Chúng tôi trích giới thiệu với các bạn một số bản dịch từ tác phẩm Những câu hỏi và bài tập vật lí phổ thông của hai tác giả người Nga L. Tarasov và A. Tarasova, sách xuất bản ở Nga năm 1968. Bản dịch lại từ bản tiếng Anh xuất bản năm 1973.
Các bài giảng được trình bày dưới dạng thảo luận hỏi đáp giữa giáo viên và học sinh.
§18. Thuyết động học phân tử vật chất
GV: Một trong những câu hỏi thường gặp trong đề thi là: những nguyên lí cơ bản của thuyết động học phân tử vật chất là gì? Các em trả lời câu hỏi này như thế nào?
HS A: Em sẽ nhắc tới hai nguyên lí cơ bản. Thứ nhất là tất cả mọi vật được cấu tạo từ những phân tử, và thứ hai là các phân tử ở trong một trạng thái chuyển động nhiệt hỗn loạn.
GV: Câu trả lời của em rất tiêu biểu: súc tích và không đầy đủ cho lắm. Tôi để ý thấy học sinh thường trả lời lấp liếm ở câu hỏi này. Nói chung, họ không biết nên nói cái gì về những nguyên lí cơ bản của thuyết động học phân tử, và giải thích nó với vài ba nhận xét chung chung. Trong phần này, tôi cảm thấy thuyết động học phân tử vật chất nên được bàn kĩ lưỡng hơn. Tôi sẽ bắt đầu với việc nhắc lại những nguyên lí của lí thuyết này có thể xem là những nguyên lí cơ bản.
1. Vật chất có cấu trúc dạng “hạt”: nó gồm các phân tử (hay nguyên tử). Một phân tử gram của một chất chứa NA = 6 × 1023 phân tử bất chấp trạng thái vật lí của chất (số NA được gọi là số Avogadro).
2. Các phân tử của một chất ở trong trạng thái chuyển động nhiệt không ngừng.
3. Bản chất của chuyển động nhiệt của các phân tử phụ thuộc vào bản chất của tương tác của chúng và thay đổi khi chất chuyển từ một trạng thái này sang trạng thái khác.
4. Mức độ chuyển động nhiệt của các phân tử phụ thuộc vào mức độ nóng của vật đó, đặc trưng bởi nhiệt độ tuyệt đối T. Lí thuyết chứng minh rằng năng lượng trung bình e của một phân tử tỉ lệ thuận với nhiệt độ T. Như vậy, chẳng hạn, đối với các phân tử đơn nguyên tử:
E = 3/2 kT (98)
trong đó k = 1,38 × 10-23 J/độ là một hằng số vật lí gọi là hằng số Boltzmann.
5. Theo quan điểm của thuyết động học phân tử, năng lượng toàn phần E của một vật là tổng của những số hạng sau
E = Ek + Ep + U (99)
Trong đó Ek là động năng của vật xem như một tổng thể, Ep là thế năng của vật xem như một tổng thể trong một trường ngoài nhất định, và U là năng lượng đi cùng với chuyển động nhiệt của các phân tử của vật. Năng lượng U được gọi là nội năng của vật. Tính gộp cả nội năng khi xử lí sự cân bằng năng lượng là một đặc điểm nổi bật của thuyết động học phân tử.
HS B: Chúng em thường nghĩ rằng phân tử gram và số Avogadro là thuộc về hóa học.
GV: Đúng vậy, đó là nguyên do khiến học sinh dự thi vật lí thường không biết phân tử gram là gì, và như một quy luật, luôn xem số Avogadro chỉ liên quan với chất khí. Hãy nhớ rằng: phân tử gram là số gram của một chất bằng về con số với trọng lượng phân tử của nó (và không có nghĩa là trọng lượng phân tử được biểu diễn theo gram, như một số học sinh nói); nguyên tử gram là số gram của một chất bằng về con số với trọng lượng nguyên tử của nó; và số Avogadro là số phân tử trong một phân tử gram (hay số nguyên tử trong một nguyên tử gram) của một chất bất kì, bất kể trạng thái vật lí của nó.
