BÀI 6: NHIỆT HÓA HƠI RIÊNG (VẬT LÍ 12 - GDPT 2018)

📌 Tóm tắt trọng tâm bài học: Bài 6 Chương 1 Vật lí 12 phân tích bản chất của sự hóa hơi (bay hơi & sôi), định nghĩa và công thức tính Nhiệt hóa hơi riêng $L = \frac{Q}{m}$ (đơn vị $\text{J/kg}$), lý giải cơ chế vi mô của việc thắng lực liên kết phân tử và quy trình thực nghiệm xác định nhiệt hóa hơi riêng của nước.

I. SỰ HÓA HƠI: PHÂN BIỆT BAY HƠI VÀ SÔI

Sự chuyển thể từ thể lỏng sang thể khí (hơi) gọi là sự hóa hơi. Sự hóa hơi có thể diễn ra dưới hai hình thức khác nhau trong thực tế: sự bay hơi và sự sôi.

PHÂN BIỆT SỰ BAY HƠI VÀ SỰ SÔI

Đặc điểm so sánh	Sự Bay Hơi Evaporation	Sự Sôi Boiling
Vị trí xảy ra	Chỉ xảy ra trên bề mặt thoáng của chất lỏng.	Xảy ra ở cả trong lòng và trên bề mặt chất lỏng.
Nhiệt độ xảy ra	Xảy ra ở mọi nhiệt độ bất kỳ.	Chỉ xảy ra ở một nhiệt độ sôi $t_s$ xác định (phụ thuộc áp suất ngoài).
Biểu hiện quan sát	Diễn ra thầm lặng, không xuất hiện bọt khí.	Diễn ra sủi bọt dồn dập, bọt khí nổi lên và vỡ trên mặt thoáng.

II. NHIỆT HÓA HƠI RIÊNG VÀ CÔNG THỨC TÍNH NHIỆT LƯỢNG

Khi đun chất lỏng đến nhiệt độ sôi, mặc dù tiếp tục cung cấp nhiệt lượng lớn nhưng nhiệt độ của chất lỏng không hề tăng lên mà giữ nguyên ở nhiệt độ sôi $t_s$ cho đến khi toàn bộ khối chất lỏng hóa hơi hoàn toàn.

ĐỒ THỊ NHIỆT ĐỘ THEO THỜI GIAN KHI HÓA HƠI NƯỚC SÔI

Định nghĩa và Công thức Nhiệt hóa hơi riêng

Nhiệt hóa hơi riêng ($L$) của một chất lỏng là nhiệt lượng cần thiết để làm cho $1\text{ kg}$ chất lỏng đó hóa hơi hoàn toàn ở nhiệt độ sôi.

$$Q = m \cdot L \implies L = \frac{Q}{m}$$

$Q$: Nhiệt lượng cần cung cấp cho khối chất lỏng hóa hơi hoàn toàn (Đơn vị: Joule - $\text{J}$).

$m$: Khối lượng chất lỏng hóa hơi (Đơn vị: kilogram - $\text{kg}$).

$L$: Nhiệt hóa hơi riêng của chất lỏng (Đơn vị SI: Joule trên kilogram - $\text{J/kg}$).

III. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH NHIỆT HÓA HƠI RIÊNG CỦA NƯỚC

Để đo nhiệt hóa hơi riêng $L$ của nước trong phòng thí nghiệm, người ta dùng bộ dụng cụ đo gồm bình đun nước có dây mayso đun nóng đặt trên cân điện tử, kết nối với Oát kế (Wattmeter) để đo công suất $P$ và đồng hồ bấm giây đo thời gian đun $\Delta t$:

SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM ĐO NHIỆT HÓA HƠI RIÊNG CỦA NƯỚC

 Quy trình tính toán thực nghiệm

                Nhiệt lượng tỏa ra từ ấm đun điện trong thời gian $\Delta t$: $Q = P \cdot \Delta t$.
            
                Khối lượng nước đã hóa hơi: $\Delta m = m_{\text{đầu}} - m_{\text{sau}}$.
            
                Nhiệt hóa hơi riêng đo được: $L = \frac{P \cdot \Delta t}{\Delta m} \approx 2,3 \cdot 10^6\text{ J/kg}$ đối với nước ở $100^\circ\text{C}$.

