Bài 6. Nhiệt hóa hơi riêng

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Quá trình hóa hơi

Hóa hơi là quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí.

Có hai hình thức:

Bay hơi: xảy ra ở mặt thoáng chất lỏng, tại mọi nhiệt độ.

Sôi: xảy ra trong toàn bộ chất lỏng, ở nhiệt độ xác định (ứng với áp suất xác định).

1.2. Nhiệt hóa hơi riêng

Nhiệt hóa hơi riêng của một chất là nhiệt lượng cần cung cấp để làm hóa hơi hoàn toàn 1 kg chất lỏng ở nhiệt độ sôi.

• Kí hiệu: L

• Đơn vị: J/kg

1.3. Công thức tính nhiệt lượng hóa hơi

$$\text{Q=Lm}$$

Trong đó:

• $Q$: nhiệt lượng cung cấp (J)

• $m$: khối lượng chất lỏng hóa hơi (kg)

• $L$: nhiệt hóa hơi riêng (J/kg)

1.4. Giá trị thường gặp

• Nước:$\text{L=2,3×}{10}^6\text{ J/kg}$

2. HIỂU SÂU BẢN CHẤT

💡 Trong quá trình sôi:

• Chất lỏng vẫn nhận nhiệt lượng liên tục.

• Nhiệt độ không đổi.

• Nhiệt lượng nhận được dùng để thắng lực liên kết giữa các phân tử và đưa các phân tử thoát khỏi chất lỏng.

💡 Nhiệt hóa hơi riêng càng lớn:

• Cần nhiều nhiệt lượng hơn để hóa hơi cùng một khối lượng chất lỏng.

💡 Nhiệt hóa hơi riêng thường lớn hơn rất nhiều so với nhiệt nóng chảy riêng.

💡 Bay hơi làm giảm nhiệt độ chất lỏng vì các phân tử có động năng lớn thoát ra trước.

💡 Khi nước sôi:

• Nhiệt độ vẫn giữ ở khoảng 100°C (ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn).

• Nhiệt lượng cung cấp chủ yếu dùng cho quá trình hóa hơi.

3. GHI NHỚ NHANH

• Hóa hơi: lỏng → khí.

• Bay hơi: xảy ra ở mọi nhiệt độ.

• Sôi: xảy ra ở nhiệt độ xác định.

• Ở áp suất không đổi, trong quá trình sôi nhiệt độ không đổi, trong quá trình sôi:

$$\mathrm{t=}hằ\text{ng s}\acute{\stackrel{ˆ}{o}}$$

• Công thức: $\text{Q=Lm}$ (Chất lỏng đã ở nhiệt độ sôi)

• Nước:

$$\text{L=2,3×}{10}^6\text{ J/kg}$$

• Nhiệt lượng hóa hơi dùng để tách các phân tử ra khỏi chất lỏng, không làm tăng nhiệt độ.

4. LƯU Ý CHO HỌC SINH

• Trong quá trình sôi ở áp suất không đổi, nhiệt độ của chất lỏng không đổi.

• Công thức

$$\text{Q=Lm}$$chỉ áp dụng khi chất lỏng đã ở nhiệt độ sôi.

• Luôn đổi khối lượng về đơn vị kg.

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

• Phân biệt nhiệt hóa hơi riêng $L$ với nhiệt dung riêng $c$.

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

5.1. Sự khác nhau giữa bay hơi và sôi

Bay hơi xảy ra ở mặt thoáng và ở mọi nhiệt độ; sôi xảy ra cả trong lòng chất lỏng khi áp suất hơi bão hòa bằng áp suất tác dụng lên mặt chất lỏng.

Nhiệt độ sôi phụ thuộc áp suất ngoài. Vì vậy nước sôi dưới 100 °C trên núi cao và có thể sôi trên 100 °C trong nồi áp suất.

5.2. Áp suất hơi bão hòa và cân bằng động

Trong bình kín, tốc độ bay hơi tăng dần rồi cân bằng với tốc độ ngưng tụ. Hơi khi đó là hơi bão hòa; áp suất của nó phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ nhưng gần như không phụ thuộc thể tích nếu vẫn còn đồng thời pha lỏng.

Điều kiện sôi có thể viết:

$$p_{\mathrm{bh}}(T_s\text{) =}{p}_{\text{ngoài}}$$

5.3. Bài toán đun nóng - hóa hơi nhiều giai đoạn

Khi đun chất lỏng từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ sôi rồi hóa hơi hoàn toàn:

$$\text{Q = mc(}{T}_s-T_1\text{) + mL}$$

Nếu hơi tiếp tục được nung nóng, phải cộng thêm nhiệt lượng làm tăng nhiệt độ của hơi.

5.4. Ngưng tụ và cân bằng nhiệt

Khi hơi ngưng tụ ở nhiệt độ sôi, độ lớn nhiệt lượng tỏa ra là $\mathrm{mL}$. Sau khi ngưng tụ, chất lỏng còn có thể nguội tiếp và tỏa nhiệt $\text{mcΔT}$.

$$\text{ΣQ = 0}$$

5.5. Câu hỏi tư duy nâng cao

1. Vì sao mồ hôi làm mát cơ thể ngay cả khi nhiệt độ không khí thấp hơn nhiệt độ sôi của nước?

2. Vì sao thức ăn chín nhanh hơn trong nồi áp suất?

3. Khi cho hơi nước 100 °C vào nước lạnh, vì sao không thể chỉ dùng $\text{Q = mcΔT}$ cho hơi?

Gợi ý ngắn: (1) các phân tử năng lượng lớn thoát khỏi mặt da; (2) áp suất tăng làm nhiệt độ sôi tăng; (3) hơi còn tỏa nhiệt hóa hơi khi ngưng tụ.