Nhiệt Hóa Hơi Riêng

[Tăng Giáp]

Nhiệt hóa hơi riêng là một trong những khái niệm quan trọng nhất trong chương Nhiệt học - Vật lý phổ thông. Đại lượng này không chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết mà còn được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và kỹ thuật, từ máy điều hòa nhiệt độ cho đến các thiết bị y tế hiện đại. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ về nhiệt hóa hơi riêng, cách tính toán và những ứng dụng thiết thực của nó.

I. Nhiệt Hóa Hơi Riêng Là Gì?​

Trước khi đi vào định nghĩa chính xác, chúng ta cần hiểu rằng khi một chất lỏng chuyển từ thể lỏng sang thể khí (quá trình hóa hơi), nó cần hấp thụ một lượng nhiệt năng lượng nhất định. Lượng nhiệt này không làm tăng nhiệt độ của chất, mà được sử dụng để phá vỡ các liên kết giữa các phân tử, giúp chúng tách rời nhau và chuyển sang thể khí.

Nhiệt hóa hơi riêng (ký hiệu là $L$) của một chất là nhiệt lượng cần thiết để chuyển hóa hoàn toàn 1 kg chất đó từ thể lỏng sang thể khí ở nhiệt độ sôi, trong khi nhiệt độ không thay đổi.

Đơn vị đo nhiệt hóa hơi riêng là Jun trên kilogram ($J/kg$), thể hiện lượng năng lượng cần thiết cho mỗi kilogram chất lỏng.

II. Công Thức Tính Nhiệt Hóa Hơi Riêng​

1. Hệ Thức Cơ Bản​

Qua nghiên cứu thực nghiệm, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng nhiệt lượng cần cung cấp cho một lượng chất lỏng để hóa hơi hoàn toàn ở nhiệt độ không đổi phụ thuộc vào hai yếu tố chính:

• Khối lượng của chất lỏng
• Bản chất của chất lỏng (mỗi chất có đặc tính riêng)

Điều đặc biệt là nhiệt lượng tỉ lệ thuận với khối lượng của chất lỏng. Điều này có nghĩa là nếu bạn tăng gấp đôi khối lượng nước cần đun sôi, bạn sẽ cần gấp đôi nhiệt lượng để hóa hơi hoàn toàn lượng nước đó.

Từ mối quan hệ tỉ lệ thuận này, ta có hệ thức: $\frac{Q}{m} = \text{hằng số}$

Trong đó:

• $Q$ là nhiệt lượng cần truyền cho chất lỏng (đơn vị: Jun - J)
• $m$ là khối lượng chất lỏng (đơn vị: kilogram - kg)

Hằng số này chính là nhiệt hóa hơi riêng $L$ của chất lỏng đó. Do đó, ta có định nghĩa bằng công thức: $L = \frac{Q}{m}$

2. Công Thức Tính Nhiệt Lượng​

Từ công thức định nghĩa trên, ta có thể suy ra công thức tính nhiệt lượng cần thiết để hóa hơi một lượng chất lỏng: $Q = L \cdot m$

Đây là công thức quan trọng nhất trong bài học về nhiệt hóa hơi riêng. Công thức này cho phép chúng ta tính toán chính xác lượng nhiệt cần thiết khi biết khối lượng chất lỏng và nhiệt hóa hơi riêng của chất đó.

Ví dụ minh họa: Để hóa hơi hoàn toàn 2 kg nước ở nhiệt độ sôi ($100°C$), ta cần một lượng nhiệt là:

$Q = L_{nước} \cdot m = 2,26 \times 10^6 \times 2 = 4,52 \times 10^6 , J$

Đây là một lượng năng lượng rất lớn, tương đương với năng lượng tiêu thụ của một bóng đèn 100W hoạt động liên tục trong hơn 12 giờ!

III. Đặc Điểm Quan Trọng Của Nhiệt Hóa Hơi Riêng​

1. Phụ Thuộc Vào Bản Chất Chất Lỏng​

Mỗi chất lỏng có một giá trị nhiệt hóa hơi riêng khác nhau, phản ánh cường độ liên kết giữa các phân tử của chất đó. Chất có liên kết phân tử mạnh hơn sẽ có nhiệt hóa hơi riêng lớn hơn.

Ví dụ:

• Nước ở $100°C$: $L = 2,26 \times 10^6 , J/kg$
• Rượu etylic: $L = 0,85 \times 10^6 , J/kg$
• Oxy lỏng: $L = 0,21 \times 10^6 , J/kg$

Ta thấy nước có nhiệt hóa hơi riêng rất cao so với nhiều chất khác, đó là lý do tại sao nước được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống làm mát và điều hòa nhiệt độ.