Tôi muốn nói rằng số Avogadro là một loại cầu nối giữa đặc trưng vĩ mô và đặc trưng vi mô của một chất. Như vậy, ví dụ, sử dụng số Avogadro, các em có thể biểu diễn một đặc trưng vi mô của một chất như khoảng cách trung bình giữa các phân tử (hay nguyên tử) của nó theo mật độ/tỉ trọng và trọng lượng phân tử (hay nguyên tử). Chẳng hạn, ta hãy xét chất rắn sắt. Tỉ trọng của nó là ρ = 7,8 g/cm3 và trọng lượng nguyên tử A = 56. Chúng ta tìm khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử trong sắt. Chúng ta sẽ làm như sau: trong A gram sắt có NA nguyên tử, vậy trong 1 g sắt phải có NA/A nguyên tử. Suy ra trong 1 cm3 có ρNA/A nguyên tử. Như vậy mỗi nguyên tử sắt đi cùng với một thể tích A/(ρNA) cm3. Khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử xấp xỉ bằng căn bậc ba của thể tích này
HS B: Ngay trước phần này thầy có nói bản chất của chuyển động nhiệt của các phân tử phụ thuộc vào tương tác liên phân tử và bị biến đổi lúc chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác. Xin thầy hãy giảng rõ hơn phần này.
GV: Một cách định tính, tương tác của hai phân tử có thể mô tả bằng đường cong minh họa trên Hình 69. Đường cong này biểu diễn sự phụ thuộc của thế năng Ep của tương tác giữa hai phân tử vào khoảng cách giữa hai tâm của chúng. Ở một khoảng cách đủ lớn giữa các phân tử, đường cong Ep(r) tiến tiệm cận về không, tức là các phân tử không còn tương tác nữa. Khi các phân tử tiến đến gần nhau hơn, đường cong Ep(r) uốn xuống dưới. Sau đó, khi hai phân tử ở đủ gần nhau, các phân tử bắt đầu đẩy nhau ra và đường cong Ep(r) uốn trở lên và tiếp tục tăng (lực đẩy này có nghĩa là các phân tử không thể tự do đi xuyên qua nhau). Như có thể thấy, đường cong Ep(r) có một cực tiểu đặc trưng.
HS B: Phần năng lượng âm có nghĩa là gì?
GV: Như chúng ta biết, năng lượng có thể được đo từ một giá trị bất kì nào đó. Ví dụ, chúng ta có thể đo thế năng của một hòn đá từ mặt đất ở nơi đã cho, hoặc chúng ta có thể đo nó từ mực nước biển, không có sự khác biệt nào. Trong trường hợp đã cho, điểm không tương ứng với năng lượng tương tác của hai phân tử cách nhau một khoảng lớn vô hạn. Do đó, năng lượng âm của các phân tử có nghĩa là nó trong một trạng thái liên kết (liên kết với phân tử khác). Để “giải phóng” phân tử này, cần cấp một năng lượng nhất định cho nó để làm tăng năng lượng của phân tử đến mức zero. Giả sử phân tử có một năng lượng âm e1 (xem Hình 69). Rõ ràng từ đường cong là trong trường hợp này phân tử đó không thể đi xa ra khỏi láng giềng của nó hơn điểm B hoặc đến gần hơn điểm A. Nói cách khác, phân tử đó sẽ dao động giữa điểm A và điểm B trong trường của phân tử lân cận (chính xác hơn, sẽ có sự dao động tương đối của hai phân tử tạo nên một hệ liên kết).
Trong một chất khí, các phân tử ở cách nhau trung bình xa hơn nhiều nên có thể xem chúng thực tế là không tương tác. Mỗi phân tử chuyển động tự do, với các va chạm tương đối hiếm xảy ra. Mỗi phân tử tham gia vào ba loại chuyển động: tịnh tiến, quay (phân tử quay xung quanh trục riêng của nó) và dao động (các nguyên tử trong phân tử dao động xung quanh nhau). Nếu một phân tử là đơn nguyên tử thì nó sẽ chỉ có chuyển động tịnh tiến.
