“SƢ̣ CHUYỂN THỂ CỦA CÁC CHẤT” (SGK VẬT LÍ 10 CƠ BẢN)
2.2.1. NỘI DUNG KIẾN THƢ́C
2.2.1.1. Nội dung kiến thƣ́c khoa học các kiến thƣ́c phần “Sƣ̣ chuyển thểcủa các chất” của các chất”
Khái niệm pha, sƣ̣ chuyển pha
* Định nghĩa: Pha là một phần chất đồng tính về mặt vật lí đƣợc cách biệt khỏi các phần khác của hệ bởi những mặt phân cách sao cho có thể tách riêng phần đó ra khỏi hệ bằng những phƣơng pháp cơ học.
- Trong một hệ có thể cùng tồn tại hai pha, ba pha hay nhiều hơn.
* Sự chuyển pha:
- Sự chuyển từ pha này sang pha khác của một hệ gọi là sự chuyển pha. - Sự biến đổi pha không phải chỉ là sự biến đổi từ trạng thái vật chất này sang trạng thái vật chất khác mà còn có thể là sự biến đổi pha của cùng một trạng thái.
- Khi chuyển pha thì nhiệt độ và áp suất trong các pha là nhƣ nhau, còn một số đại lƣợng động lực học khác thì biến đổi hoặc liên tục hoặc gián đoạn.
* Phân loại chuyển pha:
Có hai loại chuyển pha: - Sự chuyển pha loại 1:
Là hiện tượng chuyển pha trong đó thể tích, nội năng, entropi,… của hệ biến đổi đột ngột (có bước nhảy).
+ Quá trình chuyển pha loại một xảy ra là quá trình vừa đẳng nhiệt (T = const) vừa đẳng áp (p = const), nghĩa là ở nhiệt độ và áp suất không đổi.
Đặc điểm:
+ Nhiệt chuyển pha khác không (có sự thu hay tỏa nhiệt). + Cấu trúc tinh thể thay đổi đột ngột.
+ Có thể tồn tại những trạng thái kém bền vững ở lân cận điểm chuyển pha.
+ Khối lƣợng riêng và nội năng trong quá trình chuyển pha biến đổi đột biến.
+ Nhiệt dung riêng và hệ số nở khối bằng vô cùng. + Entropy: S =
T Q
S > 0: hệ chuyển từ trạng thái chật tự sang hỗn độn. S < 0: hệ chuyển từ trạng thái hỗn độn sang trật tự. - Sự chuyển pha loại 2:
Là hiện tượng chuyển pha trong đó thể tích, nội năng, entropi,… của hệ biến đổi liên tục (không có bước nhảy).
Đặc điểm:
+ Không có nhiệt chuyển pha.
+ Thể tích riêng của chất không thay đổi đột biến tại điểm chuyển pha. + Không quan sát thấy những trạng thái kém bền vững ở lân cận điểm chuyển pha.
+ Khối lƣợng riêng, nội năng, entropy biến thiên liên tục.
+ Nhiệt dung riêng của chất, hệ số dãn nở nhiệt và hệ số nén đẳng nhiệt thay đổi đột biến tại điểm chuyển pha.
Các quá trình chuyển trạng thái
* Sự nóng chảy và đông đặc:
- Quá trình các chất biến đổi từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng gọi là sự nóng chảy, quá trình ngƣợc lại gọi là sự đông đặc.
- Giải thích hiện tƣợng nóng chảy và đông đặc của các chất rắn kết tinh trên cơ sở thuyết động học phân tử.
+ Khi nung nóng vật rắn kết tinh, động năng trung bình của mỗi hạt cấu tạo vật rắn tăng lên, chúng cách xa nhau hơn làm cho vật dãn nở. Một phần động năng tăng thêm dùng để thắng phần lực hút tƣơng tác giữa các hạt. Thế năng tƣơng tác giữa các hạt tăng lên.
+ Tiếp tục nung nóng, cả thế năng và động năng trung bình của các hạt tiếp tục tăng lên do đó nhiệt độ của vật tăng. Khi động năng trung bình của các hạt đủ lớn đến mức lực hút giữa các hạt không còn giữ chúng ở nút mạng đƣợc nữa thì mạng tinh thể bị vỡ dần ra, khi đó bắt đầu sự nóng chảy. Tiếp tục nung nóng thì hiện tƣợng nóng chảy cứ tiếp diễn đến khi toàn bộ mạng tinh thể bị phá vỡ hết và chất chuyển sang trạng thái lỏng.
+ Trong quá trình nóng chảy nội năng của vật tăng lên nhờ năng lƣợng cung cấp từ ngoài dƣới dạng truyền nhiệt. Phần nội năng tăng thêm chỉ làm tăng thế năng giữa các hạt, còn động năng của các hạt không thay đổi do đó nhiệt độ của hệ không đổi.
