SỰ BIẾN ÐỔI PHA CỦA VẬT CHẤT

Sưu tầm

I.CÁC PHA CỦA VẬT CHẤT: 

Ví dụ: Cho một bình kín đựng nước (H2O), trên mặt thoáng là hỗn hợp không khí và hơi nước. Ðó là một hệ hai pha: pha hơi hay khí và pha lỏng. Các pha của vật chất không chỉ là các trạng thái khác nhau của vật chất như: rắn, lỏng, khí hay hơi, mà còn là những biến thể của các tinh thể. Ví dụ: kim cương và than chì là những pha rắn khác nhau của cacbon. Nói pha rắn ấy là nói đến trạng thái rắn kết tinh. Chất rắn vô định hình, khi đun nóng sẽ chuyển sang thể lỏng một cách liên tục, không được coi là chuyển pha. Chất rắn vô định hình không được xem là pha rắn của vật chất.

Có thể làm thay đổi pha của hệ vật chất bằng cách làm thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất của nó.

Sự biến đổi pha không chỉ là sự biến đổi từ trạng thái vật chất này sang trạng thái vật chất khác như: rắn « lỏng ; lỏng « hơi ; hơi « rắn, mà còn là sự biến đổi pha ở cùng trạng thái như: kim cương « than chì.

Có hai loại biến đổi pha:

(+)Loại I: có kèm theo sự nhận nhiệt của ngoại vật hoặc truyền nhiệt cho ngoại vật.

(+)Loại II: không có kềm theo sự nhận hoặc truyền nhiệt.

Sự biến đổi pha luôn luôn xảy ra ở một nhiệt độ và một áp suất xác định.

Ví dụ: nước đá nóng chảy ở 0oC, dưới áp suất 1atm. Trong quá trình biến đổi pha, nước đá và nước cùng tồn tại và tiếp xúc nhau. Nhiệt độ cả hai pha giữ không đổi (0oC) cho tời khi toàn bộ nước đá đều biến thành nước lỏng.

Nếu nhiệt độ lớn hơn hay nhỏ hơn nhiệt độ biến đổi pha thì chỉ tồn tại mọt trong hai pha.

Ví dụ: tại 1 atm, nếu t < 0oC : chỉ có nước đá; nếu t > 0oC, chỉ có nước lỏng.

II.ÐỒ THỊ PHA: 

Một phương pháp thường dùng để nghiên cứu sự biến đổi pha là phương pháp đồ thị. Sau đây ta xét ý nghĩa vật lý của đồ thị pha.

 Bất kì một biến đổi pha nào cũng có thể biểu diễn bằng một đồ thị pha.

Ví dụ: đồ thì (p,T) biểu diễn sự biến đổi từ pha lỏng sang pha hơi. Ðường cong S, nối liền các điểm trên đồ thị, ứng với nhiệt độ và áp suất tại đó xảy ra sự biến đổi pha, được gọi là đường cong biến đổi pha.

Nói cách khác, đường cong S xác định điều kiện để cho hai chất: lỏng và hơi, cùng tồn tại, cân bằng nhiệt bên cạnh nhau.

Chú ý rằng giữa pha lỏng và pha hơi đang có sự cân bằng nhiệt. Nếu cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì pha lỏng sẽ biến thành pha hơi. Ðó là sự hóa hơi. Ngược lại, nếu hệ truyền nhiệt lượng cho ngoại vật, pha hơi biến thành pha lỏng, ta có sự ngưng tụ. Hóa hơi và ngưng tụ là hai quá trình ngược nhau.

Ðường cong S sẽ được gọi là đường hóa hơi, hay đường ngưng tụ, tùy thuộc vào chiều biểu diễn của sự biến đổi pha. Ðường cong S chia mặt phẳng đồ thị làm hai miền: mỗi miền ứng với một pha duy nhất của vật chất: lỏng hoặc hơi.