IV. Ý NGHĨA THỰC TẾ VÀ ỨNG DỤNG CỦA NHIỆT HÓA HƠI RIÊNG

Nhiệt hóa hơi riêng của nước rất lớn ($2,3 \cdot 10^6\text{ J/kg}$), điều này có vai trò sống còn đối với tự nhiên và công nghệ kỹ thuật:

Điều hòa nhiệt độ cơ thể người và động vật: Hiện tượng thoát mồ hôi giúp cơ thể giải phóng một nhiệt lượng cực lớn khi mồ hôi bay hơi trên da, giữ cho thân nhiệt ổn định ở $37^\circ\text{C}$.
Điều hòa khí hậu Trái Đất: Sự bay hơi nước từ biển và đại dương hấp thụ bớt lượng nhiệt khổng lồ của ánh nắng Mặt Trời, giúp vùng ven biển có khí hậu ôn hòa.
Kỹ thuật làm lạnh & nhiệt điện: Dùng làm chất tải nhiệt trong nhà máy nhiệt điện hơi nước, điều hòa không khí và máy làm lạnh công nghiệp.

V. CÁC DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

DẠNG 1: TÍNH NHIỆT HÓA HƠI $Q$ VÀ NHIỆT HÓA HƠI RIÊNG $L$

Phương pháp giải:

Nhiệt lượng $Q$ cần cung cấp để làm hóa hơi hoàn toàn $m\text{ (kg)}$ chất lỏng ở nhiệt độ sôi $t_{\text{sôi}}$: $$Q = L \cdot m \Rightarrow L = \frac{Q}{m}$$ Trong đó: $L$ là nhiệt hóa hơi riêng ($\text{J/kg}$), $m$ là khối lượng ($\text{kg}$).
Nếu chất lỏng đang ở nhiệt độ $t$ thấp hơn nhiệt độ sôi $t_{\text{sôi}}$, tổng nhiệt lượng cần cung cấp bao gồm 2 giai đoạn:
- Giai đoạn 1 (Tăng nhiệt độ từ $t$ đến $t_{\text{sôi}}$): $Q_1 = m \cdot c \cdot (t_{\text{sôi}} - t)$.
- Giai đoạn 2 (Hóa hơi hoàn toàn ở $t_{\text{sôi}}$): $Q_2 = L \cdot m$.
$$\Rightarrow Q = Q_1 + Q_2 = m \cdot c \cdot (t_{\text{sôi}} - t) + L \cdot m$$
Khi ngưng tụ ở nhiệt độ sôi, khối chất lỏng tỏa ra nhiệt lượng: $Q_{\text{tỏa}} = L \cdot m$.

📝 Ví dụ 1:

Biết nhiệt hóa hơi riêng của nước là $L = 2,3 \cdot 10^6\text{ J/kg}$. Tính nhiệt lượng cần cung cấp để làm bay hơi hoàn toàn $500\text{ g} = 0,5\text{ kg}$ nước ở $100^\circ\text{C}$ (theo đơn vị kJ).

💡 Hướng dẫn giải:

- Vì nước đang ở $100^\circ\text{C}$ (nhiệt độ sôi), áp dụng công thức hóa hơi ở nhiệt độ sôi:

$$Q = m \cdot L = 0,5 \times 2,3 \cdot 10^6 = 1,15 \cdot 10^6\text{ J} = 1150\text{ kJ}$$

Kết luận: Nhiệt lượng cần cung cấp là $1150\text{ kJ}$.

📝 Ví dụ 2:

Tính nhiệt lượng cần thiết (theo đơn vị MJ) để làm cho $5\text{ kg}$ nước ở $25^\circ\text{C}$ chuyển hoàn toàn thành hơi ở $100^\circ\text{C}$. Cho nhiệt dung riêng của nước $c = 4180\text{ J/(kg.K)}$ và nhiệt hóa hơi riêng của nước $L = 2,26 \cdot 10^6\text{ J/kg}$.

💡 Hướng dẫn giải:

- Nhiệt lượng đun $5\text{ kg}$ nước từ $25^\circ\text{C}$ lên $100^\circ\text{C}$:

$$Q_1 = m \cdot c \cdot (t_2 - t_1) = 5 \times 4180 \times (100 - 25) = 1567500\text{ J}$$

- Nhiệt lượng hóa hơi hoàn toàn $5\text{ kg}$ nước ở $100^\circ\text{C}$:

$$Q_2 = m \cdot L = 5 \times 2,26 \cdot 10^6 = 11300000\text{ J}$$

- Tổng nhiệt lượng cần cung cấp:

$$Q = Q_1 + Q_2 = 1567500 + 11300000 = 12867500\text{ J} \approx 12,87\text{ MJ}$$

Kết luận: Nhiệt lượng cần cung cấp bằng $12,87\text{ MJ}$.

