3.1. Nhiệt lượng
Nếu bạn lấy một lon cụca từ tủ lạnh ra và đặt lờn bàn ăn thỡ nhiệt độ của nú sẽ tăng lờn – lỳc đầu nhanh, sau chậm dần tới khi nhiệt độ của nú bằng nhiệt độ phũng. Cũng như vậy nhiệt độ của một tỏch cà phờ núng đặt trờn đĩa sẽ hạ dần tới khi bằng nhiệt độ phũng.
Khỏi quỏt húa điều đú ta coi cụca hay cà phờ như một hệ (nhiệt độ TS) và phần liờn quan của nhà bếp là mụi trường của hệ (nhiệt độ TE). Ta nhận thấy rằng nếu TS khỏc TE, thỡ TS phải thay đổi tới khi hệ nhiệt độ bằng nhau. (hỡnh 3.1). Một sự thay đổi về nhiệt độ như vậy là do cú sự truyền một dạng năng lượng giữa hệ và mụi trường. Năng lượng này là nội năng hay (nhiệt năng) nú là động năng tập thể và thế năng liờn kết với
phõn tử và cỏc vật vi mụ khỏc bờn trong vật. Nội năng truyền đi được gọi là nhiệt lượng và kớ hiệu là Q. Nhiệt lượng là dương khi nội năng được chuyển từ mụi trường xung quanh nú sang hệ (ta núi rằng nhiệt lượng được hấp thụ). Nhiệt lượng là õm khi nội năng được chuyển từ hệ sang mụi trường xung quanh nú (ta núi rằng nhiệt lượng được giải phúng hay mất đi).
Trong tỡnh trạng ở hỡnh 3.1a, trong đú TS > TE, nội năng được chuyển từ hệ sang mụi trường, như vầy Q õm. Trong hỡnh 3.1b, trong đú TS = TE khụng cú sự chuyển đú, Q bằng khụng, chẳng được giải phúng, cũng chẳng bị hấp thụ. Cũn trong hỡnh 3.1c, trong đú TS < TE cú sự chuyển nhiệt từ mụi trường sang hệ, như vậy Q là dương.
“Nhiệt lượng là năng lượng được chuyển giữa hệ và mụi trường quanh nú vỡ cú một sự chờnh lệch nhiệt độ giữa chỳng”
Năng lượng cũng cú thể được chuyển giữa hệ và mụi trường quanh nú nhờ cụng (kớ hiệu A), nú luụn liờn kết với lực tỏc dụng lờn hệ trong một chuyển dời của hệ. Nếu bạn nghi ngờ cụng đang thực hiện trờn hệ hay bởi hệ thỡ cõu hỏi then chốt là: “Đõu là lực và điểm đặt lực chuyển động như thế nào?
Cả nhiệt lượng và cụng đều là năng lượng chuyển giữa hệ và mụi trường quanh nú. Nhiệt lượng và cụng, khỏc với nhiệt độ, ỏp suất, thể tớch khụng phải là tớnh chất nội tại của một hệ. Chỳng chỉ cú nghĩa khi mụ tả một sự chuyển năng lượng vào hay ra khỏi hệ, thờm vào hay bớt đi từ dự trữ nội năng của hệ.
3.2. Nhiệt dung riờng - phương trỡnh cõn bằng nhiệt
Cho hai vật có khối lợng m1, m2 có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc nhau đồng thời cô lập với môi trờng xung quanh. Ta giả thiết là trong hệ này không xảy ra các phản ứng hoá học, do đó kết quả của sự cân bằng nhiệt là chúng có cùng nhiệt độ t. Giả sử nhiệt độ ban đầu của chúng là t2 và t1, với t2 t1. Kết quả thu đợc: t2 t t1
Ta thấy ở đây vật thứ nhất m1 đã nóng lên, còn vật thứ hai m2
thì nguội đi, tức là đã có một quá trình truyền phần năng lợng có liên quan đến nhiệt độ từ vật thứ hai sang vật thứ nhất. Những kết quả thực nghiệm cho phép thiết lập đợc hệ thức:
c1m1 (t- t1) = c2m2 (t2 - t) (2.7) c1, c2 là các hệ số tỉ lệ tơng ứng phụ thuộc vào bản chất vật thứ nhất và bản chất vật thứ hai.