Trong một tinh thể, các phân tử ở gần nhau đến mức chúng tạo nên một hệ liên kết. Trong trường hợp này, mỗi phân tử dao động trong trường lực chung nào đó thiết lập bởi sự tương tác của toàn bộ tập thể các phân tử. Tiêu biểu cho một tinh thể dưới dạng hệ liên kết chung của các phân tử là sự tồn tại của một cấu trúc ba chiều có trật tự - mạng tinh thể. Các nút mạng là vị trí cân bằng của các phân tử độc lập. Các phân tử thực hiện những chuyển động dao động phức tạp của chúng xung quanh những vị trí này. Nên lưu ý rằng trong một số trường hợp khi các phân tử tạo nên một tinh thể, chúng tiếp tục duy trì tính cá lẻ của chúng đến một chừng mực nào đó. Trong những trường hợp này, có sự khác biệt giữa sự dao động của phân tử trong trường của tinh thể và sự dao động của các nguyên tử trong những phân tử riêng lẻ. Hiện tượng này xảy ra khi năng lượng liên kết của các nguyên tử trong phân tử cao hơn năng lượng liên kết của chính các phân tử trong mạng tinh thể. Tuy nhiên, trong đa số trường hợp, các phân tử không giữ được tính cá lẻ của chúng khi hình thành nên tinh thể nên tinh thể hóa ra được cấu tạo bởi những nguyên tử độc lập, chứ không phải những phân tử độc lập. Ở đây, rõ ràng không có sự dao động nội phân tử, mà chỉ có sự dao động của các nguyên tử trong trường của tinh thể. Như vậy, đây là lượng thông tin tối thiểu mà các thí sinh phải có về chuyển động nhiệt nguyên tử và phân tử trong vật chất. Thông thường, khi nói về bản chất của chuyển động nhiệt trong vật chất, các thí sinh không nói được gì nhiều hơn ngoài câu “chuyển động hỗn loạn”, từ đó nhằm cố lấp liếm sự thiếu kiến thức chi tiết hơn của chuyển động nhiệt.
HS B: Nhưng thầy chưa nói gì về bản chất của chuyển động nhiệt của các phân tử trong chất lỏng.
GV: Chuyển động nhiệt trong chất lỏng thì rắc rối hơn trong những chất khác. Hành trạng của chất lỏng nằm lưng chừng giữa chất khí và tinh thể, cùng với sự tương tác hạt mạnh là một mức độ mất trật tự đáng kể trong cấu trúc của nó. Cái khó khi tính toán với tinh thể, có sự tương tác mạnh của các hạt, phần lớn được bù lại bởi sự tồn tại của một cấu trúc có trật tự - mạng tinh thể. Cái khó khi tính toán với chất khí, có vị trí hỗn loạn của các hạt, được bù lại bởi sự hoàn toàn vắng mặt của tương tác hạt. Tuy nhiên, ở chất lỏng, cả hai cái khó vừa nói đều không có yếu tố nào bù lại. Có thể nói rằng trong một chất lỏng các phân tử hoàn toàn giữ được tính cá lẻ của chúng. Trong chất lỏng có sự đa dạng của các hình thái chuyển động: sự dời chỗ của các phân tử, chuyển động quay của chúng, dao động của các nguyên tử trong các phân tử, và dao động của các phân tử trong trường của những phân tử lân cận. Cái tệ nhất là toàn bộ những loại chuyển động này, nói đại khái, không thể được xem xét riêng vì có sự ảnh hưởng tương hỗ mạnh của các chuyển động.
HS B: Em không thể hiểu chuyển động tịnh tiến của phân tử có thể kết hợp như thế nào với chuyển động quay của nó trong trường của những phân tử lân cận.
GV: Các mô hình khác nhau đã được nghĩ ra trong đó người ta đã nỗ lực kết hợp những chuyển động này. Ví dụ, trong một mô hình, người ta giả sử phân tử hành xử như sau: nó dao động trong một khoảng thời gian nhất định trong trường tạo bởi những láng giềng của nó, sau đó nó nhảy đến chỗ khác, dao động trong những lân cận mới này, rồi tiếp tục nhảy, cứ thế. Một mô hình như vậy được gọi là “mô hình khuếch tán-nhảy”.
