Từ hạt nhỏ đến giọt nước: thể của chất, sự chuyển thể và đồ thị nhiệt độ
Dùng mô hình hạt giải thích áo khô, cốc nước đá đọng giọt và nước đá tan; luyện đọc đồ thị nhiệt độ, tính khối lượng riêng và nhiệt lượng chuyển thể.
Khoa học tự nhiên · Vật lí · Lớp 6 đến lớp 8
Từ hạt nhỏ đến giọt nước: thể của chất, sự chuyển thể và đồ thị nhiệt độ
Vì sao áo ướt khô được dù nước chưa hề sôi? Vì sao cốc nước đá lại "ra mồ hôi"? Em sẽ dùng một mô hình duy nhất, mô hình hạt, để giải thích cả hai, rồi đọc đồ thị nhiệt độ như một nhà khoa học.
45 – 60 phút Mức: cơ bản đến khá Có bài tập tự chấm điểm
Bạn sẽ học: mô hình hạt · sáu tên gọi của sự chuyển thể · bay hơi và sôi · đồ thị nhiệt độ · khối lượng riêng
1 Ba câu hỏi ở nhà bếp
Bài học bắt đầu từ những chuyện rất đời thường. Em thử đoán trước, cuối bài ta sẽ quay lại xem em đoán đúng đến đâu.
GV
Cô Lukato
Sáng nay mẹ phơi áo ngoài sân, trưa thì áo đã khô. Nước trong áo đâu có sôi lên. Vậy nước đã đi đâu? Em hãy giữ câu hỏi này trong đầu nhé.
Câu hỏi 1 · Áo khô
Áo ướt phơi nắng khô dần, dù nước trong áo chỉ ấm chứ không sôi. Nước đã biến đi đâu, và vì sao trời nắng có gió thì khô nhanh hơn?
Câu hỏi 2 · Cốc "ra mồ hôi"
Rót nước đá vào cốc thủy tinh, một lúc sau mặt ngoài cốc đọng đầy giọt nước. Thủy tinh đâu có lỗ, vậy giọt nước ấy từ đâu tới?
Câu hỏi 3 · Nhiệt kế đứng yên
Đun một cốc nước đá bằng bếp điện. Nhiệt kế lúc thì tăng đều, lúc lại đứng yên ở 0^{\circ}\mathrm{C} rồi ở 100^{\circ}\mathrm{C} dù bếp vẫn đang nóng. Bếp có "hỏng" không?
Ba câu hỏi trông rất khác nhau, nhưng có chung một chìa khóa : mọi chất đều được tạo thành từ những hạt vô cùng nhỏ, luôn chuyển động và hút nhau. Thể rắn, lỏng, khí khác nhau ở cách các hạt ấy đứng gần hay xa nhau và chuyển động ra sao. Chuyển thể chỉ là chuyện các hạt đổi cách sắp xếp.
Bài học đi theo một con đường: quan sát → dự đoán → giải thích bằng mô hình hạt → kiểm tra bằng bài tập . Em hãy tự trả lời trước khi bấm xem lời giải; điểm số chỉ để em biết mình đang ở đâu.
Phần · Em sẽ học · Em làm được
2 · Mô hình hạt của rắn, lỏng, khí · Giải thích hình dạng, thể tích, sự nén và sự khuếch tán
3 · Sáu tên gọi của sự chuyển thể; bay hơi và sôi · Gọi đúng tên hiện tượng và giải thích đọng sương, áo khô
4 · Đồ thị nhiệt độ theo thời gian · Đọc đoạn nằm ngang, xác định thể của chất ở từng thời điểm
5 · Khối lượng riêng và chuyển thể · Tính thể tích khi nước đóng băng, giải thích vì sao đá nổi
6 · Mở rộng: đo nhiệt bằng jun · Tính nhiệt lượng làm tan đá, hóa hơi nước
7 – 9 · Tình huống thực tế, thách thức, tự kiểm tra · Vận dụng tổng hợp
Kiểm tra đầu vào. Ba câu ngắn dưới đây cho em biết mình đã biết gì. Sai cũng không sao, mỗi phương án đều có giải thích.
Vật nào sau đây có hình dạng xác định và thể tích xác định?
Sai: hơi nước là chất khí, lan ra chiếm hết chỗ chứa nên không có hình dạng riêng.
Sai: nước lỏng có thể tích xác định nhưng nhận hình dạng của chai, nên hình dạng không xác định.
Đúng: viên đá là chất rắn, giữ nguyên hình dạng và thể tích của nó.
Sai: không khí là chất khí, không có hình dạng và thể tích riêng, bóng phồng nhiều hay ít tùy lượng khí bơm vào.
