Giải chi tiết Vật lí 12 CTST bài 1: Sự chuyển thể

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Trong công nghiệp, người ta có thể tạo ra các hợp kim, các sản phẩm đúc kim loại bằng cách nấu chảy kim loại và đổ vào khuôn (Hình 1.1). Một ấm nước được đun sôi và tiếp tục đun thì lượng nước trong ấm sẽ cạn dần (Hình 1.2). Trong các quá trình trên, kim loại và nước đã có sự chuyển thể như thế nào và quá trình chuyển thể này tuân theo những quy luật nào?

Bài làm chi tiết:

- Trong quá trình nấu chảy kim loại, kim loại chuyển từ thể rắn sang thể lỏng;

- Trong quá trình đun sôi nước, nước chuyển từ thể lỏng sang thể khí;

- Những quy luật của quá trình chuyển thể phụ thuộc vào cấu trúc vật chất: 

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

Thảo luận 1: Nêu các tính chất của chất rắn, chất lỏng, chất khí về hình dạng và thể tích của chúng. Các tính chất này được giải thích như thế nào?

Bài làm chi tiết:

Chất rắn luôn có thể tích và hình dạng riêng xác định. Vì ở thể rắn:

- Các phân tử rất gần nhau (khoảng cách trung bình cỡ kích thước phân tử) và sắp xếp có trật tự, chặt chẽ;

- Lực tương tác giữa các phân tử rất mạnh, giữ cho chúng không di chuyển tự do mà chỉ có thể dao động quanh vị trí cân bằng xác định.

Chất khí không có hình dạng và thể tích riêng mà nó có hình dạng và thể tích của bình chứa nó và nó có thể nén được dễ dàng. Vì ở thể khí:

- Các phân tử ở xa nhau (khoảng cách trung bình giữa các phân tửlớn gấp hàng chục lần kích thước của chúng);

- Các phân tử chuyển động hoàn toàn hỗn loạn do lực tương tác giữa các phân tử rất yếu (trừ trường hợp chúng va chạm nhau).

Chất lỏng rất khó bị nén, có thể tích xác định nhưng không có hình dạng xác định mà có hình dạng của phần bình chứa nó. Vì ở thể lỏng:

- Khoảng cách trung bình giữa các phân tử trong chất lỏng lớn hơn khoảng cách trung bình giữa các phân tử trong chất lỏng khi ở thể rắn và nhỏ hơn khoảng cách trung bình giữa các phân tử trong chất thể khí;

- Các phân tử ở thể lỏng cũng dao động quanh vị trí cân bằng nhưng các vị trí này không cố định mà luôn luôn thay đổi do lực tương tác giữa các phân tử ở thể lỏng lớn hơn lực tương tác giữa các phân tử ở thể khí nên giữ các phân tử không bị phân tán ra xa nhau, nhưng lực này chưa đủ lớn như lực tương tác giữa các phân tử trong thể rắn.

Luyện tập: Dựa vào mô hình động học phân tử, hãy giải thích hiện tượng: Mở lọ nước hoa và đặt ở một góc trong phòng, một lúc sau, người trong phòng có thể ngửi thấy mùi nước hoa.

Bài làm chi tiết:

Nước hoa chứa các hợp chất hương liệu (tinh dầu, các hợp chất hữu cơ) có khả năng bay hơi ở nhiệt độ phòng. Các phân tử hương liệu này thường có khối lượng nhẹ và có thể dễ dàng bay hơi vào không khí.

Khi mở lọ nước hoa, các phân tử hương liệu bắt đầu bay hơi từ bề mặt chất lỏng vào không khí. Các phân tử này di chuyển trong không khí theo hiện tượng khuếch tán và xâm nhập vào môi trường xung quanh. Theo tính chất vật lý của chất khí, các phân tử khí này chuyển động hỗn loạn, va chạm với các phân tử khác trong không khí, di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác và lan tỏa ra mọi phía. Vì vậy, một thời gian ngắn sau khi mở lọ nước hoa, người trong phóng sẽ ngửi thấy mùi.