- Ta có thể giải thích hiện tƣợng đông đặc một cách tƣơng tự nhƣng theo chiều ngƣợc lại.
- Đặc điểm:
+ Chất rắn kết tinh: nóng chảy và đông đặc ở cùng một nhiệt độ trong những điều kiện nhƣ nhau và nhiệt độ đó không đổi trong suốt thời gian nóng chảy hoặc đông đặc dƣới áp suất ngoài nhất định.
+ Chất rắn vô định hình: không có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ tăng liên tục khi nóng chảy và giảm liên tục khi đông đặc.
+ Nhiệt lƣợng nhận vào khi nóng chảy bằng nhiệt lƣợng tỏa ra khi đông đặc.
+ Nhiệt nóng chảy là nhiệt lƣợng cần thiết để làm nóng chảy hoàn toàn một đơn vị khối lƣợng của một chất ở nhiệt độ không đổi.
+ Với đa số các chất thể tích riêng tăng lên khi nóng chảy và giảm đi khi đông đặc trừ một số trƣờng hợp nhƣ nƣớc đá, bismut,…, thể tích riêng giảm đi khi nóng chảy và tăng lên khi đông đặc.
+ Đối với đa số các chất khi áp suất ngoài tăng thì nhiệt độ và nhiệt nóng chảy tăng.
* Sự thăng hoa và sự ngƣng kết:
- Quá trình các vật rắn biến đổi thẳng sang hơi (khí) gọi là sự thăng hoa và ngƣợc lại hơi ngƣng tụ thành một vật rắn không chuyển qua trạng thái lỏng gọi là sự ngƣng kết.
- Giải thích:
+ Sự thăng hoa gây bởi các phân tử nằm ở lớp ngoài vật rắn có động năng đủ lớn, thắng đƣợc các lực kéo chúng lại, bứt ra khỏi vật rắn tạo thành hơi ở không gian xung quanh.
+ Nhờ có nhiệt thăng hoa (gồm có nhiệt nóng chảy và nhiệt hóa hơi) mà các phần tử vật rắn nằm ở lớp mặt ngoài có năng lƣợng thắng lực kéo lại và thắng áp suất ngoài do tăng thể tích riêng khi chuyển trạng thái.
- Đặc điểm:
+ Thể tích riêng khi chuyển trạng thái tăng.
+ Không gian xung quanh vật rắn là kín thì sự thăng hoa cũng dẫn đến trạng thái cân bằng động giữa hơi bão hòa và vật rắn.
+ Áp suất hơi bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ, nó giảm nhanh khi nhiệt độ giảm.
* Sự bay hơi và ngƣng tụ. Sự sôi:
- Quá trình các chất chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi (khí) gọi là sự hóa hơi. Sự hóa hơi gồm sự bay hơi và sự sôi.
+ Sự bay hơi: là sự hóa hơi xảy ra trên mặt thoáng của khối chất lỏng và ở nhiệt độ bất kì.
- Quá trình mà các phần tử đã bay ra khỏi chất lỏng do chuyển động hỗn loạn ở phần hơi nằm trên toàn khối lỏng lại có thể bay trở vào khối lỏng gọi là sự ngƣng tụ.
- Giải thích: + Sự bay hơi:
Ở nhiệt độ xác định, các phân tử chất lỏng có động năng khác nhau. Ở lớp mặt ngoài khối chất lỏng có những phần tử có động năng đủ lớn (lớn hơn động năng trung bình) có thể thắng lực hút của các phân tử chất lỏng ở gần chúng để thoát ra khỏi khối chất lỏng, tạo thành hơi của chất lỏng đó trên mặt thoáng.
Nhiệt độ càng tăng, số phân tử có động năng đủ lớn càng nhiều do đó càng có nhiều số phân tử thoát ra ngoài khối chất lỏng hơn, tức tốc độ bay hơi tăng.
+ Sự ngƣng tụ:
Khi tiếp xúc với vật có nhiệt độ thấp hơn thì các phần tử của hơi bị giảm động năng. Lúc đó, lực tƣơng tác giữa chúng có thể liên kết chúng lại tạo thành thể lỏng.
- Sự sôi: là quá trình biến đổi từ pha lỏng sang pha hơi bằng sự tạo ra và lớn lên của các bọt hơi ở trong lòng chất lỏng. Các bọt hơi này vỡ ra ở mặt
+ Để chất lỏng có thể sôi, thì trong lòng chất lỏng phải có những bọt hơi (nguồn gốc của các bọt hơi đầu tiên xuất hiện ở đáy bình và thành bình phía dƣới, khi đun nóng chất lỏng thì không khí bị thành bình hấp thụ tạo ra). Điều kiện tồn tại của bọt hơi là áp suất hơi và áp suất của khí có trong bọt hơi phải cân bằng với áp suất bên ngoài tác dụng lên bọt hơi.