📝 Ví dụ 3:

Tính nhiệt lượng tỏa ra (theo đơn vị MJ) khi $4\text{ kg}$ hơi nước ở $100^\circ\text{C}$ ngưng tụ hoàn toàn thành nước và hạ nhiệt độ xuống $22^\circ\text{C}$. Cho $c_{\text{nước}} = 4180\text{ J/(kg.K)}$ và $L = 2,3 \cdot 10^6\text{ J/kg}$.

💡 Hướng dẫn giải:

- Nhiệt lượng tỏa ra khi $4\text{ kg}$ hơi nước ngưng tụ thành nước ở $100^\circ\text{C}$:

$$Q_1 = m \cdot L = 4 \times 2,3 \cdot 10^6 = 9,2 \cdot 10^6\text{ J}$$

- Nhiệt lượng tỏa ra khi $4\text{ kg}$ nước giảm từ $100^\circ\text{C}$ xuống $22^\circ\text{C}$:

$$Q_2 = m \cdot c \cdot (100 - 22) = 4 \times 4180 \times 78 = 1,30416 \cdot 10^6\text{ J}$$

- Tổng nhiệt lượng tỏa ra:

$$Q_{\text{tỏa}} = Q_1 + Q_2 = (9,2 + 1,30416) \cdot 10^6 = 10,50416 \cdot 10^6\text{ J} \approx 10,5\text{ MJ}$$

Kết luận: Nhiệt lượng tỏa ra bằng $10,5\text{ MJ}$.

 DẠNG 2: PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT CÓ SỰ HÓA HƠI VÀ NGƯNG TỤ

Phương pháp giải:

Viết phương trình cân bằng nhiệt: $$Q_{\text{tỏa}} = Q_{\text{thu}}$$
Lưu ý: Hơi nước ngưng tụ ở $100^\circ\text{C}$ tỏa nhiệt lượng $Q = L \cdot m$, sau đó hạ nhiệt độ tỏa tiếp $Q' = m \cdot c \cdot (100 - t_{\text{cb}})$.

📝 Ví dụ 4:

Để xác định nhiệt hóa hơi của nước, người ta dẫn $10\text{ g} = 0,01\text{ kg}$ hơi nước ở $100^\circ\text{C}$ vào một nhiệt lượng kế chứa $290\text{ g} = 0,29\text{ kg}$ nước ở $20^\circ\text{C}$. Nhiệt độ cuối của hệ khi cân bằng là $40^\circ\text{C}$. Biết nhiệt dung của nhiệt lượng kế $C_k = 46\text{ J/K}$, nhiệt dung riêng của nước $c = 4180\text{ J/(kg.K)}$. Tính nhiệt hóa hơi riêng của nước thu được từ thí nghiệm.

💡 Hướng dẫn giải:

- Nhiệt lượng hơi nước tỏa ra khi ngưng tụ và hạ nhiệt độ xuống $40^\circ\text{C}$:

$$Q_{\text{tỏa}} = m_{\text{hơi}} L + m_{\text{hơi}} c (100 - 40) = 0,01 L + 0,01 \times 4180 \times 60 = 0,01 L + 2508\text{ J}$$

- Nhiệt lượng nước và nhiệt lượng kế thu vào từ $20^\circ\text{C}$ lên $40^\circ\text{C}$:

$$Q_{\text{thu}} = (m_{\text{nước}} c + C_k) (40 - 20) = (0,29 \times 4180 + 46) \times 20 = (1212,2 + 46) \times 20 = 25164\text{ J}$$

- Phương trình cân bằng nhiệt $Q_{\text{tỏa}} = Q_{\text{thu}}$:

$$0,01 L + 2508 = 25164 \Rightarrow 0,01 L = 22656 \Rightarrow L = 2265600\text{ J/kg} = 2265,6\text{ J/g}$$

Kết luận: Nhiệt hóa hơi riêng của nước bằng $2,266 \cdot 10^6\text{ J/kg}$.

DẠNG 3: CÔNG SUẤT VÀ HIỆU SUẤT TRONG QUÁ TRÌNH HÓA HƠI

Phương pháp giải:

Công thức hiệu suất thiết bị: $$H = \frac{Q_{\text{có ích}}}{Q_{\text{cung cấp}}} \times 100\%$$
Năng lượng cung cấp từ nguồn điện / lò nung: $Q_{\text{cung cấp}} = P \cdot t$.
Năng lượng từ đốt cháy nhiên liệu: $Q_{\text{cung cấp}} = m_{\text{nhiên liệu}} \cdot q$ (với $q$ là năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu, đơn vị $\text{J/kg}$).