 

 Ðối với sự nóng chảy, đông đặc, thăng hoa, ta đều có thể vẽ đồ thị biến đổi pha như thế. Mỗi pha vật chất được xác định bởi các thông số trạng thái: T, P, V. Giữa ba đại lượng này có liên quan chặt chẽ với nhau.

Ðồ thị pha có thể là các giản đồ (p,T); (p,V); (T,V).

Ví dụ: đường đẳng nhiệt Vanđécvan thực nghiệm có phần nằm ngang, diễn tả sự biến đổi pha (h.2). Mặt phẳng (p,V) gồm có 3 miền giới hạn bới đường cong (AKB):

Bên trái: pha lỏng.

Ở giữa: 2 pha lỏng và hơi bão hòa.

Bên phải: pha hơi hay khí.

Giản đồ (T,V):

 

 Giả sử hệ ở trạng thái hơi, với thể tích và nhiệt độ ứng với điểm A.

+Nén hơi đẳng nhiệt, điểm đặc trưng cho trạng thái của hệ sẽ di chuyển về phía trái, song song với trục hoành V.

Ðến thể tích VB, hơi bắt đầu ngưng tụ (hóa lỏng: chuyển pha). Hệ gồm hai pha: hơi và lỏng.

+Tiếp tục nén thêm, khối lượng phần lỏng tăng dần, khối lượng phần hơi bão hòa giảm dần. Cuối cùng, khí nén đến thể tích VD toàn bộ hệ sẽ ở pha lỏng.

+Nén hơi đẳng nhiệt như vậy, tại các nhiệt độ T khác nhau, ta sẽ có một dãy các đoạn cũng song song với đoạn BD. Nối các đầu mút các đoạn này, ta sẽ có đường cong S mà đỉnh là điểm tới hạn K (với nhiệt độ TK, thể tích VK, áp suất pK)

So sánh ba đồ thị: (p,T): (p,V): (V,T).

-Ðều diễn tả sự biến đổi pha từ lỏng sang hơi và ngược lại.

-S (p,T) là đường ranh giới giữa hai miền, ứng với hai pha riêng biệt.

-S (p,T) và S (T,V) không phải như vậy

III.CÔNG THỨC CLAPÂYRÔNG- CLAOZIUYT:

Xét sự biến đổi pha loại (1), ta tìm mối quan hệ định lượng giữa các thông số, căn cứ vào nguyên lý nhiệt động lực học.

Trong sự biến đổi pha loại (1) của vật chất, luôn luôn có kèm theo sự nhận nhiệt hay tỏa nhiệt. Nhiệt lượng mà hệ nhận vào hay tỏa ra, ứng với một đơn vị khối lượng vật chất, khi chuyển pha được gọi là ẩn nhiệt biến đổi pha. Ví dụ: Nhiệt hóa hơi, nhiệt nóng chảy là ẩn nhiệt biến đổi pha.

Theo nguyên lý I, nhiệt lượng q12 dùng để chuyển từ pha (1) đến pha (2) là:

q12 = dU + p.dV

dU = U2 - U1­ là độ biến thiên nội năng của hệ.

dV = V2 - V1 là độ biến thiên thể tích của hệ.

Vì sự biến đổi pha xảy ra tại áp suất không đổi nên dU + p.dV = d(U + pV).

q12 = d(U + pV) = dW = W2 - W1

với W = U + pV gọi là hàm nhiệt Entanpi của hệ.

Khi hệ chuyển từ pha (1) sang pha (2), rồi lại chuyển từ pha (2) về pha (1) thì:

q12 + q21 = dW12 + dW21 = 0

hay q12 = - q21

Với quy ước: nhiệt hệ nhận vào là dương, nhiệt hệ tỏa ra là âm, thì nhiệt hóa hơi là dương, nhiệt ngưng tụ là âm.

(+)Xét một tác nhân, thực hiện một chu trình Cácnô khá hẹp.

Trên giản đồ (p,V) của đường đẳng nhiệt thực nghiệm (h.4).

Trước tiên, hệ vật chất đang chuyển từ pha (1) sang pha (2). Ta có:

1: pha lỏng

2: pha hơi

Nhiệt độ T = T1 và áp suất không đổi trong quá trình chuyển pha.

