Mục lục bài họcĐang ở d06-b4
Energy of Phase Changes and Heating Curves
Two kinds of segment on a heating curve
Heat a solid steadily and plot temperature against time. The curve alternates between two kinds of segment, and each needs a different equation:
- Sloped — one phase is warming. Use $q=mc\Delta T$; the specific heat differs for solid, liquid and gas, so the three slopes differ.
- Flat — a phase change is happening. Use $q=n\Delta H$ (fusion or vaporisation). Temperature does not change here even though heat keeps flowing in.
Why the plateau is flat
During melting the added energy goes into overcoming intermolecular forces, not into faster particle motion. Temperature measures average kinetic energy, so it stays put while potential energy climbs.
$\Delta H_{\text{vap}}$ is always much larger than $\Delta H_{\text{fus}}$ — melting only loosens the particles, while boiling separates them completely. For water the ratio is roughly $40{,}7$ kJ/mol to $6{,}0$ kJ/mol, which is why the boiling plateau is far longer.
Reverse processes are the same magnitude with the opposite sign: $\Delta H_{\text{freezing}}=-\Delta H_{\text{fus}}$.
Đường cong đun nóng có hai loại đoạn, và mỗi loại dùng một công thức khác nhau. Nhận nhầm đoạn là hỏng cả bài:
- Đoạn dốc — một pha đang nóng lên. Dùng $q=mc\Delta T$. Nhiệt dung riêng của rắn, lỏng, khí khác nhau nên ba đoạn dốc có độ dốc khác nhau.
- Đoạn nằm ngang — đang chuyển pha. Dùng $q=n\Delta H$ (nóng chảy hoặc hoá hơi). Ở đây nhiệt độ không đổi dù nhiệt vẫn liên tục được cấp vào.
Vì sao đoạn ngang lại phẳng: năng lượng đưa vào lúc này dùng để thắng lực liên phân tử, không dùng để làm hạt chuyển động nhanh hơn. Nhiệt độ đo động năng trung bình, nên nó đứng yên trong khi thế năng tăng lên.
Hai đại lượng cần so: $\Delta H_{\text{hh}}$ (hoá hơi) luôn lớn hơn nhiều $\Delta H_{\text{nc}}$ (nóng chảy). Lý do: nóng chảy chỉ nới lỏng các hạt để chúng trượt lên nhau, còn sôi thì tách rời hẳn chúng ra. Với nước là $40{,}7$ kJ/mol so với $6{,}0$ kJ/mol — gấp gần bảy lần, và đó là lý do đoạn ngang lúc sôi dài hơn hẳn đoạn ngang lúc nóng chảy.
Quá trình ngược có cùng độ lớn, trái dấu: đông đặc toả ra đúng lượng nhiệt mà nóng chảy đã thu vào.
Bài tính nhiều chặng thì cộng từng chặng: đun đá lên $0\ ^\circ$C, làm tan hết đá, đun nước lên $100\ ^\circ$C, hoá hơi hết nước. Bốn chặng, bốn phép tính, cộng lại.
Tính nhiệt cần để biến $36{,}0$ g nước đá ở $0\ ^\circ$C thành hơi nước ở $100\ ^\circ$C. Cho $\Delta H_{\text{nc}}=6{,}0$ kJ/mol, $\Delta H_{\text{hh}}=40{,}7$ kJ/mol, $c_{\text{nước}}=4{,}18\ \text{J g}^{-1}\text{K}^{-1}$.
Đổi ra mol: $n=\dfrac{36{,}0}{18{,}0}=2{,}00$ mol.
Chặng 1 — làm tan đá ở $0\ ^\circ$C (đoạn ngang, dùng $n\Delta H$):
$q_1=2{,}00\times6{,}0=12{,}0$ kJ
Chặng 2 — đun nước lỏng từ $0$ lên $100\ ^\circ$C (đoạn dốc, dùng $mc\Delta T$):
$q_2=36{,}0\times4{,}18\times100=15\,048$ J $=15{,}0$ kJ
Chặng 3 — hoá hơi ở $100\ ^\circ$C (đoạn ngang):
$q_3=2{,}00\times40{,}7=81{,}4$ kJ
Tổng: $q=12{,}0+15{,}0+81{,}4=108{,}4$ kJ.
Nhận xét đáng nhớ: riêng chặng hoá hơi đã chiếm $75\%$ tổng năng lượng, nhiều hơn cả hai chặng kia cộng lại. Tách rời hẳn các phân tử tốn hơn nhiều so với chỉ làm chúng đi nhanh hơn.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 6 — Thermodynamics gồm 14 câu trắc nghiệm và 2 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.