Nhiệt nóng chảy riêng

[Doremon]

Trong đời sống hàng ngày, chúng ta thường thấy hiện tượng nước đá tan chảy, nến bị nóng chảy khi thắp sáng, hay kim loại được nung nóng trong lò để đúc thành các sản phẩm. Tất cả những hiện tượng này đều liên quan đến quá trình chuyển thể từ rắn sang lỏng - một quá trình đòi hỏi cung cấp năng lượng nhiệt. Vậy cần bao nhiêu nhiệt lượng để làm nóng chảy hoàn toàn một vật? Đại lượng vật lý nào quyết định lượng nhiệt này? Bài viết hôm nay sẽ giúp bạn hiểu rõ về nhiệt nóng chảy riêng - một khái niệm quan trọng trong Vật lý nhiệt học.

I. Nhiệt nóng chảy riêng là gì?​

1. Định nghĩa​

Nhiệt nóng chảy riêng của một chất là nhiệt lượng cần thiết để làm cho 1 kg chất đó chuyển hoàn toàn từ thể rắn sang thể lỏng ở nhiệt độ nóng chảy.
Cần lưu ý các điểm quan trọng trong định nghĩa:

• 1 kg chất: Đây là khối lượng chuẩn để so sánh giữa các chất khác nhau
• Chuyển hoàn toàn: Toàn bộ khối lượng chất phải nóng chảy, không còn phần rắn
• Ở nhiệt độ nóng chảy: Quá trình diễn ra ở nhiệt độ không đổi (nhiệt độ nóng chảy của chất đó)

2. Kí hiệu và đơn vị​

• Kí hiệu: $\lambda$ (đọc là lambda)
• Đơn vị: J/kg (Jun trên kilôgam) hoặc kJ/kg trong hệ SI
• Ý nghĩa: Mỗi chất có một giá trị nhiệt nóng chảy riêng khác nhau, đây là đại lượng đặc trưng cho từng chất

3. Bảng nhiệt nóng chảy riêng của một số chất​

Ví dụ: Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá là $3,4 \times 10^5$ J/kg có nghĩa là để làm tan chảy hoàn toàn 1 kg nước đá ở 0°C thành nước lỏng ở 0°C, cần cung cấp một lượng nhiệt là 340.000 J.

II. Công thức tính nhiệt lượng trong quá trình nóng chảy​

1. Mối quan hệ giữa nhiệt lượng và khối lượng​

Qua thực nghiệm, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng:

• Nhiệt lượng cần truyền cho vật để nóng chảy hoàn toàn tỉ lệ thuận với khối lượng của vật
• Với cùng một chất, tỉ số giữa nhiệt lượng và khối lượng luôn là một hằng số

Biểu thức: $\frac{Q}{m} = \text{hằng số}$
Hằng số này chính là nhiệt nóng chảy riêng của chất làm vật.

2. Công thức tổng quát​

Từ mối quan hệ tỉ lệ trên, ta có công thức tính nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy hoàn toàn một vật:
$Q = \lambda \cdot m$
Trong đó:

• $Q$: nhiệt lượng cần truyền cho vật (đơn vị: J - Jun)
• $\lambda$: nhiệt nóng chảy riêng của chất làm vật (đơn vị: J/kg)
• $m$: khối lượng của vật (đơn vị: kg)

3. Công thức biến đổi​

Từ công thức cơ bản, ta có thể biến đổi để tính các đại lượng khác:
Tính nhiệt nóng chảy riêng: $\lambda = \frac{Q}{m}$
Tính khối lượng: $m = \frac{Q}{\lambda}$

III. Bài tập vận dụng có lời giải chi tiết​

Bài tập 1: Tính nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy hoàn toàn 5 kg nước đá ở 0°C. Biết nhiệt nóng chảy riêng của nước đá là $\lambda = 3,4 \times 10^5$ J/kg.

Lời giải​

Áp dụng công thức: $Q = \lambda \cdot m$
Thay số: $Q = 3,4 \times {10^5} \times 5$ $ = 17 \times {10^5}$ =1.700.000 J=1.700 kJ
Đáp số: 1.700 kJ
Nhận xét: Lượng nhiệt này tương đương với lượng điện năng tiêu thụ của một bếp điện 1000W hoạt động trong khoảng 28 phút.
Bài tập 2: Người ta cung cấp một nhiệt lượng 270.000 J để làm nóng chảy hoàn toàn một lượng sắt ở nhiệt độ nóng chảy. Tính khối lượng sắt đã nóng chảy. Biết nhiệt nóng chảy riêng của sắt là $\lambda = 2,7 \times 10^5$ J/kg.

Lời giải​

Áp dụng công thức: $m = \frac{Q}{\lambda}$
Thay số: $m = \frac{270.000}{2,7 \times 10^5} = \frac{2,7 \times 10^5}{2,7 \times 10^5} = 1 \text{ kg}$
Đáp số: 1 kg
Bài tập 3: Một cục nước đá có khối lượng 2 kg ở nhiệt độ -10°C. Tính nhiệt lượng cần thiết để:
a) Làm nóng cục nước đá từ -10°C lên 0°C
b) Làm nóng chảy hoàn toàn cục nước đá ở 0°C
c) Tổng nhiệt lượng cần cung cấp
Biết nhiệt dung riêng của nước đá là $c = 2100$ J/kg.K và nhiệt nóng chảy riêng của nước đá là $\lambda = 3,4 \times 10^5$ J/kg.

Lời giải​

a) Nhiệt lượng để nâng nhiệt độ từ -10°C lên 0°C:
${Q_1} = m \cdot c \cdot \Delta t$ = 2×2100×10 = 42.000 J

b) Nhiệt lượng để nóng chảy hoàn toàn ở 0°C: ${Q_2} = \lambda \cdot m$ $ = 3,4 \times {10^5} \times 2$ $ = 680.000{\rm{ J}}$

c) Tổng nhiệt lượng cần cung cấp:
$Q = {Q_1} + {Q_2}$ = 42.000 + 680.000 = 722.000 J = 722 kJ
Đáp số:
a) 42 kJ;
b) 680 kJ;
c) 722 kJ

IV. Ứng dụng thực tiễn của nhiệt nóng chảy riêng​

1. Trong công nghiệp đúc kim loại​

Nhiệt nóng chảy riêng đóng vai trò then chốt trong ngành công nghiệp đúc:
Tính toán năng lượng cho lò nung: Kỹ sư cần biết chính xác lượng nhiệt cần cung cấp để nấu chảy kim loại, từ đó thiết kế lò nung phù hợp và tối ưu hóa chi phí năng lượng.
Xác định thời điểm đúc: Khi kim loại đạt nhiệt độ nóng chảy và hấp thụ đủ nhiệt lượng $Q = \lambda \cdot m$, đây là thời điểm lý tưởng để đổ kim loại nóng chảy vào khuôn.
Kiểm soát quá trình làm nguội: Biết nhiệt nóng chảy riêng giúp tính toán thời gian cần thiết để sản phẩm đông đặc hoàn toàn trước khi lấy ra khỏi khuôn, đảm bảo chất lượng sản phẩm.

2. Trong công nghệ vật liệu​

Chế tạo hợp kim: Các kỹ sư vật liệu sử dụng thông tin về nhiệt nóng chảy riêng để lựa chọn tỉ lệ các kim loại thành phần, tạo ra hợp kim có tính chất mong muốn như độ cứng, độ bền, khả năng chống ăn mòn.
Tinh luyện kim loại: Dựa vào sự khác biệt về nhiệt độ nóng chảy và nhiệt nóng chảy riêng, người ta có thể tách các kim loại nguyên chất ra khỏi quặng hỗn hợp.