Hệ thức (2.7) có thể viết đơn giản hơn nếu ta đa vào một đại l- ợng mới ký hiệu là Q và đợc xác định bằng dạng sau:
Q = mct = mcT (2.8) Q gọi là nhiệt lợng. Nếu nhiệt độ của vật nào đó tăng thì ta nói vật đó nhận đợc nhiệt lợng. Nhiệt lợng có mặt ở cả hai vế của biểu thức (2.7): ở vế trái nhiệt lợng bị thu bởi vật lạnh hơn, còn ở vế phải nhiệt lợng đợc trao bởi vật nóng hơn, tức là nhiệt lợng trao bằng nhiệt lợng nhận. Bản chất của biểu thức (2.7) là định luật bảo toàn năng lợng: nhiệt năng không đợc tạo ra và không bị mất đi mà chỉ trao đổi.
Đơn vị đo nhiệt lợng là calo (cal), đó là nhiệt lợng làm nóng 1gam nớc từ 14,50C đến 15,50 C.
Hệ số c có mặt trong biểu thức (2.7) hay (2.8) đặc trng cho bản chất của vật chất thu hay trao nhiệt, gọi là tỷ nhiệt hay nhiệt dung riêng: t m Q c (2.9)
Đơn vị đo nhiệt dung riêng là cal/ gam.độ
Số trị nhiệt dung riêng của vật chất đã cho bằng nhiệt lợng cần truyền cho một đơn vị khối lợng vật chất đó để nó tăng thêm 10C. Nhiệt dung riêng thay đổi theo nhiệt độ, nhng tại nhiệt độ phòng thì sự phụ thuộc này có thể bỏ qua.
Nhiệt dung của một vật nào đó là tích số của khối lợng và nhiệt dung riêng của nó. Đơn vị đo nhiệt dung là cal/độ.
Nhiệt dung riêng trung bình của cơ thể ngời là 0,8 cal/g.độ tức là gần bằng nhiệt dung riêng của nớc. Điều này phù hợp với dữ kiện là nớc chiếm tới 70% trọng lợng của cơ thể. Tuy nhiên, nhiệt dung riêng của các mô và cơ quan của cơ thể rất khác nhau, giá trị càng gần nhiệt dung riêng của nớc khi tỷ lệ nớc trong mô càng lớn. Thí dụ nhiệt dung riêng của máu là 0,93 cal/g.độ, còn của xơng đặc khoảng 0,3 – 0,4 cal/g.độ
Các dụng cụ dùng để đo nhiệt lợng gọi là nhiệt lợng kế. Nhiệt l- ợng kế nớc là nhiệt lợng kế đơn giản nhất.
3.3. Nhiệt chuyển pha (nhiệt biến đổi)
Khi một vật rắn hay lỏng hấp thụ nhiệt, nhiệt độ của nú khụng nhất thiết tăng lờn. Thật vậy, mẫu vật cú thể thay đổi từ một pha hay trạng thỏi (đú là lỏng, rắn, khớ) này sang pha hay trạng thỏi khỏc. Chẳng hạn băng cú thể núng chảy và nước cú thể sụi khi hấp thụ nhiệt mà nhiệt độ khụng thay đổi. Trong cỏc quỏ trỡnh ngược lại (nước đúng băng, hơi nước ngưng tụ) nhiệt được giải phúng ra từ mẫu vật cũng lại ở nhiệt độ khụng thay đổi.
