến phút 6 (nhiệt độ giữ nguyên 0°C) — đây là đoạn đang nóng chảy, nghĩa là tại thời điểm này khối chất tồn tại đồng thời cả thể rắn (đá chưa tan hết) và thể lỏng (nước đã tan). (1) Phút thứ 20 nằm trong đoạn nằm ngang từ phút 16 đến phút 22 (nhiệt độ giữ nguyên 100°C) — đây là đoạn đang sôi, khối chất tồn tại đồng thời thể lỏng và thể hơi. (2)
3
Nếu đọc nhầm và cho rằng ở phút 4 chất đã hoàn toàn là nước lỏng, sẽ bỏ sót một chi tiết quan trọng: nhiệt độ không đổi là dấu hiệu chắc chắn đang có hai thể cùng tồn tại, không phải một thể duy nhất.
4
Vậy tại phút thứ 4, khối chất đang trong quá trình nóng chảy (rắn và lỏng cùng tồn tại ở 0°C); tại phút thứ 20, khối chất đang trong quá trình sôi (lỏng và hơi cùng tồn tại ở 100°C).

Ví dụ

Xác định thời gian nóng chảy và thời gian sôi từ đồ thị

1
Từ đồ thị trên, tính thời gian cần để khối nước đá nóng chảy hoàn toàn, và thời gian cần để nước sôi hoàn toàn. Coi tốc độ cấp nhiệt không đổi theo thời gian.
2
Quá trình nóng chảy bắt đầu tại phút $t_1=2$ và kết thúc tại phút $t_2=6$ (đoạn nằm ngang đầu tiên, ở 0°C). (1) Quá trình sôi bắt đầu tại phút $t_3=16$ và kết thúc tại phút $t_4=22$ (đoạn nằm ngang thứ hai, ở 100°C). (2)
Quá trình nóng chảy bắt đầu tại phút $t_1=2$ và kết thúc tại phút $t_2=6$ (đoạn nằm ngang đầu tiên, ở 0°C). (1) Quá trình sôi bắt đầu tại phút $t_3=16$ và kết thúc tại phút $t_4=22$ (đoạn nằm ngang thứ hai, ở 100°C). (2)
3
Từ (1): thời gian nóng chảy $\Delta t_{nc} = 6-2 = 4$ phút. Từ (2): thời gian sôi $\Delta t_{soi} = 22-16 = 6$ phút.
Từ (1): thời gian nóng chảy $\Delta t_{nc} = 6-2 = 4$ phút. Từ (2): thời gian sôi $\Delta t_{soi} = 22-16 = 6$ phút.
4
Thời gian sôi (6 phút) dài hơn thời gian nóng chảy (4 phút) dù cùng một tốc độ cấp nhiệt — điều đó cho thấy để làm bay hơi hết một khối nước lỏng cần nhiều nhiệt lượng hơn để làm tan hết cùng khối lượng nước đá đó, một sự thật sẽ được định lượng chính xác bằng công thức nhiệt hóa hơi riêng ở khóa học sau.
5
Vậy khối nước đá cần 4 phút để nóng chảy hoàn toàn, và nước lỏng cần 6 phút để sôi hoàn toàn.

Ví dụ

Tính thời gian chất chỉ nóng lên ở một thể (chưa chuyển thể)

1
Từ đồ thị ở trên (tổng thời gian đun là 24 phút), tính tổng thời gian khối chất chỉ đang nóng lên ở một thể duy nhất, không tính hai đoạn đang chuyển thể.
2
Tổng thời gian đun: $t_{tổng}=24$ phút. (1) Tổng thời gian hai lần chuyển thể: $\Delta t_{nc}+\Delta t_{sôi}=4+6=10$ phút, theo kết quả đã tính ở ví dụ trên. (2)
Tổng thời gian đun: $t_{tổng}=24$ phút. (1) Tổng thời gian hai lần chuyển thể: $\Delta t_{nc}+\Delta t_{sôi}=4+6=10$ phút, theo kết quả đã tính ở ví dụ trên. (2)
3
Từ (1) và (2): thời gian chỉ nóng lên ở một thể $=24-10=14$ phút.
Từ (1) và (2): thời gian chỉ nóng lên ở một thể $=24-10=14$ phút.
4
14 phút này chia làm ba đoạn dốc trên đồ thị: nước đá nóng từ -10°C lên 0°C (2 phút), nước lỏng nóng từ 0°C lên 100°C (10 phút), và hơi nước nóng từ 100°C lên 120°C (2 phút) — cộng lại $2+10+2=14$ , khớp đúng kết quả vừa tính.
14 phút này chia làm ba đoạn dốc trên đồ thị: nước đá nóng từ -10°C lên 0°C (2 phút), nước lỏng nóng từ 0°C lên 100°C (10 phút), và hơi nước nóng từ 100°C lên 120°C (2 phút) — cộng lại $2+10+2=14$, khớp đúng kết quả vừa tính.
5
Vậy khối chất chỉ nóng lên ở một thể duy nhất trong tổng cộng 14 phút, còn 10 phút còn lại dùng để chuyển thể.

Ví dụ

Sắp xếp đúng thứ tự các giai đoạn khi làm lạnh

1
Hơi nước ở 120°C được làm lạnh liên tục cho đến khi thành nước đá ở -10°C, với tốc độ toả nhiệt không đổi. Sắp xếp đúng thứ tự các giai đoạn chất trải qua.
2
Làm lạnh là quá trình ngược với đun nóng đã xét ở các ví dụ trước, nên các giai đoạn diễn ra theo đúng thứ tự ngược lại. (1)
3
Từ (1), thứ tự đúng là: hơi nước nguội từ 120°C xuống 100°C, rồi ngưng tụ tại 100°C (hơi thành lỏng), rồi nước lỏng nguội từ 100°C xuống 0°C, rồi đông đặc tại 0°C (lỏng thành rắn), rồi nước đá nguội từ 0°C xuống -10°C. (2)
4
Hai đoạn nằm ngang trong quá trình làm lạnh (ở 100°C và 0°C) là ngưng tụ và đông đặc — đúng hai quá trình toả nhiệt, đối xứng với hai quá trình thu nhiệt (sôi và nóng chảy) khi đun nóng ở các ví dụ trước.
5
Vậy thứ tự đúng: hơi nguội → ngưng tụ (100°C) → nước lỏng nguội → đông đặc (0°C) → nước đá nguội.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nhìn đoạn nằm ngang trên đồ thị rồi kết luận nhầm rằng chất "ngừng nhận nhiệt" trong khoảng đó. Thực tế nguồn nhiệt vẫn truyền nhiệt đều đặn suốt cả quá trình; chỉ là nhiệt lượng đó không làm nhiệt độ tăng thêm trong lúc chuyển thể, vì nó được dùng để thay đổi cấu trúc liên kết phân tử chứ không làm tăng động năng chuyển động nhiệt.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Bốn quá trình chuyển thể: nóng chảy (rắn→lỏng), đông đặc (lỏng→rắn), hóa hơi (lỏng→hơi, gồm bay hơi và sôi), ngưng tụ (hơi→lỏng). Ở áp suất không đổi, nhiệt độ luôn giữ nguyên trong suốt thời gian chuyển thể — đoạn nằm ngang trên đồ thị nhiệt độ - thời gian chính là dấu hiệu nhận biết.

Câu hỏi tiếp theo là: nhiệt lượng cung cấp trong lúc chất không đổi nhiệt độ đã biến thành cái gì bên trong vật chất? Chương tiếp theo trả lời bằng khái niệm nội năng, và chỉ ra có đúng hai cách để làm nội năng của một vật thay đổi.