2. SỰ CHUYỂN THỂ CỦA CÁC CHẤT

Thảo luận 2: Nêu tên các quá trình chuyển thể qua lại giữa các thể rắn, lỏng, khí của vật chất mà em đã học?

Bài làm chi tiết:

Các quá trình chuyển thể của vật chất đã được học là:

- Quá trình nóng chảy: là quá trình chất ở thể rắn chuyển sang thể lỏng

- Quá trình đông đặc: là quá trình chất chuyển từ thể lỏng sang thể rắn

- Quá trình ngưng tụ: là quá trình chất chuyển từ thể khí sang thể lỏng

- Quá trình hóa hơi (bay hơi): là quá trình chất chuyển từ thể lỏng sang thể khí (xảy ra trên bề mặt chất lỏng)

- Quá trình sôi: là quá trình chất chuyển từ thể lỏng sang thể khí (xảy ra cả trên bề mặt và trong lòng khối chất lỏng)

Thảo luận 3: Lấy ví dụ minh họa quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí và ngược lại.

Bài làm chi tiết:

- Ví dụ về quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí: Đun sôi nước

Ở điều kiện thường, khi nước được đun sôi đến một nhiệt độ nhất định (100⁰C), nước chuyển từ thể lỏng sang thể khí.

Ví dụ về quá trình chuyển từ thể khí sang thể lỏng: Ngưng tụ hơi nước

Ở điều kiện thường, khi hơi nước tiếp xúc với bề mặt rắn có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ của hơi nước, nước chuyển từ thể khí sang thể lỏng, ngưng tụ thành các màng hoặc giọt chất lỏng trên bề mặt chất rắn.

3. SỰ NÓNG CHẢY

Thảo luận 4: Hãy mô tả quá trình nóng chảy của nước đá (Hình 1.11a) và thanh sôcôla (Hình 1.11b).

Bài làm chi tiết:

Quá trình nóng chảy của nước đá: Khi cung cấp nhiệt độ cho viên nước đá, nhiệt độ của viên nước đá tăng lên, khi đạt đến nhiệt độ 0⁰C, nước đá chuyển từ thể rắn sang thể lỏng, trong suốt quá trình này, nhiệt độ của nước đá không thay đổi.

Quá trình nóng chảy của thanh sôcôla: Khi cung cấp nhiệt độ cho thanh socola, thanh socola mềm đi và chuyển từ thể rắn sang thể lỏng một cách liên tục, trong quá trình này, nhiệt độ của thanh sôcôla tăng liên tục.

Thảo luận 5: Quan sát đồ thị ở Hình 1.12, từ đó nhận xét về sự biến độ nhiệt độ của chất rắn kết tinh và chất rắn vô định hình trong quá trình chuyển thể từ rắn sang lỏng.

Bài làm chi tiết:

Chất rắn kết tinh có nhiệt độ nóng chảy xác định, khi đạt đến nhiệt độ này, quá trình chuyển thể bắt đầu, chất chuyển từ thể rắn sang thể lỏng. Ban đầu, khi được cung cấp nhiệt, nhiệt độ của chất rắn kết tinh tăng đột ngột, đến điểm nóng chảy thì giữ ổn định, sau đó lại tăng đột ngột đến khi hoàn toàn chuyển thành chất lỏng.

Chất rắn vô định hình không có nhiệt độ nóng chảy xác định. Quá trình chuyển thể diễn ra liên tục và nhiệt độ của chất rắn vô định hình tăng đều, liên tục.

Thảo luận 6: Vận dụng mô hình động học phân tử, hãy giải thích sự nóng chảy của chất rắn kết tinh

Bài làm chi tiết:

Theo mô hình động học phân tử, ở trạng thái rắn, các phân tử liên kết với nhau và được sắp xếp theo một trật tự nhất định trong mạng lưới tinh thể. Lực tương tác giữa các phân tử trong mạng lưới rất mạnh, giữ cho chúng không di chuyển tự do mà chỉ có thể dao động quanh vị trí cân bằng xác định. Khi nung nóng chất rắn, các hạt được cung cấp nhiệt năng làm tăng tốc độ chuyển động nhiệt coả nó tăng lên, mức độ trật tự trong cấu trúc của hạt giảm đi. Khi đạt đến nhiệt độ nóng chảy, chuyển động của các hạt giống như chuyển động của các phân tử chất lỏng.