2. Phụ Thuộc Vào Nhiệt Độ Hóa Hơi​

Một đặc điểm thú vị và quan trọng là nhiệt hóa hơi riêng của một chất thay đổi theo nhiệt độ. Cụ thể, nhiệt hóa hơi riêng thường tăng khi nhiệt độ giảm.

Lấy ví dụ với nước:

• Ở $100°C$: $L = 2,26 \times 10^6 , J/kg$
• Ở $50°C$: $L = 2,39 \times 10^6 , J/kg$

Điều này có nghĩa là để hóa hơi 1 kg nước ở nhiệt độ thấp hơn, ta cần nhiều năng lượng hơn. Hiện tượng này liên quan đến cấu trúc liên kết phân tử: ở nhiệt độ thấp hơn, các phân tử liên kết chặt chẽ hơn, do đó cần nhiều năng lượng hơn để tách chúng ra.

3. Quá Trình Hóa Hơi Ở Nhiệt Độ Không Đổi​

Điểm quan trọng cần nhớ là trong suốt quá trình hóa hơi ở nhiệt độ sôi, nhiệt độ của chất lỏng không thay đổi. Tất cả nhiệt lượng cung cấp đều được sử dụng để phá vỡ liên kết giữa các phân tử, chứ không làm tăng động năng của chúng (không làm tăng nhiệt độ).

Đây là lý do tại sao khi đun nước, nhiệt độ của nước sẽ tăng dần cho đến $100°C$, sau đó dù tiếp tục đun, nhiệt độ vẫn giữ nguyên $100°C$ cho đến khi toàn bộ nước hóa hơi hoàn toàn.

IV. Kết Luận​

Nhiệt hóa hơi riêng là một khái niệm cơ bản nhưng vô cùng quan trọng trong vật lý nhiệt. Đại lượng này không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình chuyển pha của vật chất mà còn là nền tảng cho vô số ứng dụng thực tiễn trong cuộc sống.

Công thức $Q = L \cdot m$ tuy đơn giản nhưng có sức mạnh lớn trong việc tính toán và thiết kế các hệ thống kỹ thuật. Từ chiếc máy điều hòa trong nhà bạn đến các nhà máy công nghiệp lớn, đều có dấu ấn của nhiệt hóa hơi riêng.

Việc nắm vững kiến thức này không chỉ giúp học sinh học tốt môn Vật lý mà còn mở ra cánh cửa hiểu biết về công nghệ xung quanh chúng ta. Hơn nữa, trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nhu cầu tiết kiệm năng lượng ngày càng cấp thiết, hiểu biết về nhiệt hóa hơi riêng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các giải pháp công nghệ xanh, bền vững cho tương lai.

 

[Tăng Giáp]

Đề: Tính nhiệt lượng cần thiết để hóa hơi hoàn toàn 3 kg nước ở nhiệt độ sôi $100°C$. Biết nhiệt hóa hơi riêng của nước ở $100°C$ là $L = 2,26 \times 10^6 , J/kg$.

Lời giải​

Theo đề:

• Khối lượng nước: $m = 3 , kg$
• Nhiệt hóa hơi riêng của nước: $L = 2,26 \times 10^6 , J/kg$
• Nhiệt độ: $100°C$ (nhiệt độ sôi của nước)

Công thức tính nhiệt lượng cần để hóa hơi: $Q = L \cdot m$
Thay số: $Q = 2,26 \times 10^6 \times 3 = 6,78 \times 10^6 , J$

Hoặc: $Q = 6.780.000 , J = 6.780 , kJ$

Đáp số: $Q = 6,78 \times 10^6 , J$ hay $6.780 , kJ$

 

[Tăng Giáp]

Đề: Người ta cung cấp một nhiệt lượng $5,1 \times 10^6 , J$ để hóa hơi hoàn toàn một lượng rượu etylic ở nhiệt độ sôi. Tính khối lượng rượu đã hóa hơi. Biết nhiệt hóa hơi riêng của rượu etylic là $L = 0,85 \times 10^6 , J/kg$.