Nhiệt kế đặt trong cốc nước đá đang tan chỉ 0^{\circ}\mathrm{C}. Nhận xét nào đúng?
Sai: nếu chỉ có nước lỏng thì nhiệt độ có thể khác 0^{\circ}\mathrm{C} và không còn đá.
Sai: đá đang tan nên đã có một phần thành nước.
Đúng: khi đá đang tan, đá và nước cùng tồn tại và nhiệt độ giữ ở 0^{\circ}\mathrm{C} cho tới khi đá tan hết.
Sai: đây là thí nghiệm rất phổ biến, em sẽ thấy ở phần 4.
Sương mù buổi sáng, nhìn thấy được bằng mắt, gồm những gì?
Sai: hơi nước thể khí trong suốt, mắt không nhìn thấy được.
Đúng: hơi nước gặp không khí lạnh ngưng tụ thành giọt nhỏ; mắt thấy màu trắng đục vì các giọt này.
Sai: sương mù có thể lẫn bụi, nhưng thành phần tạo nên màu trắng đục là giọt nước.
Sai: khí cacbonic cũng trong suốt và không tạo thành sương mù.
2 Mô hình hạt: cùng một chất, ba diện mạo
Ta không nhìn thấy hạt bằng mắt thường, nhưng nhờ "mô hình hạt" ta giải thích được rất nhiều điều quan sát được.
Mô hình hạt cho rằng: (1) mọi chất được tạo thành từ các hạt vô cùng nhỏ (nguyên tử, phân tử; ở bài này ta gọi chung là "hạt"); (2) giữa các hạt có khoảng trống; (3) các hạt luôn chuyển động không ngừng, nhiệt độ càng cao thì chuyển động càng nhanh; (4) các hạt hút nhau, lực hút mạnh khi hạt ở gần nhau và yếu đi nhanh khi hạt ở xa nhau.
Hình 1 vẽ cùng 20 hạt ở ba thể. Số hạt không đổi, chỉ có khoảng cách và cách sắp xếp là thay đổi.
Hình 1. Cùng 20 hạt ở ba thể. Sơ đồ minh họa hai chiều, không đúng tỉ lệ.
Tiêu chí · Thể rắn · Thể lỏng · Thể khí
Khoảng cách giữa các hạt · Rất gần nhau · Gần nhau · Rất xa nhau (gấp nhiều lần kích thước hạt)
Cách sắp xếp · Có trật tự (với chất rắn kết tinh) · Lộn xộn, nhưng vẫn sát nhau · Rải rác khắp bình
Chuyển động của hạt · Dao động quanh vị trí cố định · Trượt qua lại giữa các hạt bên cạnh · Bay tự do theo mọi hướng, va chạm nhau và va vào thành bình
Hình dạng · Xác định · Theo hình bình chứa · Theo hình bình chứa
Thể tích · Xác định · Xác định (gần như không đổi) · Chiếm toàn bộ bình, thay đổi được
Bị nén · Rất khó · Rất khó · Dễ
Ghi nhớ
Ba điều nên nhớ. (1) Rắn: hạt bị "giữ" tại chỗ nên có hình dạng riêng. (2) Lỏng: hạt còn sát nhau nhưng trượt được nên chảy được và có thể tích riêng. (3) Khí: lực hút rất yếu vì hạt ở xa, nên khí lan ra khắp bình và bị nén dễ dàng vì phần lớn thể tích là khoảng trống.
Vì sao chất lỏng và chất rắn rất khó nén còn chất khí thì dễ? Trong chất khí, hạt ở xa nhau nên khi ta ép, các hạt chỉ việc xích lại gần. Trong chất rắn và lỏng, hạt đã gần chạm nhau, muốn ép thêm phải ép chính các hạt, việc này cần lực rất lớn.
Mở rộng: thủy tinh và nhựa có phải chất rắn "kiểu mẫu" không?
Muối ăn, đá, kim loại là chất rắn kết tinh : hạt xếp thành mạng đều đặn. Thủy tinh, nhựa, sáp là chất rắn không kết tinh : các hạt sát nhau và giữ được hình dạng, nhưng không xếp theo mạng đều đặn. Vì vậy hàng "có trật tự" trong Hình 1 chỉ mô tả đúng cho chất rắn kết tinh.
Sự khuếch tán. Mở lọ nước hoa ở góc phòng, một lúc sau ở góc kia cũng ngửi thấy mùi. Hiện tượng các hạt của chất này tự trộn lẫn vào chất kia gọi là sự khuếch tán. Đó là bằng chứng gián tiếp rằng hạt luôn chuyển động.
Ví dụ 1 · Vì sao mùi nước hoa lan khắp phòng?
Mở nắp lọ: các hạt hương ở mặt thoáng của chất lỏng có đủ "sức" thoát ra ngoài, trở thành hạt ở thể khí.
