Bài 5: Nhiệt nóng chảy riêng
Khi nước đá đang tan, nhiệt lượng không làm nhiệt độ tăng ngay. Học cách tính nhiệt nóng chảy và kiểm tra xem vật đã chuyển hết sang thể lỏng hay chưa.
HỌC XONG BÀI NÀY
- Nêu đúng ý nghĩa nhiệt nóng chảy riêng λ.
- Áp dụng Q = mλ ở nhiệt độ nóng chảy.
- Giải quá trình đun đá lạnh qua từng giai đoạn.
Kiến thức nền tảng
Nhiệt nóng chảy riêng λ cho biết nhiệt lượng cần để làm nóng chảy hoàn toàn 1 kg chất rắn ở nhiệt độ nóng chảy, trong điều kiện xác định. Đơn vị là J/kg; với cùng một chất, giá trị có thể phụ thuộc áp suất và điều kiện khảo sát.
Nhiệt nóng chảy riêng λ là năng lượng cần cho 1 kg chất rắn nóng chảy hoàn toàn tại nhiệt độ nóng chảy. Phải đưa chất đến nhiệt độ này trước; nếu chất ban đầu lạnh hơn thì năng lượng gồm ít nhất hai phần. Đông đặc tỏa năng lượng có cùng độ lớn khi xét cùng lượng chất và điều kiện.
Ba chặng khi đun nước đá lạnh
- Đưa nước đá từ t₀ < 0 °C lên 0 °C: Q₁ = mcđá(0 − t₀).
- Làm tan tại 0 °C: Q₂ = mλ.
- Đun phần nước sau khi tan hết lên t > 0 °C: Q₃ = mcnướct.
Ví dụ, 0,10 kg đá từ −10 °C thành nước 20 °C; cho cđá = 2100, cnước = 4200 J/(kg·K), λ = 334 000 J/kg. Nhiệt lượng cần là 2100 + 33 400 + 8400 = 43 900 J.
Đo λ và trừ lượng tan tự nhiên
Trong hai khoảng thời gian bằng nhau, đo lượng đá tan khi không cấp điện là m₀ và lượng tan khi cấp điện là m₁. Nếu điều kiện môi trường tương đương và điện năng chỉ dùng làm tan đá, λ ≈ PΔτ/(m₁ − m₀). Phải dùng khối lượng tan trong từng khoảng; nếu cân ghi cộng dồn, lấy hiệu các số cân trước khi trừ nền.
Bảng kiến thức cần nhớ
| Nội dung | Ghi nhớ | Điều kiện |
|---|---|---|
| Nóng chảy | Q = mλ | Tại nhiệt độ nóng chảy |
| Khối lượng đã tan | m = Qλ | Q chỉ dành cho chuyển thể |
| Đơn vị | λ: J/kg | Không nhầm với c: J/(kg·K) |
Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1. Làm tan nước đá ở 0 °C
Với m = 0,20 kg và λ = 3,34 × 10⁵ J/kg, cần Q = 0,20 × 3,34 × 10⁵ = 66 800 J = 66,8 kJ. Nhiệt độ đầu và cuối đều 0 °C nhưng Q không bằng 0.
Ví dụ 2. Chưa đủ năng lượng để tan hết
Cho 0,20 kg đá ở 0 °C nhận 33,4 kJ trong hệ không thất thoát. Khối lượng tan là 33 400/(3,34 × 10⁵) = 0,10 kg. Còn 0,10 kg đá và 0,10 kg nước ở 0 °C; không được tính tăng nhiệt cho toàn mẫu.
Luyện tập và đề ôn liên quan
Tự kiểm tra
100 g đá ở 0 °C tan hết với λ = 3,34 × 10⁵ J/kg cần bao nhiêu nhiệt?
Xem đáp án và cách kiểm
Q = 0,10 × 3,34 × 10⁵ = 33,4 kJ.
ĐỌC SÂU HƠN · KẾT NỐI VỚI BÀI TẬP
Công thức trọng tâm và điều kiện áp dụng
Nhiệt nóng chảy riêng
Đúng tại nhiệt độ nóng chảy cân bằng và cùng điều kiện áp suất.
Nhiệt lượng trước khi nóng chảy
Nếu vật chưa tới nhiệt độ nóng chảy, phải cộng giai đoạn làm nóng.
