Nhiệt nóng chảy riêng là lượng nhiệt cần để làm nóng chảy hoàn toàn 1 kg chất rắn khi nó đã ở đúng nhiệt độ nóng chảy. Trong lúc chảy, toàn bộ nhiệt cấp vào dùng để phá mạng tinh thể chứ không làm chất nóng thêm, nên nhiệt độ đứng yên cho tới khi tan hết. Nước đá cần khoảng 334 kJ/kg, nhôm khoảng 397 kJ/kg, sắt khoảng 247 kJ/kg.
Vì sao nhiệt độ đứng yên trong lúc chất đang chảy?
Hãy hình dung một nồi nước đá vừa lấy từ tủ đông, đặt lên bếp và cắm nhiệt kế vào. Nhiệt độ tăng từ âm vài độ lên 0 °C, rồi dừng ở đó khá lâu dù bếp vẫn cháy đều. Chỉ khi viên đá cuối cùng tan, nhiệt độ mới bắt đầu tăng tiếp.
Nhiệt không biến mất. Ở 0 °C, mỗi phần năng lượng cấp vào được dùng để bứt các phân tử nước ra khỏi chỗ cố định trong mạng tinh thể, cho chúng tự do trượt qua nhau. Năng lượng ấy không làm phân tử chuyển động nhanh hơn (không làm nóng hơn) mà làm tăng "thế năng" của chúng, giống như kéo một chiếc lò xo ra. Vì không thấy được trên nhiệt kế, người ta gọi nó là ẩn nhiệt, hay nhiệt nóng chảy.
Khi chất lỏng đông lại, phần năng lượng đó được trả ra đúng bằng chừng ấy. Vì vậy nhiệt nóng chảy và nhiệt đông đặc của một chất là một con số.
Đường đun nóng có hình dạng thế nào?
Vẽ nhiệt độ theo thời gian khi đun đều một chất rắn kết tinh, ta được một đường bậc thang quen thuộc trong sách Vật lý:
- Đoạn dốc thứ nhất: chất rắn nóng dần. Độ dốc phụ thuộc nhiệt dung riêng của chất rắn.
- Đoạn nằm ngang thứ nhất: chất đang chảy, nhiệt độ đứng yên ở điểm nóng chảy. Độ dài đoạn này tỷ lệ với nhiệt nóng chảy.
- Đoạn dốc thứ hai: chất lỏng nóng dần.
- Đoạn nằm ngang thứ hai: chất lỏng sôi, nhiệt độ đứng yên ở điểm sôi. Đoạn này thường dài hơn hẳn, vì hoá hơi cần nhiều năng lượng hơn nóng chảy.
Với nước, nhiệt hoá hơi khoảng 2.260 kJ/kg, gần gấp bảy nhiệt nóng chảy. Muốn biến một ấm nước đá thành hơi, phần lớn năng lượng nằm ở khâu đun sôi cạn, không phải khâu làm tan đá.
Trong xưởng đúc và phòng thí nghiệm vật liệu, người ta làm điều ngược lại: để kim loại lỏng nguội và ghi nhiệt độ theo thời gian. Đường nguội này cũng có đoạn nằm ngang (hoặc gãy khúc) khi kim loại đông. Đọc đường nguội, thợ có kinh nghiệm biết được thành phần hợp kim gần đúng chưa trước khi rót.
Bảng nhiệt nóng chảy riêng của vài chất quen thuộc
| Chất | Nhiệt độ nóng chảy (khoảng, °C) | Nhiệt nóng chảy riêng (khoảng, kJ/kg) |
|---|---|---|
| Chì | 327 | 23 |
| Thiếc | 232 | 59 |
| Vàng | 1.064 | 64 |
| Bạc | 962 | 105 |
| Kẽm | 420 | 112 |
| Đồng | 1.085 | 205 |
| Sắt | 1.538 | 247 |
| Nước đá | 0 | 334 |
| Nhôm | 660 | 397 |
Hai điều đáng chú ý. Thứ nhất, nhiệt độ nóng chảy cao không đi kèm nhiệt nóng chảy riêng lớn: vàng chảy ở hơn 1.000 °C nhưng mỗi kg chỉ cần khoảng 64 kJ, ít hơn nước đá năm lần. Thứ hai, nhôm và nước đá nằm cuối bảng vì tính theo khối lượng: nguyên tử nhôm và phân tử nước nhẹ, nên mỗi kg chứa rất nhiều hạt cần được "bứt ra". Nếu tính theo mol (theo số hạt), thứ tự sẽ khác hẳn.
Nấu chảy một tấn nhôm cần bao nhiêu năng lượng?
Đây là phép tính hay gặp trong bài tập Vật lý 10 và cũng là bài toán thật của các nhà máy nấu lại nhôm phế liệu. Giả sử 1 tấn (1.000 kg) nhôm ở 25 °C:
- Làm nóng từ 25 °C tới 660 °C. Nhiệt dung riêng của nhôm rắn khoảng 0,9 kJ/kg·K ở nhiệt độ phòng và tăng dần khi nóng lên. Lấy trung bình khoảng 0,9–1,05 kJ/kg·K, ta có: 1.000 × (0,9 đến 1,05) × 635 ≈ 570–670 MJ.
- Làm nóng chảy ở 660 °C. 1.000 × 397 ≈ 397 MJ.
- Tổng khoảng 970–1.070 MJ, tức xấp xỉ 1 GJ. Đổi ra điện năng (1 kWh = 3,6 MJ), cỡ 270–300 kWh.
