Bài 1. Cấu trúc của chất. Sự chuyển thể trang 6, 7, 8 Vật Lí 12 Kết nối tri thức

Cùng một chất nhưng có thể tồn tại ở các thể khác nhau là do sự thay đổi về cường độ của lực tương tác và mức độ chuyển động nhiệt của các phân tử. Cụ thể như sau:

1. Thể Rắn: Lực tương tác giữa các phân tử rất mạnh, thắng thế hoàn toàn so với động năng nhiệt. Các phân tử bị giữ chặt ở những vị trí xác định, chỉ có thể dao động quanh vị trí cân bằng. Do đó, chất rắn có hình dạng và thể tích xác định.
2. Thể Lỏng: Lực tương tác yếu hơn so với thể rắn, nhưng vẫn đủ lớn để giữ các phân tử ở gần nhau. Động năng nhiệt cho phép các phân tử trượt lên nhau và thay đổi vị trí. Do đó, chất lỏng có thể tích xác định nhưng không có hình dạng xác định (có hình dạng của bình chứa).
3. Thể Khí: Động năng nhiệt rất lớn, thắng thế hoàn toàn lực tương tác giữa các phân tử. Các phân tử chuyển động hỗn loạn, độc lập và chiếm toàn bộ không gian của bình chứa. Do đó, chất khí không có hình dạng và thể tích xác định.

Kết luận: Việc một chất tồn tại ở thể nào phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Khi thay đổi các yếu tố này, ta thay đổi mức năng lượng (động năng) của các phân tử, dẫn đến việc thay đổi sự cân bằng giữa lực tương tác và chuyển động nhiệt, gây ra hiện tượng chuyển thể (nóng chảy, bay hơi, ngưng tụ, đông đặc).

1. Quan điểm về cấu tạo chất

Mô hình động học phân tử được xây dựng trên quan điểm chất có cấu tạo gián đoạn. Theo quan điểm này, vật chất không phải là một khối liền mạch mà được cấu tạo từ những hạt cực kỳ nhỏ bé (nguyên tử, phân tử), giữa chúng có khoảng cách trống.

2. Thí nghiệm của Brown

a) Tại sao chứng tỏ phân tử chuyển động hỗn loạn:

Hạt phấn hoa có kích thước lớn hơn rất nhiều so với phân tử nước, nhưng nó vẫn chuyển động hỗn loạn. Nguyên nhân là do các phân tử nước chuyển động không ngừng và va chạm vào hạt phấn hoa từ mọi phía. Vì chuyển động của các phân tử nước là hỗn loạn, nên tại một thời điểm, lực va chạm từ các phía lên hạt phấn hoa không cân bằng nhau, tạo ra một hợp lực đẩy hạt phấn hoa dịch chuyển theo các hướng ngẫu nhiên. Do đó, chuyển động của hạt phấn hoa là hệ quả và là bằng chứng gián tiếp cho chuyển động hỗn loạn của các phân tử nước.

b) Cách chứng tỏ nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ chuyển động:

Để chứng tỏ điều này, ta có thể thực hiện thí nghiệm bằng cách tăng nhiệt độ của nước (đun nóng). Khi nhiệt độ tăng, năng lượng nhiệt cung cấp cho các phân tử nước khiến chúng chuyển động nhanh hơn (động năng tăng). Khi đó, các phân tử nước va chạm vào hạt phấn hoa với cường độ mạnh hơn và tần suất dày hơn, dẫn đến hạt phấn hoa sẽ chuyển động hỗn loạn nhanh hơn và mạnh hơn so với khi nước ở nhiệt độ thấp.

3. Hiện tượng thực tế về lực tương tác phân tử

• Lực hút:
  - Sự hình thành giọt nước: Các phân tử nước hút nhau khiến nước có xu hướng co lại thành hình cầu (hiện tượng căng bề mặt).
  - Thủy ngân dính vào kính: Lực hút giữa các phân tử thủy ngân và phân tử thủy tinh rất mạnh.
• Lực đẩy:
  - Tính không nén được của chất lỏng và chất rắn: Khi ta cố gắng nén một khối thép hoặc một ống nước đầy, các phân tử bị đẩy lại rất gần nhau khiến lực đẩy tăng vọt, chống lại sự nén ép.
  - Sự tồn tại của vật chất: Lực đẩy ngăn cản các phân tử xuyên qua nhau, giúp vật thể giữ được hình dạng và thể tích nhất định.

