Hoạt động Mở đầu (trang 6) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 1: Các chất có thể ở thể rắn như thanh sắt, thể lỏng như cồn, thể khí như hơi nước, .... Các chất cũng có thể chuyển từ thể này sang thể khác. Thanh sắt có thể nóng chảy, cồn có thể chuyển thành hơi, hơi nước có thể ngưng tụ thành nước, .... Vậy các chất rắn, chất lỏng, chất khí có cấu tạo như thế nào mà lại chuyển được từ thể này sang thể khác?
Trả lời:
- Ở thể khí, các phân tử ở xa nhau (khoảng cách giữa các phân tử lớn gấp hàng chục lần kích thước của chúng). Lực tương tác giữa các phân tử rất yếu nên các phân tử chuyển động hoàn toàn hỗn loạn.
- Ở thể rắn, các phân tử ở gần nhau (khoảng cách giữa các phân tử chỉ vào cỡ kích thước của chúng). Lực tương tác giữa các phân tử chất rắn rất mạnh nên giữ được các phân tử này ở các vị trí xác định và làm cho chúng chỉ có thể dao động xung quanh các vị trí cân bằng xác định này.
- Lực tương tác giữa các phân tử ở thể lỏng lớn hơn lực tương tác giữa các phân tử ở thể khí nên giữ được các phân tử không chuyển động phân tán ra xa nhau. Tuy nhiên, lực này chưa đủ lớn như trong chất rắn để giữ các phân tử ở những vị trí xác định. Các phân tử ở thể lỏng cũng dao động xung quanh các vị trí cân bằng, nhưng những vị trí này không cố định mà di chuyển.
Khi có tác động bên ngoài (thay đổi nhiệt độ chẳng hạn) làm cho cấu trúc của các chất bị thay đổi, phá vỡ nên chúng dễ dàng chuyển từ thể này sang thể kia.
I. Sơ lược cấu trúc của chất rắn, chất lỏng, chất khí
1. Mô hình động học phân tử
Câu hỏi 1 (trang 7) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 1: Thanh sắt được tạo thành từ các phân tử chuyển động không ngừng nhưng tại sao lại không bị tan rã thành các hạt riêng biệt?
Trả lời:
- Thanh sắt không được tạo thành từ các phân tử mà là từ các nguyên tử sắt. Trong kim loại, như thành sắt, nguyên tử không tồn tại dưới dạng phân tử như trong một số chất khác.
- Cấu trúc của kim loại được mô tả bởi mô hình lưới kim loại, trong đó các nguyên tử sắt tạo thành một lưới không gian mà mỗi nguyên tử đều kết nối với những nguyên tử xung quanh thông qua liên kết kim loại. Liên kết này là kết quả của sự chia sẻ tự do của các electron dẫn năng (electron tự do) trong lưới kim loại.
- Do cấu trúc này, thành sắt không tồn tại ở dạng phân tử riêng biệt và không bị tan rã thành các hạt riêng lẻ như trong các chất phân tử. Sự liên kết mạnh mẽ giữa các nguyên tử sắt trong lưới kim loại làm cho chúng giữ vững cấu trúc của mình. Nguyên tử sắt không tự do di chuyển và tự tạo thành các đơn vị riêng lẻ mà không cần đến sự liên kết phân tử như trong chất phân tử.
2. Sơ lược cấu trúc của chất rắn
Câu hỏi 2 (trang 7) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 1: Từ mô hình cấu trúc các chất mô tả trong hình 1.2 hãy so sánh độ lớn lực tương tác giữa các phân tử trong chất rắn, lỏng, khí.
Trả lời:
+ Trong chất rắn, các phân tử được sắp xếp chặt chẽ và có thứ tự trong cấu trúc tinh thể vậy nên các phân tử có sự liên kết mạnh mẽ với nhau.
+ Trong chất lỏng, các phân tử không có sự liên kết chặt chẽ như chất rắn, vẫn có khả năng chuyển động và trượt lẫn nhau. Các phân tử trong chất lỏng tương tác với nhau yếu hơn so với trong chất rắn, cho phép chất lỏng chảy và thay đổi hình dạng.
+ Trong chất khí, các phân tử di chuyển tự do và có khoảng cách lớn giữa chúng vậy nên các lực tương tác giữa chúng là rất yếu, cho phép chất khí có khả năng nén và mở rộng dễ dàng.
