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

(16 CÂU)

1. NHẬN BIẾT (6 CÂU)

Câu 1: Vì sao các phân tử có động năng và thế năng?

Trả lời:

• Các phân tử có động năng vì các phân tử chuyển động không ngừng. Động năng này được gọi là động năng phân tử. Động năng này được gọi là động năng phan tử. Động năng phân tử phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của phân tử.
• Các phân tử có thế nưang vì các phân tử tương tác với nhau. Thế năng này được gọi là thế năng tương tác phân tử, gọi tắt là thế năng phân tử. Thế năng phân tử phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử.

Câu 2: Em hãy cho biết nội năng của vật là gì và nội năng phụ thuộc vào yếu tố nào của vật.

Trả lời:

• Nội năng của vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật.
• Nội năng được kí hiệu bằng chữ U và có đơn vị là jun (J)
• Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.

Câu 3: Có mấy cách làm thay đổi nội năng? Cho ví dụ.

Trả lời:

• Có 2 cách làm thay đổi nội năng là thực hiện công và truyền năng lượng nhiệt (gọi tắt là truyền nhiệt)
• Ví dụ về thực hiện công: Khi dùng tay thực hiện công cọ xát một miếng kim loại lên sàn nhà thì miếng kim loại nóng lên, nội năng của nó đã thay đổi.
• Ví dụ về truyền nhiệt: Làm miếng kim loại nóng lên bằng cách cho nó tiếp xúc với một nguồn nhiệt. Khi đó nội năng của nó cũng thay đổi.

Câu 4: Em hãy phát biểu về định luật I của nhiệt động lực học.

Trả lời:

• Định luật I của nhiệt động lực học là sự vận dụng định luật bảo toàn năng lượng vào các quá trình thay đổi nội năng.
• Nếu vật vừa nhận được công vừa được truyền nhiệt thì: Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được:

Câu 5: Em hãy nêu quy ước về dấu của nhiệt lượng và công.

Trả lời:

Về quy ước và dấu thích hợp thì hệ thức
có thể áp dụng cho các quá trình thay đổi nội năng khác như vật truyền nhiệt cho các vật khác, vật thực hiện công lên vật khác, vật vừa thực hiện công vừa truyền nhiệt cho vật khác.

Q > 0: Vật nhận nhiệt lượng từ vật khác

Q < 0: Vật truyền nhiệt lượng cho vật khác

A > 0: Vật nhận công từ vật khác

A < 0: Vật thực hiện công lên vật khác

Câu 6: Em hãy nêu các ứng dụng về Định luật I của nhiệt động lực học.

Trả lời:

Ứng dụng của Định luật I của nhiệt động lực học: chế tạo các loại động cơ nhiệt, giải thích các hiện tượng liên quan đến sự truyền và biến đổi nội năng.

2. THÔNG HIỂU (4 CÂU)

Câu 1: Hãy giải thích tại sao khi nhiệt độ của vật tăng thì nội năng của vật cũng tăng, mặc dù thể tích của vật không đổi?

Trả lời:

Khi nhiệt độ của vật tăng, các phân tử trong vật chuyển động nhanh hơn, dẫn đến động năng phân tử tăng. Nội năng của vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật. Do đó, khi động năng của các phân tử tăng lên, nội năng của vật cũng tăng, ngay cả khi thể tích của vật không thay đổi.

Câu 2: Nếu hai vật có cùng nhiệt độ nhưng có thể tích khác nhau, liệu chúng có cùng nội năng không? Giải thích lý do tại sao?

Trả lời:

Hai vật có cùng nhiệt độ nhưng có thể tích khác nhau thì chưa chắc có cùng nội năng. Điều này là vì nội năng không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào thể tích của vật. Vật có thể tích lớn hơn sẽ có số lượng phân tử nhiều hơn, do đó tổng động năng và thế năng phân tử của nó sẽ lớn hơn, dẫn đến nội năng lớn hơn.

Câu 3: Trong quá trình truyền nhiệt từ vật A sang vật B, nội năng của vật A giảm và nội năng của vật B tăng. Em hãy giải thích tại sao điều này không mâu thuẫn với định luật I của nhiệt động lực học.

Trả lời:

Theo định luật I của nhiệt động lực học, tổng năng lượng trong một hệ kín được bảo toàn. Khi vật A truyền nhiệt cho vật B, nội năng của vật A giảm (Q < 0) vì nó mất đi một phần năng lượng nhiệt, còn nội năng của vật B tăng (Q > 0) do nhận được nhiệt lượng này. Sự mất năng lượng của A đúng bằng sự nhận năng lượng của B. Điều này không mâu thuẫn với định luật bảo toàn năng lượng.

Câu 4: Hãy giải thích tại sao khi cọ xát hai tay vào nhau, tay lại nóng lên?

Trả lời:

Khi cọ xát hai tay vào nhau, một phần năng lượng cơ học được chuyển thành nội năng, làm tăng nhiệt độ của tay. Quá trình này là một ví dụ của việc thực hiện công để thay đổi nội năng. Nội năng tăng lên làm các phân tử trên bề mặt da chuyển động nhanh hơn, tạo ra cảm giác nóng.

3. VẬN DỤNG (4 CÂU)

Câu 1: Một khí lý tưởng thực hiện chu trình kín (chu trình mà trạng thái đầu và trạng thái cuối giống nhau) bao gồm các quá trình đẳng áp, đẳng tích và đẳng nhiệt. Trong chu trình này, hệ nhận công A = 500J và tỏa ra nhiệt lượng Q = -800J. Tính độ biến thiên nội năng của hệ trong chu trình này.

