SỰ CHUYỂN PHA CỦA VẬT CHẤT
10.2 MỘT SỐ HIỆN TƯỢNG CHUYỂN PHA LOẠI I
10.2.1 Sự nóng chảy và sự đông đặc
- Sự nóng chảy là quá trình vật chất chuyển từ pha rắn sang lỏng.
Ví dụ: nước đá ở 00C (rắn) sang nước ở 00C (lỏng)
- Sự đông đặc là quá trình vật chất chuyển từ pha lỏng sang pha rắn (ngược với quá trình nóng chảy).
10.2.1.1 Đặc điểm
- Quá trình nóng chảy hoặc đông đặc chỉ diễn ra khi có trao đổi nhiệt giữa hệ và khoảng ngoài.
- Ở một giá trị áp suất ngoài, chất rắn kết tinh có một nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc xác định, nhiệt độ đó được giữ không đổi trong suốt thời gian vật nóng chảy hoặc đông đặc.
- Trong cùng một điều kiện như nhau, chất rắn kết tinh nóng chảy và đông đặc ở cùng một nhiệt độ. Ví dụ :
Fe có tnc = 15300C Cu có tnc = 10330C Vonfram có tnc = 33700C
- Khi vật rắn nóng chảy hoặc đông đặc hoàn toàn thì nhiệt độ vật lại tiếp tục thay đổi.
- Sự biến đổi thể tích riêng: thông thường khi nóng chảy thể tích riêng vật rắn tăng, ngược lại khi đông đặc thể tích riêng giảm. Tuy vậy vẫn có một số truờng hợp
thể tích riêng giảm khi nóng chảy và tăng khi đông đặc, người ta cho rằng số chất loại nầy có pha rắn “rỗng” hơn pha lỏng.
- Ảnh hưởng của áp suất ngoài: khi áp suất ngoài tăng, nhiệt độ nóng chảy tnc tăng, điều nầy được giải thích là: trong điều kiện áp suất lớn, sự nở thể tích của vật nóng chảy bị cản trở nhiều hơn làm mạng tinh thể khó bị phá vỡ hơn.
10.2.1.2 Giải thích
+ Quá trình nóng chảy: vật rắn kết tinh khi nhận nhiệt thì động năng chuyển động nhiệt và thế năng của các hạt cấu thành đều tăng làm các hạt tách xa nhau hơn.
- Khi nhiệt độ vật đạt t = tnc động năng chuyển động nhiệt của các hạt đủ lớn, biên độ dao động nhiệt lớn làm liên kết phân tử bị phá vỡ, cấu trúc tinh thể bị phá vơ,ợ quỏ trỡnh núng chảy bắt đầu... nhiệt độ tnc gọi là nhiệt độ núng chảy. Trong khi nóng chảy nhiệt độ của hệ giữ không đổi, phần năng lượng cung cấp được giữ ở dạng nội năng ứng với sự tăng thêm của thế năng các hạt; nếu tính cho một đơn vị khối lượng thì nhiệt lượng tương ứng gọi là nhiệt nóng chảy riêng L (hoặc ẩn nhiệt).
- Khi toàn bộ trật tự của tinh thể hoàn toàn bị phá vỡ, vật bị nóng chảy hoàn toàn, quá trình nóng chảy kết thúc.
- Nhiệt độ nóng chảy tnc và ẩn nhiệt L là các đại lượng đặc trưng cho vật rắn tinh thể. Ví dụ :
Nước đá có L = 80 kcal/kg Sắt có L = 66 kcal/kg Chì có L = 6,3 kcal/kg
+ Quá trình đông đặc: (Còn gọi là qúa trình kết tinh) là quá trình ngược với quá trình nóng chảy. Ở cùng một điều kiện, nhiệt độ đông đặc tđđ của hệ đúng bằng nhiệt độ nóng chảy tnc. Tuy vậy thực tế cho thấy trong quá trình đông đặc thường xảy ra một sự chậm trễ nào đó, tức là khi nhiệt độ hệ đã giảm đến giá trị t = tđđ mà chất lỏng vẫn chưa đông đặc, hiện tượng được gọi là “sự chậm đông”; để loại bỏ chỉ cần thêm vào chất lỏng một vài mẫu tinh thể nhỏ thì quá trình đông đặc sẽ diễn ra ngay.
10.2.2 Sự hóa hơi và sự ngưng tụ
+ Sự hóa hơi: Quá trình vật chất chuyển từ pha lỏng sang pha hơi (khí) được gọi là sự hóa hơi. Sự hóa hơi thường diễn ra ở 2 dạng: bay hơi và sôi.
- Bay hơi là sự hóa hơi xảy ra từ mặt thoáng chất lỏng và ở nhiệt độ bất kỳ.
- Sôi là quá trình hóa hơi mạnh bằng sự tạo thành các bọt hơi (khí) trong lòng chất lỏng, các bọt hơi nầy chuyển động về phía mặt thoáng và thoát ra khỏi khối chất lỏng qua mặt thoáng.