HS B: Dường như đó chính là cách các phân tử khuếch tán trong tinh thể.
GV: Em nói đúng. Chỉ nên nhớ là trong tinh thể quá trình này diễn ra chậm hơn: những bước nhảy sang một môi trường mới xảy ra hiếm hơn nhiều. Còn tồn tại một mô hình khác theo đó một phân tử trong chất lỏng hành xử như sau: nó dao động xung quanh những lân cận của nó và toàn bộ môi trường chuyển động êm xuôi (“trôi”) trong không gian và từ từ biến dạng. Đây được gọi là “mô hình khuếch tán liên tục”.
HS B: Thầy nói rằng chất lỏng chiếm một vị trí lưng chừng giữa tinh thể và chất khí. Vậy nó gần với chất nào hơn?
GV: Em nghĩ sao?
HS B: Theo em thấy thì chất lỏng gần với chất khí hơn.
GV: Tuy nhiên, trên thực tế, chất lỏng giống với tinh thể hơn. Điều này dễ nhận thấy bởi sự tương đương tỉ trọng, nhiệt dung riêng và hệ số nở khối của chúng. Người ta cũng biết rằng nhiệt nóng chảy thì nhỏ hơn nhiều so với nhiệt hóa hơi. Toàn bộ những thực tế này là bằng chứng của sự tương đồng thấy rõ giữa lực liên kết liên phân tử trong tinh thể và trong chất lỏng. Một hệ quả khác của sự tương đồng này là sự tồn tại của những bộ phận sắp xếp trật tự ở các nguyên tử của một chất lỏng. Hiện tượng này, gọi là “trật tự gần”, đã được xác nhận trong các thí nghiệm tán xạ tia X.
HS B: Ý thầy muốn nói gì với khái niệm trật tự gần?
GV: Trật tự gần là sự sắp xếp có trật tự của một số nhất định những láng giềng gần nhất xung quanh một nguyên tử (hay phân tử) được chọn tùy ý nào đó. Trái với ở tinh thể, sự sắp xếp có trật tự này đối với nguyên tử đã chọn bị nhiễu khi chúng ta tiến ra xa nó, và không dẫn đến sự hình thành của mạng tinh thể. Tuy nhiên, ở cự li ngắn, nó khá giống với sự sắp xếp của các nguyên tử của một chất cho trước ở pha rắn. Có thể so sánh nó với trật tự gần biểu diễn ở Hình 70b.
Sự tương tự giữa chất lỏng và tinh thể dẫn tới khái niệm “giả kết tinh” ở các chất lỏng.
HS B: Nhưng trong một trường hợp như vậy, rõ ràng có thể xử lí chất lỏng bằng sự tương tự với tinh thể.
GV: Tôi lưu ý em không nên sử dụng sai khái niệm giả-kết tinh của chất lỏng và gán cho nó quá nhiều quan trọng. Trước tiên, em phải nhớ trong đầu rằng trạng thái lỏng tương ứng với một ngưỡng rộng nhiệt độ, và các tính chất động lực học cấu trúc của chất lỏng không giống nhau (hay dù là gần giống nhau) trong toàn ngưỡng nhiệt độ này. Ở gần trạng thái tới hạn, một chất lỏng rõ ràng sẽ mất hết mọi sự tương đồng với chất rắn và từ từ chuyển sang pha khí. Như vậy, khái niệm giả-kết tinh của các chất lỏng chỉ có thể thỏa mãn ở đâu đó gần điểm nóng chảy, nếu có. Thứ hai, bản chất của tương tác liên phân tử ở chất lỏng này khác với ở chất lỏng kia. Do đó, khái niệm giả-kết tinh không thích hợp như nhau cho tất cả các chất lỏng. Ví dụ, người ta thấy nước là một chất lỏng giả-kết tinh hơn các kim loại nóng chảy, và điều này lí giải nhiều tính chất đặc biệt của nó (xem §19).
