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 rút gọn:

Vì nhiệt lượng lúc này chuyển hoá thể lỏng sang thể hơi (sự hoá hơi) và nhiệt độ này không đủ để tăng nhiệt độ của nước. Vậy nhiệt năng mà nước nhận được lúc này không làm tăng dạng năng lượng nào cũng nước, nội năng của nó 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 rút gọn:

Vì: nội năng = thế năng + động năng

Thế năng phụ thuộc: khoảng cách giữa các phân tử vì các phân tử tương tác với nhaukhoảng cách giữa các phân tử thay đổiV thay đổi thế năng thay đổi nội năng phụ thuộc V của vật. 

Động năng phụ thuộc: tốc độ chuyển động của phân tử vì tốc độ của phân tử phụ thuộc vào tº (tº càng cao thì tốc độ của phân tử càng nhanh và ngược lại) nên động năng phụ thuộc vào tºnội năng phụ thuộc vào nhiệt độ 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:

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?

Giải rút gọn:

1. Vì khi đun ống nghiệm, chất lỏng bên trong ống nghiệm nóng lên và chuyển từ thể lỏng sang thể khí quá trình làm hơi nước giãn nở và làm bật nút chai.

2. a) Vì khi ống nghiệm đun nóng, nhiệt độ trong ống nghiệm tăng lên  làm động năng tăng lênnội năng tăng. 

b) Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng do động năng tăng. Vì động năng phụ thuộc nhiệt độ. Không làm thế năng tăng vì nút bấc chưa bị bật ra.

c) Vì nhiệt độ tăng, phân tử khí chuyển động nhanh hơn, va chạm với nút bấc mạnh hơn mà động năng phụ thuộc tốc độ chuyển động của phân tử động 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.

Giải rút gọn:

Hình 2.3:

- 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. Để quan sát được tăng nhiệt độ thì ta đo nhiệt lộ của khí sau khi nén.

- Hình b): Đang truyền nhiệt cho khí bằng cách đun nóng xi lanh: 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.

Giải rút gọn:

Ví dụ truyền nhiệt: Đun một nồi nước, sau một thời gian nước nóng lên và sôi. Nhiệt lượng nồi nhận được từ bếp sẽ truyền qua thành nồi làm cho nước nóng lên và sôiđộng năng sẽ tăng lên nội năng sẽ tăng lên.

Ví dụ thực hiện công: 

Dùng búa đập vào miếng sắt nhiều lần miếng sắt nóng lên. 

Thực hiện công: dùng búa đập vào miếng sắt 

Miếng sắt nóng lên: nội năng của vật tăng.

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

Giải rút gọn:

1. Hệ thức mô tả sự thay đổi nội tăng khi có sự truyền nhiệt. 

2. Hệ thức mô tả sự thay đổi nội năng khi thực hiện công. 

3. Hệ thức mô tả sự thay đổi nội năng khi có truyền nhiệt và thực hiện công. Ở hệ thức ta thấy  (nhận nhiệt) và  ( đang thực hiện công), nội năng phụ thuộc A, Q.

4. Hệ thức mô tả sự thay đổi nội năng khi có truyền nhiệt và thực hiện công. Ở hệ thức ta thấy  (truyền nhiệt) và  ( nhận công), nội năng phụ thuộc A,Q.

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 rút gọn:

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 do quá trình đốt cháy tác dụng một lực trực tiếp lên một số thành phần của động cơ, lực này giúp vật di chuyển một quãng đường nhất định, biến năng lượng hoá học thành công 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 rút gọn: 

a) Quá trình vật rắn nóng chảy: nhiệt truyền vào vật rắn làm tăng nhiệt độ của vật rắn. Khi vật rắn đang nóng chảy: năng lượng được sử dụng lúc này làm cắt đứt các liên kết giữa các phân tử trong vật rắn nên không làm thay đổi nhiệt độ nội năng không thay đổi.

b) Quá trình nước đá tan: nhiệt bên ngoài sẽ truyền vào đá để làm tan. Khi nước đá đang tan: năng lượng nhiệt được sử dụng để làm phá vỡ các liên kết giữa các phân tử trong đá mà không làm thay đổi nhiệt độ nội năng không thay đổi.

c) Quá trình ngưng tụ: lượng nhiệt thoát ra khỏi hơi nước để làm giảm nhiệt độ của nó. Khi hơi nước đã ngưng tụ: năng lượng nhiệt lúc này được sử dụng để làm đông đặc các phân tử bên trong hơi nước mà không làm thay đổi nhiệt độ nội năng sẽ không thay đổi.

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.

Giải rút gọn:

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

A_ms = W_s – W_t= mV_s² + mgh₂ - mv_t² – mgh_t = -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 chi tiết:

- 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.

- Nội năng = động năng + thế năng 

VD: Trời lạnh, xoa hai bàn tay vào nhau thấy tay nóng lên. Vì xoa hai bàn tay vào nhau xuất hiện dạng năng lượng cơ năng sau một thời gian chuyển hoá thành năng lượng nhiệt làm tay nóng lên.