Câu hỏi mở đầu trang 6

Đề bài: Hãy dựa trên những kiến thức đã học về cấu tạo chất để giải thích tại sao cùng một chất lại có thể tồn tại ở các thể khác nhau là rắn, lỏng, khí.

Lời giải:

Cùng một chất được cấu tạo từ cùng một loại phân tử, nhưng có thể tồn tại ở ba thể khác nhau vì khoảng cách giữa các phân tử và tốc độ chuyển động của chúng khác nhau ở mỗi thể:

• Thể rắn: các phân tử ở rất gần nhau, lực liên kết mạnh nên chúng chỉ dao động quanh vị trí cố định → chất có hình dạng và thể tích riêng.
• Thể lỏng: khoảng cách giữa các phân tử lớn hơn thể rắn, lực liên kết yếu hơn nên các phân tử có thể trượt lên nhau → chất có thể tích riêng nhưng không có hình dạng riêng.
• Thể khí: khoảng cách giữa các phân tử rất lớn, lực liên kết rất yếu nên phân tử chuyển động hỗn loạn về mọi phía → chất không có hình dạng và thể tích riêng.

Khi thay đổi nhiệt độ, các phân tử nhận thêm hoặc mất bớt năng lượng, khoảng cách và lực liên kết thay đổi → chất chuyển từ thể này sang thể khác.

I. Mô hình động học phân tử về cấu tạo chất

Hoạt động trang 6

Đề bài:

1. Trong lịch sử phát triển của khoa học, có hai quan điểm khác nhau về cấu tạo chất là quan điểm chất có cấu tạo liên tục và chất có cấu tạo gián đoạn. Mô hình động học phân tử được xây dựng trên quan điểm nào?
2. Năm 1827, khi làm thí nghiệm quan sát các hạt phấn hoa rất nhỏ trong nước bằng kính hiển vi, Brown thấy chúng chuyển động hỗn loạn, không ngừng. Chuyển động này được gọi là chuyển động Brown.a) Tại sao thí nghiệm của Brown được coi là một trong những thí nghiệm chứng tỏ các phân tử chuyển động hỗn loạn, không ngừng?b) Làm thế nào để với thí nghiệm của Brown có thể chứng tỏ được khi nhiệt độ của nước càng cao thì các phân tử nước chuyển động càng nhanh?
3. Hãy tìm các hiện tượng thực tế chứng tỏ giữa các phân tử có lực đẩy, lực hút.

Lời giải:

1. Mô hình động học phân tử được xây dựng trên quan điểm chất có cấu tạo gián đoạn, tức là chất được tạo thành từ các hạt riêng biệt (phân tử, nguyên tử, ion) chứ không phải là một khối liên tục.

2.

a) Hạt phấn hoa rất nhẹ, tự nó không thể chuyển động. Trong nước, các phân tử nước chuyển động hỗn loạn và va chạm liên tục vào hạt phấn hoa từ mọi phía. Do các va chạm không đều nhau nên đẩy hạt phấn hoa chuyển động hỗn loạn theo. Việc quan sát thấy hạt phấn hoa “nhảy múa” không ngừng chính là bằng chứng gián tiếp cho thấy các phân tử nước chuyển động hỗn loạn, không ngừng.

b) Ta lặp lại thí nghiệm ở các nhiệt độ khác nhau (ví dụ 20 °C, 40 °C, 60 °C) và quan sát hạt phấn hoa. Nếu thấy nhiệt độ càng cao thì hạt phấn hoa chuyển động càng nhanh, càng hỗn loạn thì chứng tỏ các phân tử nước ở nhiệt độ cao va chạm mạnh hơn, tức là chuyển động nhanh hơn.

3. Một số hiện tượng thực tế chứng tỏ giữa các phân tử có lực đẩy và lực hút:

• Lực hút: hai thỏi chì được mài nhẵn ép sát vào nhau thì dính lại; giọt nước co lại thành hình cầu nhờ lực hút giữa các phân tử nước.
• Lực đẩy: rất khó nén chất lỏng và chất rắn vì khi các phân tử bị ép lại gần nhau, chúng đẩy nhau ra; bơm không khí vào săm xe đến một mức nào đó thì rất khó bơm tiếp.

II. Cấu trúc của chất rắn, chất lỏng và chất khí

Hoạt động trang 7

Đề bài:

1. Hãy dựa vào Hình 1.3 để mô tả, so sánh khoảng cách và sự sắp xếp (a), chuyển động (b) của phân tử ở các thể khác nhau. Từ đó mô tả một cách sơ lược về cấu trúc của chất rắn, chất lỏng, chất khí.
2. Hãy giải thích các đặc điểm sau đây của thể khí, thể rắn, thể lỏng.a) Vật ở thể khí không có hình dạng và thể tích riêng, luôn chiếm toàn bộ thể tích bình chứa và có thể nén được dễ dàng.b) Vật ở thể rắn có thể tích và hình dạng riêng, rất khó nén.

   c) Vật ở thể lỏng có thể tích riêng nhưng không có hình dạng riêng.

