Mọi chất đều được cấu tạo từ những hạt riêng biệt là phân tử hoặc nguyên tử. Mô hình động học phân tử gồm ba luận điểm, và cả chương Vật lí nhiệt chỉ là hệ quả của ba luận điểm này:
Chất tồn tại ở thể nào là kết quả của cuộc giằng co giữa chuyển động nhiệt (làm các phân tử tản ra) và lực tương tác phân tử (kéo chúng lại gần nhau).
| Thể | Khoảng cách và sắp xếp phân tử | Tương quan lực – chuyển động | Thể tích và hình dạng |
|---|---|---|---|
| Rắn | Rất gần nhau, sắp xếp trật tự (chất rắn kết tinh có mạng tinh thể) | Lực tương tác rất mạnh, phân tử chỉ dao động quanh vị trí cân bằng cố định | Có thể tích riêng và hình dạng riêng xác định |
| Lỏng | Gần nhau nhưng sắp xếp kém trật tự hơn | Lực tương tác đủ mạnh để giữ các phân tử lại, nhưng phân tử vẫn đổi được vị trí cân bằng | Có thể tích riêng xác định, không có hình dạng riêng — mang hình dạng của phần bình chứa nó |
| Khí | Rất xa nhau so với kích thước phân tử | Chuyển động nhiệt lấn át hẳn lực tương tác | Không có thể tích riêng, cũng không có hình dạng riêng — chiếm toàn bộ bình chứa |
Ghi nhớ nhanh: đi từ rắn sang lỏng rồi sang khí, khoảng cách phân tử tăng dần, trật tự giảm dần, vai trò của lực tương tác giảm dần còn vai trò của chuyển động nhiệt tăng dần.
| Quá trình | Chiều chuyển thể | Nhiệt | Công thức nhiệt lượng |
|---|---|---|---|
| Nóng chảy | Rắn thành lỏng | Thu nhiệt | $Q=\lambda m$ với $\lambda$ là nhiệt nóng chảy riêng |
| Đông đặc | Lỏng thành rắn | Toả nhiệt | $Q=\lambda m$ (toả ra đúng bằng lượng đã thu vào khi nóng chảy) |
| Hoá hơi | Lỏng thành khí | Thu nhiệt | $Q=Lm$ với $L$ là nhiệt hoá hơi riêng |
| Ngưng tụ | Khí thành lỏng | Toả nhiệt | $Q=Lm$ |
Sự hoá hơi có hai hình thức: bay hơi xảy ra trên mặt thoáng ở mọi nhiệt độ, còn sự sôi xảy ra đồng thời trên mặt thoáng và trong lòng chất lỏng, chỉ ở một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ sôi. Nóng chảy và đông đặc của một chất kết tinh cũng diễn ra ở cùng một nhiệt độ xác định, gọi là nhiệt độ nóng chảy.
Đun nóng đều một cục nước đá lấy từ tủ đông, đồ thị nhiệt độ theo thời gian gồm năm chặng nối tiếp: đoạn dốc lên (nước đá nóng lên tới 0 °C), đoạn nằm ngang ở 0 °C (nước đá đang nóng chảy), đoạn dốc lên (nước nóng lên tới 100 °C), đoạn nằm ngang ở 100 °C (nước đang sôi và hoá hơi), rồi đoạn dốc lên của hơi nước.
Điểm mấu chốt: trong suốt đoạn nằm ngang, chất vẫn nhận nhiệt lượng nhưng nhiệt độ không đổi. Nhiệt lượng đó không dùng để tăng động năng chuyển động nhiệt (nếu vậy nhiệt độ đã tăng) mà dùng để phá vỡ liên kết giữa các phân tử, tức là làm tăng thế năng tương tác phân tử. Vì vậy đoạn nằm ngang càng dài khi khối lượng chất càng lớn hoặc nhiệt nóng chảy riêng càng lớn.
| Đại lượng | Ký hiệu, đơn vị | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| Nhiệt dung riêng | $c$, đơn vị J/(kg·K) | Nhiệt lượng cần để 1 kg chất tăng thêm 1 K khi chưa chuyển thể: $Q=mc\Delta t$ |
| Nhiệt nóng chảy riêng | $\lambda$, đơn vị J/kg | Nhiệt lượng cần để làm nóng chảy hoàn toàn 1 kg chất ở nhiệt độ nóng chảy |
| Nhiệt hoá hơi riêng | $L$, đơn vị J/kg | Nhiệt lượng cần để làm hoá hơi hoàn toàn 1 kg chất lỏng ở nhiệt độ sôi |
Quy tắc làm bài nhiều chặng: vẽ trục nhiệt độ, đánh dấu các mốc chuyển thể, chia bài thành từng chặng rồi cộng nhiệt lượng của các chặng lại. Chặng nào nhiệt độ thay đổi thì dùng $Q=mc\Delta t$; chặng nào nhiệt độ đứng yên thì dùng $Q=\lambda m$ hoặc $Q=Lm$. Bỏ sót một chặng là thiếu hẳn một số hạng, và kết quả vẫn trông rất giống một phương án có sẵn.
