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

Giải nhanh:

Khi nước đã sôi ở 100℃, tiếp tục đun sẽ không làm nhiệt độ của nước tăng lên. Lúc này, nhiệt năng được sử dụng để chuyển nước từ thể lỏng sang thể hơi, chính là sự bốc hơi. Nhiệt năng không làm tăng nhiệt độ nước mà chỉ dùng để thay đổi trạng thái, vì vậy nội năng của nước giữ nguyên.

I. KHÁI NIỆM NỘI NĂNG

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

Giải nhanh:

Nội năng của một vật phụ thuộc vào cả thế năng và động năng của các phân tử trong vật đó. Thế năng được ảnh hưởng bởi khoảng cách giữa các phân tử, trong khi động năng phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của chúng. Vì vậy, nhiệt độ của vật ảnh hưởng đến cả thế năng và động năng, từ đó ảnh hưởng đến nội năng tổng thể của vật

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:

3. Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng hay giảm? Vì sao?

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

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

Giải nhanh:

1. khi đun ống nghiệm, nhiệt độ của chất lỏng bên trong tăng lên, dẫn đến sự chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí. Quá trình này làm tăng áp suất bên trong ống nghiệm do hơi nước giãn nở, đẩy nút bấc ra khỏi ống nghiệm.

   

   

   

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.

Giải nhanh:

Hình 2.6 b:

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

- Cơ chế hoạt động: Động cơ hơi nước sử dụng áp suất của hơi nước để đẩy piston di chuyển qua lại trong xi lanh. Lực này được chuyển đổi thành lực quay thông qua một cơ cấu gồm thanh nối và bánh đà, từ đó làm cho động cơ hoạt động.

Hình 2.6 c:

- Cấu tạo của động cơ đốt trong: xi lanh, pit-tông, bu-gi, thanh truyền 

- Cơ chế hoạt động: động cơ đốt trong sử dụng quá trình đốt cháy để tạo ra áp suất và nhiệt độ cao, từ đó làm tăng sự giãn nở của khí. Áp suất và nhiệt độ cao này tác động trực tiếp lên các thành phần của động cơ, tạo ra một lực đẩy mạnh mẽ. Lực này được sử dụng để di chuyển vật thể một quãng đường nhất định, biến đổi năng lượng hóa học thành công việc có ích.

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.

Giải nhanh:

Giải nhanh:

m= 1kg, V₀= 0 m/s, V=4,1 m/s, g=9,8 m/s

Độ biến thiên nội năng là công của lực ma sát.

A_ms = W_s – W_t= mV_s² + mgh₂ - mv_t² – mgh_t

= .1.4,1² +0+0-1.9,8.21.sin30º = -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).

Giải nhanh:

- Ví dụ: Sự sôi của nước. Khi đun nước thì nhiệt từ bếp sẽ truyền qua nồi, Trong quá trình này, các bọt chứa không khí và hơi nước sẽ nổi lên trong nước. Thể tích của các bọt khí này ngày càng tăng và khi chúng đạt tới mặt thoáng của nước, chúng sẽ vỡ, giải phóng không khí và hơi nước ra khỏi nước và thoát vào khí quyển.- Nội năng bằng tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật.

Ta lấy ví dụ: Khi trời lạnh ta thường xoa hai bàn tay vào nhau và thấy tay nóng lên. Vì khi xoa hai bàn tay vào nhau xuất hiện dạng năng lượng cơ năng sau một thời gian năng lượng cơ năng chuyển hoá thành năng lượng nhiệt làm tay nóng lên.