Bài 5. Nhiệt nóng chảy riêng

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Quá trình nóng chảy

1.2. Nhiệt nóng chảy riêng

Nhiệt nóng chảy riêng của một chất là nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng chảy hoàn toàn 1 kg chất đó ở nhiệt độ nóng chảy.

1.3. Công thức tính nhiệt lượng nóng chảy

$$\text{Q=λm}$$Trong đó:

1.4. Giá trị thường gặp

$$\text{λ=3,4×}{10}^5\text{ J/kg}$$

2. HIỂU SÂU BẢN CHẤT

💡 Trong quá trình nóng chảy:

• Chất vẫn nhận nhiệt lượng.

• Nhiệt độ không tăng.

• Nhiệt lượng nhận được dùng để làm suy yếu và phá vỡ liên kết giữa các phân tử.

• Công thức

$$\text{Q=λm}$$chỉ dùng cho phần năng lượng chuyển thể, không làm thay đổi nhiệt độ.

💡 Ý nghĩa của nhiệt nóng chảy riêng:

• Nhiệt nóng chảy riêng phản ánh độ bền liên kết giữa các phân tử trong chất rắn.

• Chất có nhiệt nóng chảy riêng càng lớn: Cần nhiều nhiệt lượng hơn để nóng chảy cùng một khối lượng chất.

💡 Khi nước đá tan:

• Nhiệt lượng dùng cho sự chuyển thể chứ không làm tăng nhiệt độ.

3. GHI NHỚ NHANH

• Nóng chảy: rắn → lỏng.

• Chất rắn kết tinh nóng chảy ở nhiệt độ xác định.

• Đối với chất rắn kết tinh, trong quá trình nóng chảy: $\mathrm{t=}h\grave{\stackrel{̆}{a}}\text{ng s}\acute{\stackrel{ˆ}{o}}$

• Công thức:

$$\text{Q=λm}$$

(Điều kiện áp dụng: chất đang ở nhiệt độ nóng chảy)

• Nước đá:

$$\text{λ=3,4×}{10}^5\text{ J/kg}$$

• Nhiệt lượng nóng chảy dùng để phá vỡ liên kết phân tử, không làm tăng nhiệt độ.

4. LƯU Ý CHO HỌC SINH

• Trong quá trình nóng chảy của chất rắn kết tinh, nhiệt độ không đổi.

• Công thức

$$\text{Q=λm}$$chỉ áp dụng khi chất đang ở nhiệt độ nóng chảy.

• Luôn đổi khối lượng về đơn vị kg.

• Cần tách riêng giai đoạn đun nóng và giai đoạn nóng chảy khi giải bài toán nhiều bước.

• Phân biệt nhiệt nóng chảy riêng $\lambda$ với nhiệt dung riêng $c$.

5. Mở rộng và nâng cao – Dành cho học sinh giỏi và thi đánh giá năng lực

5.1. Nóng chảy và đông đặc là hai quá trình ngược nhau

Ở cùng một áp suất xác định, chất rắn kết tinh nóng chảy và chất lỏng đông đặc ở cùng một nhiệt độ. Khi nóng chảy, chất nhận nhiệt; khi đông đặc, chất tỏa nhiệt.

$$Q_{\text{nóng chảy}}\text{= mλ;}{Q}_{\text{đông đặc}}\text{= -mλ}$$

Dấu âm trong $Q_{\text{đông}\mathrm{đặc}}$ biểu thị hệ tỏa nhiệt theo quy ước $\text{Q > 0}$ khi hệ nhận nhiệt. Độ lớn nhiệt lượng tỏa ra khi đông đặc hoàn toàn bằng $\mathrm{m\lambda }$.

Trong quá trình chuyển thể cân bằng ở áp suất không đổi, hai pha rắn và lỏng có thể cùng tồn tại; nhiệt độ không đổi cho đến khi một pha chuyển hết sang pha kia.

5.2. Chất rắn kết tinh và chất rắn vô định hình

Nội dung “chất rắn kết tinh – chất rắn vô định hình” được trình bày rõ trong chương trình trước đây và giúp xác định đúng điều kiện áp dụng công thức nhiệt nóng chảy.