📝 Ví dụ 5:

Học sinh làm thí nghiệm đo nhiệt hóa hơi riêng của nước với ấm đun siêu tốc công suất $P = 1500\text{ W}$. Khi nước bắt đầu sôi ở $100^\circ\text{C}$, khối lượng nước trong ấm là $300\text{ g}$. Mở nắp ấm cho nước bay hơi liên tục trong $77\text{ giây}$ thì khối lượng nước trong ấm còn lại $250\text{ g}$. Bỏ qua hao phí nhiệt ra môi trường. Tính nhiệt hóa hơi riêng của nước thu được từ thí nghiệm.

💡 Hướng dẫn giải:

- Khối lượng nước đã hóa hơi: $\Delta m = 300 - 250 = 50\text{ g} = 0,05\text{ kg}$.

- Nhiệt lượng ấm đun điện cung cấp trong $77\text{ s}$:

$$Q = P \cdot t = 1500 \times 77 = 115500\text{ J}$$

- Nhiệt hóa hơi riêng xác định từ thực nghiệm:

$$L = \frac{Q}{\Delta m} = \frac{115500}{0,05} = 2310000\text{ J/kg} = 2,31 \cdot 10^6\text{ J/kg}$$

Kết luận: Nhiệt hóa hơi riêng của nước thu được là $2,31 \cdot 10^6\text{ J/kg}$.

 DẠNG 4: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ PHỤ THUỘC CỦA NHIỆT ĐỘ THEO NHIỆT LƯỢNG HOẶC THỜI GIAN

Phương pháp giải:

Phân tích các đoạn trên đồ thị Nhiệt độ - Thời gian ($T - t$) hoặc Nhiệt độ - Nhiệt lượng ($T - Q$):
- Đoạn dốc lên: Chất ở một thể cố định (rắn, lỏng hoặc khí) đang nhận nhiệt để tăng nhiệt độ. Sử dụng công thức $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$.
- Đoạn nằm ngang: Quá trình chuyển thể tại nhiệt độ không đổi ($T = \text{const}$). Khi nóng chảy: $Q = \lambda \cdot m$; khi sôi/hóa hơi: $Q = L \cdot m$.
Hệ số góc (độ dốc) của đường dốc lên trên đồ thị $T(t)$: $$k = \frac{\Delta T}{\Delta t} = \frac{P}{m \cdot c}$$

📝 Ví dụ 6:

Khối nước đá $m = 1\text{ kg}$ ở $-4^\circ\text{C}$ được đun nóng liên tục đến khi hóa hơi hoàn toàn ở $100^\circ\text{C}$. Đồ thị nhiệt độ theo nhiệt lượng nhận được có 2 đoạn nằm ngang:
- Đoạn nằm ngang thứ nhất tại $0^\circ\text{C}$ ứng với quá trình tan chảy nước đá, cần nhiệt lượng $Q_1 = 334\text{ kJ}$.
- Đoạn nằm ngang thứ hai tại $100^\circ\text{C}$ ứng với quá trình sôi hóa hơi hoàn toàn, cần nhiệt lượng $Q_2 = 2300\text{ kJ}$.
Hãy tính nhiệt nóng chảy riêng $\lambda$ và nhiệt hóa hơi riêng $L$ của nước từ đồ thị.

💡 Hướng dẫn giải:

- Từ đoạn nằm ngang ở $0^\circ\text{C}$ (quá trình nóng chảy):

$$\lambda = \frac{Q_1}{m} = \frac{334 \cdot 10^3\text{ J}}{1\text{ kg}} = 3,34 \cdot 10^5\text{ J/kg}$$

- Từ đoạn nằm ngang ở $100^\circ\text{C}$ (quá trình sôi hóa hơi):

$$L = \frac{Q_2}{m} = \frac{2300 \cdot 10^3\text{ J}}{1\text{ kg}} = 2,3 \cdot 10^6\text{ J/kg}$$

Kết luận: Nhiệt nóng chảy riêng của đá là $3,34 \cdot 10^5\text{ J/kg}$ và nhiệt hóa hơi riêng của nước là $2,3 \cdot 10^6\text{ J/kg}$.

GHI NHỚ NHANH BÀI 6

Sự hóa hơi gồm Bay hơi (trên mặt thoáng, mọi nhiệt độ) và Sôi (trong lòng & mặt thoáng ở $t_s$).

Nhiệt lượng hóa hơi: $Q = m \cdot L \implies L = \frac{Q}{m}$ (đơn vị $\text{J/kg}$). Trong suốt quá trình sôi, nhiệt độ không đổi.

Công thức thí nghiệm đo nhiệt hóa hơi riêng: $L = \frac{P \cdot \Delta t}{\Delta m}$.

Bài trước Xem bài giảng Làm trắc nghiệm online Bài tiếp theo