Vật lý 12 · Vật lý nhiệt
Cấu trúc chất, nội năng, định luật I NĐLH, nhiệt dung riêng và chuyển thể
Mô hình động học phân tử của chất rắn – lỏng – khí, nội năng và định luật I nhiệt động lực học, thang nhiệt độ Kelvin, nhiệt dung riêng, nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt hoá hơi riêng.
Cấu trúc của chất – mô hình động học phân tử
Mọi chất được cấu tạo từ các phân tử (nguyên tử) chuyển động hỗn loạn, không ngừng. Nhiệt độ càng cao, các phân tử chuyển động càng nhanh. Giữa các phân tử có lực hút và lực đẩy.
| Rắn | Lỏng | Khí | |
|---|---|---|---|
| Khoảng cách phân tử | Rất gần | Gần | Rất xa (≫ kích thước phân tử) |
| Lực tương tác | Rất mạnh | Khá mạnh | Rất yếu |
| Chuyển động | Dao động quanh vị trí cân bằng cố định | Dao động quanh VTCB di chuyển được | Chuyển động hỗn loạn tự do |
| Hình dạng, thể tích | Xác định | Thể tích xác định, hình dạng theo bình | Chiếm toàn bộ bình chứa |
Sự chuyển thể: nóng chảy (rắn → lỏng), đông đặc (lỏng → rắn), hoá hơi (bay hơi ở mặt thoáng, sôi trong lòng chất lỏng), ngưng tụ (hơi → lỏng), thăng hoa và ngưng kết.
Nội năng và định luật I nhiệt động lực học
Nội năng \(U\) của vật là tổng động năng và thế năng tương tác của các phân tử cấu tạo nên vật. Nội năng phụ thuộc nhiệt độ và thể tích của vật.
Hai cách làm thay đổi nội năng: thực hiện công (cọ xát, nén khí) và truyền nhiệt (tiếp xúc với vật nóng hơn).
Định luật I nhiệt động lực học: độ biến thiên nội năng bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được:
\[\Delta U = A + Q\]| Đại lượng | > 0 | < 0 |
|---|---|---|
| \(Q\) | Vật nhận nhiệt | Vật toả nhiệt |
| \(A\) | Vật nhận công (bị nén) | Vật thực hiện công (giãn nở) |
| \(\Delta U\) | Nội năng tăng | Nội năng giảm |
Thang nhiệt độ – nhiệt kế
Nhiệt độ cho biết mức độ nóng lạnh, gắn với động năng trung bình của phân tử. Khi hai vật tiếp xúc, nhiệt truyền tự phát từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp cho đến khi cân bằng nhiệt.
- Thang Celsius (°C): 0 °C – nước đá đang tan, 100 °C – nước sôi (ở 1 atm).
- Thang Kelvin (K) – thang nhiệt độ tuyệt đối, đơn vị SI. 0 K (không độ tuyệt đối) là nhiệt độ mà động năng chuyển động nhiệt của phân tử là nhỏ nhất.
Nhiệt dung riêng, nhiệt nóng chảy riêng, nhiệt hoá hơi riêng
- Nhiệt dung riêng \(c\) (J/kg.K): nhiệt lượng cần để 1 kg chất tăng thêm 1 K. Nhiệt lượng thu vào/toả ra: \(Q = mc\Delta T\). Nước có \(c \approx 4200\) J/kg.K – rất lớn.
- Nhiệt nóng chảy riêng \(\lambda\) (J/kg): nhiệt lượng cần để 1 kg chất rắn nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ nóng chảy: \(Q = \lambda m\). Nước đá: \(\lambda \approx 3{,}34.10^5\) J/kg.
- Nhiệt hoá hơi riêng \(L\) (J/kg): nhiệt lượng cần để 1 kg chất lỏng hoá hơi hoàn toàn ở nhiệt độ sôi: \(Q = Lm\). Nước: \(L \approx 2{,}26.10^6\) J/kg.