3. Sơ lược cấu trúc của chất lỏng
Câu hỏi 3 (trang 8) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 1: Cùng một chất, khi ở thể lỏng thường có khối lượng riêng nhỏ hơn khi ở thể rắn và ở thể khí lại nhỏ hơn khi ở thể lỏng. Hãy so sánh khoảng cách trung bình giữa các phân tử của chất ở ba thể.
Trả lời:
Khi một chất chuyển từ thể rắn sang thể lỏng và từ thể lỏng sang thể khí, các phân tử của chất thường trải qua các thay đổi về cấu trúc và tương tác giữa chúng. Điều này có ảnh hưởng đến khoảng cách trung bình giữa các phân tử
- Thể rắn:
+ Các phân tử trong thể rắn thường sắp xếp cơ động hạn chế trong một cấu trúc tinh thể đều đặn.
+ Khoảng cách trung bình giữa các phân tử thường rất nhỏ do sự chặt chẽ của cấu trúc tinh thể.
- Thể lỏng:
+ Khi chất chuyển từ thể rắn sang thể lỏng, các liên kết giữa phân tử giảm, cho phép chúng di chuyển một cách tự do hơn.
+ Khoảng cách trung bình giữa các phân tử trong thể lỏng tăng lên so với thể rắn do sự di động và tự tổ chức giảm đi.
- Thể khí:
+ Trong thể khí, các phân tử di chuyển tự do và không giữ bất kỳ sự tự tổ chức cấu trúc nào.
+ Khoảng cách trung bình giữa các phân tử trong thể khí lớn hơn nhiều so với thể lỏng do sự tách rời và di động của chúng.
=> Khi chất chuyển từ thể rắn sang thể lỏng và từ thể lỏng sang thể khí, khoảng cách trung bình giữa các phân tử tăng lên do giảm sự tự tổ chức và tăng tính di động của chúng.
4. Sơ lược cấu trúc của chất khí
Câu hỏi 4 (trang 9) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 1: Chất ở thể nào dễ bị nén nhất? Vì sao?
Trả lời:
- Ở thể khí, các phân tử ở xa nhau (khoảng cách giữa các phân tử lớn gấp hàng chục lần kích thước của chúng). Lực tương tác giữa các phân tử rất yếu nên các phân tử chuyển động hoàn toàn hỗn loạn. Do đó, chất khí không có hình dạng và thể tích riêng. Chất khí luôn chiếm toàn bộ thể tích của bình chứa và có thể nén được dễ dàng.
Luyện tập 1 (trang 9) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 1: Thêm các thông tin cần thiết vào các ô có dấu “?” để hoàn thành bảng 1.1.
Lời giải:
II. Sự chuyển thể
1. Sự chuyển thể của chất
Câu hỏi 5 (trang 9) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 1: Biểu diễn bằng sơ đồ các quá trình chuyển đổi giữa ba thể: rắn, lỏng, khí.
Trả lời:
2. Giải thích sự nóng chảy
Tìm hiểu thêm: Đa số chất rắn có thể tích tăng khi nóng chảy và giảm khi đông đặc. Nước là một trường hợp đặc biệt, khi nhiệt độ giảm từ 4 °C đến nhiệt độ đông đặc 0 °C thì thể tích của nước tăng dần. Do đó, băng nổi ở mặt nước (Hình 1.5). Do sự ấm lên toàn cầu, mức nước biển có thể tăng lên do băng tan. Hãy cho biết sự tăng mức nước biển này là do sự tan băng trên đất liền ở các vùng cực của Trái Đất hay do sự tan phần băng nổi ở mặt nước của các đại dương.
Trả lời:
- Sự tăng mức nước biển do sự ấm lên toàn cầu chủ yếu xuất phát từ sự tan băng ở các vùng cực trên đất liền, chứ không phải do sự tan băng của băng nổi trên mặt nước.
- Nước có một đặc điểm đặc biệt khi nhiệt độ giảm từ 4 °C đến nhiệt độ đông đặc 0 °C, thể tích của nước tăng lên thay vì giảm đi. Điều này là do cấu trúc phân tử đặc biệt của nước khi ở trong trạng thái lỏng gần điểm đông đặc. Khi nước ở dạng lỏng, cấu trúc phân tử tạo ra mạng lưới hydrogen liên kết, tạo nên một cấu trúc rỗng và giảm khả năng tự tự tổ chức của nước, làm tăng thể tích.
- Vì vậy, khi nước ở nhiệt độ gần 0 °C, nó có thể trở nên có thể tăng thể tích và trở thành đặc điểm quan trọng trong việc giải thích sự tăng mực nước biển do sự tan băng ở các vùng cực. Khi băng trên đất liền tại các vùng cực tan ra, nước lỏng từ sự tan băng có thể làm tăng lên mức nước biển.