+ Định luật cơ bản về sự sôi: Dƣới áp suất ngoài H, một chất lỏng sôi ở nhiệt độ ts ứng với áp suất hơi bão hòa pbh của nó bằng áp suất ngoài H.
+ Trong quá trình sôi, nhiệt độ của chất lỏng không thay đổi. Nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc vào áp suất ngoài H. Áp suất ngoài càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao.
+ Sự chậm sôi: Chất lỏng đƣợc đun nóng đến nhiệt độ sôi mà vẫn chƣa sôi vì trong lòng chất lỏng chƣa có các “tâm sôi”.
* Hơi bão hòa:
Chất lỏng bay hơi trong không gian kín đến khi áp suất của hơi trong không gian kín bên khối chất lỏng đạt giá trị pb thì ngƣng lại, pb là áp suất cực đại của hơi ở nhiệt độ T và đƣợc gọi là áp suất hơi bão hòa. Hơi ứng với trạng thái này gọi là hơi bão hòa.
- Giải thích: Khi sự bay hơi xảy ra trong một bình kín, lúc đầu mật độ phân tử hơi tăng dần dẫn đến việc số phân tử hơi bay vào lòng chất lỏng và trở thành phân tử chất lỏng tăng dần, nghĩa là quá trình ngƣng tụ tăng. Khi số phân tử chất lỏng bay hơi và số phân tử hơi ngƣng tụ trong một đơn vị thời gian bằng nhau, thì nồng độ phân tử hơi không tăng nữa và áp suất hơi đạt giá trị cực đại. Ta có hơi bão hòa.
- Đặc điểm:
+ Ở một nhiệt độ không đổi, áp suất hơi bão hòa pb của một chất nhất định có giá trị nhất định.
+ Áp suất hơi bão hòa của một chất không phụ thuộc vào thể tích hơi bão hòa.
* Nhiệt hóa hơi:
- Nhiệt lƣợng cần cung cấp để một đơn vị khối lƣợng của một chất ở trạng thái lỏng chuyển tất cả thành hơi ở nhiệt độ không đổi đƣợc gọi là nhiệt hóa hơi riêng, kí hiệu là r, hoặc gọi tắt là nhiệt hóa hơi.
+ Nhiệt hóa hơi (r) phụ thuộc vào nhiệt độ chất lỏng, nó chuyển một phần thành công A mà các phần tử có trong một đơn vị khối lƣợng chất lỏng phải thực hiện để thắng lực kéo lại khi chúng vƣợt qua lớp mặt ngoài khối lỏng trở thành hơi và phần còn lại chuyển thành công A’ phải thực hiện để thắng áp suất ngoài khi tăng thể tích riêng của chất đó khi chuyển từ lỏng sang hơi (khí).
r = A + A’
+ Nhiệt lƣợng tỏa ra khi ngƣng tụ bằng nhiệt hóa hơi cần cung cấp khi bay hơi nếu nhiệt độ của hai quá trình là nhƣ nhau.
Sƣ̣ cân bằng pha. Đồ thị pha tổng quát
* Sự cân bằng 2 pha:
Nếu hệ có hai pha tồn tại cân bằng với nhau thì nhiệt độ và áp suất của hai pha cũng phải nhƣ nhau (T1 = T2 ; p1 = p2).
Ngoài ra, gọi 1, 2 là một hàm nào đó của p và T tƣơng ứng ở các trạng thái I và II thì phải có phƣơng trình: 1(p, T) = 2(p, T)
Trong hệ tọa độ (p, T) phƣơng trình trên cho ta một đƣờng gọi là đƣờng cong cân bằng pha.
Các trạng thái nằm trên đƣờng cong là trạng thái đồng thời tồn tại hai pha. Sự chuyển từ pha I sang pha II và ngƣợc lại đƣợc thực hiện qua đƣờng cong cân bằng pha.
* Sự cân bằng 3 pha. Đồ thị pha tổng quát:
Tƣơng tự trên nếu hệ có ba pha tồn tại cân bằng nhau thì ta phải có: T1 = T2 = T3 ; p1 = p 2 = p3 ; 1 = 2 = 3
Các điều kiện trên đồng thời xác định một điểm tại đó thỏa mãn điều kiện cân bằng ba pha. Điểm đó gọi là điểm ba M.
Ta có đồ thị pha tổng quát của chất nguyên chất (mô tả trạng thái của chất và các quá trình biến đổi trạng thái), trong đó: (R): miền rắn; (L): miền lỏng; (K): miền khí; (H): miền hơi.
p N’ N pc C (R) (L) pM M (K) (H) 0 T TM Tc p pha I pha II 0 T
Chuyển pha qua các đƣờng cong cân bằng kèm theo biến thiên trạng thái đột ngột là chuyển pha không liên tục: chuyển pha RL, RK, LK ở T < Tc
(trạng thái C là trạng thái tới hạn). Với T > Tc có thể có chuyển pha LK liên tục.