Lí do: hạt luôn chuyển động, có hạt nhanh đủ để thắng lực hút của các hạt xung quanh.
Các hạt hương chuyển động hỗn loạn, va chạm liên tục với hạt không khí nên đường đi của mỗi hạt gấp khúc, lộn xộn.
Lí do: trong chất khí hạt xa nhau, giữa hai va chạm chúng bay thẳng, nhưng va chạm rất thường xuyên.
Gần lọ có nhiều hạt hương, xa lọ có ít. Vì vậy số hạt đi từ chỗ đông ra chỗ thưa nhiều hơn số hạt đi ngược lại.
Lí do: chuyển động hỗn loạn cộng lại cho kết quả là hạt lan đều ra, không cần có gió thổi.
Sau vài phút, hạt hương có mặt khắp phòng nên ta ngửi thấy. Vì phải đi đường gấp khúc nên mùi lan chậm hơn nhiều so với tốc độ của từng hạt (khoảng vài trăm mét trên giây).
Kết luận: khuếch tán chậm nhưng chắc chắn; nhiệt độ cao làm hạt nhanh hơn nên khuếch tán nhanh hơn.
Thử tại nhà
Nhỏ một giọt mực vào cốc nước nóng và một giọt vào cốc nước lạnh. Mực lan nhanh hơn ở cốc nóng: hạt nước nóng chuyển động nhanh hơn nên va vào hạt mực mạnh hơn và thường xuyên hơn.
Bẫy thường gặp
"Nước đá lạnh nên các hạt đứng yên." Sai. Ở nhiệt độ nào các hạt cũng chuyển động. Trong nước đá, hạt chỉ dao động quanh vị trí cố định và dao động chậm hơn hạt trong nước nóng. Chuyển động của hạt chỉ dừng hẳn ở nhiệt độ lí thuyết không thể đạt tới.
Bẫy thường gặp
"Vật nóng lên thì các hạt nở to ra." Sai. Bản thân hạt không đổi kích thước. Khi nóng lên, hạt chuyển động mạnh hơn nên khoảng cách trung bình giữa các hạt tăng, vì thế cả vật nở ra. Ví dụ: cột thủy ngân trong nhiệt kế dâng cao là do các hạt thủy ngân xa nhau hơn, không phải hạt phình to.
Bài 1 Mức 1 · Nhận biết
Một bơm tiêm kín chứa 60\ \mathrm{cm^{3}} không khí. Em ấn pít-tông cho thể tích còn 20\ \mathrm{cm^{3}} (đầu bơm vẫn bịt kín). Số hạt khí trong bơm sau khi nén gấp bao nhiêu lần số hạt lúc đầu?
Gợi ý 1. Khi nén, có hạt nào thoát ra ngoài không?
Gợi ý 2. Điều gì thay đổi: số hạt hay khoảng cách giữa các hạt?
Chính xác! Số hạt không đổi, chỉ có mật độ hạt tăng lên.
Bạn đang lấy tỉ số về thể tích hoặc mật độ hạt. Câu hỏi hỏi số hạt: nén không làm mất hay thêm hạt nào.
Thể tích giảm 3 lần, nhưng số hạt thì không mất đi đâu cả.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
Đầu bơm bịt kín nên không hạt nào thoát ra và cũng không có hạt nào biến mất. Số hạt không đổi, tức gấp 1 lần.
Điều thay đổi là khoảng cách giữa các hạt: thể tích giảm 3 lần nên hạt xích lại gần nhau hơn, mật độ hạt tăng 3 lần. Vì vậy áp suất khí trong bơm tăng lên.
Nhỏ một giọt mực vào cốc nước nóng và một giọt vào cốc nước lạnh (cùng lượng nước, cùng lúc). Quan sát nào phù hợp với mô hình hạt?
Sai: nhiệt độ thấp thì hạt chuyển động chậm hơn, không nhanh hơn.
Đúng: nhiệt độ cao, hạt chuyển động nhanh hơn nên trộn lẫn nhanh hơn.
Sai: nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ chuyển động của hạt.
Sai: hạt chuyển động ở mọi nhiệt độ.
Xét mô hình hạt của ba thể rắn, lỏng, khí ở Hình 1.
a) Chất khí lấp đầy bình chứa vì các hạt khí chuyển động hỗn loạn và ít bị các hạt khác giữ lại.
Đúng: lực hút giữa hạt khí rất yếu nên hạt bay tự do khắp bình.
b) Trong chất lỏng các hạt đứng yên sát nhau như trong chất rắn.
Sai: hạt chất lỏng vẫn chuyển động và trượt qua lại, đó là lí do chất lỏng chảy được.
c) Khi nén khí, từng hạt khí bị ép nhỏ lại.
