Đang tải bài học…

AP Chemistry

nhiệt độ

temperature

Còn gọi: nhiệt độ của vật

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đo mức độ nóng hay lạnh của một vật và xác định chiều truyền nhiệt giữa các vật tiếp xúc nhau.

Nhiệt độ là một trong những đại lượng cơ bản nhất của hóa học và vật lí, bởi nó phản ánh mức độ chuyển động nhiệt trung bình của các hạt cấu thành vật chất (matter). Ở cấp độ vi mô, nhiệt độ tỉ lệ thuận với động năng (kinetic energy) tịnh tiến trung bình của các phân tử (molecule); do đó, một vật có nhiệt độ cao hơn nghĩa là các hạt bên trong nó chuyển động hỗn loạn nhanh hơn.

Từ ý nghĩa vi mô ấy, người ta xây dựng một thang đo thống nhất cho nhiệt độ. Trong hệ đo lường quốc tế (SI), đơn vị nhiệt độ là ken-vin, kí hiệu K, được định nghĩa sao cho không độ tuyệt đối ( $T = 0\,\text{K}$ ) tương ứng với trạng thái mà các hạt có động năng nhiệt bằng không về mặt lí thuyết. Bên cạnh đó, đời sống hằng ngày lại quen dùng thang nhiệt độ bách phân với kí hiệu °C, vì vậy ta cần một hệ thức chuyển đổi giữa hai thang. Mối liên hệ giữa thang bách phân và thang nhiệt độ tuyệt đối được viết gọn là

$T = t + 273.15$

trong đó $T$ là nhiệt độ tuyệt đối tính theo ken-vin và $t$ là nhiệt độ tính theo thang bách phân. Công thức này cho thấy hai thang đo song song với nhau và chỉ khác nhau ở điểm gốc, cho nên một khoảng chênh lệch nhiệt độ có giá trị như nhau trên cả hai thang.

Không chỉ là một đại lượng để đo đạc, nhiệt độ còn đóng vai trò then chốt trong hóa học vì nó quyết định chiều truyền nhiệt: nhiệt luôn tự phát chuyển từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp hơn cho đến khi hai vật đạt cân bằng nhiệt. Ngược lại, khi hai vật đã ở cùng một nhiệt độ thì không còn sự trao đổi nhiệt thuần nào xảy ra giữa chúng. Chính vì thế, kiểm soát nhiệt độ là điều kiện không thể thiếu trong mọi thí nghiệm đo nhiệt lượng (heat), trong nghiên cứu tốc độ phản ứng cũng như trong các tính toán về cân bằng hóa học.

Ký hiệu

• $T$ (kelvin)
• $t$ (độ Celsius)

Đơn vịKelvin (K); độ Celsius (°C)

Trực giác: Nhiệt độ giống như tốc độ trung bình của các vũ công trên sàn: càng nhiều vũ công di chuyển nhanh và mạnh thì nhiệt độ của sàn nhảy càng cao — và ai đứng gần cũng cảm nhận được 'sức nóng' từ đám đông đó.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1670GalenGalileo GalileiRobert BoyleOle RømerDaniel Gabriel Fahrenheit

Hay hiểu sai

Nhiệt độ không phải nhiệt lượng.

Tăng nhiệt độ làm phản ứng nhanh chủ yếu vì phần phân tử vượt được rào năng lượng tăng vọt.

Nhiệt độ không làm thay đổi năng lượng hoạt hóa.