3. Trong đời sống hàng ngày​

Làm lạnh đồ uống: Nước đá có nhiệt nóng chảy riêng cao ($3,4 \times 10^5$ J/kg), nên khi tan chảy sẽ hấp thụ một lượng nhiệt lớn từ đồ uống, làm đồ uống mát nhanh chóng.
Bảo quản thực phẩm: Hiểu về nhiệt nóng chảy giúp tối ưu hóa quá trình đông lạnh và rã đông thực phẩm, giữ được dinh dưỡng và hương vị.
Hệ thống sưởi ấm: Một số hệ thống sưởi ấm hiện đại sử dụng vật liệu chuyển pha (PCM) có nhiệt nóng chảy riêng cao để tích trữ và giải phóng nhiệt, tiết kiệm năng lượng.

V. Câu hỏi thường gặp​

Câu 1: Tại sao nhiệt độ không tăng trong quá trình nóng chảy?
Khi vật ở nhiệt độ nóng chảy, toàn bộ nhiệt lượng cung cấp được sử dụng để phá vỡ các liên kết giữa các phân tử trong mạng tinh thể rắn, chuyển chúng sang trạng thái lỏng. Do đó nhiệt độ không thay đổi cho đến khi vật nóng chảy hoàn toàn.
Câu 2: Nhiệt nóng chảy riêng có giống nhiệt dung riêng không?
Không. Nhiệt dung riêng ($c$) là nhiệt lượng cần để làm tăng nhiệt độ 1 kg chất lên 1°C, còn nhiệt nóng chảy riêng ($\lambda$) là nhiệt lượng cần để làm 1 kg chất chuyển thể từ rắn sang lỏng ở nhiệt độ không đổi.
Câu 3: Tại sao nước đá có nhiệt nóng chảy riêng cao?
Nước có cấu trúc phân tử đặc biệt với các liên kết hydro mạnh. Cần nhiều năng lượng để phá vỡ các liên kết này, do đó nhiệt nóng chảy riêng của nước đá cao hơn nhiều so với hầu hết các chất khác.

VI. Lưu ý khi giải bài tập​

Khi làm bài tập về nhiệt nóng chảy riêng, cần chú ý:

• Đơn vị: Đảm bảo tất cả đại lượng cùng hệ đơn vị SI (m tính bằng kg, Q tính bằng J)
• Điều kiện: Công thức $Q = \lambda \cdot m$ chỉ áp dụng khi vật đã ở nhiệt độ nóng chảy
• Bài toán tổng hợp: Nếu vật chưa đạt nhiệt độ nóng chảy, cần tính thêm nhiệt lượng để nâng nhiệt độ: $Q_{tổng} = m \cdot c \cdot \Delta t + \lambda \cdot m$
• Làm tròn số: Thường làm tròn đến 2 chữ số có nghĩa

VII. Kết luận​

Nhiệt nóng chảy riêng là một đại lượng vật lý quan trọng, không chỉ trong lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống và công nghiệp. Hiểu rõ khái niệm này giúp chúng ta:

• Nắm vững kiến thức cơ bản về chuyển thể và nhiệt học
• Giải quyết các bài toán liên quan một cách chính xác
• Áp dụng vào thực tế trong sản xuất và đời sống
• Phát triển tư duy khoa học và kỹ năng tính toán

Hy vọng qua bài viết này, bạn đã có cái nhìn toàn diện về nhiệt nóng chảy riêng cùng với các công thức và ứng dụng của nó. Hãy thực hành nhiều bài tập để nắm vững kiến thức và vận dụng linh hoạt trong các tình huống khác nhau!

 

[Hoàng Minh Nguyệt]

giải giúp em bài này với ạ:

Thả một quả cầu nhôm có khối lượng 0,5 kg ở nhiệt độ 500°C vào 2 lít nước ở 20°C đựng trong một bình cách nhiệt. Sau khi cân bằng nhiệt, một phần nước đã hóa hơi. Tính khối lượng nước đã hóa hơi.
Cho biết:

• Nhiệt dung riêng của nhôm: $c_{Al} = 880$ J/kg.K
• Nhiệt dung riêng của nước: $c_n = 4200$ J/kg.K
• Nhiệt hóa hơi riêng của nước: $L = 2,3 \times 10^6$ J/kg
• Khối lượng riêng của nước: $D = 1000$ kg/m³

 

[Tăng Giáp]

giải giúp em bài này với ạ:
Thả một quả cầu nhôm có khối lượng 0,5 kg ở nhiệt độ 500°C vào 2 lít nước ở 20°C đựng trong một bình cách nhiệt. Sau khi cân bằng nhiệt, một phần nước đã hóa hơi. Tính khối lượng nước đã hóa hơi.
Cho biết:

• Nhiệt dung riêng của nhôm: $c_{Al} = 880$ J/kg.K
• Nhiệt dung riêng của nước: $c_n = 4200$ J/kg.K
• Nhiệt hóa hơi riêng của nước: $L = 2,3 \times 10^6$ J/kg
• Khối lượng riêng của nước: $D = 1000$ kg/m³

Tính khối lượng nước ban đầu: $m_n = D \cdot V = 1000 \times 0,002 = 2 \text{ kg}$
Phân tích quá trình:

• Quả cầu nhôm tỏa nhiệt từ 500°C xuống 100°C
• Nước thu nhiệt từ 20°C lên 100°C
• Một phần nước hóa hơi ở 100°C

Tính nhiệt lượng quả cầu nhôm tỏa ra khi nguội từ 500°C đến 100°C:
$Q_{tỏa} = m_{Al} \cdot c_{Al} \cdot (t_1 - t_2)$
= 0,5 × 880×(500−100) = 176.000 J

Tính nhiệt lượng để nước nóng từ 20°C lên 100°C:
${Q_1} = {m_n}.{c_n}.\Delta t$
= 2 × 4200 × (100 − 20) = 672.000 J

Nhận xét và sửa giả thiết: Ta thấy $Q_{tỏa} = 176.000 \text{ J} < Q_1 = 672.000 \text{ J}$

Điều này có nghĩa là nhiệt lượng từ quả cầu nhôm không đủ để đun sôi toàn bộ 2 lít nước. Vậy nhiệt độ cân bằng sẽ nhỏ hơn 100°C và không có nước hóa hơi.

Tính nhiệt độ cân bằng: Gọi $t$ là nhiệt độ cân bằng (°C)
Phương trình cân bằng nhiệt: $m_{Al} \cdot c_{Al} \cdot (500 - t) = m_n \cdot c_n \cdot (t - 20)$
<=> 0,5 × 880 × (500 - t) = 2 × 4200 × (t - 20)
<=> 220.000 - 440t = 8400t - 168.000
<=> 220.000 + 168.000 = 8400t + 440t
<=> 388.000 = 8840t
$t \approx 43,9°C$
Kết luận: Với dữ liệu đề bài, nhiệt độ cân bằng chỉ đạt 43,9°C, không có nước hóa hơi.
Để có nước hóa hơi, cần điều chỉnh:

• Tăng nhiệt độ ban đầu của quả cầu nhôm lên rất cao (> 1000°C), hoặc
• Giảm lượng nước xuống còn khoảng 0,2 lít

 

[radoihaha]

Giúp e ạ
Một bình cách nhiệt chứa $m_1 = 1$ kg nước đá ở $t_1 = -40°C$. Đổ vào bình một lượng nước ở nhiệt độ $t_2$ sao cho khi có cân bằng nhiệt, tất cả nước đá tan hết và nhiệt độ cuối cùng của hỗn hợp là $t = 0°C$. Hãy xác định:
a) Khối lượng nước cần đổ vào và nhiệt độ $t_2$ của nước, biết $t_2 = 40°C$
b) Để lượng nước đổ vào là ít nhất, nhiệt độ $t_2$ phải bằng bao nhiêu? Tính khối lượng nước tối thiểu đó.
Cho biết:

• Nhiệt dung riêng của nước đá: $c_đ = 2100$ J/kg.K
• Nhiệt dung riêng của nước: $c_n = 4200$ J/kg.K
• Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá: $\lambda = 3,4 \times 10^5$ J/kg