Ví dụ : Nước bay hơi và nước sôi là hai hiện tượng khác nhau.
+ Sự ngưng tụ: là qúa trình ngược với qúa trình bay hơi, vật chất chuyển từ pha hơi sang pha lỏng; hơi ở mặt ngoài của khối chất lỏng có thể ngưng tụ trở lại thành lỏng. Hơi ngưng tụ tỏa ra một nhiệt lượng đúng bằng nhiệt lượng đã nhận trong quá trình bay hơi.
10.2.2.1 Đặc điểm
- Khi nhiệt độ tăng, tốc độ bay hơi tăng.
- Tốc độ bay hơi phụ thuộc vào điều kiện ngoài (gió ...ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi).
- Nhiệt hóa hơi riêng r (nhiệt cung cấp để một đơn vị khối lượng chất lỏng chuyển thành hơi) phụ thuộc vào nhiệt độ khối chất lỏng và áp suất ngoài tác dụng lên bề mặt chất lỏng.
10.2.2.2 Giải thích
- Sự hóa hơi: ở một nhiệt độ nhất định T, các phân tử chất lỏng có động năng khác nhau. Ở lớp mặt ngoài của khối chất lỏng có những phân tử có động năng đủ lớn có thể thắng được lực hút phân tử ở gần chúng và thóat ra khỏi khối chất lỏng để thành hơi. Ngược lại.
-Sự ngưng tụ: Hơi khi tiếp xúc với vật có nhiệt độ hấp hơn, động năng chuyển động nhiệt giảm khi đó tương tác phân tử có thể liên kết chúng lại thành lỏng.
10.2.2.3 Hơi bảo hòa
Khi chất lỏng bay hơi trong một bình kín có nhiệt độ T, áp suất của pha hơi tăng đạt giá trị cực đại pbh thì không tăng nữa khi đó ta có hơi bào hòa. pbh được gọi là áp suất hơi bảo hòa. Ở hơi bảo hòa; số phân tử từ thể lỏng sang thể hơi đúng bằng số phân tử thể hơi ngưng tụ thành lỏng, khi đó có sự cân bằng động giữa thể lỏng và thể hơi.
+ Đặc điểm:
. Ở nhiệt độ T áp suất hơi bảo hòa có một giá trị nhất định . Khi nhiệt độ tăng, áp suất hơi bão hòa tăng.
. pbh không phụ thuộc vào thể tích hơi mà phụ thuộc vào hình dạng của mặt thoáng (lỏng - hơi).
10.2.2.4 Sự sôi
Sự sôi là quá trình bay hơi mạnh của chất lỏng bằng cách tạo thành những bọt hơi trong lòng khối chất lỏng, các bọt hơi nầy thoát ra khỏi mặt thoáng. Để chất lỏng sôi thì trong lòng khối chất lỏng phải có những bọt hơi. Điều kiện tồn tại bọt hơi là áp suất hơi và khí trong bọt phải cân bằng với áp suất lỏng bên ngoài.
h H
Hỗnh 10 1
+ Xét 1 bọt hơi ở độ sâu h đối với mặt thoáng.
-Áp suất bên trong bọt: pbh + p ‘
(p ‘: áp suất các khí khác hòa tan bên trong chất lỏng) -Áp suất bên ngoài : H +
gh Rα ρ +2
[ H: áp suất khí quyển; ρgh: áp suất thủy tinh;
R α
2 :áp suất phụ gây bởi mặt cầu của bọt ]
⇒ pbh + p ‘ = H +
gh Rα ρ +2 Khi bọt hơi khá lớn
R α
2 bé ; ρgh cũng bé (do h không lớn), và p’ cũng bé nên trong gần đúng pbh ≈ H; khi đó do lực đẩy Archimede bọt hơi bị đẩy lên mặt thoáng và vỡ ra hình thành sự sôi. Từ đó :
“Dưới áp suất ngoài xác định H, một chất lỏng sôi ở nhiệt độ ts ứng với áp suất hơi bảo hòa của nó pbh bằng áp suất ngoài H”.
10.2.3 Sự thăng hoa và sự ngưng hoa
- Các quá trình hóa hơi hoặc ngưng tụ diễn ra giữa thể rắn và thể hơi được gọi là sự thăng hoa và sự ngưng tụ.
Ví dụ : Ở áp suất thường: băng phiến, iốt tinh thể... ở thể rắn dễ dàng chuyển sang thể hơi.
- Sự thăng hoa gây bởi các phân tử ở mặt ngoài của khối chất rắn có động năng đủ lớn thắng được các lực kéo lại (vượt được hố thế năng) và bứt ra khỏi vật rắn tạo thành hơi.
- Nhiệt thăng hoa là nhiệt lượng mà vật rắn hấp thụ để thăng hoa. Để thỏa bảo toàn năng lượng: nhiệt thăng hoa bằng tổng nhiệt nóng chảy và nhiệt hóa hơi.
- Sự ngưng hoa: qúa trình các phân tử hơi quay trở lại thể rắn. Quá trình nầy diễn ra nếu không gian xung quanh vật rắn là kín.