Luyện tập: Nêu ứng dụng của sự nóng chảy trong công nghiệp luyện kim, hàn điện, thực phẩm.

Bài làm chi tiết:

Công nghiệp luyện kim

- Nấu chảy và đúc: Kim loại tinh khiết được nấu chảy bằng nhiệt độ cao, chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng và sau đó đúc thành các sản phẩm kim loại.

Hàn điện: Trong hàn điện, sự nóng chảy được sử dụng trong các phương pháp như hàn cọc, hàn đối, hàn hồ quang, và hàn điện trở.

- Nối và sửa chữa kim loại: Sự nóng chảy của các hạt hàn kim loại là quan trọng trong quá trình hàn điện. Khi hạt hàn được đưa vào nhiệt độ nóng chảy, chúng sẽ chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng và kết dính giữa các bề mặt kim loại cần được nối hoặc sửa chữa.

Thực phẩm: Sử dụng phương pháp nóng chảy để sản xuất các nguyên liệu thực phẩm đảm bảo chất lượng và độ tinh khiết của sản phẩm, cũng như giảm thiểu sự mất mát trong quá trình sản xuất. 

- Sản xuất bơ: trái bơ được đun sôi để làm mềm. Sau đó, vỏ và hạt được lấy ra và bơ được ép ra từ phần thịt bên trong. Bơ sau đó được đun nóng và làm chảy để đạt được dạng lỏng và được đóng gói.

- Sản xuất socola: cacao được rang và xay thành bột. Bột cacao sau đó được trộn với đường và sữa để tạo ra hỗn hợp socola. Hỗn hợp sau đó được đun sôi và khuấy đều để tạo thành socola lỏng. Socola sau đó được đổ vào khuôn và đóng gói.

Vận dụng: Từ Bảng 1.1, hãy giải thích tại sao dây tóc bóng đèn sợi đốt thường được làm bằng wolfram.

Bài làm chi tiết:

Dây tóc bóng đèn sợi đốt luôn ở trong môi trường nhiệt độ cao khi bóng đèn hoạt động. Wolfram có nhiệt độ nóng chảy cao (3122^oC). Do đó, trong quá trình bóng đèn hoạt động, dây tóc bằng wolfram có thể chịu được nhiệt độ cao mà không bị nóng chảy hoặc biến dạng. Vì vậy, wolfram được ứng dụng để làm dây tóc bóng đèn sợi đốt.

Thảo luận 7: Quan sát Hình 1.13, xác định các quá trình biến đổi ứng với mỗi đoạn AB, BC, CD, DE.

Bài làm chi tiết:

Đoạn AB: nước đá nhận nhiệt lượng từ -8°C đến 0°C 

Đoạn BC: nước đá bắt đầu quá trình nóng chảy hoàn toàn (chuyển từ thể rắn sang thể lỏng), nhiệt độ không thay đổi

Đoạn CD: nước nhận nhiệt lượng tăng dần nhiệt độ, đến nhiệt độ sôi

Đoạn DE: nước trong quá trình hoá hơi (chuyển từ thể lỏng sang thể khí)

Luyện tập: Để hàn các linh kiện bị đứt trong mạch điện tử, người thợ sửa chữa thường sử dụng mỏ hàn điện để làm nóng chảy dây thiếc hàn. Biết rằng loại thiếc hàn sử dụng là hỗn hợp của thiếc và chì với tỉ lệ khối lượng là 63:37, khối lượng một cuộn dây thiếc hàn là 50g. Tính nhiệt lượng mỏ hàn cần cung cấp để làm nóng chảy hết một cuộn dây thiếc hàn ở nhiệt độ nóng chảy.

Bài làm chi tiết:

Ở điều kiện thường, nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp thiếc - chì 63:37 là khoảng 183⁰C.

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp thiếc - chì 63:37 là khoảng 150 J/kg.K

Nhiệt lượng mỏ hàn cần cung cấp để làm nóng chảy hết cuộn dây thiếc là: 

Q = m.c.∆T = 50.10^-3.150.(183 - 25) = 1185 (J)

4. SỰ HÓA HƠI

Thảo luận 8: Dự đoán các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi của nước trong Hình 1.14.

