BÀI 3. NỘI NĂNG. ĐỊNH LUẬT 1 CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Ô tô đóng kín cửa để ngoài trời nắng nóng (Hình 3.1), nhiệt độ không khí trong xe tăng rất cao so với nhiệt độ bên ngoài, làm giảm tuổi thọ của các thiết bị bên trong xe. Nguyên nhân nào gây ra sự tăng nhiệt độ này?

Đáp án chuẩn:

- Kính xe ô tô cho ánh sáng mặt trời đi vào, nhưng ngăn cản bức xạ nhiệt từ bên trong xe thoát ra ngoài. 

- Các chất liệu như da, nỉ,... có khả năng hấp thụ nhiệt tốt, các thiết bị điện tử trong xe cũng toả nhiệt khi hoạt động

1. NỘI NĂNG

Thảo luận 1: Chứng tỏ nội năng của vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.

Đáp án chuẩn:

Động năng phụ thuộc vào tốc độ của phân tử. Nhiệt độ càng cao thì phân tử chuyển động càng nhanh, nên động năng phụ thuộc vào nhiệt độ.

Thế năng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử. Khoảng cách càng xa thì thể tích càng lớn, nên thế năng phụ thuộc vào thể tích.

=> nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích.

Thảo luận 2: Vận dụng mô hình động học phân tử, hãy giải thích hiện tượng chiếc nút bị đẩy bật ra khỏi ống (Hình 3.2b).

Đáp án chuẩn:

Khi đun ống nghiệm,, các phân tử chuyển động nhanh hơn, va chạm mạnh hơn tạo áp suất lớn lên thành ống nghiệm.

Thảo luận 3: Việc thay đổi lượng không khí chứa trong ống nghiệm có ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm không? Nếu có thì ảnh hưởng như thế nào?

Đáp án chuẩn:

Có ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.

+ Khi lượng không khí nhiều, nút bịt bị đẩy ra khỏi ống nghiệm nhanh hơn.

+ Khi lượng không khí ít, nút bịt khó bị đẩy ra khỏi ống nghiệm hơn.

Luyện tập: Dựa vào mô hình động học phân tử, hãy giải thích hiện tượng quả bóng bàn bị móp (nhưng chưa bị thủng) khi thả vào cốc nước nóng sẽ phồng trở lại (Hình 3.3).

Đáp án chuẩn:

Khi thả quả bóng bàn vào nước nóng, nhiệt độ của khí bên trong quả bóng tăng cao. Các phân tử khí chuyển động nhanh hơn và va chạm với nhau mạnh hơn tạo ra áp suất lớn hơn lên thành quả bóng từ đó vỏ quả bóng phồng trở lại.

2. CÁCH LÀM THAY ĐỔI NỘI NĂNG

Thảo luận 4: Có những cách nào làm thay đổi nội năng của một vật (hoặc một hệ vật). Cho ví dụ minh họa.

Đáp án chuẩn:

*Thực hiện công và truyền nhiệt.

- Nén lò xo, bơm xe đạp,…

- Đun nóng một bình nước, nung nóng thanh đồng,…

Luyện tập: Lấy ví dụ minh họa về việc làm thay đổi nội năng của một khối chất rắn, khối chất lỏng và khối chất khí bằng cách thực hiện công trong thực tiễn.

Đáp án chuẩn:

- Chất rắn: Kéo căng một sợi dây thun

- Chất lỏng: Dùng thìa khuấy nước trong cốc

- Chất khí: Nén khí trong bình

Luyện tập: Giải thích tại sao khi hai vật chênh lệch nhiệt độ tiếp xúc với nhau thì nhiệt độ của chúng sẽ tiến đến bằng nhau

Đáp án chuẩn:

 Hai vật tiếp xúc với nhau, vật có nhiệt độ cao sẽ truyền năng lượng sang cho vật có nhiệt độ thấp, đến khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau.

Thảo luận 5: Xét trường hợp đun một ấm nước, nhiệt lượng cần cung cấp cho nước sẽ thay đổi như thế nào nếu khối lượng của nước càng lớn và độ tăng nhiệt độ của nước càng lớn.

Đáp án chuẩn:

Q cũng sẽ tăng.

Luyện tập 1: Tính nhiệt lượng cần cung cấp để đun 3 lít nước từ nhiệt độ 25^oC lên 100^oC, biết nhiệt dung riêng của nước là 4 180 J/kg.K.

