Bài 1. Sự chuyển thể

1. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ VÀ CẤU TRÚC VẬT CHẤT 

Mô hình động học phân tử

Để giải thích các hiện tượng nhiệt quan sát được như: sự tồn tại của các thể, sự truyền nhiệt, sự nóng chảy, sự bay hơi,... các nhà khoa học đã đưa ra mô hình lí thuyết khái quát về cấu tạo chất, gọi là mô hình động học phân tử (Hình 1.3).

Mô hình động học phân tử gồm các nội dung cơ bản:

- Vật chất được cấu tạo bởi một số rất lớn những hạt có kích thước rất nhỏ gọi là phân tử. Giữa các phân tử có khoảng cách.

- Các phân tử chuyển động không ngừng, gọi là chuyển động nhiệt. Các phân tử chuyển động nhiệt càng nhanh thì nhiệt độ của vật càng cao.

- Giữa các phân tử có các lực tương tác (hút và đấy).

Cấu trúc của vật chất

2. SỰ CHUYỂN THỂ CỦA CÁC CHẤT

Trong chương trình lớp 6, các em đã biết sự chuyển thể là quá trình chuyển từ thể này sang thể khác của vật chất. Tuỳ theo điều kiện tác động (nhiệt độ, áp suất) mà các chất có thể ở các thể khác nhau (Hình 1.7).

Ví dụ 1: Thép trong điều kiện thường ở thể rắn, nhưng khi đưa vào nấu trong lò luyện kim thì chuyển sang thể lỏng (sự nóng chảy). Sau đó để nguội dần, thép ở thể lỏng sẽ chuyển lại thể rắn (sự đông đặc) (Hình 1.8).

Ví dụ 2: Một số chất rắn như iodine (i-ốt), băng phiến, đá khô (CO, ở thể rắn),... có khả năng chuyển trực tiếp từ thể rắn sang thể hơi khi nó nhận nhiệt. Hiện tượng trên gọi là sự thăng hoa. Ngược với sự thăng hoa là sự ngưng kết.

3. SỰ NÓNG CHẢY

Sự nóng chảy là quá trình chuyển từ thể rắn sang thể lỏng của các chất.

Sự nóng chảy của chất rắn kết tinh và chất rắn vô định hình

Căn cứ vào cấu trúc sắp xếp của các hạt (phân tử, nguyên tử hoặc ion) tạo nên chất rắn, người ta chia chất rắn thành hai loại: chất rắn kết tinh (chất rắn có cấu trúc tỉnh thể) như thạch anh, muối ăn, kim cương, hầu hết kim loại, nước đá... và chất rắn vô định hình (chất rắn không có cấu trúc tinh thể nên không có dạng hình học xác định) như thuỷ tinh, nhựa, socola,....

Sự nóng chảy của chất rắn kết tinh

Khi nung nóng liên tục một vật rắn kết tinh (ví dụ nước đá), nhiệt độ của vật rắn tăng dần.

Khi nhiệt độ đạt một giá trị xác định gọi là nhiệt độ nóng chảy thì vật bắt đầu chuyển sang thể lỏng và trong suốt quá trình này nhiệt độ của vật là không đổi.

Khi toàn bộ vật rắn đã chuyển sang thể lỏng, tiếp tục cung cấp nhiệt lượng thì nhiệt độ của vật sẽ tiếp tục tăng (Hình 1.12).

Như vậy, chất rắn kết tinh có nhiệt độ nóng chảy xác định (ở một áp suất cụ thể). Bảng 1.1 cung cấp giá trị nhiệt độ nóng chảy của một số chất rắn kết tinh phổ biến ở áp suất tiêu chuẩn.

Sự nóng chảy của chất rắn vô định hình

Khi nung nóng liên tục vật rắn vô định hình (ví dụ thanh sôcôla), vật rắn mềm đi và chuyển dần sang thể lỏng một cách liên tục, trong quá trình này nhiệt độ của vật tăng liên tục (Hình 1.12). Do đó, vật rắn vô định hình không có nhiệt độ nóng chảy xác định.

Khi đun nóng đến một nhiệt độ nào đó, vật rắn bắt đầu chuyển trạng thái từ rắn sang lỏng (sự nóng chảy). Chất rắn kết tinh có nhiệt độ nóng chảy xác định (ở một áp suất cụ thể). Chất rắn vô định hình không có nhiệt độ nóng chảy xác định.

Nhiệt nóng chảy riêng

Xét một khối nước đá ở thể rắn có khối lượng m ở áp suất tiêu chuẩn (1 atm) được đun nóng bằng một nguồn nhiệt có công suất không đổi. Thực nghiệm cho thấy, trong khoảng thời gian từ lúc bắt đầu nóng chảy đến khi nóng chảy hoàn toàn, nhiệt độ của nước đá hầu như không đổi mặc dù nó vẫn nhận nhiệt lượng từ nguồn (đoạn BC trong Hình 1.13, nhiệt độ nước đá ổn định ở 0 °C). Nhiệt lượng nước đá nhận được trong quá trình nóng chảy này tỉ lệ với khối lượng của nó.