• Chất rắn kết tinh có cấu trúc trật tự dài hạn và nóng chảy ở một nhiệt độ xác định khi áp suất không đổi; ví dụ: nước đá, muối ăn, kim loại tinh khiết.

• Chất rắn vô định hình không có trật tự tinh thể dài hạn; khi được đun nóng, chúng mềm dần trong một khoảng nhiệt độ thay vì có một nhiệt độ nóng chảy duy nhất; ví dụ: thủy tinh, nhựa đường.

• Vật liệu không tinh khiết hoặc hỗn hợp thường nóng chảy trong một khoảng nhiệt độ; nhiệt độ nóng chảy còn phụ thuộc độ tinh khiết và áp suất.

Vì vậy, biểu thức $\text{Q = mλ}$ với $\lambda$ không đổi mô tả tốt nhất quá trình chuyển thể của chất tinh khiết tại nhiệt độ nóng chảy xác định.

5.3. Đường cong đun nóng có giai đoạn nóng chảy

Khi cung cấp nhiệt đều cho một chất rắn kết tinh, đường biểu diễn nhiệt độ theo thời gian thường gồm ba giai đoạn: tăng nhiệt độ của chất rắn, nóng chảy ở nhiệt độ gần như không đổi, rồi tăng nhiệt độ của chất lỏng.

$$Q_{\text{tổng}}\text{= m}{c}_r(T_{\mathrm{nc}}\text{- T₁) + mλ + m}{c}_l\text{(T₂ -}{T}_{\mathrm{nc}})$$

Trong đó $c_r$ và $c_l$ lần lượt là nhiệt dung riêng của chất ở thể rắn và thể lỏng; $T_{\mathrm{nc}}$ là nhiệt độ nóng chảy. Chỉ giữ những số hạng ứng với các giai đoạn thực tế của bài toán.

Đồ thị nhiệt độ theo thời gian của hỗn hợp nước đá – nước trong thí nghiệm. Đoạn gần nằm ngang ứng với quá trình nóng chảy. Nguồn: SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức.

5.4. Cân bằng nhiệt có xảy ra nóng chảy hoặc đông đặc

Khi một hệ có nhiều vật trao đổi nhiệt, trước tiên phải dự đoán trạng thái cân bằng cuối cùng rồi mới lập phương trình. Có ba khả năng thường gặp: chất rắn chưa tan hết, chất rắn vừa tan hết hoặc chất rắn tan hết và chất lỏng tiếp tục tăng nhiệt độ.

$$\text{ΣQ = 0}$$

Ví dụ, thả nước đá ở nhiệt độ $t_{đ}\text{< 0 °C}$ vào nước ở nhiệt độ $t_n\text{> 0 °C}$. Nhiệt lượng tối thiểu để làm đá tăng đến 0 °C rồi tan hoàn toàn là:

$$Q_{\mathrm{cần}}=m_{đ}{c}_{đ}\text{(0 -}{t}_{đ}\text{) +}{m}_{\mathrm{đ\lambda }}$$

Nhiệt lượng tối đa mà nước và bình có thể tỏa ra khi hạ đến 0 °C là:

$$Q_{\mathrm{có}}=\left(m_n{c}_n+C_{\text{bình}}\right)t_n$$

• Nếu $Q_{\mathrm{có}}<Q_{\mathrm{cần}}$: còn nước đá ở trạng thái cân bằng và nhiệt độ cuối bằng 0 °C.

• Nếu $Q_{\mathrm{có}}=Q_{\mathrm{cần}}$: nước đá vừa tan hết và nhiệt độ cuối bằng 0 °C.

• Nếu $Q_{\mathrm{có}}>Q_{\mathrm{cần}}$: nước đá tan hết; phần nhiệt lượng còn lại làm toàn bộ nước và bình tăng nhiệt độ trên 0 °C.