Sau đó hệ lại chuyển từ pha (2) về pha (1) (c về d) tại nhiệt độ thấp hơn T1 - dT = T2 không đổi và áp suất p - dp không đổi. Chu trình abcd là chu trình Cácnô rất hẹp.

ab và cd: quá trình đẳng nhiệt.

bc và da: chưa đúng hẳn là các quá trình đoạn nhiệt. Nhưng vì dp rất nhỏ (chu trình hẹp), nên coi sự khác biệt này là không đáng kể.

Công dA mà chu trình thực hiện được bằng diện tích: (V2 - V1).dp. Cho: V1: thể tích hệ hoàn toàn ở pha lỏng. V2: thể tích của hệ hoàn toàn ở pha hơi.

Theo nguyên lý II, thì hiệu suất chu trình Cácnô bằng:

Ta có:

Hay

Với q12: nhiệt hóa hơi: nhiệt dùng để biến đổi một đơn vị khối lượng vật chất từ pha (1) (lỏng) sang pha (2) (hơi).

Ta có:

Công thức này nêu lên mối quan hệ định lượng giữa độ biến thiên của p và T trong các quá trình chuyển pha, và được gọi là công thức Clapâyrông-Claoziuyt.

Chú ý: công thức Clapâyrông-Claoziuyt được ứng dụng rộng rãi mọi biến đổi pha loại 1 và không dùng cho biến đổi pha loại 2 vì trong trường hợp sau q12 luôn luôn bằng 0.

IV.ÐIỂM BA: 

Dùng giản đồ (p,V), đồ thị pha tổng quát.

Xét một hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt với hai pha: lỏng và hơi bão hòa. Cho hệ tỏa nhiệt, nhiệt độ của hệ giảm xuống. Muốn cho hệ đạt lại trạng thái cân bằng nhiệt mới, áp suất của hệ cũng phải giảm theo. Ðiểm đặc trưng cho trạng thái cân bằng mới trên giản đồ (p,V) về phía dưới.

Tập hợp mọi điểm ứng với trạng thái cân bằng nhiệt giữa pha lỏng và hơi bão hòa trên giản đồ (p,V) tạo nên đường ngưng tụ (KB) hay đường hóa hơi (BK).

KB: đường ngưng tụ.

BK: đường hóa hơi.

BO: đường thăng hoa.

BC: đường nóng chảy hay đông đặc.

Như đã nói ở phần khí thực, đường cong hóa hơi tận cùng phía trên tại điểm tới hạn với nhiệt độ TK, áp suất pK. Ðường hóa hơi phải tận cùng phía dưới tại điểm B ứng với giai đoạn kết tinh của vật chất. Lúc này hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt không phải chỉ gồm 2 pha như trước mà gồm 3 pha: lỏng + rắn + hơi.

Hệ tiếp tục tỏa nhiệt, toàn thể pha lỏng sẽ chuyển sang pha rắn và kết thúc quá trình kết tinh là sự xuất hiện trạng thái cân bằng nhiệt giữa hai pha: rắn + hơi bão hòa.

Suốt trong quá trình kết tinh, nhiệt độ của hệ không đổi. Sau khi sự kết tinh hoàn toàn, nếu hệ tiếp tục tỏa nhiệt, nhiệt độ của hệ sẽ lại giảm xuống. Muốn thiết lập sự cân bằng nhiệt mới giữa hai pha: rắn + hơi bão hòa thì phải giảm áp suất của hệ. Do đó các điểm đặc trưng cho trạng thái cân bằng nhiệt sẽ dịch chuyển xuống dưới tạo ra đường thăng hoa: BO.

(+)Nếu từ trạng thái kết tinh ứng với điểm B ta không để nhiệt truyền ra ngoài mà lại truyền nhiệt cho hệ thì hệ sẽ từ trạng thái kết tinh chuyển sang pha lỏng tức là nóng chảy. Nếu tăng áp suất thì nhiệt độ nóng chảy sẽ phải tăng theo. Ðiểm nóng chảy, đặc trưng cho sự cân bằng nhiệt giữa pha rắn và pha lỏng, dịch chuyển lên trên và vẽ nên đường nóng chảy hay đường đông đặc (gần như đường thẳng).