1. Mô tả và so sánh cấu trúc của chất rắn, chất lỏng, chất khí dựa trên Hình 1.3

Dựa vào Hình 1.3, ta có bảng mô tả và so sánh sau:

Kết luận sơ lược về cấu trúc:
- Thể rắn: Cấu trúc chặt chẽ, lực tương tác phân tử rất mạnh.
- Thể lỏng: Cấu trúc linh động, lực tương tác phân tử đủ mạnh để giữ các phân tử gần nhau nhưng không đủ để cố định vị trí.
- Thể khí: Cấu trúc thưa thớt, lực tương tác phân tử rất yếu.

2. Giải thích đặc điểm của các thể

a) Thể khí:
- Vì khoảng cách giữa các phân tử khí rất lớn so với kích thước phân tử, nên lực tương tác giữa chúng rất yếu. Do đó, các phân tử khí chuyển động tự do, không có sự ràng buộc, dẫn đến việc chúng không có hình dạng và thể tích riêng mà luôn lan tỏa để chiếm toàn bộ thể tích bình chứa.
- Vì có nhiều khoảng trống lớn giữa các phân tử, khi ta tác dụng lực nén, các phân tử dễ dàng xích lại gần nhau hơn $ ightarrow$ dễ nén được.

b) Thể rắn:
- Các phân tử ở thể rắn nằm rất gần nhau và có lực tương tác rất mạnh, giữ chúng cố định tại các vị trí cân bằng. Điều này tạo nên một khung cấu trúc bền vững, khiến vật ở thể rắn có hình dạng và thể tích riêng.
- Vì khoảng cách giữa các phân tử đã ở mức tối thiểu (rất khít), không còn nhiều khoảng trống để thu hẹp thêm $ ightarrow$ rất khó nén.

c) Thể lỏng:
- Lực tương tác giữa các phân tử lỏng đủ mạnh để giữ cho chúng luôn ở gần nhau, tạo nên một khối thống nhất $ ightarrow$ có thể tích riêng.
- Tuy nhiên, lực này không đủ mạnh để cố định vị trí của phân tử (các phân tử có thể trượt lên nhau), nên chúng không thể giữ được một khung cố định $ ightarrow$ không có hình dạng riêng (mà lấy hình dạng của phần bình chứa).

Để giải thích tại sao khi bay hơi nhiệt độ của chất lỏng giảm, ta lập luận theo các bước sau:

1. Đặc điểm chuyển động: Các phân tử chất lỏng chuyển động nhiệt hỗn loạn không ngừng. Trong chất lỏng, các phân tử có mức động năng khác nhau (phân bố năng lượng).
2. Điều kiện bay hơi: Chỉ những phân tử ở gần bề mặt chất lỏng và có động năng lớn (vận tốc lớn) mới có khả năng thắng được lực hút của các phân tử xung quanh để thoát ra khỏi mặt thoáng và trở thành hơi.
3. Sự thay đổi năng lượng: Khi các phân tử 'nhanh nhất' (có năng lượng cao nhất) thoát ra ngoài, những phân tử còn lại trong chất lỏng sẽ có mức động năng trung bình thấp hơn so với lúc đầu.
4. Kết luận về nhiệt độ: Vì nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho động năng trung bình của các phân tử, nên khi động năng trung bình giảm, nhiệt độ của khối chất lỏng sẽ giảm xuống.

Ví dụ thực tế: Khi ta thoa cồn lên da, cồn bay hơi rất nhanh. Quá trình này lấy đi nhiệt năng từ da tay (làm giảm nhiệt độ của da), khiến ta có cảm giác mát lạnh.

1. Mô tả sự thay đổi nhiệt độ của nước dựa vào đồ thị Hình 1.5:

Quá trình đun nước từ $20^\circ\text{C}$ đến khi sôi được chia thành hai giai đoạn rõ rệt:

• Giai đoạn 1 (Từ $20^\circ\text{C}$ đến $100^\circ\text{C}$): Khi bắt đầu đun, nhiệt độ của nước tăng dần theo thời gian. Trên đồ thị, đoạn này là một đường thẳng đi lên, cho thấy nhiệt độ tăng tỉ lệ thuận với thời gian cung cấp nhiệt.
• Giai đoạn 2 (Khi nước đạt $100^\circ\text{C}$): Khi nước đạt đến nhiệt độ sôi ($100^\circ\text{C}$ đối với nước tinh khiết ở áp suất chuẩn), nhiệt độ của nước không tăng thêm nữa mặc dù ta vẫn tiếp tục cung cấp nhiệt lượng. Trên đồ thị, đoạn này là một đường thẳng nằm ngang.