Mở rộng nghiên cứu về sự nóng chảy với các chất rắn kết tinh khác, người ta cũng thu được kết quả tương tự:

\(Q=m\lambda\)   (1.1)

Trong đó, Q là nhiệt lượng khối chất thu vào (đơn vị là J); m là khối lượng của khối chất (đơn vị là kg); \(\lambda\) là hằng số phụ thuộc vào bản chất của chất nóng chảy, gọi là nhiệt nóng chảy riêng của chất đó (đơn vị là J/kg). Bảng 1.2 cung cấp giá trị nhiệt nóng chảy riêng của một số chất ở áp suất tiêu chuẩn.

Nhiệt nóng chảy riêng của một chất có giá trị bằng nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kg chất đó chuyển hoàn toàn từ thể rắn sang thể lỏng tại nhiệt độ nóng chảy:

\(\lambda=\dfrac{Q}{m}\)

4. SỰ HÓA HƠI 

Các em đã biết sự hoá hơi là quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí. Sự hoá hơi thể hiện qua hai hình thức: sự bay hơi và sự sôi.

Sự bay hơi

Ví dụ

Xét sự bay hơi của nước (Hình 1.14), các phân tử nước bay hơi thông qua mặt thoáng (mặt tiếp xúc với không khí). Diện tích mặt thoáng càng lớn, tốc độ gió càng lớn, nhiệt độ càng cao và độ ẩm không khí càng thấp thì tốc độ bay hơi nước càng nhanh. Sự bay hơi nước xảy ra ở nhiệt độ bất kì. Với các chất lỏng khác, hiện tượng cũng xảy ra tương tự. Đồng thời với sự bay hơi, cũng xảy ra hiện tượng các phân tử khí tụ lại ở phía trên mặt thoáng chất lỏng và chuyển về thể lỏng, gọi là sự ngưng tụ.

Sự hoá hơi xảy ra trên bề mặt chất lỏng gọi là sự bay hơi. Sự bay hơi xảy ra ở nhiệt độ bất kì. Tốc độ bay hơi của chất lỏng càng nhanh nếu diện tích mặt thoáng càng lớn, tốc độ gió càng lớn, nhiệt độ càng cao, và độ ẩm không khí càng thấp.

Tác dụng của sự bay hơi

Nước từ sông, hồ, biển,... liên tục bay hơi tạo thành mây, sương mù, mưa, làm cho khí hậu điều hoà, thực vật phát triển. Sự bay hơi của nước biển được ứng dụng trong ngành sản xuất muối. Sự bay hơi của các khí ammonia (NH), difluoromethane (CH,F,) còn gọi là R-32... được sử dụng trong các thiết bị làm lạnh như tủ lạnh, máy điều hoà không khí.

Sự sôi

Sự hoá hơi xảy ra ở bên trong và trên bề mặt chất lỏng gọi là sự sôi. Sự sôi xảy ra ở nhiệt độ sôi. Nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc áp suất khí trên mặt thoáng và bản chất của chất lỏng. Trong suốt thời gian sôi, nhiệt độ chất lỏng không thay đổi.

Giải thích sự sôi của chất lỏng

Khi đun chất lỏng đến nhiệt độ sôi, do tiếp tục được cung cấp nhiệt lượng nên các phân tử chất lỏng chuyển động nhiệt mạnh hơn, làm phá vỡ sự liên kết giữa các phân tử chất lỏng với nhau, phân tử chất lỏng chuyển sang phân tử hơi. Hiện tượng này xảy ra với tất cả các phân tử chất lỏng ở bên trong và trên bề mặt khối chất lỏng.

Nhiệt hoá hơi riêng

Xét khối nước lỏng có khối lượng m được đun nóng bởi nguồn nhiệt. Thực nghiệm cho thấy, khi nhiệt độ đạt xấp xỉ 100 °C ở áp suất tiêu chuẩn, nước bắt đầu sôi. Trọng quá trình sôi, nhiệt độ của nước hầu như không đổi là 100 °C (đoạn DE trong Hình 1.13). Nhiệt lượng nước nhận được trong quá trình hoá hơi tỉ lệ với khối lượng của nó.

Mở rộng thí nghiệm về sự hoá hơi của các chất khác, người ta cũng thu được kết quả tương tự:

\(Q=mL\)   (1.2)

Trong đó, Q là nhiệt lượng khối chất lỏng nhận vào (đơn vị là J); m là khối lượng của khối chất lỏng (đơn vị là kg); L là hàng số phụ thuộc vào bản chất chất lỏng hoá hơi, gọi là nhiệt hóa hơi riêng (đơn vị là J/kg).

Bảng 1.4 cung cấp giá trị nhiệt hoá hơi riêng của một số chất ở nhiệt độ sôi và áp suất tiêu chuẩn.

Nhiệt hóa hơi riêng của một chất lỏng có giá trị bằng nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kg chất lỏng đó hóa hơi hoàn toàn ở nhiệt độ sôi:

\(L=\dfrac{Q}{m}\)