Trong suốt quá trình nóng chảy (hay sôi) của chất kết tinh, nhiệt độ không đổi dù vẫn nhận nhiệt – trên đồ thị \(T\)–\(t\) là đoạn nằm ngang. Nhiệt nhận vào dùng để phá vỡ liên kết giữa các phân tử (tăng thế năng phân tử).
Phương trình cân bằng nhiệt (hệ cô lập): \(Q_{\text{toả}} = Q_{\text{thu}}\).
🔬 Mô phỏng tương tác
- Bấm ▶ và quan sát đồ thị T – t: hai đoạn nằm ngang ở 0 °C (nóng chảy) và 100 °C (sôi) – nhiệt vẫn được cung cấp (ô Q đã cung cấp tăng) nhưng nhiệt độ không đổi.
- Tăng Khối lượng nước đá m gấp đôi: mọi giai đoạn kéo dài gấp đôi vì Q = mcΔT, Q = λm và Q = Lm đều tỉ lệ với m.
- Tăng Công suất bếp P: quá trình nhanh hơn (Q = P·t) nhưng nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi không đổi.
- So sánh độ dốc đoạn nước đá với đoạn nước lỏng, và độ dài đoạn sôi với đoạn nóng chảy: nước có nhiệt dung riêng lớn hơn nước đá nên nóng lên chậm hơn; L = 2,26.10⁶ J/kg lớn gần 7 lần λ nên đoạn sôi dài hơn hẳn. Đổi Nhiệt độ đầu t₀ chỉ làm thay đổi đoạn đầu tiên.
📐 Công thức cần nhớ
✍️ Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1. Tính nhiệt lượng cần để đun 2 kg nước từ 25 °C đến 100 °C. Cho \(c = 4200\) J/kg.K.
Xem lời giải
- \(\Delta T = 100 - 25 = 75\) K.
- \(Q = mc\Delta T = 2 \cdot 4200 \cdot 75 = 630\,000\) J.
✅ Đáp số: Q = 630 kJ
Ví dụ 2. Cần cung cấp bao nhiêu nhiệt lượng để 0,5 kg nước đá ở 0 °C tan hoàn toàn rồi nóng lên đến 20 °C? Cho \(\lambda = 3{,}34.10^5\) J/kg, \(c = 4200\) J/kg.K.
Xem lời giải
- Nóng chảy ở 0 °C: \(Q_1 = \lambda m = 3{,}34.10^5 \cdot 0{,}5 = 167\,000\) J.
- Nước từ 0 °C lên 20 °C: \(Q_2 = mc\Delta T = 0{,}5 \cdot 4200 \cdot 20 = 42\,000\) J.
- \(Q = Q_1 + Q_2 = 209\,000\) J.
✅ Đáp số: Q = 209 kJ
Ví dụ 3. Một lượng khí nhận nhiệt lượng 500 J và giãn nở, thực hiện công 200 J lên pít-tông. Nội năng của khí thay đổi thế nào?
Xem lời giải
- Khí nhận nhiệt: \(Q = +500\) J. Khí thực hiện công: \(A = -200\) J.
- \(\Delta U = A + Q = -200 + 500 = 300\) J > 0.
✅ Đáp số: Nội năng tăng 300 J
⚠️ Lỗi thường gặp
- Quên đổi °C sang K khi dùng nhiệt độ tuyệt đối (nhưng với ΔT thì không cần đổi).
- Nhầm dấu của A: khí giãn nở (thực hiện công) thì A < 0, khí bị nén thì A > 0.
- Cho rằng nhiệt độ tăng trong lúc nước đá đang tan hoặc nước đang sôi.
- Dùng Q = mcΔT cho giai đoạn chuyển thể – phải dùng Q = λm hoặc Q = Lm.
- Quên đổi khối lượng từ gam sang kg, thể tích nước 1 lít ≈ 1 kg.