Phải đổi sang kelvin trước khi thay vào phương trình khí lí tưởng.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Khi khảo sát tính chất của một nguyên tố kim loại

\text{E}

, học sinh nung nóng một mẫu

\text{E}

khối lượng

45{,}0\ \text{g}

đến

99{,}0\ ^\circ\text{C}

trong nước sôi, rồi nhanh chóng thả mẫu vào

100{,}0\ \text{g}

nước đang ở

21{,}0\ ^\circ\text{C}

đựng trong nhiệt lượng kế cốc xốp (coffee-cup calorimeter). Nhiệt độ của hệ tăng dần rồi ổn định ở

27{,}9\ ^\circ\text{C}

. Cho nhiệt dung riêng (specific heat) của nước là

4{,}18\ \text{J}\,\text{g}^{-1}\,^\circ\text{C}^{-1}

aGiải thích ở mức hạt vì sao nhiệt độ của nước tăng còn nhiệt độ của kim loại giảm, và vì sao quá trình dừng lại ở $27{,}9\ ^\circ\text{C}$ .
bTính nhiệt dung riêng của kim loại $\text{E}$ .
cTrên thực tế một phần nhiệt thoát ra môi trường trước khi nhiệt độ ổn định. Giá trị tính được ở ý (b) sẽ lớn hơn hay nhỏ hơn giá trị thật? 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 “Truyền nhiệt và cân bằng nhiệt” — khoá AP Chemistry

Cần trướcđộng năng

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

nhiệt lượngheat

Khác nhau ở đâuNhiệt độ là tính chất cường độ, đo mức độ nóng của vật và không phụ thuộc lượng chất. Nhiệt lượng là tính chất dung độ, đo tổng năng lượng truyền đi và tỉ lệ với khối lượng mẫu.

Hay nhầm khiĐề hỏi tại sao hai vật cùng nhiệt độ nhưng cần lượng nhiệt khác nhau để đun sôi — thí sinh hay nhầm nhiệt độ với nhiệt lượng.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 2, 13–14.

Ý tưởng về "các mức độ nóng và lạnh" được thầy thuốc Galen (khoảng 129–216) nêu ra từ thời cổ đại, nhưng nghĩa khoa học hiện đại của từ nhiệt độ chỉ định hình vào năm 1670 với Robert Boyle; đến thời Boltzmann, khái niệm này mới được nối với chuyển động của các hạt vi mô.

Trước khi có dụng cụ đo, người ta chỉ mô tả nóng lạnh bằng cảm giác, nên thầy thuốc Galen đề xuất xếp chúng theo những "mức độ" để nói về tình trạng cơ thể người bệnh một cách có thứ bậc. Ý tưởng đó tồn tại rất lâu nhưng vẫn chưa phải đại lượng đo được. Sang thế kỷ 17, Galileo dùng từ Latin temperatura theo nghĩa độ nóng lạnh, và đến năm 1670 Boyle xác lập nghĩa khoa học này trong tiếng Anh. Đầu thế kỷ 18, Ole Rømer dựng thang đo hiệu chuẩn đầu tiên dựa trên điểm đông đặc và điểm sôi, còn Fahrenheit chế tạo được dụng cụ đo đáng tin cậy; về sau William Thomson tìm cách biến một độ thành đơn vị thực thụ.

Vì sao mang đúng cái tên này? Từ tiếng Anh temperature mượn thẳng từ danh từ Latin temperatura, vốn đã được Galileo dùng theo nghĩa độ nóng lạnh trước khi Boyle cố định nghĩa khoa học ấy vào năm 1670. Cái tên nghe không liên quan gì đến nóng lạnh là vì nó thừa hưởng truyền thống của Galen, người mô tả cơ thể qua những "mức độ nóng và lạnh" (degrees of heat and cold) — tức một trạng thái pha trộn có thứ bậc, chứ không phải một con số đọc trên dụng cụ. Nghĩa hiện đại của từ này còn được viết lại thêm một lần nữa khi Boltzmann làm rõ ý nghĩa vi mô của entropy: nhiệt độ trở thành thước đo động năng tịnh tiến trung bình (average translational kinetic energy) của các phân tử, một cách hiểu giải thích được các định nghĩa cũ và mở rộng khái niệm sang những hệ mà lý thuyết động học (kinetic theory) không áp dụng nổi.

