Chào các em, hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau giải bài tập về quá trình hóa hơi của nước. Đây là một bài tập khá thú vị, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự thay đổi nội năng của hệ trong quá trình chuyển pha.

Bài tập: Trong một thí nghiệm làm hóa hơi 1kg nước ở nhiệt độ \(100^\circ C\) tại áp suất khí quyển \(10^5 Pa\). Ban đầu thể tích lỏng là 1 lít, sau đó đo thể tích hơi được \(1.671 m^3\). Tính độ biến thiên nội năng của hệ trong quá trình trên. Biết nhiệt hóa hơi riêng của nước là \(2.26 \times 10^6 J/kg\).

Lời giải chi tiết:

Để tính độ biến thiên nội năng của hệ trong quá trình hóa hơi, chúng ta sẽ áp dụng nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học:

\(\Delta U = Q + W\)

Trong đó:

• \(\Delta U\) là độ biến thiên nội năng của hệ.
• \(Q\) là nhiệt lượng mà hệ nhận được.
• \(W\) là công mà hệ nhận được (nếu hệ nhận công thì \(W > 0\), nếu hệ sinh công thì \(W < 0\)).

Bước 1: Tính nhiệt lượng \(Q\) mà hệ nhận được.

Quá trình làm hóa hơi nước ở nhiệt độ không đổi (nhiệt độ sôi) và áp suất không đổi. Lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình hóa hơi được tính bằng công thức:

\(Q = m \cdot L\)

Với:

• \(m\) là khối lượng của chất cần hóa hơi, \(m = 1 kg\).
• \(L\) là nhiệt hóa hơi riêng của chất, \(L = 2.26 \times 10^6 J/kg\).

Thay số vào công thức:

\(Q = 1 kg \times 2.26 \times 10^6 J/kg = 2.26 \times 10^6 J\)

Như vậy, hệ đã nhận một nhiệt lượng là \(2.26 \times 10^6 J\).

Bước 2: Tính công \(W\) mà hệ sinh ra hoặc nhận vào.

Trong quá trình hóa hơi, nước chuyển từ thể lỏng sang thể hơi, thể tích của hệ tăng lên đáng kể. Sự tăng thể tích này dẫn đến việc hệ sinh công lên môi trường xung quanh. Công sinh ra trong quá trình đẳng áp được tính bằng:

\(W = -p \cdot \Delta V\)

Ở đây, dấu trừ xuất hiện vì chúng ta quy ước công mà hệ sinh ra là âm.

Với:

• \(p\) là áp suất không đổi của môi trường, \(p = 10^5 Pa\).
• \(\Delta V\) là độ biến thiên thể tích của hệ.

Độ biến thiên thể tích được tính bằng:

\(\Delta V = V_{hơi} – V_{lỏng}\)

Theo đề bài:

• Thể tích hơi \(V_{hơi} = 1.671 m^3\).
• Thể tích lỏng ban đầu \(V_{lỏng} = 1 lít\). Chúng ta cần đổi đơn vị lít sang mét khối. Biết \(1 lít = 0.001 m^3\).

Vậy, \(V_{lỏng} = 1 \times 0.001 m^3 = 0.001 m^3\).

Tính độ biến thiên thể tích:

\(\Delta V = 1.671 m^3 – 0.001 m^3 = 1.670 m^3\)

Bây giờ, chúng ta tính công \(W\):

\(W = -10^5 Pa \times 1.670 m^3 = -1.670 \times 10^5 J\)

Như vậy, hệ đã sinh ra một công là \(1.670 \times 10^5 J\), hay hệ nhận vào một công là \(-1.670 \times 10^5 J\).

Bước 3: Tính độ biến thiên nội năng \(\Delta U\).

Áp dụng nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học:

\(\Delta U = Q + W\)

Thay các giá trị đã tính được vào:

\(\Delta U = 2.26 \times 10^6 J + (-1.670 \times 10^5 J)\)

\(\Delta U = 2.26 \times 10^6 J – 0.167 \times 10^6 J\)

\(\Delta U = (2.26 – 0.167) \times 10^6 J\)

\(\Delta U = 2.093 \times 10^6 J\)

Kết luận:

Độ biến thiên nội năng của hệ trong quá trình hóa hơi là \(2.093 \times 10^6 J\).

Các em thấy đấy, trong quá trình hóa hơi, nước nhận nhiệt lượng và sinh công, kết quả là nội năng của nó tăng lên. Đây là một điểm quan trọng cần ghi nhớ.