Bài làm chi tiết:

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi của nước là: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm không khí, diện tích bề mặt nước, gió…

Thảo luận 9: Vận dụng mô hình động học phân tử, hãy giải thích nguyên nhân gây ra sự bay hơi.

Bài làm chi tiết:

Ở thể lỏng, các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng không cố định. Khi chúng được cung cấp một năng lượng nhất định (thường là nhiệt độ), các phân tử ở bề mặt chất lỏng sẽ tham gia chuyển động nhiệt, trong đó có những phân tử chuyển động hướng ra ngoài chất lỏng. Khi nhận đủ năng lượng, nó có khả năng vượt qua lực liên kết với các phân tử lân cận và thoát ra khỏi mặt thoáng, trở thành các phân tử hơi. Các phân tử gần bề mặt chất lỏng có ít phân tử lân cận hơn so với những phân tử ở bên trong nên có khả năng phân tán và bay hơi dễ dàng hơn.

Luyện tập 1: Giả sử được giao nhiệm vụ cất giữ và bảo quản một lít cồn, em hãy nêu cách thực hiện trong điều kiện thực tế sẵn có của gia đình.

Bài làm chi tiết:

Vì cồn là chất lỏng dễ gây cháy nổ nên trong điều kiện gia đình, cần lưu ý cất giữ và bảo quản cồn để tránh bay hơi hoặc gây nguy hiểm cho người trong gia đình theo cách sau:

- Sử dụng lọ hoặc chai sạch, khô, không mùi để chứa cồn và đóng nắp thật chặt;

- Bảo quản ở nơi khô ráo, thoáng mát, tránh ánh nắng trực tiếp và nhiệt độ cao;

- Không đặt gần nguồn nhiệt, nơi có nguy cơ cháy nổ;

- Đặt ở vị trí dễ nhận biết, tránh xa tầm tay của trẻ em.

Luyện tập 2: Rau xanh sau khi thu hoạch thường bị héo rất nhanh khi để ngoài nắng. Vì sao lại có hiện tượng trên? Làm thế nào để hạn chế điều này?

Bài làm chi tiết:

Hiện tượng rau xanh bị héo và cách hạn chế:

- Nguyên nhân: Rau xanh sau khi thu hoạch tiếp tục tiêu thụ năng lượng và nước thông qua quá trình hô hấp và quang hợp, nhưng khi bị cắt khỏi nguồn cung cấp nước và chất dinh dưỡng, chúng không thể duy trì tình trạng tươi tắn được nữa. Ánh nắng mặt trời cũng làm tăng tốc độ mất nước và chất dinh dưỡng.

- Cách hạn chế:

+ Đặt rau xanh vào tủ lạnh ngay sau khi thu hoạch để giữ nước;

+ Đặt rau xanh vào túi chống hơi nước hoặc túi có khả năng thoáng khí để giảm tình trạng mất nước;

+ Phun nhẹ nước lên rau xanh để giữ độ ẩm;

Thảo luận 10: Vận dụng mô hình động học phân tử, giải thích nguyên nhân gây ra sự sôi của chất lỏng.

Bài làm chi tiết:

Ở thể lỏng, các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng không cố định. Khi được cung cấp nhiệt, các phân tử chất lỏng sẽ tham gia chuyển động nhiệt. Nhiệt độ càng tăng khiến các phân tử chuyển động càng nhanh. Khi đun chất lỏng đến nhiệt độ sôi, do tiếp tục được cung cấp nhiệt nên các phân tử chất lỏng chuyển động nhiệt mạnh hơn, làm phá vỡ sự liên kết giữa các phân tử với nhau, phân tử chất lỏng chuyển sang phân tử hơi.

Luyện tập: 

1. Bạn A muốn đun sôi 1,5 lít nước bằng bếp gas. Do sơ suất nên bạn quên không tắt bếp khi nước sôi. Tính nhiệt lượng đã làm hóa hơi 1 lít nước trong ấm do sơ suất đó. Biết nhiệt hóa hơi riêng của nước là 2,3.10⁶ J/kg.