Lời giải​

Đề cho:

• Nhiệt lượng cung cấp: $Q = 5,1 \times 10^6 , J$
• Nhiệt hóa hơi riêng của rượu: $L = 0,85 \times 10^6 , J/kg$
• Cần tìm: Khối lượng rượu $m = ?$

Công thức:
Từ công thức: $Q = L \cdot m$

Suy ra: $m = \frac{Q}{L}$

Thay số vào: $m = \frac{{5,1 \times {{10}^6}}}{{0,85 \times {{10}^6}}} = \frac{{5,1}}{{0,85}} = 6\left( {kg} \right)$
Đáp số: $m = 6 , kg$

Nhận xét: Ta thấy với cùng một nhiệt lượng, có thể hóa hơi nhiều rượu etylic hơn so với nước (nếu dùng $5,1 \times 10^6 , J$ để hóa hơi nước thì chỉ được khoảng 2,26 kg). Điều này do nhiệt hóa hơi riêng của rượu nhỏ hơn nước.

 

[Tăng Giáp]

Đề: Tính nhiệt lượng cần thiết để đun 2 kg nước từ nhiệt độ $20°C$ đến khi hóa hơi hoàn toàn ở $100°C$. Biết:

• Nhiệt dung riêng của nước: $c = 4.200 , J/(kg \cdot K)$
• Nhiệt hóa hơi riêng của nước ở $100°C$: $L = 2,26 \times 10^6 , J/kg$

Lời giải
Quá trình gồm 2 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Nung nóng nước từ $20°C$ lên $100°C$
• Giai đoạn 2: Hóa hơi hoàn toàn nước ở $100°C$

Tính nhiệt lượng giai đoạn 1 (nung nóng)

Công thức: $Q_1 = m \cdot c \cdot \Delta t$

Trong đó:

• $m = 2 , kg$
• $c = 4.200 , J/(kg \cdot K)$
• $\Delta t = 100 - 20 = 80°C = 80 , K$

$Q_1 = 2 \times 4.200 \times 80 = 672.000 , J = 6,72 \times 10^5 , J$

Tính nhiệt lượng giai đoạn 2 (hóa hơi)

Công thức: $Q_2 = L \cdot m$

$Q_2 = 2,26 \times 10^6 \times 2 = 4,52 \times 10^6 , J$

Tính tổng nhiệt lượng

$Q = Q_1 + Q_2 = 6,72 \times 10^5 + 4,52 \times 10^6$

$Q = 0,672 \times 10^6 + 4,52 \times 10^6 = 5,192 \times 10^6 , J$

Đáp số: $Q = 5,192 \times 10^6 , J$ hay $5.192 , kJ$

Nhận xét:

• Nhiệt lượng để hóa hơi ($4,52 \times 10^6 , J$) lớn gấp khoảng 6,7 lần nhiệt lượng để nung nóng ($6,72 \times 10^5 , J$)
• Điều này cho thấy quá trình chuyển pha (hóa hơi) đòi hỏi năng lượng nhiều hơn rất nhiều so với việc chỉ tăng nhiệt độ

 

[Tăng Giáp]

Đề: Thả một cục nước đá khối lượng 500g ở $0°C$ vào một bình chứa 2 kg hơi nước ở $100°C$. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với bình và môi trường. Tính khối lượng nước đá còn lại sau khi hệ đạt trạng thái cân bằng nhiệt. Biết:

• Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá: $\lambda = 3,4 \times 10^5 , J/kg$
• Nhiệt hóa hơi riêng của nước: $L = 2,26 \times 10^6 , J/kg$
• Nhiệt dung riêng của nước: $c = 4.200 , J/(kg \cdot K)$

Lời giải​

Theo đề:

• Khối lượng nước đá: $m_1 = 0,5 , kg$ ở $t_1 = 0°C$
• Khối lượng hơi nước: $m_2 = 2 , kg$ ở $t_2 = 100°C$

Nhiệt lượng cần để nóng chảy hoàn toàn 500g nước đá: $Q_{nóng chảy} = \lambda \cdot m_1 = 3,4 \times 10^5 \times 0,5 = 1,7 \times 10^5 , J$

Nhiệt lượng tối đa mà hơi nước có thể tỏa ra khi ngưng tụ hoàn toàn: $Q_{ngưng tụ} = L \cdot m_2 = 2,26 \times 10^6 \times 2 = 4,52 \times 10^6 , J$

Ta thấy: $Q_{ngưng tụ} >> Q_{nóng chảy}$

Điều này có nghĩa hơi nước chỉ cần ngưng tụ một phần nhỏ đã đủ làm tan hết nước đá.