HS B: Giờ thì em mới thấy không hề có một bức tranh đơn giản của chuyển động nhiệt của các phân tử trong một chất lỏng.
GV: Em nói rất đúng. Chỉ những trường hợp cực độ mới tương đối đơn giản. Những trường hợp trung gian thì luôn luôn phức tạp.
HS A: Yêu cầu của đề thi vật lí đầu vào thường hỏi về cơ sở của thuyết động học phân tử vật chất. Rõ ràng người ta nên nói về chuyển động Brown.
GV: Vâng, chuyển động Brown là bằng chứng thực nghiệm nổi bật chứng minh những nguyên lí cơ bản của thuyết động học phân tử. Nhưng, em có biết chuyển động Brown thật sự là gì không?
HS A: Nó là chuyển động nhiệt của các phân tử.
GV: Em lầm rồi; chuyển động Brown có thể được quan sát với kính hiển vi bình thường mà! Nó là chuyển động của những hạt vật chất riêng lẻ bị bắn phá bởi chuyển động của các phân tử môi trường trong chuyển động nhiệt của chúng. Từ góc nhìn phân tử, những hạt này là những vật vĩ mô. Tuy nhiên, xét theo chuẩn thông thường thì chúng cực kì nhỏ. Là một hệ quả của những va chạm ngẫu nhiên không được bù của chúng với các phân tử, các hạt Brown chuyển động liên tục theo kiểu lung tung và như vậy di chuyển khắp trong môi trường, đó thường là một loại chất lỏng nào đó.
HS B: Nhưng tại sao những hạt Brown phải nhỏ như thế? Tại sao chúng ta không quan sát chuyển động Brown với những hạt vật chất thích hợp như lá trà trong một cốc trà?
GV: Có hai nguyên do cho điều này. Thứ nhất, số lượng va chạm của các phân tử với bề mặt của một hạt tỉ lệ với diện tích bề mặt của hạt đó; khối lượng của hạt tỉ lệ với thể tích của nó. Như vậy, với sự tăng kích cỡ R của một hạt, thì số lượng va chạm của các phân tử với bề mặt của nó tăng tỉ lệ với R2, còn khối lượng của hạt bị dịch chỗ bởi va chạm tỉ lệ với R3. Do đó, khi hạt tăng kích cỡ thì càng khó cho các phân tử đẩy chúng ra xung quanh hơn. Để làm rõ vấn đề này, tôi vẽ hai đường cong trên Hình 71: y = R2 và y = R3. Các em có thể dễ dàng thấy rằng liên hệ bình phương lấn át ở những giá trị nhỏ của R và liên hệ lập phương thì lấn át ở những giá trị lớn. Điều này có nghĩa là những hiệu ứng bề mặt chiếm ưu thế ở những giá trị nhỏ của R và thể tích chiếm ưu thế ở những giá trị lớn.
Thứ hai, chuyển động Brown phải là rất nhỏ vì va chạm của nó với các phân tử là không được bù lại, tức là số lượng va chạm từ phía bên trái và phía bên phải trong một đơn vị thời gian về thực chất phải khác nhau. Nhưng tỉ số giữa độ chênh lệch số lượng va chạm này với toàn bộ số va chạm sẽ càng lớn nếu bề mặt của hạt càng nhỏ.
HS A: Còn những thực tế nào khác chứng minh cho thuyết động học phân tử mà chúng ta muốn biết?
GV: Minh chứng rất tốt của thuyết động học phân tử là sự áp dụng thành công của nó trong việc giải thích nhiều hiện tượng vật lí. Ví dụ, chúng ta có thể đưa ra lời giải thích cho áp suất của một chất khí lên thành bình chứa nó. Áp suất p là thành phần pháp tuyến của lực F tác dụng lên một đơn vị diện tích thành bình. Vì
F = m Δv/Δt = Δ(mv)/Δt (100)
nên để tính áp suất, ta phải xác định động lượng đã truyền cho một đơn vị diện tích thành bình trong một đơn vị thời gian do những phân tử chất khí va đập vào thành bình.