Nhiệt độ, thể tích không đổi, thêm khí trơ tăng áp suất tổng nhưng không đổi áp suất riêng phần.

Mẹo phòng thi

Viết rõ giá trị kelvin ra giấy trước khi thay số.

Khi giải thích ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ, phải nhắc tới rào năng lượng.

Trước khi kết luận cân bằng chuyển dịch, hãy kiểm tra xem nhiệt độ có thay đổi không.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

1Bước 1: Trả lời ý (a). Nhiệt độ là thước đo động năng trung bình của các hạt trong mẫu, chứ không phải tổng năng lượng chứa trong mẫu. Các nguyên tử kim loại nóng dao động mạnh nên khi va chạm với các phân tử nước ở bề mặt, chúng truyền bớt động năng sang nước; động năng trung bình của kim loại giảm nên nhiệt độ của nó giảm, còn động năng trung bình của nước tăng nên nhiệt độ nước tăng. Sự truyền năng lượng theo chiều này chiếm ưu thế chừng nào kim loại còn nóng hơn nước. Đến

27{,}9\ ^\circ\text{C}

, hai bên có cùng động năng trung bình nên tốc độ truyền năng lượng theo hai chiều bằng nhau: hệ đạt cân bằng nhiệt và nhiệt độ ngừng đổi.

2Bước 2: Tính nhiệt lượng nước nhận được bằng

q = mc\Delta T

, trong đó

m

là khối lượng nước,

c

là nhiệt dung riêng và

\Delta T = T_f - T_i

là độ biến thiên nhiệt độ. Ta có

\Delta T = 27{,}9 - 21{,}0 = 6{,}9\ ^\circ\text{C}

, do đó

q_{\text{water}} = (100{,}0)(4{,}18)(6{,}9) = 2884\ \text{J}

. Dấu dương xác nhận nước hấp thụ năng lượng.

3Bước 3: Vì cốc xốp cách nhiệt tốt, toàn bộ năng lượng nước nhận được coi như đến từ kim loại:

q_{\text{E}} = -q_{\text{water}} = -2884\ \text{J}

. Với kim loại,

\Delta T = 27{,}9 - 99{,}0 = -71{,}1\ ^\circ\text{C}

, nên

c_{\text{E}} = \frac{q_{\text{E}}}{m\,\Delta T} = \frac{-2884}{(45{,}0)(-71{,}1)} = 0{,}901\ \text{J}\,\text{g}^{-1}\,^\circ\text{C}^{-1}.

Hai dấu âm triệt tiêu nhau nên nhiệt dung riêng nhận giá trị dương như mong đợi. Lưu ý rằng vì đây là hiệu nhiệt độ nên dùng thang Celsius hay Kelvin đều cho cùng kết quả.

4Bước 4: Trả lời ý (c). Nếu một phần năng lượng thoát ra không khí và thành cốc, nhiệt độ cuối đo được sẽ thấp hơn giá trị lý tưởng, khiến

\Delta T

của nước nhỏ đi và

q_{\text{water}}

tính ra nhỏ hơn thực tế. Đồng thời mẫu số

|\Delta T|

của kim loại lại lớn hơn. Cả hai hiệu ứng đều kéo thương số xuống, vì vậy nhiệt dung riêng tính được nhỏ hơn giá trị thật.

Nước nóng lên và kim loại nguội đi cho đến khi hai phần có cùng động năng trung bình tại $27{,}9\ ^\circ\text{C}$ ; từ dữ liệu nhiệt độ đó, nhiệt dung riêng của kim loại $\text{E}$ bằng $0{,}901\ \text{J}\,\text{g}^{-1}\,^\circ\text{C}^{-1}$ , gần với giá trị của nhôm. Nếu có thất thoát nhiệt ra môi trường, con số này sẽ thấp hơn giá trị thật của $\text{E}$ .