2. Tại sao trên núi cao, ta không thể luộc chín trứng bằng nồi thông thường, mặc dù nước trong nồi vẫn sôi?

Bài làm chi tiết:

1. Nhiệt lượng làm hóa hơi 1 lít nước là: Q = m.L = 1.2,3.10⁶ = 2,3.10⁶ (J)

2. Trên núi cao, áp suất không khí thấp hơn so với dưới mặt đất. Khi áp suất giảm, nhiệt độ sôi của nước cũng giảm. Mà quá trình luộc trứng lại cần có nhiệt độ đủ lớn để làm chín trứng. Do đó, nước sôi ở nhiệt độ thấp hơn 100^oC trên núi cao có thể không đủ để nấu chín thực phẩm. Vì vật, trên núi cao, ta không thể luộc chín trứng bằng nồi thông thường, mặc dù nước trong nồi vẫn sôi.

Vận dụng: Trước đây, để khử trùng các dụng cụ y tế dùng nhiều lần (kéo, kẹp gặp, dao mổ tiểu phẫu,...) người ta thường luộc chúng trong nước sôi. Giả sử cần phải thực hiện nhiệm vụ này nhưng có một số vi khuẩn chỉ bị tiêu diệt ở nhiệt độ 105^oC, trong khi nhiệt độ sôi của nước ở điều kiện tiêu chuẩn là 100^oC. Hãy đề xuất phương án đơn giản để diệt các vi khuẩn này và giải thích.

Bài làm chi tiết:

Các phương pháp có thể sử dụng là:

- Tăng áp suất. Vì khi áp suất tăng, nhiệt độ sôi của nước cũng tăng.

- Thêm muối vào nước. Vì khi muối được thêm vào nước, điểm sôi của hỗn hợp muối và nước sẽ cao hơn điểm sôi của nước do muối có tác dụng làm áp suất tăng lên.

- Sử dụng các chất diệt khuẩn để ngâm dụng cụ y tế. Các chất này có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và giúp diệt các vi khuẩn.

BÀI TẬP

Bài 1. Kết luận nào dưới đây là không đúng với thể rắn?

A. Khoảng cách giữa các phân tử rất gần nhau (cỡ kích thước phân tử)

B. Các phân tử sắp xếp có trật tự

C. Các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng cố định

D. Các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng luôn thay đổi.

Bài làm chi tiết:

Đáp án: D

Giải thích: Ở thể rắn, lực tương tác giữa các phân tử rất mạnh, giữ cho chúng không di chuyển tự do mà chỉ có thể sao động quanh vị trí cân bằng xác định.

Bài 2. Một nhà máy thép mỗi lần luyện được 35 tấn thép. Cho nhiệt nóng chảy riêng của thép là 2,77.10⁵ J/kg.

a) Tính nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy thép trong mỗi lần luyện của nhà máy ở nhiệt độ nóng chảy.

b) Giả sử nhà máy sử dụng khí đốt để nấu chảy thép trong lò thổi (nồi nấu thép). Biết khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg khí đốt thì nhiệt lượng tỏa ra là 44.10⁶ J. Xác định lượng khí đốt cần sử dụng để tạo ra nhiệt lượng tính được ở câu a.

c) Việc sử dụng khí đốt để vận hành các nhà máy thép có thể gây ra những hậu quả gì cho môi trường và đời sống con người?

Bài làm chi tiết:

a) Nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy thép ở nhiệt độ nóng chảy là:

Q = m.λ = 35.10³.2,77.10⁵ = 9,695.10⁹ (J)

b) Lượng khí đốt lần dùng để tạo ra nhiệt lượng làm nóng chảy thép là: 

m_{khí đốt} = Qnóng chảy Qkhí đốt = 9,695.10944.106= 220,34 (kg)

c) Đốt cháy khí đốt thường sinh ra các khí CO₂, SO₂, NO_x và bụi mịn dẫn đến các hậu quả:

- Ô nhiễm không khí;

- Gây biến đổi khí hậu;

- Gây mưa axit;

- Ảnh hưởng đến sức khỏe con người, đặc biệt là những người sống gần nhà máy thép;