Giả sử một phân tử khối lượng m đang chuyển động vuông góc với một thành bình với một vận tốc v. Do sự va chạm đàn hồi với thành bình, phân tử đảo chiều chuyển động của nó và bay ra xa thành bình với một vận tốc v. Độ biến thiên động lượng của phân tử bằng Δ(mv) = mΔv = 2mv. Động lượng này được truyền cho thành bình. Để cho đơn giản, chúng ta sẽ giả sử rằng tất cả các phân tử của chất khí đó có cùng vận tốc v và sáu chiều chuyển động theo ba trục tọa độ là như nhau (giả sử thành bình vuông góc với một trong ba trục này). Tiếp theo, chúng ta sẽ xét rằng trong một đơn vị thời gian thì chỉ có những phân tử đi tới thành bình cách nó một khoảng nhỏ hơn v và có vận tốc hướng về phía thành bình. Vì một đơn vị thể tích của chất khí chứa N/V phân tử, nên trong một đơn vị thời gian có 1/6 (N/V) v phân tử đi tới một đơn vị diện tích của thành bình. Vì mỗi phân tử trong số này truyền một động lượng 2mv, nên kết quả của những va chạm này là mỗi đơn vị diện tích của thành bình nhận một động lượng bằng 2mv 1/6 (N/V) v. Theo phương trình (100), đây chính là áp suất p cần tìm. Như vậy
Lưu ý rằng kết quả này thu được bởi sự đơn giản hóa hợp lí của bài toán (chẳng hạn, ta giả sử rằng các phân tử của chất khí đó chuyển động với cùng một vận tốc). Tuy nhiên, lí thuyết cho thấy rằng kết quả này hoàn toàn khớp với kết quả thu được khi xử lí vấn đề một cách chặt chẽ.
Phương trình (102) đã được xác nhận bởi những phép đo trực tiếp. Nó là bằng chứng tốt của tính đúng đắn của các khái niệm của thuyết động học phân tử đã sử dụng khi suy luận ra phương trình (102).
Bây giờ chúng ta sẽ nói sang vấn đề bay hơi và sôi của các chất lỏng trên cơ sở các khái niệm động học phân tử. Các em giải thích như thế nào về hiện tượng bay hơi?
HS A: Những phân tử nhanh nhất của chất lỏng chiến thắng lực hút của những phân tử khác và bay ra khỏi chất lỏng.
GV: Những yếu tố nào làm tăng cường bay hơi?
HS A: Thứ nhất, sự tăng diện tích mặt thoáng của chất lỏng, và thứ hai, đun nóng chất lỏng.
GV: Nên nhớ rằng sự bay hơi là một quá trình hai chiều: trong khi một số phân tử rời khỏi chất lỏng, thì một số phân tử khác trở lại với nó. Sự bay hơi sẽ hiệu quả hơn khi tỉ số của các phân tử rời khỏi và các phân tử đi vào lớn hơn. Đun nóng chất lỏng và tăng diện tích mặt thoáng của nó làm tăng sự thoát của các phân tử ra khỏi chất lỏng. Đồng thời, có những yếu tố khác có thể làm giảm sự trở lại của các phân tử vào chất lỏng. Ví dụ, nếu có gió thổi trên bề mặt chất lỏng, thì những phân tử vừa mới thoát ra được mang đi xa, do đó làm giảm xác suất trở lại của chúng. Đó là nguyên nhân vì sao quần áo ướt khô nhanh hơn khi trời có gió.
Nếu sự thoát ra của các phân tử từ phía chất lỏng và sự trở lại của chúng bù đủ cho nhau, thì một trạng thái cân bằng động được thiết lập, và hơi phía trên chất lỏng trở nên bão hòa. Trong một số trường hợp, việc làm chậm quá trình bay hơi là có lợi. Để tránh sự khô nhanh của bánh mì, nó được giữ trong bọc kín. Bọc này làm cản trở sự thoát ra của những phân tử bay hơi, và một lớp hơi bão hòa hình thành phía trên bề mặt của bánh mì, cản không cho nước tiếp tục bay hơi khỏi bánh mì.