2Ví dụ 2/2

Phản ứng phân hủy pha khí

\text{A} \rightarrow \text{B} + \text{C}

có năng lượng hoạt hóa (activation energy)

E_a = 60{,}0\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}

và tuân theo phương trình Arrhenius. Một học sinh đo tốc độ phản ứng ở

27\ ^\circ\text{C}

, sau đó lặp lại thí nghiệm với cùng nồng độ đầu ở

37\ ^\circ\text{C}

và thấy phản ứng chạy nhanh hơn hẳn. Cho

R = 8{,}314\ \text{J}\,\text{mol}^{-1}\,\text{K}^{-1}

aNêu lý do chính khiến tốc độ phản ứng tăng khi tăng nhiệt độ, và chỉ ra một lời giải thích sai thường gặp.
bTính tỉ số hằng số tốc độ $k_2/k_1$ giữa hai nhiệt độ.

1Bước 1: Trả lời ý (a). Ở một nhiệt độ xác định, các phân tử không có cùng động năng mà trải trên một dải rộng theo phân bố Maxwell–Boltzmann. Chỉ những va chạm mang năng lượng bằng hoặc vượt

E_a

, lại đúng hướng, mới vượt qua được trạng thái chuyển tiếp. Khi tăng nhiệt độ, đỉnh của đường phân bố dịch sang phải và thấp xuống, làm phần diện tích nằm bên phải mốc

E_a

— tức tỉ lệ phân tử đủ năng lượng — tăng lên rất mạnh. Đó là lý do chính.

2Bước 2: Cần phân biệt với hai cách nói sai. Thứ nhất, tăng nhiệt độ không hề làm giảm

E_a

: rào năng lượng do bản chất đường phản ứng quyết định, chỉ có chất xúc tác mới hạ được nó. Thứ hai, tần suất va chạm quả thật có tăng, nhưng tốc độ va chạm chỉ tỉ lệ với

\sqrt{T}

nên tăng vài phần trăm, trong khi thừa số

e^{-E_a/RT}

tăng gấp bội. Vì vậy đáp án đúng luôn là "tăng tỉ lệ phân tử có năng lượng đạt hoặc vượt năng lượng hoạt hóa".

3Bước 3: Chuyển nhiệt độ sang thang Kelvin trước khi thay vào công thức, vì Arrhenius dùng nhiệt độ tuyệt đối:

T_1 = 27 + 273 = 300\ \text{K}

và

T_2 = 37 + 273 = 310\ \text{K}

. Dùng dạng hai điểm của phương trình Arrhenius:

\ln\frac{k_2}{k_1} = \frac{E_a}{R}\left(\frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2}\right).

Vế trái cho biết hằng số tốc độ (rate constant) thay đổi bao nhiêu lần khi chuyển từ

T_1

sang

T_2

4Bước 4: Thay số với

E_a = 6{,}00\times10^{4}\ \text{J}\,\text{mol}^{-1}

\dfrac{1}{300} - \dfrac{1}{310} = 1{,}075\times10^{-4}\ \text{K}^{-1}

và

\dfrac{6{,}00\times10^{4}}{8{,}314} = 7217\ \text{K}

. Nhân lại:

\ln(k_2/k_1) = (7217)(1{,}075\times10^{-4}) = 0{,}776

, do đó

k_2/k_1 = e^{0{,}776} = 2{,}2

Chỉ tăng $10\ \text{K}$ mà hằng số tốc độ đã lớn gấp khoảng $2{,}2$ lần, nên ở $37\ ^\circ\text{C}$ phản ứng chạy nhanh hơn gấp đôi so với ở $27\ ^\circ\text{C}$ . Kết quả này minh họa đúng ý ở phần (a): nhiệt độ không đụng đến rào năng lượng hoạt hóa mà chỉ làm tăng vọt tỉ lệ phân tử đủ sức vượt rào.

phương trình Arrhenius (sắp có)

Liên quanáp suấtkelvin (sắp có)

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