1. Khi nào dùng Q = mλ?
Công thức dùng cho giai đoạn chuyển rắn → lỏng tại nhiệt độ nóng chảy. Nếu vật ban đầu lạnh hơn nhiệt độ nóng chảy, cần tính thêm nhiệt lượng làm nóng vật đến nhiệt độ đó; nếu sau nóng chảy còn tiếp tục đun, phải cộng nhiệt lượng làm tăng nhiệt độ chất lỏng.
Ở điều kiện thường, nhiệt nóng chảy riêng của nước đá thường được lấy gần 3,34 × 105 J/kg trong các bài tập, nhưng phải ưu tiên số liệu của đề bài.
2. Sơ đồ ba chặng khi đun nước đá
- Đá lạnh đến 0 °C: tính Q1 = m cđá (0 − tđầu).
- Đá tan ở 0 °C: tính Q2 = mλ, nhiệt độ gần như không đổi.
- Nước sau khi tan: tính Q3 = m cnước (tcuối − 0).
Nếu năng lượng cung cấp chưa đủ cho Q2, chỉ một phần đá tan; hệ ở cân bằng có thể đồng thời có đá và nước. Không được cộng tiếp Q3 khi chưa tan hết.
3. Phép đo λ và lượng nước đá tan tự nhiên
Đo bằng điện trở cấp năng lượng cần tách lượng nước đá tan do nhiệt từ môi trường so với lượng tan do điện trở. Khi phương pháp thu khối lượng được sử dụng, số liệu phải xét thời gian, công suất hữu ích và hao phí nhiệt. Nhiệt kế chỉ giúp nhận biết trạng thái và khoảng chuyển thể, không trực tiếp đo λ.
4. Ví dụ ba giai đoạn
- Làm ấm đá: Q1 = 0,20 × 2 100 × 10 = 4 200 J.
- Làm tan đá: Q2 = 0,20 × 334 000 = 66 800 J.
- Làm ấm nước: Q3 = 0,20 × 4 200 × 20 = 16 800 J.
- Tổng: Q = 87 800 J = 87,8 kJ.
Những lỗi học sinh thường mắc
- Quên chặng làm ấm đá từ nhiệt độ âm lên 0 °C.
- Lấy khối lượng ban đầu khi chỉ một phần đá thực sự tan.
- Tiếp tục dùng mcΔT trong đoạn nóng chảy ở nhiệt độ gần như không đổi.
- Cho rằng nước đá tan và nước lỏng tiếp tục nóng lên ngay lập tức.
Liên hệ thực tế
Hỗn hợp đá và nước được dùng để ổn định nhiệt độ gần 0 °C trong nhiều thao tác làm lạnh. Khi đá bắt đầu tan, hệ hấp thụ năng lượng mà vẫn có thể giữ nhiệt độ xấp xỉ không đổi trong một khoảng thời gian.
Sơ đồ tư duy Bài 5
Mỗi nhánh ghi rõ kiến thức, điều kiện hoặc lỗi dễ nhầm — em có thể mở bản vector lớn để đọc chi tiết.
Đọc sơ đồ bằng chữ
- Khái niệm λ: Năng lượng tan hết 1 kg · Ở nhiệt độ nóng chảy · Đơn vị: J/kg
- Trước khi tan: Đá có thể còn dưới 0 °C · Làm ấm bằng mcΔT · Chưa dùng công thức mλ
- Đang nóng chảy: Q = mλ · Nhiệt độ gần như ổn định · Kiểm phần khối lượng đã tan
- Sau khi tan: Chỉ làm nóng nước khi đã tan · Q = mc_nướcΔT · Đủ năng lượng mới sang chặng
- Thực nghiệm: Cấp năng lượng có đo P,t · Trừ phần hao phí môi trường · Xác định lượng đá tan thực
- Sai lầm: m tính bằng kilogram · Không trộn c, λ và L · Chưa tan hết thì còn hai pha
HIỂU RỒI THÌ LUYỆN
Tự kiểm tra kiến thức Bài 5
Học theo từng câu, chọn Đúng/Sai từng ý và mở lời giải sau khi tự làm. Bộ câu hỏi được biên soạn tương ứng với bài này.