Lượng nhiệt chuyển bởi một đơn vị khối lượng khi mẫu vật bị chuyển pha hoàn toàn, gọi là nhiệt chuyển pha (nhiệt biến đổi). Vậy nếu vật cú khối lượng m hoàn toàn bị chuyển pha thỡ tổng nhiệt lượng được chuyển đổi là:
Q = Lm
Khi chuyển pha từ pha lỏng sang pha khớ (mẫu vật phải thu nhiệt) hoặc từ khớ sang lỏng (mẫu vật tỏa nhiệt) thỡ nhiệt lượng của quỏ trỡnh biến đổi này gọi là nhiệt húa hơi. Với nước ở nhiệt độ ngưng tụ hoặc húa hơi bỡnh thường
Lv = 539 cal/g = 40,7 kJ/mol = 2260 kJ/kg.
Khi chuyển pha từ pha rắn sang pha lỏng (mẫu vật phải thu nhiệt) hoặc từ lỏng sang rắn (mẫu vật phải tỏa nhiệt) thỡ nhiệt lượng của quỏ trỡnh biến đổi này gọi là nhiệt núng chảy. Với nước ở nhiệt độ đụng đặc hoặc núng chảy bỡnh thường
LF = 79,5 cal/g = 6,01 kJ/mol = 333 kJ/kg.
Một thanh kẹo được ghi giỏ trị dinh dưỡng là 350 kCal. Hỏi thanh kẹo cung cấp cho cơ thể bao nhiờu năng lượng tớnh theo kWh khi tiờu húa nú?
Giải
Năng lượng tiờu húa bằng: (350.103cal)(4,19J/cal)
= (1,466.106J)(1Ws/J)(1h/3600s)(1kW/1000W) = 0,407 kWh.
Năng lượng này cú thể làm búng đốn 100W sỏng trong 4,1 giờ. Để tiờu hao một năng lượng như vậy trong tập luyện, một người phải đi lại từ 3 đến 4 dặm.
Khẩu phần phong phỳ hàng ngày cho một người ứng với chừng 3,5kWh trong một ngày. Nú là giỏ trị cực đại của cụng mà một người cú thể làm trong một ngày.
Bài tập mẫu 7
Cần lấy đi một năng lượng là bao nhiờu để làm 1,5kg nước ở 200C chuyển thành băng ở nhiệt độ -120C? Cho biết: nhiệt dung riờng của nước cw kgJ0C
. 4186
, nhiệt dung riờng của nước đỏ là cice kgJ0C
. 2100
, nhiệt đụng đặc LF = 3,33.105 (J/kg).
Giải
Chỳng ta cần tớnh nhiệt lượng tổng cộng cần thỏo ra gồm: (1) nhiệt để đưa nước từ 200C xuống 00C, (2) để chuyển từ trạng thỏi lỏng sang trạng thỏi rắn ở 00C, (3) để giảm nhiệt độ của băng từ 00C đến -120C.
)] 12 ( 0 [ ) 0 20 ( 0C 0C mL mc C 0C mc Q o ice F w ) 12 )( / 2100 )( 5 , 1 ( ) / 10 . 33 , 3 )( 5 , 1 ( ) 20 ).( . / 4186 ).( 5 , 1 ( kg J kg0C 0C kg 5J kg kg J kg0C 0C Q 6,6.105J 660KJ
Bài tập mẫu 8: Băng tan hết khụng?
Khi bỏ 0,5kg băng ở -100C vào 3kg nước trà ở 200C. Hỏi nhiệt độ cõn bằng của hỗn hợp đú là bao nhiờu? Coi nhiệt dung riờng của nước trà bằng nhiệt dung riờng của nước. Bỏ qua sự mất mỏt nhiệt vào mụi trường và bỡnh chứa.
Giải
Trước khi viết biểu thức tớnh toỏn, ta cần kiểm tra xem băng cú tan hết khụng (nếu băng cũn thỡ nhiệt độ cõn bằng của hỗn hợp là 00C).