Trả lời:

Theo định luật I của nhiệt động lực học, độ biến thiên nội năng của hệ được tính bằng:

ΔU=A+Q

Trong đó:

• A = 500J (hệ nhận công)
• Q = -800J (hệ tỏa nhiệt)

Thay các giá trị vào công thức:

ΔU = 500 – 800 = -300J

Vậy độ biến thiên nội năng của hệ là -300J. Điều này có nghĩa là nội năng của hệ đã giảm đi 300J sau chu trình.

Câu 2: Một hệ khí thực hiện một quá trình đẳng tích, nhận được một nhiệt lượng Q = 200J từ môi trường. Hãy tính độ biến thiên nội năng ΔU của hệ trong quá trình này. Giả sử hệ không thực hiện công lên môi trường.

Trả lời:

Trong quá trình đẳng tích, hệ không thực hiện công lên môi trường (A=0). Theo định luật I của nhiệt động lực học, độ biến thiên nội năng được tính bằng:

ΔU = A+Q

Vì A = 0 nên: ΔU = 0 + 200 = 200J

Vậy độ biến thiên nội năng của hệ là 200J.

Câu 3: Tại sao khi bỏ một vật bằng kim loại vào nước lạnh, ta thấy vật nguội đi còn nước ấm lên? Điều này liên quan thế nào đến định luật I của nhiệt động lực học?

Trả lời:

• Vật kim loại khi bỏ vào nước lạnh sẽ truyền nhiệt lượng từ vật sang nước. Nhiệt độ của vật giảm đi do nội năng của vật giảm. Đồng thời, nước nhận nhiệt lượng từ vật, khiến nhiệt độ của nước tăng lên, và nội năng của nước cũng tăng.
• Hiện tượng này liên quan đến định luật I của nhiệt động lực học vì nó thể hiện sự bảo toàn năng lượng. Tổng nhiệt lượng mà vật kim loại mất đi bằng tổng nhiệt lượng mà nước nhận được, không có sự mất mát năng lượng trong quá trình này.

Câu 4: Giải thích tại sao khi thổi hơi vào lòng bàn tay, ta cảm thấy mát, nhưng khi hà hơi vào bàn tay, ta lại cảm thấy ấm?

Trả lời:

• Khi thổi hơi, luồng không khí từ miệng ra ngoài có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của bàn tay, và tốc độ chuyển động nhanh. Hơi thổi này làm tăng tốc độ bay hơi của mồ hôi trên bề mặt da, khiến nhiệt độ ở da giảm và ta cảm thấy mát.
• Khi hà hơi, không khí từ miệng ra ngoài có nhiệt độ cao hơn và tốc độ chuyển động chậm hơn. Nhiệt lượng từ hơi thở truyền sang bề mặt da, làm tăng nhiệt độ ở đó, nên ta cảm thấy ấm.

4. VẬN DỤNG CAO (2 CÂU)

Câu 1: Giả sử có hai vật thể A và B có cùng khối lượng và cùng vật liệu nhưng ở hai trạng thái khác nhau. Vật A có nhiệt độ cao hơn vật B. Giải thích tại sao khi đặt A và B tiếp xúc nhau thì cuối cùng nhiệt độ của chúng sẽ bằng nhau, và nội năng của mỗi vật sẽ thay đổi như thế nào?

Trả lời:

• Khi hai vật A và B tiếp xúc với nhau, theo định luật I của nhiệt động lực học, sẽ có sự trao đổi nhiệt lượng từ vật có nhiệt độ cao hơn (vật A) sang vật có nhiệt độ thấp hơn (vật B). Quá trình này diễn ra cho đến khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau.
• Nhiệt lượng mà vật A mất đi sẽ bằng nhiệt lượng mà vật B nhận được. Do đó, nội năng của vật A sẽ giảm đi, trong khi nội năng của vật B sẽ tăng lên. Sự thay đổi nội năng này phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ ban đầu của hai vật.
• Cuối cùng, khi hai vật đạt cùng nhiệt độ, sẽ không còn sự trao đổi nhiệt nữa, và nội năng của cả hai vật sẽ ổn định.

Câu 2: Một khí cụ thực hiện quá trình đẳng nhiệt (nhiệt độ không đổi) với thể tích tăng gấp đôi so với ban đầu. Nếu công mà khí thực hiện lên môi trường ngoài là 500J, hãy xác định nhiệt lượng mà khí nhận vào hoặc mất đi trong quá trình này. Biết rằng không có sự biến thiên nội năng trong quá trình đẳng nhiệt.

Trả lời:

• Trong quá trình đẳng nhiệt, nhiệt độ của hệ không thay đổi, nên nội năng của hệ cũng không thay đổi. Do đó, độ biến thiên nội năng bằng 0: ΔU = 0
• Theo định luật I của nhiệt động lực học: ΔU = A + Q

Trong đó:

+ ΔU: độ biến thiên nội năng

+ Q: nhiệt lượng mà khí nhận vào (hoặc mất đi).

+A: công mà khí thực hiện lên môi trường ngoài.

• Trong bài, công thực hiện lên môi trường ngoài là 500J nên suy ra A<0

=> A = - 500

• Ta có: ΔU = A + Q

Tương đương: 0 = -500 + Q

Suy ra Q = 500J

Vậy trong quá trình đẳng nhiệt, khí phải nhận vào 500J nhiệt lượng để có thể thực hiện công 500J lên môi trường ngoài mà không làm thay đổi nội năng của hệ.