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?

Giải rút gọn:

Nguyên nhân gây ra sự tăng nhiệt độ:

- Kính xe ô tô cho ánh sáng mặt trời đi vào, nhưng ngăn cản bức xạ nhiệt từ bên trong xe thoát ra ngoài. Do đó, không khí trong xe không được lưu thông và tăng nhiệt độ.

- 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.

1. NỘI NĂNG

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

Giải rút gọn:

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 = thế năng + động năng. 

Vì vậy, 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).

Giải rút gọn:

Giải thích: Khi đun ống nghiệm, không khí bên trong nóng lên, các phân tử chuyển động nhanh hơn, va chạm mạnh hơn tạo áp suất lớn lên thành ống nghiệm. Từ đó đẩy nút bịt bật ra khỏi 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?

Giải rút gọn:

Việc thay đổi lượng không khí chứa trong ống nghiệm có ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm. (thay đổi nhiều)

- Ảnh hưởng như sau:

+ Khi lượng không khí nhiều, tần suất va chạm giữa các phân tử tăng, nên nút bịt bị đẩy ra khỏi ống nghiệm nhanh hơn.

+ Khi lượng không khí ít, tần suất va chạm giữa các phân tử giảm, nên 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).

Giải rút gọn:

Giải thích: Khi thả quả bóng bàn vào nước nóng, nhiệt độ của khí bên trong quả bóng tăng cao làm cho nội năng cũng tăng. 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.

Giải rút gọn:

Cách làm thay đổi nội năng là: thực hiện công và truyền nhiệt.

- VD thực hiện công: Nén lò xo, bơm xe đạp,…

- VD truyền nhiệt: 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.

Giải rút gọn:

Các ví dụ minh hoạ:

- 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

Giải rút gọn:

Bởi vì: - Hai vật tiếp xúc với nhau, vật có nhiệt độ cao sẽ truyền năng lượng sang cho vật có nhiệt độ thấp.

- Quá trình cứ diễn ra đến khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau thì lúc này hai vật đã đạt đến trạng thái cân bằng.

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.

Giải rút gọn:

Ta có công thức: Q = m.c.(T₂ - T₁). 

Trong đó: m tăng, Q cũng sẽ tăng; T tăng thì 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.

Giải rút gọn:

Nhiệt lượng cần cung cấp để đun 3 lít nước từ nhiệt độ 25^oC lên 100^oC là: 

Q = m.c.(T₂ - T₁) = 940 500 (J)

Vậy nhiệt lượng cần cung cấp là 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.

Giải rút gọn:

Gọi nhiệt độ khi cân bằng nhiệt là T

Nhiệt lượng do thép truyền đi Q₁ 

Nhiệt lượng mà nước nhận vào Q₂

Khi có sự cân bằng nhiệt thì  → Q₁= Q₂

⇔ m₁.c₁. (T₁ - T) = m₂.c₂.(T - T₂) ⇔ 1,1.460.(850 - T) = 200.4180.(T - 27)

⇔ T = 27,5

Nhiệt độ cân bằng của nước khi có sự cân bằng nhiệt là: 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.

Giải rút gọn:

Giải thích: 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.

Giải rút gọn:

Cùng một khối khí, nếu vừa dùng tay ấn mạnh và vừa nung nóng khí, nội năng sẽ tăng nhiều hơn so với trường hợp không nung nóng. 

Biểu thức liên hệ: 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.

Giải rút gọn:

Độ biến thiên nội năng của vật là: = A + Q = 200 - 120 = 80 (J)

Ta thấy 80 > 0 nên 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?

Giải rút gọn:

* Nguyên nhân:

- Kính xe ô tô cho ánh sáng mặt trời đi vào, nhưng ngăn cản bức xạ nhiệt từ bên trong xe thoát ra ngoài. Do đó, không khí trong xe không được lưu thông và tăng nhiệt độ.

- 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:

- Che chắn ánh nắng mặt trời: Sử dụng rèm che nắng, tấm chắn nắng 

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

- Giảm thiểu tác động của ánh nắng mặt trời: sử dụng tấm phản quang để che chắn phần nóc xe, sử dụng phim cách nhiệt cho kính chắn gió và cửa sổ.

- Tăng cường thông gió: mở cửa sổ hoặc sử dụng quạt thông gió để tạo sự lưu thông không khí bên trong xe.

- Sử dụng các vật liệu cách nhiệt: lót ghế bằng chất liệu thoáng mát, sử dụng thảm lót sàn có khả năng cách nhiệt.

- Sử dụng điều hòa: bật điều hòa để làm mát không khí trong xe, 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.

Giải rút gọn:

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.

Giải rút gọn:

Nhiệt lượng cần để nung nóng miếng sắt là: 

Q = m.c.ΔT = 150.10^-3.460.12 = 828 (J)

Vì 40% công dùng để làm nóng miếng sắt, nên công mà người đó đã thực hiện để nung nóng miếng sắt là: 

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.

Giải rút gọn:

Nhiệt lượng được cung cấp (740 kJ) được dùng để làm nóng cả ấm (Q₁) và nước (Q₂) đến nhiệt độ 80^oC.

→ Q = Q₁ + Q₂ 

Nhiệt độ ban đầu của ấm nước là: 

740 000 = 400.10^-3.880.(80 - t) + 3.4180.(80 - t) ⇔ t = 22,6 ℃