2. Giải thích về năng lượng khi nước đang sôi:

Khi nước đang sôi, năng lượng mà nước nhận được từ nguồn nhiệt KHÔNG được chuyển hóa thành động năng của các phân tử nước.

Tại sao?

• Về mặt nhiệt độ: Động năng trung bình của các phân tử tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của vật. Vì trong quá trình sôi, nhiệt độ của nước được giữ không đổi ở $100^\circ\text{C}$, nên động năng trung bình của các phân tử nước không thay đổi.
• Về mặt năng lượng: Nhiệt lượng cung cấp lúc này được dùng để thắng lực tương tác (lực hút) giữa các phân tử nước, nhằm phá vỡ cấu trúc chất lỏng để chuyển sang thể khí (hơi nước). Nói cách khác, năng lượng này được chuyển hóa thành thế năng tương tác giữa các phân tử, làm tăng khoảng cách giữa chúng.

Kết luận: Khi sôi, năng lượng cung cấp dùng để tăng thế năng tương tác phân tử để thực hiện quá trình chuyển thể, không dùng để tăng động năng (nhiệt độ).

1. Tại sao chất rắn kết tinh khi được đun nóng có thể chuyển thành chất lỏng?

Trong chất rắn kết tinh, các phân tử/nguyên tử sắp xếp chặt chẽ theo một cấu trúc hình học xác định (mạng tinh thể) và liên kết với nhau bằng lực tương tác mạnh. Khi được đun nóng, các hạt này hấp thụ nhiệt năng, làm tăng động năng và dao động mạnh hơn quanh vị trí cân bằng. Khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ nóng chảy, động năng của các hạt đủ lớn để thắng lực liên kết của mạng tinh thể, làm phá vỡ cấu trúc bền vững ban đầu. Khi đó, các hạt không còn bị giữ chặt tại một vị trí mà có thể trượt lên nhau, dẫn đến việc chất rắn chuyển sang thể lỏng.

2. Phân tích quá trình nóng chảy dựa trên Hình 1.7:

a) Mô tả quá trình nóng chảy:
Dựa vào đồ thị nhiệt độ theo thời gian (Hình 1.7), quá trình nóng chảy của chất kết tinh chia làm 3 giai đoạn chính:

• Giai đoạn 1: Nhiệt độ của chất rắn tăng dần theo thời gian khi nhận nhiệt năng. Đồ thị là một đường thẳng đi lên.
• Giai đoạn 2: Khi đạt đến nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ của chất không tăng thêm dù tiếp tục đun nóng. Đồ thị là một đường nằm ngang (đoạn hằng nhiệt). Đây là giai đoạn chất rắn đang chuyển dần sang chất lỏng.
• Giai đoạn 3: Sau khi toàn bộ chất rắn đã nóng chảy hết thành chất lỏng, nhiệt độ của chất lỏng lại tiếp tục tăng khi tiếp tục nhận nhiệt. Đồ thị trở lại là đường thẳng đi lên.

b) Giải thích hiện tượng nhiệt độ không tăng khi đang nóng chảy:
Khi chất rắn kết tinh đang trong quá trình nóng chảy, mặc dù vẫn tiếp tục nhận nhiệt năng từ nguồn nóng, nhưng nhiệt độ của nó không tăng. Điều này là do năng lượng mà chất rắn nhận được lúc này không dùng để làm tăng động năng trung bình của các phân tử (không làm tăng nhiệt độ), mà được dùng để phá vỡ các liên kết trong mạng tinh thể (tăng thế năng tương tác giữa các hạt). Nói cách khác, nhiệt năng cung cấp được tiêu tốn để thắng lực hút giữa các phân tử nhằm chuyển trạng thái từ cấu trúc trật tự (rắn) sang cấu trúc hỗn loạn (lỏng). Đây chính là bản chất của nhiệt nóng chảy.