Giả sử có khối lượng hơi nước m ngưng tụ

Nhiệt lượng hơi nước tỏa ra gồm:

• Ngưng tụ: $Q_1 = L \cdot m$
• Hạ nhiệt độ từ $100°C$ xuống $0°C$: $Q_2 = m \cdot c \cdot 100$

Nhiệt lượng nước đá thu vào: Nóng chảy hoàn toàn: $Q_3 = \lambda \cdot m_1$

Phương trình cân bằng nhiệt $Q_1 + Q_2 = Q_3$

$L \cdot m + m \cdot c \cdot 100 = \lambda \cdot m_1$

$m(L + 100c) = \lambda \cdot m_1$

$m(2,26 \times 10^6 + 100 \times 4.200) = 3,4 \times 10^5 \times 0,5$

$m(2,26 \times 10^6 + 4,2 \times 10^5) = 1,7 \times 10^5$

$m \times 2,68 \times 10^6 = 1,7 \times 10^5$

$m = \frac{1,7 \times 10^5}{2,68 \times 10^6} = 0,0634 , kg = 63,4 , g$

Như vậy, chỉ có khoảng 63,4g hơi nước ngưng tụ là đủ để làm tan hết 500g nước đá.

Nhiệt độ cân bằng của hệ là $0°C$.

Khối lượng nước đá còn lại: 0 kg (tan hết)

Đáp số: Nước đá tan hoàn toàn, không còn lại.

Nhận xét: Bài toán này cho thấy năng lượng giải phóng khi hơi nước ngưng tụ rất lớn, đủ để làm tan một lượng nước đá đáng kể mặc dù khối lượng hơi nước ngưng tụ rất nhỏ.

 

[Tăng Giáp]

Đề: Một nồi nước điện có công suất 2000W được sử dụng để đun sôi 1,5 lít nước từ nhiệt độ $25°C$. Sau khi nước sôi, người ta tiếp tục đun thêm 10 phút thì tắt bếp. Biết hiệu suất của nồi là 80%.
Tính:
a) Thời gian để nước sôi
b) Khối lượng nước còn lại sau khi đun thêm 10 phút

Cho biết:

• Nhiệt dung riêng của nước: $c = 4.200 , J/(kg \cdot K)$
• Nhiệt hóa hơi riêng của nước ở $100°C$: $L = 2,26 \times 10^6 , J/kg$
• Khối lượng riêng của nước: $D = 1.000 , kg/m^3$

Lời giải​

Theo đề:

• Công suất nồi: $P = 2000 , W$
• Hiệu suất: $H = 80% = 0,8$
• Thể tích nước ban đầu: $V = 1,5 , lít = 1,5 \times 10^{-3} , m^3$
• Khối lượng nước: $m = D \times V = 1.000 \times 1,5 \times 10^{-3} = 1,5 , kg$
• Nhiệt độ ban đầu: $t_1 = 25°C$
• Nhiệt độ sôi: $t_2 = 100°C$

a) Tính thời gian để nước sôi

Tính nhiệt lượng cần thiết để đun sôi nước

• $Q_{cần} = m \cdot c \cdot \Delta t = 1,5 \times 4.200 \times (100 - 25)$
• $Q_{cần} = 1,5 \times 4.200 \times 75 = 472.500 , J$

Tính năng lượng điện tiêu thụ
Do hiệu suất là 80%, nên:

• $Q_{có ích} = H \times Q_{toàn phần}$
• $Q_{toàn phần} = \frac{Q_{cần}}{H} = \frac{472.500}{0,8} = 590.625 , J$

Tính thời gian

• $Q_{toàn phần} = P \times t$
• $t = \frac{Q_{toàn phần}}{P} = \frac{590.625}{2000} = 295,3 , s \approx 4 , phút , 55 , giây$

Đáp số: $t \approx 295 , s$ hay khoảng 5 phút

b) Tính khối lượng nước còn lại

Tính năng lượng cung cấp trong 10 phút đun thêm

• Thời gian đun thêm: $t' = 10 , phút = 600 , s$
• Năng lượng điện tiêu thụ: $Q'_{toàn phần} = P \times t' = 2000 \times 600 = 1.200.000 , J$
• Năng lượng có ích: $Q'{có ích} = H \times Q'{toàn phần} = 0,8 \times 1.200.000 = 960.000 , J$

Tính khối lượng nước hóa hơi

Năng lượng này được dùng để hóa hơi nước:

• $Q'{có ích} = L \times m{hơi}$
• $m_{hơi} = \frac{Q'_{có ích}}{L} = \frac{960.000}{2,26 \times 10^6} = 0,425 , kg = 425 , g$

Tính khối lượng nước còn lại
$m_{còn lại} = m_{ban đầu} - m_{hơi} = 1,5 - 0,425 = 1,075 , kg$
Hoặc: $1.075 , g = 1,075 , lít$

Đáp số $m_{còn lại} = 1,075 , kg$ hay 1.075 ml