5.5. Xác định nhiệt nóng chảy riêng bằng công suất điện

Trong khoảng thời gian nước đá đang nóng chảy ở nhiệt độ gần như không đổi, điện năng cung cấp lí tưởng bằng nhiệt lượng nóng chảy:

$$\text{PΔτ = mλ}$$

Nếu dùng hai mốc M và N trên đồ thị, với m là khối lượng nước đá đã nóng chảy trong khoảng $\text{Δτ =}{\tau }_N-{\tau }_M$, có thể ước lượng:

$$\text{λ =}\frac{\bar{P}\left({\tau }_N-{\tau }_M\right)}{m}$$

Trong thực tế, một phần điện năng làm nóng dụng cụ và truyền ra môi trường. Mô hình đầy đủ hơn là:

$$\text{PΔτ = mλ +}{Q}_{\text{hao phí}}$$

• Nước đá nên được đập nhỏ và trộn với một ít nước để điện trở ngập đều, nhiệt độ trong bình đồng đều hơn.

• Chỉ chọn khoảng số liệu mà nhiệt độ xấp xỉ không đổi để tính năng lượng chuyển thể.

• Cách nhiệt, khuấy đều và dùng công suất trung bình giúp giảm sai số.

• Sau khi đá tan hết, nhiệt độ tăng lên; phần năng lượng từ thời điểm đó không còn là nhiệt nóng chảy.

5.6. Sự phụ thuộc của nhiệt độ nóng chảy vào áp suất

Nhiệt độ nóng chảy không chỉ phụ thuộc bản chất của chất mà còn phụ thuộc áp suất. Với phần lớn chất, thể lỏng có thể tích lớn hơn thể rắn nên tăng áp suất làm nhiệt độ nóng chảy tăng.

Nước là trường hợp đặc biệt: nước đá có thể tích lớn hơn nước lỏng. Vì vậy, khi áp suất tăng vừa phải, nhiệt độ nóng chảy của nước đá giảm. Đây là một nguyên nhân góp phần giải thích hiện tượng tan cục bộ của băng dưới áp suất lớn.

Ở mức nâng cao, độ biến thiên nhiệt độ nóng chảy theo áp suất được mô tả bởi phương trình Clapeyron:

$$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dp}}=\frac{T\left(v_l-v_r\right)}{\lambda }$$

Trong đó $v_l$ và $v_r$ là thể tích riêng của pha lỏng và pha rắn. Công thức cho thấy dấu của $\text{dT/dp}$ phụ thuộc vào độ biến thiên thể tích khi nóng chảy.

5.7. Quá lạnh và sự tạo mầm tinh thể

Một chất lỏng tinh khiết, ít bị nhiễu động có thể được làm lạnh xuống thấp hơn nhiệt độ đông đặc mà vẫn chưa hóa rắn; trạng thái này gọi là quá lạnh. Khi xuất hiện mầm tinh thể hoặc có rung động, chất có thể đông đặc nhanh và tỏa nhiệt ẩn, làm nhiệt độ tăng trở lại gần nhiệt độ đông đặc.

Quá lạnh là trạng thái không bền. Khi giải bài tập phổ thông về cân bằng pha, nếu đề không nêu hiện tượng này thì coi nóng chảy và đông đặc diễn ra ở nhiệt độ xác định.

5.8. Câu hỏi tư duy nâng cao

1. Vì sao chất rắn vô định hình không có một nhiệt độ nóng chảy xác định như chất rắn kết tinh?

2. Một khối nước đá ở −10 °C được cung cấp nhiệt. Hãy nêu các công thức cần dùng từ lúc bắt đầu đun đến khi thu được nước ở 20 °C.

3. Khi thả nước đá 0 °C vào nước nóng, làm thế nào biết ở trạng thái cân bằng còn nước đá hay không?

4. Trong thí nghiệm dùng dây đốt, vì sao không được dùng đoạn đồ thị sau khi nước đá đã tan hết để tính λ?

5. Tại sao tăng áp suất làm nhiệt độ nóng chảy của phần lớn chất tăng nhưng lại làm nhiệt độ nóng chảy của nước đá giảm?

Gợi ý ngắn: (1) cấu trúc không có trật tự dài hạn nên mềm dần trong một khoảng nhiệt độ; (2) dùng lần lượt $m{c}_r\text{ΔT, mλ}$ và $m{c}_l\mathrm{\Delta T}$; (3) so sánh nhiệt lượng nước có thể tỏa với nhiệt lượng cần để làm tan hết đá; (4) lúc đó điện năng làm tăng nhiệt độ của nước; (5) xét dấu của độ biến thiên thể tích khi nóng chảy.