Ðộ dốc của đường nóng chảy có thể âm hay dương tùy thuộc dấu

-Nếu > 0, thì khi nóng chảy, thể tích hệ tăng: (BC)

-Nếu < 0, thì khi nóng chảy, thể tích hệ giảm: (BC)

(nước đá, Bitmuýt, Antimoan).

Ðiểm B nằm tại giao điểm giữa 3 đường cong biến đổi pha: hóa hơi, nóng chảy, thăng hoa, gọi là điểm Ba.

Tính chất:

+điểm Ba xác định điều kiện cho có sự cân bằng giữa 3 pha.

+ứng với mỗi chất chỉ có thể có 1 điểm Ba mà thôi, nhiệt độ và áp suất tương ứng là TB , pB­.

+các đường cong biến đổi pha chia mặt phẳng (p,T) làm 3 miền:

-phía trái đường nóng chảy và đường thăng hoa là pha rắn.

-giữa đường nóng chảy và đường hóa hơi là miền pha lỏng.

-phía phải đường hóa hơi và đường thăng hoa là pha hơi (với T < TK), và là pha khí (nếu T > TK).

+mỗi điểm trong mỗi miền nàychỉ đặc trưng cho một pha nhất định.

+nếu ban đầu hệ ở trạng thái diễn tả bởi điểm (1), biến đổi trạng thái từ (1) sang (2) qua quá trình đẳng áp, thì hệ phải trải qua 3 pha, theo trình tự: rắn ® lỏng ® hơi.

+nếu trạng thái xuất phát là điểm (3), hệ biến đổi sang trạng thái ứng với điểm (4) thì trình tự biến đổi pha sẽ là biến trực tiếp từ rắn sang hơi.

(+)Ða số các chất có điểm Ba nằm khá thấp so với áp suất khí quyển nên muốn chuyển từ pha rắn sang pha hơi phải qua pha lỏng trung gian.

Ví dụ: điểm Ba của nước có pB = 4,58 mmHg < 1 at và TB = 0,00748oC.

+nếu đường nóng chảy lệch về phía trái của điểm Ba thì có hiện tượng dị kì: Nén khí đẳng nhiệt thì áp suất tăng, hệ trải qua từ pha hơi sang pha rắn, rồi mới sang pha lỏng. Hiện tượng này xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ điểm Ba.

V.HIỆN TƯỢNG BIẾN ÐỔI PHA VÀ THUYẾT ÐỘNG HỌC PHÂN TỬ: 

1.Nóng chảy và đông đặc: 

Trong thực tế, các hạt cấu thành vật rắn kết tinh chịu hai ảnh hưởng ngược nhau:

+Chuyển động nhiệt có xu hướng làm các hạt tách rời xa nhau, phá vỡ trật tự trong mạng tinh thể.

+Lực tương tác giữa các hạt có xu hướng liên kết các hạt lại với nhau, buộc chúng ở tại vị trí cân bằng. Hai ảnh hưởng này song song tồn tại. Ở nhiệt độ và áp suất nào đó, ảnh hưởng thứ nhất yếu hơn ảnh hưởng thứ hai: hạt phải dao động tại vị trí cân bằng.

 

Khi truyền nhiệt cho hệ, nhiệt độ hệ tăng lên. Tại một nhiệt độ xác định, gọi là nhiệt độ nóng chảy, tác dụng (1) lớn hơn tác dụng (2) thì bắt đầu hiện tượng nóng chảy. Tinh thể bị phá vỡ, pha rắn biến thành pha lỏng. Khoảng cách trung bình giữa các phân tử tăng lên.

