BÀI 2: NỘI NĂNG. ĐỊNH LUẬT I CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC.

KHỞI ĐỘNG

Khi nước được đun tới lúc bắt đầu sôi thì dù có tiếp tục đun, nhiệt độ của nước cũng không thay đổi. Vậy nhiệt năng mà nước nhận được lúc này làm tăng dạng năng lượng nào của nước

Đáp án chuẩn:

Không làm tăng dạng năng lượng nào 

I. KHÁI NIỆM NỘI NĂNG

Câu hỏi: Tại sao nội năng của vật lại phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật?

Đáp án chuẩn:

Thế năng phụ thuộc V 

Động năng phụ thuộc nhiệt độ

Thí nghiệm: Thí nghiệm sau đây cho thấy mối liên hệ giữa nội năng của vật với năng lượng của các phân tử cấu tạo nên vật.

Chuẩn bị:

- Ống nghiệm (1).

- Nút bấc có kích thước vừa khít miệng ống nghiệm (2).

- Đèn cồn (3).

- Giá đỡ thí nghiệm (4).

Tiến hành:

- Bố trí thí nghiệm như Hình 2.2.

- Dùng đèn cồn đun nóng ống nghiệm cho đến khi nút bấc bật ra.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Khi đun ống nghiệm tới một lúc nào đó thì thấy nút bấc bật ra. Giải thích vì sao nút bấc bật ra.

2. Khi nút chưa bị bật ra:

a) Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng hay giảm? Vì sao?

b) Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng có phải do thế năng phân tử khí tăng không? Tại sao?

c) Tại sao hiện tượng nút ống nghiệm bị bật ra lại chứng tỏ động năng của các phân tử khí trong ống nghiệm tăng?

Đáp án chuẩn:

1. Vì quá trình làm hơi nước giãn nở và làm bật nút chai.

2. a) Vì nhiệt độ trong ống nghiệm tăng lên  nội năng tăng. 

b) Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng do động năng tăng. Vì động năng phụ thuộc nhiệt độ. 

c) Vì nhiệt độ tăngđộng năng tăng. 

II. ĐỊNH LUẬT I CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 

Câu hỏi 1: Mô tả sự thay đổi nội năng của lượng khí trong xi lanh ở Hình 2.3.

Đáp án chuẩn:

- Hình a): Công được thực hiện bằng cách ấn vào đầu để nén phần khí trong xi lanh, quá trình này làm tăng nhiệt độ và tăng nội năng của khí. 

- Hình b): ta đun xi lanh thì bên ngoài xi lanh nóng lên và nó truyền nhiệt vào bên trong, khí bên trong sẽ nhận nhiệt.

Câu hỏi 2: Tìm thêm ví dụ về thực hiện công và truyền nhiệt làm thay đổi nội năng của vật.

Đáp án chuẩn:

Ví dụ truyền nhiệt: Đun một nồi nước, sau một thời gian nước nóng lên và sôi. 

Ví dụ thực hiện công: Dùng búa đập vào miếng sắt nhiều lần miếng sắt nóng lên. 

Câu hỏi 3: Các hệ thức sau đây mô tả các quá trình thay đổi nội năng nào?

1. khi và khi .

2. khi và khi .

3. khi và .

4. khi và

Đáp án chuẩn:

1. Truyền nhiệt. 

2. Thực hiện công. 

3. Khi có truyền nhiệt và thực hiện công. 

4. Khi có truyền nhiệt và thực hiện công. 

Hoạt động: Định luật I của nhiệt động lực học có nhiều ứng dụng thực tế, một trong những ứng dụng quan trọng là để chế tạo các loại động cơ nhiệt. Ngoài ra, định luật I của nhiệt động lực học có nhiều ứng dụng thực tế, một trong những ứng dụng quan trọng là để chế tạo các loại động cơ nhiệt. Ngoài ra, định luật này còn dùng để giải thích các hiện tượng liên quan đến sự truyền và biến đổi nội năng.

Động cơ nhiệt là động cơ hoạt động dựa trên nguyên tắc biến đổi nội năng của nhiên liệu thành cơ năng.

Mỗi động cơ nhiệt đều có ba bộ phận chính (Hình 2.6a):

- Nguồn nóng có nhiệt độ T₁ cung cấp nhiệt lượng cho động cơ.

- Bộ phận phát động trong đó tác nhân nhận nhiệt từ nguồn nóng, giãn nở sinh công ( Trong máy hơi nước, tác nhân là hơi nước; trong động cơ đốt trong, tác nhân là khí do nhiên liệu bị đốt cháy toả ra trong xi lanh).

- Nguồn lạnh có nhiệt độ T₂< T₁ nhận nhiệt lượng do động cơ toả ra.

Hãy dựa vào các sơ đồ trong Hình 2.6b,c để trình bày sơ lược về cấu tạo và hoạt động của máy hơi nước và động cơ đốt trong.

Đáp án chuẩn:

Hình 2.6 b:

- Cấu tạo: Nồi súp de, xi lanh, pit tông, bình ngưng hơi.

- Hoạt động: Sử dụng lực tạo bởi áp hơi nước để đẩy pit-tông qua lại bên trong xi lanh, lực này biến đổi bằng một thanh nối và bánh đà thành lực quay để làm việc.

Hình 2.6 c:

- Cấu tạo: xi lanh, pit-tông, bu-gi, thanh truyền 

- Hoạt động: Sử dụng lực tạo bởi sự giãn nở của khí ở t℃ và P cao 

Câu hỏi 1: Nội năng của vật biến đổi như thế nào trong cách trường hợp sau:

1. Vật rắn đang nóng chảy.

2. Nước đá đang tan.

3. Hơi nước ngưng tụ ở nhiệt độ không đổi.

Đáp án chuẩn: 

a) Nội năng tăng

b) Nội năng tăng

c) Nội năng giảm

Câu hỏi 2: Một vật khối lượng 1kg trượt không vận tốc ban đầu từ đỉnh xuống chân một mặt phẳng dài 21m, nghiêng 30℃so với mặt nằm ngang. Tốc độ của vật ở chân mặt phẳng là 4,1 m/s. Tính công của lực ma sát và độ biến thiên nội năng của vật trong quá trình chuyển động trên. Lấy g=9,8 m/s². Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với mặt phẳng nghiêng.

Đáp án chuẩn:

-94,5 J

Em có thể: 

- Dùng mô hình động học phân tử giải thích được một số hiện tượng liên quan đến sự chuyển thể của các chất.

- Dùng khái niệm nội năng và định luật I của nhiệt động lực học để giải thích một số hiện tượng đơn giản như sự chuyển hoá năng lượng trong các quá trình chuyển thể, nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt ( máy hơi nước, động cơ đốt trong).

Đáp án chuẩn:

- VD: Sự sôi của nước. Khi đun nước thì nhiệt từ bếp truyền qua nồi, nước trong nồi nhận được nhiệt, nước nóng lên, các phân tử chuyển động nhanh hơn, các bọt chứa không khí và hơi nước nổi lên trong nồi ngày càng nhiều, thể tích các bọt khí ngày càng tăng và tới mặt thoáng thì vỡ, không khí và hơi nước thoát ra ngoài khí quyển.