Bây giờ các em hãy giải thích quá trình sôi.
HS A: Quá trình sôi giống như sự bay hơi, nhưng diễn ra mạnh hơn.
GV: Tôi không thích định nghĩa của em về quá trình sôi chút nào hết. Tôi muốn nhắc rằng nhiều thí sinh không hiểu bản chất của quá trình này. Khi một chất lỏng được đun nóng, thì tính tan của những chất khí mà nó chứa giảm đi. Do đó, các bọt khí hình thành bên trong chất lỏng (dưới đáy và trên thành bình). Sự bay hơi xảy ra ở những cái bọt này, chúng trở nên chứa đầy hơi bão hòa, có áp suất tăng theo nhiệt độ của chất lỏng. Ở một nhiệt độ nhất định, áp suất của hơi bão hòa bên trong cái bọt trở nên bằng với áp suất tác dụng lên cái bọt từ phía bên ngoài (áp suất này bằng áp suất khí quyển cộng với áp suất của lớp nước phía trên cái bọt). Bắt đầu với thời điểm này, những cái bọt nổi nhanh lên bề mặt và chất lỏng sôi. Như các em có thể thấy, sự sôi của chất lỏng khác về cơ bản với sự bay hơi. Lưu ý rằng sự bay hơi xảy ra ở nhiệt độ bất kì, còn sự sôi xảy ra ở một nhiệt độ xác định gọi là điểm sôi. Tôi muốn nhắc nhở các em rằng nếu quá trình sôi đã bắt đầu, thì nhiệt độ của chất lỏng không thể tăng thêm, cho dù chúng ta tiếp tục đun nó lên bao lâu. Nhiệt độ vẫn giữ nguyên ở điểm sôi cho đến khi toàn bộ chất lỏng đã sôi hết.
Rõ ràng từ phần thảo luận ở trên là điểm sôi của một chất lỏng giảm khi áp suất bên ngoài giảm. Ở đây, chúng ta hãy xét bài toán sau. Một cái phích chứa một lượng nhỏ nước ở nhiệt độ phòng. Chúng ta bắt đầu bơm không khí ở phía trên nước ra khỏi cái phích bằng một cái bơm chân không. Điều gì sẽ xảy ra với nước?
HS A: Khi không khí được bơm ra thì áp suất trong cái phích sẽ giảm và điểm sôi sẽ giảm. Khi nó giảm tới nhiệt độ phòng thì nước sẽ bắt đầu sôi.
GV: Liệu nước có thể đông đặc thay vì sôi hay không?
HS A: Em không biết. Em nghĩ là không thể.
GV: Tất cả phụ thuộc vào tốc độ không khí được bơm ra khỏi cái phích. Nếu quá trình này đủ chậm, thì sớm muộn gì nước sẽ bắt đầu sôi. Nhưng nếu không khí được bơm ra rất nhanh, thì trái lại, nước sẽ đông đặc. Do sự xả khí (và cùng với nó là hơi nước), quá trình bay hơi tăng lên. Vì trong sự bay hơi những phân tử có năng lượng cao thoát ra khỏi nước, nên phần nước còn lại lạnh đi. Nếu không khí được bơm ra chậm, thì hiệu ứng lạnh đi được bù lại bởi sự truyền nhiệt từ bên ngoài vào. Nhờ thế nhiệt độ của nước vẫn không đổi. Nếu không khí được bơm ra rất nhanh, thì sự lạnh đi của nước không thể được bù lại bởi sự truyền nhiệt từ bên ngoài vào, và nhiệt độ của nước bắt đầu giảm. Ngay khi điều này xảy ra, khả năng sôi cũng giảm đi. Sự xả nhanh liên tục của không khí từ bên trong phích ra ngoài sẽ làm hạ nhiệt độ của nước đến điểm đông đặc, và phần nước chưa bay hơi sẽ biến thành băng.
Những câu hỏi và bài tập vật lí phổ thông
L. Tarasov và A. Tarasova
Trần Nghiêm dịch
Phần tiếp theo >>