Nhận dạng: chì đã ở đúng nhiệt độ nóng chảy nên bài chỉ có một chặng duy nhất là chặng nóng chảy, không có chặng đun nóng. Vì vậy chỉ dùng công thức $Q=\lambda m$, không được cộng thêm số hạng $mc\Delta t$ nào.
Thay số: $Q=\lambda m=0{,}25\cdot 10^{5}\cdot 4=1\cdot 10^{5}$ J, tức 100 kJ.
Kiểm tra thứ nguyên: $\lambda$ có đơn vị J/kg, nhân với khối lượng tính bằng kilôgam thì ra jun, đúng đơn vị của nhiệt lượng. Nếu đề cho nhiệt độ ban đầu thấp hơn 327 °C thì phải thêm chặng đun nóng chì rắn từ nhiệt độ đó lên 327 °C, khi ấy kết quả sẽ lớn hơn.
Ý nghĩa của con số: trong suốt thời gian nhận $1\cdot 10^{5}$ J này, nhiệt độ của chì vẫn đứng yên ở 327 °C. Toàn bộ năng lượng đi vào việc phá vỡ mạng tinh thể chứ không làm nóng thêm khối chì.
Nhận dạng: quá trình gồm hai chặng. Chặng 1 nhiệt độ thay đổi từ 30 °C lên 100 °C, chặng 2 nhiệt độ đứng yên ở 100 °C trong khi nước hoá hơi.
Chặng 1 — đun nóng: $Q_1=mc\Delta t=1\cdot 4200\cdot (100-30)=4200\cdot 70=294\,000$ J.
Chặng 2 — hoá hơi: $Q_2=Lm=2{,}3\cdot 10^{6}\cdot 1=2\,300\,000$ J.
Tổng: $Q=Q_1+Q_2=294\,000+2\,300\,000=2\,594\,000$ J, tức khoảng $2{,}594\cdot 10^{6}$ J.
Nhận xét đáng nhớ: chặng hoá hơi ngốn nhiều năng lượng gấp gần tám lần chặng đun từ 30 °C lên 100 °C. Đó là lý do một ấm nước sôi rất nhanh nhưng cạn thì rất lâu, và cũng là lý do bỏng hơi nước nặng hơn hẳn bỏng nước sôi cùng nhiệt độ: hơi nước khi ngưng tụ trên da còn nhả thêm phần nhiệt $Lm$ ấy ra.
Đồ thị gồm hai chặng nối tiếp. Chặng đầu là một đoạn dốc lên: nước đá nhận nhiệt và nóng dần từ −20 °C tới 0 °C, nhiệt lượng dùng để tăng động năng dao động của các phân tử quanh nút mạng tinh thể, nên nhiệt độ tăng.
Chặng sau là một đoạn nằm ngang ở 0 °C: nước đá bắt đầu nóng chảy. Trong suốt chặng này nguồn nhiệt vẫn cấp nhiệt đều đặn, cục nước đá vẫn nhận nhiệt lượng, nhưng nhiệt kế đứng yên ở 0 °C cho tới khi mẩu nước đá cuối cùng tan hết.
Giải thích theo mô hình động học phân tử: nhiệt lượng cấp vào lúc này không làm tăng động năng chuyển động nhiệt của phân tử mà dùng để phá vỡ trật tự của mạng tinh thể, tức là làm tăng thế năng tương tác giữa các phân tử. Nhiệt độ chỉ đo động năng trung bình, mà đại lượng này không đổi, nên nhiệt độ không đổi.
Hệ quả có thể kiểm chứng: nếu tăng gấp đôi khối lượng cục nước đá thì đoạn nằm ngang dài gấp đôi, vì nhiệt lượng cần thiết $Q=\lambda m$ tăng gấp đôi trong khi công suất nguồn nhiệt giữ nguyên.