+ MN là đƣờng nóng chảy biểu thị sự phụ thuộc nhiệt độ nóng chảy (đông đặc) vào áp suất.
+ MN’ là đƣờng nóng chảy đối với một số ít chất, khi nóng chảy thể tích riêng lại giảm do đó khi áp suất ngoài tăng thì nhiệt độ nóng chảy lại giảm.
+ MC là đƣờng hóa hơi (đƣờng sôi) biểu thị sự phu thuộc áp suất hơi bão hòa vào nhiệt độ. C là điểm ứng với áp suất và nhiệt độ tới hạn (pc, Tc)
+ M là sự giao của đƣờng nóng chảy và hóa hơi có sự cân bằng giữa 3 chất: rắn, lỏng và hơi bão hòa gọi là điểm ba.
+ 0M là đƣờng thăng hoa, là quỹ tích các điểm ứng với sự cân bằng giữa trạng thái rắn và hơi bão hòa.
* Đặc điểm của giản đồ pha:
- Có một điểm chung M của đồ thị pha nằm ở giao điểm của ba đƣờng cong biến đổi pha: hóa hơi, nóng chảy, thăng hoa gọi là điểm ba.
- Các đƣờng cong biến đổi pha chia mp (p,T) thành 3 miền.
+ Phía trái của đƣờng nóng chảy và thăng hoa là miền của pha rắn. + Giữa đƣờng nóng chảy và hóa hơi là miền của pha lỏng.
+ Phía phải của đƣờng hóa hơi và thăng hoa là miền của pha hơi (T < Tc), của pha khí (T > Tc).
- Một điểm bất kì trong các miền chỉ đặc trƣng cho một pha duy nhất. - Một điểm trên đƣờng phân giới giữa các miền đặc trƣng cho sự cân bằng nhiệt của hai pha vật chất, riêng điểm M là của ba pha.
Giản đồ pha đƣợc xây dựng trên cơ sở thực nghiệm, biết giản đồ pha sẽ biết vật chất tồn tại ở trạng thái nào ứng với áp suất và nhiệt độ nhất định và biết trƣớc sẽ xảy ra những biến đổi pha nhƣ thế nào trong các quá trình khác nhau.
2.2.1.2. Nội dung các kiến thức phần “Sự chuyển thể của các chất” trong chƣơng trình Vật lí phổ thông
Nội dung cơ bản và nhƣ̃ng yêu cầu đối với các kiến thƣ́c phần “Sƣ̣ chuyển thể của các chất” trong chƣơng trình Vật lí THCS
Trong chƣơng trình Vật lí ở THCS, cụ thể ở lớp 6 học sinh đã đƣợc nghiên cứu về các kiến thức phần “Sự chuyển thể của các chất”, tuy nhiên nó mới chỉ đƣợc nghiên cứu ở mức độ định tính và trên quan điểm vĩ mô. Qua đó học sinh có đƣợc những khái niệm cơ bản ban đầu về một số hiện tƣợng chuyển thể nhƣ: sự nóng chảy và sự đông đặc, sự bay hơi và sự ngƣng tụ, sự sôi.
Các khái niệm trên đƣợc nghiên cứu chủ yếu dựa trên sự quan sát hiện tƣợng qua thí nghiệm và bằng kinh nghiệm thực tế của học sinh. Qua thí nghiệm học sinh nhận biết đƣợc rằng trong suốt thời gian nóng chảy (đông đặc) của chất rắn kết tinh hoặc trong suốt thời gian sôi thì nhiệt độ của chất không thay đổi. Đối với các kiến thức về sự bay hơi, bằng kinh nghiệm của mình học sinh có thể chỉ ra đƣợc tốc độ bay hơi của chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ, gió và diện tích mặt thoáng chất lỏng.
Các kiến thức cơ bản học sinh cần nhận biết đƣợc:
* Sự nóng chảy và đông đặc:
- Sự chuyển từ thể rắn sang thể lỏng gọi là sự nóng chảy. Sự chuyển từ thể lỏng sang thể rắn gọi là sự đông đặc.
- Phần lớn các chất nóng chảy (hay đông đặc) ở một nhiệt độ xác định. Nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ nóng chảy. Nhiệt độ nóng chảy của các chất khác nhau thì khác nhau.
- Trong thời gian nóng chảy (hay đông đặc) nhiệt độ của vật không thay đổi.
* Sự bay hơi và ngƣng tụ:
- Sự chuyển từ thể lỏng sang thể hơi gọi là sự bay hơi.
- Tốc độ bay hơi của một chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ, gió và diện tích mặt thoáng chất lỏng.