Sai: hạt không nhỏ đi, chỉ có khoảng cách giữa các hạt giảm.
d) Khi chất rắn nóng lên, hạt dao động mạnh hơn quanh vị trí cũ.
Đúng: nhiệt độ tăng nghĩa là hạt chuyển động (dao động) mạnh hơn.
Trong thể rắn, các hạt quanh vị trí cố định. Trong thể khí, các hạt cách nhau nên chất khí dễ bị .
3 Sáu tên gọi của sự chuyển thể
Một chất có thể đổi từ thể này sang thể khác khi nhận hoặc mất nhiệt. Mỗi hướng đổi có một cái tên riêng, và em cần gọi đúng tên.
Hình 2 gom cả sáu quá trình vào một sơ đồ. Mũi tên đỏ là những quá trình chất thu nhiệt (nhận nhiệt từ môi trường), mũi tên xanh là những quá trình chất tỏa nhiệt (mất nhiệt cho môi trường).
Hình 2. Sáu tên gọi của sự chuyển thể (ở áp suất khí quyển thường).
Tên gọi · Chiều · Ví dụ
Nóng chảy
(thu nhiệt) · rắn → lỏng · Đá tan, sáp nến chảy, thiếc chảy khi hàn
Đông đặc
(tỏa nhiệt) · lỏng → rắn · Nước thành đá trong ngăn đá, nến nguội cứng lại
Hóa hơi
(thu nhiệt) · lỏng → khí · Áo khô, nước sôi trong ấm (gồm bay hơi và sôi)
Ngưng tụ
(tỏa nhiệt) · khí → lỏng · Giọt nước ngoài cốc lạnh, sương đọng trên lá
Thăng hoa
(thu nhiệt) · rắn → khí · Viên băng phiến nhỏ dần trong tủ áo, nước đá khô
Ngưng kết
(tỏa nhiệt) · khí → rắn · Lớp băng bám thành ngăn đá tủ lạnh, sương giá trên cửa kính rất lạnh
Nhìn theo mô hình hạt thì dễ nhớ: muốn hạt thoát khỏi vị trí cũ (nóng chảy, hóa hơi, thăng hoa) thì phải cấp năng lượng , nên chất thu nhiệt. Ngược lại, khi hạt bị "bắt giữ" lại gần nhau (đông đặc, ngưng tụ, ngưng kết) thì chúng nhả bớt năng lượng ra ngoài, nên chất tỏa nhiệt. Trong lúc chuyển thể, khối lượng và số hạt không đổi : chỉ có cách sắp xếp và mức độ chuyển động của hạt thay đổi.
Ghi nhớ
Nếu hiện tượng đi theo chiều từ rắn lên lỏng lên khí thì chất thu nhiệt; đi theo chiều từ khí xuống lỏng xuống rắn thì chất tỏa nhiệt. Thăng hoa (rắn → khí) và ngưng kết (khí → rắn) là "đường tắt" bỏ qua thể lỏng.
Hóa hơi có hai hình thức: bay hơi và sôi. Hai hình thức này hay bị nhầm với nhau.
Tiêu chí · Bay hơi · Sôi
Nhiệt độ xảy ra · Ở mọi nhiệt độ · Chỉ ở nhiệt độ sôi (nước: 100^{\circ}\mathrm{C} ở áp suất khí quyển thường)
Vị trí · Chỉ ở mặt thoáng của chất lỏng · Ở trong lòng chất lỏng (tạo bọt khí) và cả mặt thoáng
Mức độ · Chậm, êm · Nhanh, mạnh, có bọt nổi lên
Nhiệt độ trong lúc xảy ra · Có thể thay đổi · Giữ nguyên không đổi
Vì sao áo khô dù nước chưa sôi? Trong nước, các hạt chuyển động nhanh chậm khác nhau. Hạt ở sát mặt thoáng mà đủ nhanh sẽ thắng được lực hút của các hạt xung quanh và bay vào không khí. Đó là bay hơi. Vì thế bay hơi nhanh hơn khi: (1) nhiệt độ cao (nhiều hạt đủ nhanh hơn); (2) mặt thoáng rộng (nhiều hạt ở mặt thoáng hơn); (3) có gió (gió cuốn hạt hơi nước đi, ít hạt quay lại mặt nước); (4) không khí khô (ít hơi nước sẵn có nên ít hạt quay lại).
Áp dụng vào cơ thể
Khi ra mồ hôi, mồ hôi bay hơi và thu nhiệt từ da nên ta thấy mát, nhất là khi có gió. Ngày nồm ẩm mồ hôi khó bay hơi nên ta thấy nóng bức và ướt nhớp.