Để đưa 3kg nước trà ở 200C xuống 00C cần giải phúng một nhiệt lượng:
KJ C C kg J kg C C c mw w )(20 ) 250 . 4186 )( 3 ( ) 0 20 ( 0 0 0 0 Mặt khỏc:
+ Khi băng tăng nhiệt độ từ -100C đến 00C nú nhận một nhiệt lượng tương ứng:
KJ C C kg J kg C C c mice ice[00 (10)0 ](0,5 )(2100 / .0 )(100 )10,5 + Khi băng tan thành nước ở 00C nú nhận một nhiệt lượng:
miceLF = (0,5kg)(333 kJ/kg)=167 kJ
Nhiệt lượng nhận tổng cộng mà băng nhận: 10,5 + 167 = 177.5 kJ ( nhỏ hơn 250 kJ)
Do đú năng lượng tổng cộng mà băng (đỏ) cú thể hấp thu được khụng đủ để đưa 3kg nước trà ở 200C giảm đến 00C. Vỡ vậy, chỳng ta biết được rằng nhiệt độ cõn bằng của hỗn hợp nằm đõu đú trong khoảng từ 00C đến 200C.
Sử dụng kết quả bờn trờn:
10,5 kJ+167kJ+(0,5kg)(4186 J/kg.0C)(T0C – 00C)=(3kg)(4186 J/kg.0C)(200C – T0C) Suy ra: T = 50C
CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ 1. Hiện tợng khuếch tán
Các phân tử luôn luôn chuyển động hỗn loạn và va chạm vào nhau, cho nên khi ta để hai tập hợp phân tử lại gần nhau dù chúng ở thể rắn, lỏng hay khí chúng cũng chuyển động ngẫu nhiên xuyên lẫn vào nhau. Đó là hiện tợng khuếch tán phân tử.
Với chất rắn ta khó quan sát đợc hiện tợng này nhng với chất lỏng hoặc khí ta có thể quan sát đợc ở dạng vĩ mô. Nếu trong chất khí hoặc chất lỏng không có sự đồng nhất ở mọi điểm về nồng độ thì chuyển động nhiệt của các phân tử sẽ có tác dụng làm mất đi sự không đồng nhất đó. Nói cách khác là nó sẽ dẫn đến sự san bằng nồng độ ở mọi điểm. Và nh vậy đã có sự di chuyển vật chất từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp. Hiện tợng khuếch tán là hiện tợng di chuyển vật chất có bản chất là sự chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử không tạo phơng u tiên dẫn đến trạng thái san bằng nồng độ, là trạng thái các xác suất nhiệt động cực đại hoặc có entropi cực đại khi không có tơng tác với môi trờng ngoài.
1.1. Khuếch tán không qua màng
Để quan sát hiện tợng khuếch tán xảy ra trong dung dịch ta làm thí nghiệm sau: Dùng một bình thuỷ tinh đựng sirô đặc có màu tới mức P. Đổ nhẹ tay nớc lên phần trên. Lúc đầu ta quan sát thấy có mặt phân cách rõ rệt P. Sau một thời gian ta thấy có một khoảng từ M đến N màu sắc thay đổi nhạt dần, không còn mặt P nữa. Các phân tử tạo nên sirô và các phân tử nớc đã chuyển động xen lẫn vào nhau, đó là sự khuếch tán trong dung dịch.
Khảo sát sự thay đổi nồng độ C theo trục Ox ta đợc đồ thị dạng sau (hình 3.6).
Nghiên cứu hiện tợng khuếch tán, Fick đã khảo sát sự phụ thuộc của số phân tử khuếch tán dn qua diện tích S trong khoảng thời gian dt và ông đã thiết lập đợc công thức:
dn = - DS.gradC.dt
(3.16)
Đây chính là công thức của định luật Fick trong đó gradC là građien nồng độ và D là hệ số khuếch tán của loại phân tử mà ta khảo sát.