Đáp án chuẩn:

940500 J.

Luyện tập 2: Một người thợ rèn nhúng một con dao rựa bằng thép có khối lượng 1,1 kg ở nhiệt độ 850⁰C vào trong bể nước lạnh để làm tăng độ cứng của lưỡi dao. Nước trong bể có thể tích 200 lít và có nhiệt độ bằng với nhiệt độ ngoài trời là 27^oC. Xác định nhiệt độ của nước khi có sự cân bằng nhiệt. Bỏ qua sự truyền nhiệt cho thành bể và môi trường bên ngoài. Biết nhiệt dung riêng của thép là 460 J/kg.K; của nước là 4 180 J/kg.K.

Đáp án chuẩn:

27,5 ℃.

Vận dụng: Hình 3.6 mô tả cách tạo lửa bằng ma sát trong tình huống nguy cấp của con người (như cần sưởi ấm trong thời tiết lạnh, nấu chín thức ăn,...) khi không có bật lửa. Hãy giải thích cách tạo ra lửa trong tình huống này.

Đáp án chuẩn:

Khi hai vật tác động vào nhau với tốc độ càng nhanh thì ma sát càng lớn thì sẽ tạo ra nhiệt . Khi nhiệt độ đủ lớn thì tạo ra lửa, vật liệu cháy sẽ bắt đầu cháy.

3. ĐỊNH LUẬT 1 CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Thảo luận 6: Xét khối khí như trong Hình 3.4, nếu ra vừa dùng tay ấn mạnh và nhanh pit-tông, vừa nung nóng khí bằng ngọn lửa đèn cồn thì nội năng của khí biến thiên như thế nào so với trường hợp không nung nóng? Vận dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, viết biểu thức liên hệ độ biến thiên nội năng của khối khí với công và nhiệt lượng mà khí nhận được.

Đáp án chuẩn:

Nội năng sẽ tăng nhiều hơn so với trường hợp không nung nóng. 

ΔU = A + Q

Luyện tập: Giả sử cung cấp cho vật một công là 200 J nhưng nhiệt lượng bị thất thoát ra môi trường bên ngoài là 120 J. Hỏi nội năng của vật tăng hay giảm bao nhiêu.

Đáp án chuẩn:

80 (J). Nội năng của vật tăng.

Vận dụng: Hãy giải thích nguyên nhân gây ra sự tăng nhiệt độ trong ô tô ở Hình 3.1. Người ra thường sử dụng biện pháp đơn giản nào để hạn chế sự tăng nhiệt độ không khí trong ô tô trong trường hợp này?

Đáp án chuẩn:

- Kính xe ô tô cho ánh sáng mặt trời đi vào, nhưng ngăn cản bức xạ nhiệt từ bên trong xe thoát ra ngoài. 

- Các chất liệu như da, nỉ,... có khả năng hấp thụ nhiệt tốt, các thiết bị điện tử trong xe cũng toả nhiệt khi hoạt động, do đó làm tăng nhiệt độ bên trong xe.

* Biện pháp:

- Rèm che nắng, tấm chắn nắng 

- Đỗ xe dưới bóng râm hoặc trong nhà để xe.

- Dùng tấm phản quang để che chắn phần nóc xe

- Mở cửa sổ hoặc sử dụng quạt thông gió 

- Lót ghế bằng chất liệu thoáng mát, sử dụng thảm lót sàn có khả năng cách nhiệt.

- Bật điều hòa, sử dụng chế độ tự động để điều chỉnh nhiệt độ phù hợp.

BÀI TẬP

1. Hệ thức nào dưới đây là phù hợp với quá trình một khối khí trong bình kín bị nung nóng?

A. ΔU = A; A > 0.                                         B. ΔU = Q; Q > 0.

C. ΔU = A; A < 0.                                         D. ΔU = Q; Q < 0.

Đáp án chuẩn:

Đáp án B. 

2. Một người cọ xát một miếng sắt dẹt có khối lượng 150g trên mệt tấm đá mài. Sau một khoảng thời gian, miếng sắt nóng thêm 12^oC. Tính công mà người này đã thực hiện, giả sử rằng 40% công đó được dùng để làm nóng miếng sắt. Biết nhiệt dung riêng của sắt là 460 J/kg.K.

Đáp án chuẩn:

2070  J

3. Một ấm đun nước bằng nhôm có khối lượng 400g, chứa 3 lít nước được đun trên bếp. Khi nhận được nhiệt lượng 740 kJ thì ấm đạt đến nhiệt độ là 80^oC. Tính nhiệt độ ban đầu của ấm và nước, biết nhiệt dung riêng của nhôm là 880 J/kg.K, nhiệt dung riêng của nước là 4 180 J/kg.K. Coi nhiệt lượng mà ấm tỏa ra bên ngoài là không đáng kể.

Đáp án chuẩn: 

22,6 ℃