Con số này là mức lý thuyết tối thiểu. Lò thật luôn tốn hơn đáng kể vì nhiệt thất thoát qua thành lò, khói, cửa lò mở ra nạp liệu, và vì nhôm phải được nung quá nhiệt cao hơn 660 °C trước khi rót. Mức thất thoát thực tế phụ thuộc kiểu lò, cách vận hành, nên các nhà máy mới đầu tư nhiều vào thu hồi nhiệt khói và cách nhiệt.
Để so sánh: làm ra một tấn nhôm mới từ alumin bằng điện phân thường cần cỡ 13.000–15.000 kWh điện. Khoảng cách khổng lồ ấy là lý do nhôm tái chế tiết kiệm phần lớn năng lượng so với nhôm từ quặng.
Ẩn nhiệt có mặt ở đâu trong đời sống?
- Đá lạnh giữ đồ uống mát lâu. Một cốc nước có vài viên đá đứng quanh 0 °C cho tới khi đá tan hết, vì mỗi gam đá tan hút đi khoảng 334 J. Nếu thay đá bằng một khối kim loại lạnh cùng khối lượng, đồ uống ấm lên nhanh hơn nhiều.
- Thùng giữ lạnh bằng túi gel. Túi gel đông đá cũng tận dụng ẩn nhiệt khi tan.
- Vật liệu chuyển pha. Một số tấm ốp tường, túi giữ nhiệt, hộp bảo quản vắc xin dùng sáp parafin hoặc muối ngậm nước chảy ở nhiệt độ được chọn trước. Khi nóng, chúng hút nhiệt để chảy; khi nguội, chúng đông lại và trả nhiệt, giúp nhiệt độ ổn định hơn.
- Sương muối và cây trồng. Ở nhiều vùng trồng cây ăn quả xứ lạnh trên thế giới, nông dân phun nước liên tục lên cây trong đêm có sương giá: nước đông thành băng trả ẩn nhiệt ra, giữ chồi hoa quanh 0 °C, tránh bị lạnh sâu hơn. Cách này chỉ hiệu quả khi phun đều suốt đêm, ngừng giữa chừng còn hại hơn không phun.
Vì sao kim loại lỏng bắn vào da gây bỏng sâu đến vậy?
Đây là điểm an toàn quan trọng mà ẩn nhiệt giải thích rõ. Khi một giọt kim loại lỏng chạm da, nó không chỉ truyền phần nhiệt do nóng hơn da. Trong lúc đông lại ngay trên da, nó còn trả ra toàn bộ nhiệt nóng chảy. Nhiệt độ cao, khả năng dẫn nhiệt tốt của kim loại cộng với ẩn nhiệt khiến một giọt nhỏ cũng gây bỏng sâu.
Đó là lý do công nhân lò nấu mặc quần áo chống cháy kín, giày cổ cao có nắp che, găng tay và tấm che mặt; không ai được đứng gần nồi rót khi không có đồ bảo hộ. Với người ngoài nghề, nguyên tắc là không tự nấu chảy kim loại ở nhà, kể cả kim loại chảy thấp như thiếc, chì. Nếu bị bỏng nhiệt, sơ cứu phổ thông là xả nước mát sạch 15–20 phút, không bôi kem đánh răng, nước mắm hay mỡ; bỏng rộng, sâu, ở mặt hoặc mắt thì gọi 115.
Góc nhìn hôm nay: một con số đáng mang về
Nếu chỉ nhớ một con số từ bài này, hãy nhớ 334 kJ/kg của nước đá. Nó đủ để tự kiểm nhiều bài tập, hiểu vì sao tủ lạnh tốn điện khi làm đá, và vì sao sông băng tan chậm dù trời nắng. Muốn đi xa hơn, sách giáo khoa Vật lý 10 (phần sự chuyển thể, nhiệt nóng chảy riêng) và các bảng hằng số trong sổ tay CRC là đủ. Với người làm trong ngành, sổ tay của các hiệp hội đúc kim loại có bảng nhiệt nóng chảy, nhiệt dung theo nhiệt độ để tính năng lượng lò sát thực tế hơn phép tính đơn giản ở trên.
Câu hỏi thường gặp
Nhiệt nóng chảy riêng là gì?
Là nhiệt lượng cần để làm nóng chảy hoàn toàn 1 kg chất rắn khi nó đã ở nhiệt độ nóng chảy. Đơn vị thường dùng là J/kg hoặc kJ/kg; ví dụ nước đá khoảng 334 kJ/kg.
Vì sao khi nóng chảy nhiệt độ không tăng?
Vì nhiệt cấp vào được dùng để phá mạng tinh thể, giải phóng các hạt khỏi vị trí cố định, chứ không làm chúng chuyển động nhanh hơn. Chỉ khi chất rắn tan hết, nhiệt mới làm chất lỏng nóng lên.
Công thức tính nhiệt lượng nóng chảy là gì?
Q = λ × m, trong đó λ là nhiệt nóng chảy riêng (J/kg) và m là khối lượng (kg). Nếu chất chưa ở nhiệt độ nóng chảy, phải cộng thêm phần nhiệt làm nóng Q = m × c × Δt.
Nấu chảy 1 tấn nhôm cần bao nhiêu điện?
Về lý thuyết, đưa 1 tấn nhôm từ 25 °C tới nóng chảy hoàn toàn cần khoảng 1 GJ, tương đương cỡ 270–300 kWh. Lò thực tế tốn hơn đáng kể do thất thoát nhiệt và do phải nung quá nhiệt trước khi rót.
Nhiệt nóng chảy và nhiệt đông đặc có bằng nhau không?
Có. Năng lượng hấp thụ khi chất rắn chảy đúng bằng năng lượng toả ra khi chất lỏng đó đông đặc lại ở cùng điều kiện.
