Mô hình hạt của vật chất
Mọi thứ đều cấu tạo từ các hạt. Năng lượng, khoảng cách và chuyển động của chúng giải thích các trạng thái của vật chất, sự gia nhiệt và làm mát, cũng như lý do cầu cần có khe hở. Chủ đề thứ tư của OxfordAQA xây dựng mô hình này và định lượng hóa nó: nhiệt dung riêng, nhiệt ẩn (P), sự bay hơi, thiết kế truyền năng lượng và sự giãn nở nhiệt.
OxfordAQA International GCSE Physics 9203, chủ đề 3.4 (Phiên bản 5.1). Các phát biểu đánh dấu (P) chỉ áp dụng cho Paper-2.
Lý thuyết động học
Nhiệt dung riêng c là năng lượng cần để nâng 1 kg một chất lên 1 °C:
Ví dụ minh họa. Nung nóng 1.5 kg nước ($c = 4200$) lên 40 °C: $E = 1.5 \times 4200 \times 40 = 252\,000$ J.
(P) Thay đổi trạng thái cần năng lượng mà không thay đổi nhiệt độ: nhiệt hóa hơi $E = m \times L_V$ (lỏng → hơi) và nhiệt nóng chảy $E = m \times L_F$ (rắn → lỏng). Tạp chất làm thay đổi điểm nóng chảy và điểm sôi. Thực hành bắt buộc (P): đường cong làm nguội của acid stearic.
Chuyển dịch năng lượng và chuyển động hạt
Truyền nhiệt theo cơ chế dẫn nhiệt truyền năng lượng dọc theo chất rắn qua dao động hạt, được hỗ trợ bởi electron tự do trong kim loại; chất cách điện thiếu electron dẫn nhiệt di chuyển, nên truyền năng lượng qua dao động hạt chậm hơn. Đối lưu tuần hoàn chất lưu: hạt nhận năng lượng, tách xa nhau, chất lưu trở nên ít đặc hơn và nổi lên, chất lưu lạnh chìm xuống. Bốc hơi biến các phân tử bề mặt chuyển động nhanh thành hơi, làm mát phần còn lại — xảy ra nhanh hơn với nhiệt độ cao hơn, diện tích bề mặt lớn hơn, gió và độ ẩm thấp hơn; ngưng tụ là quá trình ngược lại.
Tốc độ truyền năng lượng bằng nhiệt tăng theo diện tích bề mặt và thể tích, vật liệu, bề mặt tiếp xúc, và chênh lệch nhiệt độ. Thiết kế dựa trên: cánh tản nhiệt tối đa hóa diện tích; kích thước tai tương đối của động vật phù hợp với khí hậu. Hầu hết các chất giãn nở khi nóng lên — nguy hiểm cho mái nhà và cầu (khe hở và con lăn), hữu ích trong bộ điều nhiệt thanh song kim uốn cong khi một kim loại giãn nở nhiều hơn và ngắt mạch điện.
Tự kiểm tra
- Mô tả sự sắp xếp hạt trong chất lỏng.
- Định nghĩa nhiệt dung riêng.
- Tính năng lượng để đun 2 kg nhôm (c = 900) lên 30 °C.
- (P) Tại sao nhiệt độ không đổi trong khi chất đông đặc?
- (P) 0.5 kg chất có L_F = 330 000 J/kg. Tính năng lượng để nóng chảy nó.
- Giải thích sự dẫn nhiệt trong kim loại, nêu tên các hạt tải thêm.
- Giải thích tại sao nước ấm nổi lên.
- Đưa ra ba yếu tố làm tăng tốc độ bốc hơi.
- Đưa ra một mối nguy và một ứng dụng của sự giãn nở nhiệt.
- Tại sao tản nhiệt có diện tích bề mặt lớn?
Đáp án: 1 các hạt chạm vào nhau nhưng sắp xếp ngẫu nhiên, trượt qua nhau; 2 năng lượng cần thiết để thay đổi nhiệt độ của 1 kg chất đó lên 1 °C; 3 $E = 2 \times 900 \times 30 = 54\,000$ J; 4 (P) năng lượng giải phóng khi liên kết hình thành (nhiệt nóng chảy ẩn) thoát ra cùng tốc độ năng lượng bị lấy đi, nên động năng của hạt không đổi; 5 (P) $E = 0.5 \times 330\,000 = 165\,000$ J; 6 hạt dao động truyền năng lượng cho hàng xóm, và electron tự do mang năng lượng nhanh chóng xuyên suốt kim loại; 7 các hạt ấm hơn di chuyển ra xa nhau, khiến nước đó ít đặc hơn môi trường xung quanh, nên nó nổi lên; 8 nhiệt độ cao hơn, diện tích bề mặt lớn hơn, sự di chuyển của không khí trên bề mặt (cũng như độ ẩm thấp hơn); 9 mối nguy — sự giãn nở của cầu/mái nhà cần khe hở; ứng dụng — thanh kép cong trong điều hòa nhiệt độ; 10 diện tích lớn hơn truyền năng lượng ra môi trường nhanh hơn bằng cách gia nhiệt.