Lời giải:

1. Dựa vào Hình 1.3, ta có bảng so sánh sau:

Sơ lược cấu trúc:

• Chất khí: phân tử ở rất xa nhau, lực liên kết rất yếu → phân tử chuyển động tự do về mọi phía.
• Chất lỏng: phân tử ở gần nhau, lực liên kết yếu → phân tử có thể trượt lên nhau nhưng vẫn ràng buộc trong khối chất lỏng.
• Chất rắn: phân tử ở rất gần nhau và sắp xếp theo trật tự, lực liên kết mạnh → phân tử chỉ dao động quanh vị trí cân bằng cố định.

2.

a) Thể khí:

• Khoảng cách phân tử rất lớn → dễ dàng ép các phân tử lại gần nhau → nén được dễ dàng.
• Lực liên kết rất yếu, phân tử chuyển động tự do → chất khí chiếm toàn bộ thể tích bình chứa, không có hình dạng và thể tích riêng.

b) Thể rắn:

• Phân tử ở rất gần nhau, lực liên kết rất mạnh, sắp xếp có trật tự → phân tử chỉ dao động quanh vị trí cố định → chất rắn có hình dạng và thể tích riêng, rất khó nén.

c) Thể lỏng:

• Phân tử ở gần nhau, lực liên kết đủ mạnh để giữ các phân tử trong khối chất lỏng → chất lỏng có thể tích riêng.
• Nhưng lực liên kết không đủ mạnh để cố định vị trí phân tử → các phân tử có thể trượt lên nhau → chất lỏng không có hình dạng riêng mà lấy theo hình dạng của bình chứa.

III. Sự chuyển thể

Câu hỏi trang 8

Đề bài: Tại sao khi bay hơi nhiệt độ của chất lỏng giảm?

Lời giải:

Khi bay hơi, những phân tử ở gần mặt thoáng có động năng lớn (tức là chuyển động nhanh nhất) mới đủ sức thắng lực liên kết để thoát ra ngoài trở thành hơi. Do đó:

• Các phân tử “nhanh” rời khỏi chất lỏng, chỉ còn lại các phân tử có động năng nhỏ hơn.
• → Động năng trung bình của các phân tử chất lỏng còn lại giảm → nhiệt độ chất lỏng giảm.

Đó là lí do khi vừa tắm xong, nước trên da bay hơi làm ta cảm thấy lạnh.

Hoạt động trang 8

Đề bài:

1. Hãy dựa vào đồ thị ở Hình 1.5 để mô tả sự thay đổi nhiệt độ của nước khi được đun từ 20 °C tới khi sôi.
2. Khi nước đang sôi thì năng lượng mà nước nhận được từ nguồn nhiệt có được chuyển hoá thành động năng của các phân tử nước không? Tại sao?

Lời giải:

1. Dựa vào đồ thị Hình 1.5, quá trình đun nước từ 20 °C đến khi sôi gồm hai giai đoạn:

• Giai đoạn AB (từ 0 đến $t_1$): nhiệt độ nước tăng dần từ 20 °C lên 100 °C. Trong giai đoạn này, nước nhận nhiệt để tăng nhiệt độ.
• Giai đoạn BC (từ $t_1$ đến $t_2$): nước sôi ở 100 °C, nhiệt độ giữ không đổi dù vẫn tiếp tục được cấp nhiệt. Toàn bộ nhiệt lượng nhận được dùng để chuyển nước từ thể lỏng sang thể hơi.

2. Khi nước đang sôi, năng lượng nhận được không chuyển hoá thành động năng của các phân tử nước.

Vì: nếu nhiệt lượng làm tăng động năng của phân tử thì nhiệt độ của nước phải tăng. Nhưng thực tế nhiệt độ của nước sôi giữ không đổi ở 100 °C. Điều này chứng tỏ toàn bộ năng lượng nhận được đã dùng để thắng lực liên kết giữa các phân tử nước, tách các phân tử ra xa nhau, chuyển nước từ thể lỏng sang thể hơi.

