BÀI 2. ĐỊNH LUẬT I CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Mở đầu: Khi được mài (Hình 2.1), lưỡi dao không chỉ sắc hơn mà còn nóng lên. Nó cũng nóng lên khi được nhúng vào nước nóng. Trong hai trường hợp này, dù theo các cách khác nhau nhưng lưỡi dao đều nhận thêm năng lượng. Phần năng lượng nhận được thêm này có liên hệ gì với năng lượng của các phân tử cấu tạo nên lưỡi dao?

Giải rút gọn: 

Phần năng lượng thêm có liên hệ với năng lượng của các phân tử cấu tạo nên lưỡi dao là:

+ Năng lượng nhiệt: Khi lưỡi dao tiếp xúc với bề mặt mài hoặc nước nóng, nó hấp thụ năng lượng nhiệt từ môi trường xung quanh. Sự hấp thụ này tăng cường năng lượng nhiệt của các phân tử trong lưỡi dao.

+ Năng lượng nội: Mỗi phân tử trong vật liệu của lưỡi dao có một lượng năng lượng nội tương ứng với cấu trúc và vị trí của nó trong lưới tinh thể. Khi lưỡi dao được mài hoặc nhúng vào nước nóng, phân tử trong đó bắt đầu dao động với một cường độ cao hơn, điều này có thể dẫn đến việc tăng cường năng lượng nội của chúng.

+ Sự di chuyển của các nguyên tử và phân tử: Sự nóng lên có thể làm cho các nguyên tử và phân tử trong lưỡi dao di chuyển nhanh hơn. 

I. NỘI NĂNG

Câu 1: Hãy lập luận để chứng tỏ nội năng của một bình khí có liên hệ với nhiệt độ và thể tích của khí trong bình.

Giải rút gọn: 

Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ, khi hệ là một bình khí:

+ Thể tích của hệ thay đổi thì khoảng cách giữa các phân tử cấu tạo nên hệ thay đổi, từ đó thế năng tương tác của hệ thay đổi. 

+ Nhiệt độ của hệ thay đổi, động năng của các phân tử cấu tạo nên hệ cũng thay đổi từ đó làm cho nội năng của hệ thay đổi. 

Do đó nội năng của một bình khí có liên hệ với nhiệt độ và thể tích của khí trong bình.

Câu 2: Vì sao khi nén khí trong xilanh, thế năng tương tác giữa các phân tử và nội năng của lượng khí đó thay đổi?

Giải rút gọn: 

Bởi vì: Khi nén khí trong xilanh, thể tích của khí trong xilanh giảm đi, khi đó thế năng tương tác phân tử sẽ tăng lên. Mà nén khí trong xilanh tức là ta thực hiện công tới hệ khí đó nên nội năng của lượng khí đó sẽ thay đổi.

Luyện tập 1: Lấy ví dụ thực tế về sự thay đổi nội năng của hệ bằng cách thực hiện công và ví dụ về sự thay đổi nội năng của hệ bằng truyền nhiệt.

Giải rút gọn:

- Ví dụ 1 bằng cách thực hiện công: bơm lốp xe đạp hoặc xe máy, lúc bơm thì ta đang thực hiện công vào chiếc bơm để nén khí vào lốp, do bị nén nên nội năng của khí trong bơm sẽ tăng, làm cho nhiệt độ của khí tăng. Sau khi bơm xong ta sẽ thấy bơm sẽ bị nóng do nhận nhiệt của khí bị nén.

- Ví dụ 2 bằng cách truyền nhiệt: Khi ta đun nước bằng siêu trên bếp, siêu sẽ nhận nhiệt và truyền vào nước ở bên trong, nhiệt lượng này làm tăng động năng của nước từ đó nội năng của hệ sẽ tăng. 

II. ĐỊNH LUẬT I CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Luyện tập 2: Một lượng khí nhận nhiệt lượng 250 kJ do được đun nóng; đồng thời nhận công 500 kJ do bị nén.

a. Xác định độ tăng nội năng của lượng khí.

b. Xác định độ biến thiên nội năng của lượng khí trên nếu đồng thời với việc cung cấp nhiệt lượng 250 kJ, lượng khí này giãn ra và thực hiện công 100 kJ lên môi trường xung quanh nó.

Giải rút gọn:

a. Độ tăng nội năng của lượng khí là:

Độ tăng nội năng = Nhiệt lượng nhận + Công nhận = 250 kJ + 500 kJ  = 750 kJ

b. Độ biến thiên nội năng của lượng khí là:

 Q + A + A’ = 250kJ + 500kJ – 100kJ = 650kJ.  (A’ = -100kJ do hệ sinh công).

Vận dụng: Hãy tìm hiểu và giải tích vì sao miếng sắt trên đe bị nóng lên khi bị đập bằng búa nhiều lần.

Giải rút gọn:

Giải thích:  Khi miếng sắt bị đập bởi búa, miếng sắt đã nhận công của búa thực hiện, khi đó động năng của các phân tử tăng lên, từ đó nhiệt độ của miếng sắt tăng lên (sự ma sát bề mặt của miếng sắt với đe và với búa sau những lần đập cũng sinh ra nhiệt làm cho nhiệt độ của miếng sắt tăng lên).