Thế năng trung bình của các hạt tăng lên. Ðáng lẽ động năng của các hạt phải giảm, nhưng vì nhờ có nhiệt lượng của ngoại vật cung cấp cho hệ, động năng không giảm, hạt có thể trượt ra khỏi hố thế năng. Sự nóng chảy cứ tiến hành và trong thời gian nóng chảy, mặc dầu hệ được cung cấp nhiệt lượng, nhiệt độ của hệ vẫn không đổi.

Chỉ khi nào toàn bộ khối rắn kết tinh đã hoàn toàn hóa lỏng, mà hệ cứ tiếp tục thu nhiệt lượng thì nhiệt độ của hệ mới tăng lên.

Hiện tượng đông đặc là quá trình ngược so với hiện tượng nóng chảy.

Nhiệt độ đông đặc phải bằng nhiệt độ nóng chảy và cũng giữ không đổi suốt thời gian sự đông đặc xảy ra, mặc dầu hệ cứ tỏa nhiệt.

Sự thăng hoa cũng được giải thích tương tự. 

2.Bay hơi: 

Hiện tượng các phân tử chất lỏng thoát ra khỏi mặt thoáng, tạo thành hơi, được gọi là sự bay hơi.

Một chất lỏng ở bất cứ nhiệt độ nào, cũng có chứa những phân tử có động năng đủ lớn, để thắng lực hút các phân tử xung quanh, thoát ra khỏi mặt thoáng, tập hợp các phân tử đã thoát ra như thế tạo thành hơi.

Muốn thành hơi, phân tử phải sản công, để thắng lực hút f, kéo phân tử vào lòng chất lỏng.

Gọi: r: bề dầy lớp mặt ngoài; n: số phân tử có trong một đơn vị khối lượng chất lỏng. Công A để n phân tử ấy thoát khỏi mặt thoáng biến thành hơi là:

A = n  r

Vả lại quá trình bay hơi còn kèm theo sự tăng thể tích của hệ, nên ngoài công A còn có công A làm tăng thể tích riêng chất lỏng V thành ra thể tích riêng của hơi V0, ở cùng một áp suất không đổi p.

A’ = p (V0 - V0’)

Tóm lại: A + A’ = n r + p (V0 - V0’). Công tổng cộng A + A’ = q12 (nhiệt lượng mà hệ nhận tức là nhiệt hóa hơi).

Vậy: q12 = nfr + p(V0 - V0)

Ta có thể xác định bằng thực nghiệm các đại lượng: q12, n, r, p, V0, và V'0. Từ đó ta suy ra được .

Tại trạng thái tới hạn f = 0 và V0 - V0’ = 0 nên

q12 = 0

+Sự hóa hơi xảy ra đồng thời với quá trình ngưng tụ. Một số phân tử từ ngoài mặt thoáng đi trở vào lòng chất lỏng.

+Diện tích S của mặt thoáng càng tăng, sự bay hơi càng nhanh.

+Nhiệt độ càng cao, bay hơi càng chóng.

+Sự bay hơi được gió xúc tiến nhanh. 

3.Trạng thái bão hòa: 

Nếu sự bay hơi và quá trình ngược xảy ra trong bình kín thì đến một lúc nào đấy, số phân tử hóa thành hơi trong một đơn vị thời gian bằng số phân tử đi vào trong chất lỏng. Nồng độ phân tử chất hơi không tăng nữa. Ta có trạng thái cân bằng động giữa chất lỏng và chất hơi (dưới áp suất nhất định, và tại nhiệt độ nhất định). Ta nói rằng hơi ở trạng thái bão hòa.

+Tại một nhiệt độ xác định, áp suất hơi bão hòa p0 có giá trị xác định.

+Khi nhiệt độ tăng, áp suất hơi bão hòa p0 cũng tăng theo.

+Áp suất hơi bão hòa của một chất không phụ thuộc thể tích chứa hơi bão hòa.

+Sự có mặt của các khí và hơi khác làm ảnh hưởng tốc độ bay hơi, kéo dài thời gian bay hơi để đạt tới trạng thái bão hòa, nhưng không lamg thay đổi sự câ bằng động giữa pha lỏng và pha hơi. 

4.Sự sôi: 

Khác với sự bay hơi, sự sôi là sự chuyển pha từ lỏng sang hơi ngay trong lòng chất lỏng. Các bọt hơi được tạo thành ở đáy và thành bình, và lớn lên trong lòng chất lỏng, đi lên mặt thoáng, vỡ ra tại mặt thoáng, để cho hơi trong các bọt thoát ra ngoài.

Các bọt này hình thành từ khí (không khí) vốn bị thành bình hấp thụ tạo nên. Khu nung nóng chất lỏng, bọt khí phình ra với kích thước không đến nỗi nhỏ quá. Aïp suất phụ của mặt cong của bọt không đủ lớn để phá vỡ bọt. Trong bọt, ngoài khí còn có hơi bão hòa thoát từ chất lỏng vào bọt.

Gọi:

p0: áp suất hơi bão hòa ở trong bọt.

p': áp suất của khí trong bọt bằng

H: áp suất khí quyển.

rgh: áp suất thủy tĩnh tại độ sâu có bọt xuất hiện.

: áp suất phụ gây bởi mặt cong của bọt.

Ðiều kiện tồn tại của bọt được ghi bằng biểu thức:

p0 + p’ = H +rgh +

Càng đun nóng, áp suất hơi bão hòa trong bọt càng tăng, thể tích V của bọt càng lớn. Lực đẩy Achimét F của chất lỏng lên bọt càng tăng. Khi F đã lớn hơn lực f do tương tác của các phân tử chất lỏng quanh bọt và phân tử thành bình, bọt sẽ rời tàhnh bình và đi lên mặt thoáng.

F = rgV > f

Lúc đầu nhiệt độ chất lỏng chưa đồng đều trong toàn bình, dưới nóng trên lạnh. Bọt đi lên càng nhỏ lại vì hiện tượng ngưng tụ của hơi bão hòa trong bọt. Áp suất p càng giảm thể tích bọt càng bé lại, áp suất phụ cao, bọt bị nén mạnh, bọt bị vơz gây tiếng động nhỏ: reo.

Nhờ hiện tượng đối lưu khi đun, chất lỏng nóng đều. Bọt càng nổi lên thể tích càng lớn vì áp suất thủy tĩnh càng nhỏ. Bọt nhô lên mặt thoáng và bị vỡ ở đây. Hơi thoát ra ngoài. Nước đã sôi. Ðiều kiện vỡ bọt (p' nhỏ bỏ qua): H = P0

H: áp suất ở bên ngoài mặt thoáng.

P0: áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ xác định (nhiệt độ đun).

Kết luận:

Với áp suất bên ngoài cho trước, chất lỏng sẽ sôi ở nhiệt độ xác định, sao cho áp suất hơi bão hòa ứng với nhiệt độ này bằng áp suất bên ngoài.

Ðây cũng chính là chỗ khác nhau giữa sự sôi và sự bay hơi (xảy ra ở mọi nhiệt độ). Muốn duy trì sự sôi, ta phải cung cấp nhiệt lượng cho chất lỏng, vì thế suốt thời gian sôi, nhiệt độ của hệ (gồm 2 pha: lỏng và hơi bão hòa) không đổi.

(+)Sôi ở áp suất thấp:

Ðặt một bình hở đựng nước ở nhiệt độ 30oC vào một chuông thủy tinh nối với bơm hút khí. Cho bơn chạy, áp suất không khí trên mặt thoáng giảm dần cho đến 31mmHg thì nước sôi.

Khi nước sôi, nhiệt độ của nó giảm đi vì hệ không trao đổi nhiệt và công cùng ngoại vật nên nhiệt hóa hơi phải do nội năng của nó cung cấp; tiếp tục hút khí, ta có thể làm cho nước sôi tại 0oC với áp suất hơi bão hòa là p0 = 4,6mmHg.

Trên núi cao, áp suất khí quyển nhỏ hơn 760mmHg, nước sẽ sôi ở nhiệt độ thấp hơn 100oC, nên không nấu chín thức ăn được..