Hoạt động trang 9

Đề bài:

1. Tại sao chất rắn kết tinh khi được đun nóng có thể chuyển thành chất lỏng?
2. a) Hãy dựa vào Hình 1.7 để mô tả quá trình nóng chảy của chất rắn kết tinh.b) Giải thích tại sao khi đang nóng chảy, nhiệt độ của chất rắn kết tinh không tăng dù vẫn nhận được nhiệt năng. Năng lượng mà chất rắn kết tinh nhận được lúc này dùng để làm gì?

Lời giải:

1. Khi đun nóng, các phân tử của chất rắn kết tinh nhận thêm năng lượng nên dao động mạnh hơn. Đến một nhiệt độ nhất định (nhiệt độ nóng chảy), động năng của phân tử đủ lớn để thắng lực liên kết giữ chúng ở vị trí cố định trong mạng tinh thể → mạng tinh thể bị phá vỡ, các phân tử trượt lên nhau → chất rắn chuyển thành chất lỏng.

2.

a) Dựa vào Hình 1.7, quá trình nóng chảy của chất rắn kết tinh gồm ba giai đoạn:

• Giai đoạn a: chất rắn chưa nóng chảy, nhận nhiệt và nhiệt độ tăng dần đến nhiệt độ nóng chảy $t_c$.
• Giai đoạn b: chất rắn đang nóng chảy, nhiệt độ giữ không đổi ở $t_c$ dù vẫn được cấp nhiệt. Đây là giai đoạn tồn tại đồng thời thể rắn và thể lỏng.
• Giai đoạn c: chất rắn đã nóng chảy hoàn toàn thành chất lỏng, tiếp tục nhận nhiệt thì nhiệt độ tiếp tục tăng.

b) Khi đang nóng chảy, nhiệt độ của chất rắn kết tinh không tăng vì toàn bộ nhiệt năng nhận được không dùng để tăng động năng của các phân tử (nếu tăng động năng thì nhiệt độ phải tăng).

Năng lượng nhận được lúc này dùng để phá vỡ mạng tinh thể, tức là thắng lực liên kết giữa các phân tử ở vị trí cố định, làm chúng có thể trượt lên nhau và chuyển sang thể lỏng.

Em có thể

Giải thích được sự khác nhau giữa các thể của chất và cơ chế của sự chuyển thể

Lời giải:

• Sự khác nhau giữa các thể của chất: do khoảng cách phân tử và lực liên kết khác nhau.

• Cơ chế của sự chuyển thể:

• Khi chất được đun nóng, các phân tử nhận thêm năng lượng → chuyển động nhanh hơn → khoảng cách phân tử tăng, lực liên kết yếu đi → chất chuyển từ rắn → lỏng → khí.
• Khi chất bị làm lạnh, các phân tử mất bớt năng lượng → chuyển động chậm lại → khoảng cách phân tử giảm, lực liên kết mạnh lên → chất chuyển từ khí → lỏng → rắn.
• Trong quá trình chuyển thể (nóng chảy, sôi), nhiệt độ không đổi vì toàn bộ nhiệt lượng dùng để thắng lực liên kết giữa các phân tử, chứ không làm tăng động năng.

Tìm hiểu và trình bày được vai trò của sự chuyển thể đối với cuộc sống con người như vòng tuần hoàn nước, công nghệ đúc,…

Lời giải:

Gợi ý một số vai trò quan trọng của sự chuyển thể:

1. Vòng tuần hoàn nước trong tự nhiên:

• Nước ở sông, hồ, biển bay hơi dưới ánh nắng mặt trời → tạo thành hơi nước bay lên khí quyển.
• Hơi nước gặp lạnh ngưng tụ thành mây → rồi rơi xuống thành mưa, tuyết.
• Nhờ vòng tuần hoàn này, nước được luân chuyển liên tục, cung cấp nước ngọt cho sinh hoạt, nông nghiệp và duy trì sự sống trên Trái Đất.

2. Công nghệ đúc kim loại:

• Kim loại được nung nóng chảy thành chất lỏng, sau đó rót vào khuôn có hình dạng mong muốn.
• Khi nguội, kim loại đông đặc lại thành sản phẩm có hình dạng khuôn (ví dụ: đúc chuông, đúc tượng, đúc các chi tiết máy).

3. Một số ứng dụng khác:

• Làm lạnh, điều hoà không khí: dựa vào sự bay hơi của chất làm lạnh để thu nhiệt của môi trường.
• Chưng cất rượu, nước cất: dựa vào sự sôi và ngưng tụ để tách các chất có nhiệt độ sôi khác nhau.
• Sản xuất muối: cho nước biển bay hơi dưới nắng, để lại muối kết tinh.
• Bảo quản thực phẩm bằng đá khô ($CO_2$ rắn): dựa vào sự thăng hoa (rắn → khí trực tiếp) để làm lạnh mà không làm ướt thực phẩm.

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn