Đang tải bài học…

AP Chemistry

môi trường xung quanh

surroundings

Còn gọi: môi trường · xung quanh

Môi trường xung quanh là toàn bộ phần vũ trụ nằm ngoài hệ đang được nghiên cứu trong nhiệt động lực học.

Trong nhiệt động lực học (thermodynamics), mọi quá trình hóa học đều được phân tích bằng cách chia vũ trụ thành hai phần: hệ và môi trường xung quanh. Hệ là phần được nhà nghiên cứu chọn ra để theo dõi, có thể là hỗn hợp phản ứng trong bình cầu, dung dịch trong nhiệt lượng kế, hay một mol khí đang giãn nở trong xi-lanh. Toàn bộ phần còn lại của vũ trụ, từ không khí trong phòng thí nghiệm cho đến mọi vật thể bên ngoài, đều thuộc về môi trường xung quanh (surroundings).

Vì vậy, sự phân chia này không nhằm mô tả khoảng cách địa lý mà nhằm xác định nơi trao đổi năng lượng. Khi một phản ứng tỏa nhiệt (exothermic reaction), năng lượng rời khỏi hệ và đi vào môi trường xung quanh dưới dạng nhiệt, làm nhiệt độ của môi trường tăng lên. Ngược lại, trong quá trình thu nhiệt, nhiệt từ môi trường xung quanh chảy vào hệ, khiến nhiệt độ môi trường giảm xuống. Nhờ đó, dù không thể đo trực tiếp năng lượng bên trong hệ, ta vẫn suy ra được biến thiên năng lượng của hệ bằng cách quan sát sự thay đổi nhiệt độ của môi trường xung quanh.

Do đó, trong thực tế thí nghiệm, môi trường xung quanh thường được thu hẹp lại thành phần tiếp xúc trực tiếp với hệ — chẳng hạn nước trong nhiệt lượng kế hoặc không khí quanh bình phản ứng. Nguyên lý bảo toàn năng lượng được biểu diễn qua hệ thức $q_{\text{surr}} = -q_{\text{sys}}$ , trong đó $q$ là nhiệt lượng trao đổi. Hệ thức này nói lên rằng nhiệt mà hệ giải phóng phải bằng đúng nhiệt mà môi trường xung quanh hấp thụ, miễn là không có mất mát ra xa hơn. Vì vậy, việc xác định rõ ranh giới giữa hệ và môi trường xung quanh là bước đầu tiên và quan trọng nhất khi thiết lập bất kỳ bài toán nhiệt động nào.

Ký hiệu

q_{\text{surr}} = -q_{\text{sys}}

Trực giác: Mỗi lần bạn úp hai bàn tay lạnh cóng quanh một cốc cà phê nóng, hơi ấm từ cốc truyền sang da tay bạn — cốc cà phê đóng vai trò hệ, còn đôi tay và không khí quanh nó chính là môi trường xung quanh.

Thử nghiệm tương tác

Vạch ranh giới quanh miếng nhôm, rồi ôm luôn cả nước — nhìn dấu của q đổi theo

Hay hiểu sai

Nước trong nhiệt lượng kế là môi trường xung quanh, không phải hệ.

Nhiệt độ nước tăng nghĩa là phản ứng tỏa nhiệt, chứ không phải thu nhiệt.

Đừng để nhiệt của hệ và nhiệt của môi trường mang cùng một dấu.

Thể tích nước phải đổi sang khối lượng trước khi thay vào công thức.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một mẩu nhôm nặng

20{,}0\ \text{g}

được nung nóng tới

84\ ^\circ\text{C}

rồi thả nhanh vào

40{,}0\ \text{g}

nước ở

21\ ^\circ\text{C}

đựng trong một cốc cách nhiệt có nắp. Khi nhiệt độ ngừng thay đổi, người ta ghi được độ biến thiên nhiệt độ của nhôm là

\Delta T = -57\ ^\circ\text{C}

và của nước là

\Delta T = +6\ ^\circ\text{C}

. Nhiệt dung riêng lần lượt là

0{,}9\ \text{J/g}\cdot{^\circ\text{C}}

đối với nhôm và

4{,}2\ \text{J/g}\cdot{^\circ\text{C}}

đối với nước.

aChỉ rõ trong thí nghiệm này đâu là hệ, đâu là môi trường xung quanh, rồi tính nhiệt lượng $q$ mà mỗi chất trao đổi.
bGiải thích vì sao hai giá trị $q$ có độ lớn gần bằng nhau nhưng trái dấu, và cho biết quá trình xảy ra với hệ là tỏa nhiệt hay thu nhiệt.
cNếu cốc không được cách nhiệt tốt, độ tăng nhiệt độ của nước sẽ lớn hơn hay nhỏ hơn $6\ ^\circ\text{C}$ ? Giải thích.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyNhiệt động lực học · bài “Quá trình thu nhiệt và tỏa nhiệt” — khoá AP Chemistry

Dẫn tớinhiệt hóa học (sắp có)hệ kín

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

hệ (system)system

Khác nhau ở đâuHệ là phần được chọn ra để khảo sát. Môi trường xung quanh là mọi thứ còn lại của vũ trụ nằm ngoài hệ.

Hay nhầm khiNhầm khi đề yêu cầu xác định đâu là hệ, đâu là môi trường xung quanh trong một thí nghiệm nhiệt lượng.

vũ trụ (universe)universe

Khác nhau ở đâuMôi trường xung quanh chỉ là phần bên ngoài hệ. Vũ trụ bao gồm cả hệ lẫn môi trường xung quanh gộp lại.

Hay nhầm khiNhầm khi áp dụng định luật bảo toàn năng lượng: ΔE_vũ trụ = 0 chứ không phải ΔE_môi trường = 0.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 14, 19, 87.

Vạch ranh giới quanh miếng nhôm, rồi ôm luôn cả nước — nhìn dấu của q đổi theo

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Mẹo phòng thi

Viết dòng $-q_{\text{sys}} = q_{\text{sur}}$ ra giấy trước khi thay bất kỳ con số nào.

Câu hỏi "chuyển pha nào truyền nhiệt từ môi trường sang hệ" luôn ứng với nóng chảy, bay hơi hoặc thăng hoa.

Giả thiết "bỏ qua nhiệt mất ra môi trường" là dữ kiện, phải dùng và nên nhắc lại.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

1Bước 1: Trước hết phải vạch ranh giới. Vật được khảo sát ở đây là mẩu nhôm, nên nhôm chính là hệ; toàn bộ phần còn lại có thể trao đổi nhiệt với nó — tức là nước trong cốc — đóng vai trò môi trường xung quanh. Cách chia này không phải quy ước cứng nhắc mà là lựa chọn của người làm thí nghiệm, nhưng một khi đã chọn thì mọi dấu của

q

về sau đều phải quy chiếu theo hệ đã chọn.

2Bước 2: Áp dụng

q = mc\Delta T

cho nhôm:

q_{\text{Al}} = (20{,}0)(0{,}9)(-57) = -1026\ \text{J} \approx -1{,}0\times 10^{3}\ \text{J}

. Dấu âm cho biết nhôm mất nhiệt. Với nước:

q_{\text{H}_2\text{O}} = (40{,}0)(4{,}2)(+6) = +1008\ \text{J} \approx +1{,}0\times 10^{3}\ \text{J}

, dấu dương cho biết nước nhận nhiệt. Kiểm tra lại nhiệt độ cuối cũng thấy hợp lý: nhôm hạ từ

84

xuống

27\ ^\circ\text{C}

, nước tăng từ

21

lên

27\ ^\circ\text{C}

, hai bên gặp nhau tại cùng một nhiệt độ cân bằng.

3Bước 3: Hai kết quả gần bằng nhau về độ lớn vì cốc cách nhiệt giữ cho nhiệt không thoát ra ngoài, nên toàn bộ nhiệt nhôm nhả ra đều đi vào nước:

q_{\text{he}} = -q_{\text{mt}}

. Chúng trái dấu vì cùng một dòng nhiệt được nhìn từ hai phía của ranh giới — bên nào mất thì bên kia được. Do hệ nhả nhiệt cho môi trường xung quanh, quá trình là tỏa nhiệt (exothermic). Chênh lệch nhỏ

1026

so với

1008\ \text{J}

chỉ đến từ việc làm tròn số liệu và một phần rất nhỏ nhiệt bị cốc hấp thụ.

4Bước 4: Với câu (c), nếu cốc dẫn nhiệt kém tốt thì một phần nhiệt do nhôm nhả ra sẽ thoát sang không khí và thành cốc thay vì đi hết vào nước. Vì vậy nước nhận được ít nhiệt hơn và độ tăng nhiệt độ sẽ nhỏ hơn

6\ ^\circ\text{C}

. Đây cũng là lý do mọi bài nhiệt lượng kế (calorimeter) đều kèm giả thiết "không mất nhiệt ra môi trường xung quanh": bỏ giả thiết đó thì phương trình

q_{\text{he}} = -q_{\text{mt}}

không còn dùng được.

Nhôm là hệ với $q_{\text{Al}} \approx -1{,}0\times 10^{3}\ \text{J}$ , nước là môi trường xung quanh với $q_{\text{H}_2\text{O}} \approx +1{,}0\times 10^{3}\ \text{J}$ . Nhiệt truyền từ nhôm sang nước nên quá trình đối với hệ là tỏa nhiệt, và vì cốc cách nhiệt nên hai nhiệt lượng gần như bù trừ hoàn toàn cho nhau. Nếu cốc cách nhiệt kém, nước sẽ nóng lên ít hơn $6\ ^\circ\text{C}$ .

2Ví dụ 2/2

Xét bốn quá trình chuyển thể sau đây, đều xảy ra ở áp suất khí quyển: (I) hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng; (II) nước lỏng đông đặc thành nước đá; (III) nước đá thăng hoa thành hơi nước; (IV) hơi nước lắng đọng trực tiếp thành tinh thể băng. Biết nhiệt nóng chảy mol của nước là

\Delta H_{\text{fus}} = 6{,}01\ \text{kJ/mol}

và khối lượng mol của nước là

18{,}0\ \text{g/mol}

aQuá trình nào trong bốn quá trình trên có sự truyền nhiệt từ môi trường xung quanh vào hệ?
bMột viên nước đá $18{,}0\ \text{g}$ ở $0\ ^\circ\text{C}$ nóng chảy hoàn toàn trong lòng bàn tay. Tính $q$ của hệ và $q$ của môi trường xung quanh, rồi cho biết bàn tay cảm thấy nóng hay lạnh.

1Bước 1: Muốn biết nhiệt đi theo chiều nào, hãy so sánh mức độ trật tự và lực hút giữa các phân tử trước và sau khi chuyển thể. Muốn tách các phân tử ra xa nhau — nóng chảy, bay hơi, thăng hoa (sublimation) — hệ phải phá vỡ lực hút, tức là phải nhận năng lượng từ bên ngoài. Ngược lại, khi các phân tử xích lại gần nhau như trong ngưng tụ, đông đặc và lắng đọng, hệ nhả năng lượng ra.

2Bước 2: Đối chiếu với đề bài: (I) ngưng tụ và (II) đông đặc đều đi theo hướng trật tự hơn nên tỏa nhiệt; (IV) lắng đọng là hơi biến thẳng thành rắn, càng tỏa nhiệt mạnh. Chỉ có (III) nước đá thăng hoa là đi từ rắn lên hơi, một quá trình thu nhiệt (endothermic). Vậy đáp án của câu (a) là quá trình (III): nhiệt chảy từ môi trường xung quanh vào hệ.

3Bước 3: Sang câu (b), trước tiên đổi khối lượng ra số mol:

n = \dfrac{18{,}0}{18{,}0} = 1{,}00\ \text{mol}

. Nhiệt mà nước đá hấp thụ khi nóng chảy là

q_{\text{he}} = n\,\Delta H_{\text{fus}} = (1{,}00)(6{,}01) = +6{,}01\ \text{kJ}

. Dấu dương khẳng định lại rằng đây là quá trình thu nhiệt, đúng như phân tích ở Bước 1.

4Bước 4: Bàn tay chính là môi trường xung quanh của viên nước đá. Vì nhiệt không tự sinh ra, phần năng lượng

6{,}01\ \text{kJ}

mà hệ nhận được phải lấy đúng từ đó:

q_{\text{mt}} = -q_{\text{he}} = -6{,}01\ \text{kJ}

. Mất nhiệt thì nhiệt độ của da giảm xuống, nên ta cảm thấy lạnh — cảm giác lạnh không phải do "cái lạnh truyền vào tay" mà do nhiệt của tay bị rút đi.

Quá trình (III) — nước đá thăng hoa — là quá trình duy nhất nhận nhiệt từ môi trường xung quanh. Khi $18{,}0\ \text{g}$ nước đá nóng chảy, hệ thu $q_{\text{he}} = +6{,}01\ \text{kJ}$ còn bàn tay đóng vai trò môi trường xung quanh mất đúng $6{,}01\ \text{kJ}$ , vì vậy da bị hạ nhiệt độ và ta cảm thấy lạnh.

Liên quanhệvũ trụ (sắp có)hệ cô lập (sắp có)

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.