Hình 3.6. Hiện tợng khuếch tán trong dung dịch M P N I x M P N C I
Ngời ta nhận thấy D phụ thuộc vào :
+ Khối lợng và hình dạng của phân tử + Độ nhớt của dung môi
+ Nhiệt độ của dung dịch
Einstein đã thiết lập hệ thức biểu diễn sự phụ thuộc giữa hệ số khuếch tán D và các yếu tố liên quan:
kT N RT D 1 . (3.17) trong đó R là hằng số khí lý tởng, N là số Avogadro, k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối của dung dịch, là hệ số ma sát phân tử biểu diễn sự cản của môi trờng lỏng đối với chuyển động nhiệt của phân tử. Có thể coi = K, trong đó là hệ số nhớt của môi trờng, K là hệ số đặc trng cho hình dạng của phân tử. Trong trờng hợp phân tử có dạng hình cầu với bán kính r thì = 6.r., do đó r kT r N RT D 6 6 1 . (3.18)
Nếu biểu diễn công thức này theo khối lợng phân tử ta có:
D3A (3.19)
trong đó A là một hằng số phụ thuộc nhiệt độ và loại dung môi. Bảng 3.1 dới đây cho biết một số giá trị D tính bằng đơn vị cm2/ngày ở 20 oC với một số phân tử khác nhau trong trờng hợp dung môi là nớc.
Bảng 3.1 Giá trị hệ số khuếch tán D và trọng lợng phân tử của một số chất Chất D Urê 60 0,81 Manitol 182 0,40 Sacarose 342 0,31 Hemoglobin 63.000 0,059 Serum albumin 69.000 0,060
Định luật Fick là định luật thực nghiệm, nó cho ta biết số phân tử tham gia khuếch tán khi có sự chênh lệch về nồng độ chất tan giữa các vùng trong dung dịch. Các phân tử hoà tan sẽ dịch chuyển từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp tức là theo chiều ngợc với građien nồng độ. Tốc độ khuếch tán tăng theo nhiệt độ
và giảm khi phân tử lợng chất hoà tan và độ nhớt của môi trờng tăng.
Ngoài ra ta cũng thấy rằng hiện tợng khuếch tán không chỉ xảy ra với phân tử chất tan mà còn xảy ra với cả dung môi. Các phân tử dung môi sẽ chuyển động ngợc chiều với các phân tử chất tan có nghĩa là tử nơi có nồng độ dung môi lớn đến nơi có nồng độ dung môi nhỏ.
1.2. Khuếch tán qua màng xốp thấm tự do
Màng xốp thấm tự do là loại màng có những lỗ với đờng kính rất lớn so với đờng kính phân tử khuếch tán. Khi ta đặt hai dung dịch có nồng độ khác nhau ở hai phía của màng thì sẽ có hiện tợng khuếch tán xảy ra và hiện tợng khuếch tán này xảy ra tơng tự nh trờng hợp không có màng chắn nhng xảy ra chậm hơn vì phần diện tích để các phân tử đi qua bây giờ chỉ là phần diện tích tổng cộng của tất cả các lỗ.
Thí nghiệm bố trí nh hình 3.7.
Giả sử ở mỗi phía của màng luôn duy trì nồng độ đồng nhất C1 và C2 (chẳng hạn bằng cách khuấy), khi ấy chỉ có phần bên trong giữa hai mặt màng là có nồng độ biến đổi (giả sử biến đổi tuyến tính liên tục) tức là gradC có giá trị không đổi
1 2 C C dx dC
gradC , là chiều dày của màng.
áp dụng định luật Fick ta có : t C C S D n 1 2 . . (3.20) trong đó S gọi là hằng số màng.
Ta không biết đợc chính xác diện tích S của các lỗ màng và chiều dày màng, nhng bằng thực nghiệm có thể xác định đợc giá trị trung bình của hằng số màng.
Trên hình 3.7 vẽ đồ thị biểu diễn sự biến thiên nồng độ theo không gian ứng với thời điểm t và t’ (t’ > t) ta thấy sự chênh lệch nồng độ giữa hai phía của màng giảm dần theo thời gian, dần dần tiến tới trạng thái cân bằng khuếch tán tức là trạng thái mà số phân tử chuyển động qua màng theo hai phía bằng nhau.
2. Hiện tợng thẩm thấu