- Tuy nhiên, sự tan băng của băng nổi trên mặt nước của các đại dương cũng đóng góp vào sự tăng mức nước biển, nhưng tỷ lệ này thường ít hơn so với sự tan băng của băng trên đất liền.
3. Giải thích sự hóa hơi
Câu hỏi 6 (trang 11) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 1: Hãy vẽ phác hình dạng đường biểu diễn nhiệt độ theo thời gian của nước qua các quá trình nóng chảy và hóa hơi khi được đu từ -10oC đến 100oC và đun tiếp một khoảng thời gian.
Trả lời:
- Khi bắt đầu đun nước, nước ở dạng rắn tăng nhiệt độ từ -10oC tới 0oC rồi bắt đầu thực hiện quá trình nóng chảy, trong khoảng thời gian của quá trình này, nhiệt độ của nước không đổi, kết thúc quá trình nóng chảy khi toàn bộ nước đã chuyển sang thể lỏng. Nước ở thể lỏng tăng nhiệt độ từ 0oC tới 100oC và bắt đầu thực hiện quá trình hóa hơi, trong thời gian thực hiện quá trình hóa hơi, nhiệt độ của nước không đổi cho tới khi toàn bộ nước chuyển sang thể khí.
Luyện tập 2 (trang 11) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 1: Vì sao bình nước sôi muốn để nguội nhanh thì cần mở nắp để hơi nước thoát ra?
Lời giải:
Mở nắp bình nước sôi để nguội nhanh:
- Khi nước sôi và hóa thành hơi, nó sẽ mang theo một lượng lớn nhiệt độ năng lượng (enthalpy). Nếu nắp của bình nước đóng chặt, hơi nước sẽ bị giữ lại trong bình, và nó sẽ tiếp tục chứa đựng nhiệt độ năng lượng đó.
- Khi mở nắp, hơi nước có thể thoát ra, giúp chất lỏng nước nhanh chóng mất nhiệt và nguội. Việc thoát hơi nước giúp tăng cường quá trình nguội bằng cách loại bỏ nhiệt độ năng lượng khỏi hệ thống.
Luyện tập 3 (trang 11) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 1: Cồn y tế chuyển từ thể lỏng sang thể khí rất nhanh ở điều kiện thông thường. Hãy giải thích tại sao khi xoa cồn vào da, ta cảm thấy lạnh ở vùng da đó.
Lời giải:
- Vì cơ thể con người thường có nhiệt độ khoảng 37 oC cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh, khi xoa cồn vào da thì làm cho cồn bay hơi ngay lập tức, vùng da chỗ xoa cồn bị mất năng lượng rất nhanh (năng lượng chuyển hoá sang cho cồn) nên ta cảm giác ở chỗ da đó lạnh.
Vận dụng (trang 11) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 1: Giải thích sơ lược việc tách muối ra khỏi nước biển theo cách cổ truyền ở nước ta.
Lời giải:
Việc tách muối ra khỏi nước theo cách cổ truyền ở nước ta thường được thực hiện thông qua phương pháp đun sôi và cô đặc:
- Bước 1: Chế Biến Nước Muối:
+ Nước muối thường chế biến từ nước biển hoặc nước mặn. Nước này chứa một lượng lớn muối hòa tan, chủ yếu là natri clorua (NaCl).
- Bước 2: Đun Sôi Nước Muối:
+ Nước muối được đun sôi trong các nồi lớn. Quá trình đun sôi giúp muối hòa tan và tách khỏi nước.
- Bước 3: Cô Đặc Nước Muối:
+ Sau khi nước muối đã đun sôi, nước muối còn sót lại được cô đặc bằng cách làm cho nước bay hơi, để lại muối tinh khiết.
- Bước 4: Tách Muối ra khỏi Nước:
+ Nước muối cô đặc sau đó được đổ vào các bể hoặc kênh để muối tinh kết tủa. Quá trình này tạo ra các hòn muối tinh màu trắng, thường được gọi là muối biển.
- Bước 5: Đánh Muối:
+ Muối tinh thường được đánh để loại bỏ tạp chất và tạo ra muối biển tinh khiết, phổ biến trong ẩm thực và sử dụng hàng ngày.
=> Phương pháp này tận dụng tính chất của nước và muối, khi muối có khả năng kết tinh khi nước bay hơi, giúp tách muối ra khỏi nước. Quá trình này giữ lại muối tinh trong tình trạng nguyên vẹn, và được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.