 

[Tăng Giáp]

Một bình cách nhiệt chứa $m_1 = 1$ kg nước đá ở $t_1 = -40°C$. Đổ vào bình một lượng nước ở nhiệt độ $t_2$ sao cho khi có cân bằng nhiệt, tất cả nước đá tan hết và nhiệt độ cuối cùng của hỗn hợp là $t = 0°C$. Hãy xác định:
a) Khối lượng nước cần đổ vào và nhiệt độ $t_2$ của nước, biết $t_2 = 40°C$
b) Để lượng nước đổ vào là ít nhất, nhiệt độ $t_2$ phải bằng bao nhiêu? Tính khối lượng nước tối thiểu đó.
Cho biết:

• Nhiệt dung riêng của nước đá: $c_đ = 2100$ J/kg.K
• Nhiệt dung riêng của nước: $c_n = 4200$ J/kg.K
• Nhiệt nóng chảy riêng của nước đá: $\lambda = 3,4 \times 10^5$ J/kg

a) Tính khối lượng nước khi $t_2 = 40°C$
Tính nhiệt lượng nước đá cần thu để đạt 0°C và tan hoàn toàn:
Nhiệt lượng để nước đá nóng từ -40°C lên 0°C: $Q_1 = m_1 \cdot c_đ \cdot \Delta t_1 = 1 \times 2100 \times 40 = 84.000 \text{ J}$
Nhiệt lượng để nước đá tan hoàn toàn ở 0°C: $Q_2 = \lambda \cdot m_1 = 3,4 \times 10^5 \times 1 = 340.000 \text{ J}$
Tổng nhiệt lượng nước đá cần thu: $Q_{thu} = Q_1 + Q_2 = 84.000 + 340.000 = 424.000 \text{ J}$

Gọi $m_2$ là khối lượng nước ở 40°C cần đổ vào
Nhiệt lượng nước tỏa ra khi nguội từ 40°C xuống 0°C: $Q_{tỏa} = m_2 \cdot c_n \cdot \Delta t_2 = m_2 \times 4200 \times 40 = 168.000 \cdot m_2 \text{ (J)}$

Phương trình cân bằng nhiệt: $Q_{tỏa} = Q_{thu}$
$168.000 \cdot m_2 = 424.000$
$m_2 = \frac{424.000}{168.000} \approx 2,52 \text{ kg}$
Đáp số: Khối lượng nước cần đổ vào là 2,52 kg

b) Tìm nhiệt độ tối ưu để lượng nước đổ vào là ít nhất
Để khối lượng nước $m_2$ là nhỏ nhất, nhiệt lượng mà 1 kg nước tỏa ra phải lớn nhất.
Với cùng 1 kg nước, nhiệt lượng tỏa ra khi hạ từ $t_2$ xuống 0°C là: $Q = c_n \cdot (t_2 - 0) = 4200 \cdot t_2$
Rõ ràng $Q$ tỉ lệ thuận với $t_2$. Vậy $t_2$ càng lớn thì 1 kg nước tỏa ra càng nhiều nhiệt, và cần ít nước hơn.

Giới hạn thực tế: Nước ở áp suất thường chỉ tồn tại ở thể lỏng đến 100°C. Vậy $t_2^{max} = 100°C$

Tính khối lượng nước tối thiểu:
Nhiệt lượng 1 kg nước ở 100°C tỏa ra khi hạ xuống 0°C: $Q_{1kg} = c_n \cdot \Delta t = 4200 \times 100 = 420.000 \text{ J}$
Khối lượng nước tối thiểu: $m_2^{min} = \frac{Q_{thu}}{Q_{1kg}} = \frac{424.000}{420.000} \approx 1,01 \text{ kg}$
Đáp số:

• Nhiệt độ tối ưu: $t_2 = 100°C$
• Khối lượng nước tối thiểu: $m_2 \approx 1,01 \text{ kg}$