Cấu trúc của chất và sự chuyển thể

Có hai bằng chứng quen thuộc cho ý 2:

• Khuếch tán: giọt mực nhỏ vào cốc nước đứng yên vẫn loãng dần ra khắp cốc; mùi nước hoa lan khắp phòng. Các hạt tự trộn vào nhau vì chúng luôn chuyển động.
• Chuyển động Brown: hạt phấn hoa nhỏ trong nước, nhìn dưới kính hiển vi, luôn giật đi giật lại theo những đường gấp khúc không có quy luật. Hạt phấn bị các phân tử nước vô hình va đập không đều từ mọi phía.

Mô hình này giải thích các tính chất quen thuộc:

• Chất rắn có hình dạng riêng: phân tử dính chặt vào vị trí của mình, chỉ run tại chỗ.
• Chất lỏng chảy được mà thể tích gần như không đổi: phân tử vẫn sát nhau (nên khó nén) nhưng đủ năng lượng để thay chỗ cho nhau (nên chảy).
• Chất khí dễ nén, choán hết bình: các phân tử cách xa nhau và gần như không hút nhau; khoảng trống giữa chúng là chỗ để nén vào.

Để thấy khoảng cách khác nhau thế nào, xem Ví dụ 2 bên dưới.

Một chất có thể đổi thể khi nóng lên hoặc nguội đi. Có năm quá trình:

Quá trình thuận và nghịch của cùng một cặp thể có cùng độ lớn nhiệt lượng (nếu cùng nhiệt độ, cùng khối lượng), chỉ ngược chiều: thu vào bao nhiêu khi nóng chảy thì toả ra bấy nhiêu khi đông đặc. Bài 5 sẽ định lượng.

Trong chất có hai loại năng lượng của phân tử: động năng của chuyển động nhiệt (quyết định nhiệt độ) và thế năng tương tác giữa các phân tử (phụ thuộc khoảng cách và sắp xếp).

Khi nước đá đang tan, nhiệt cấp vào được dùng để phá lưới tinh thể, đưa các phân tử ra xa nhau hơn và cho chúng tự do trượt: nghĩa là làm tăng thế năng tương tác. Động năng trung bình của phân tử chưa đổi, nên nhiệt độ không đổi. Chỉ khi toàn bộ đá tan hết, nhiệt cấp thêm mới làm tăng động năng của các phân tử nước, và nhiệt độ lại tăng. Khi nước sôi cũng vậy: nhiệt cấp vào dùng để kéo phân tử ra khỏi chất lỏng, thắng lực hút giữa chúng.

Nhiệt độ này gọi là nhiệt độ nóng chảy hay nhiệt độ sôi. Với nước ở áp suất khí quyển chuẩn: $0\,^\circ\text{C}$ và $100\,^\circ\text{C}$. Chất vô định hình (nhựa đường, thuỷ tinh) mềm dần khi nóng lên và không có nhiệt độ nóng chảy xác định.

Bay hơi nhanh hơn khi chất lỏng nóng hơn, mặt thoáng rộng hơn, gió thổi mạnh (cuốn hơi đi), độ ẩm không khí thấp. Phân tử nhanh nhất ở bề mặt thắng được lực hút của các phân tử xung quanh và thoát ra; những phân tử còn lại chậm hơn, nên chất lỏng nguội đi (vì vậy ra mồ hôi gặp gió thì mát).

Ví dụ khác: băng khô ($\text{CO}_2$ rắn), long não, naphtalene thăng hoa nhanh ở nhiệt độ phòng nên nhỏ dần mà không ướt.

• Mô hình động học phân tử: hạt có khoảng trống, chuyển động nhiệt không ngừng (nóng thì nhanh), lực hút và đẩy giữa các hạt.
• Rắn: hạt gần, trật tự, dao động tại chỗ. Lỏng: hạt gần, trượt qua nhau. Khí: hạt xa, bay tự do, dễ nén.
• Nóng chảy, hoá hơi, thăng hoa thu nhiệt; đông đặc, ngưng tụ, ngưng kết toả nhiệt.
• Khi chuyển thể nhiệt độ không đổi vì nhiệt làm đổi thế năng phân tử, không đổi động năng.
• Bay hơi: mọi nhiệt độ, bề mặt; sôi: nhiệt độ xác định, cả trong lòng.