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 chi tiết:

Khi nước đã sôi ở 100 ℃ , tiếp tục đun nhiệt độ của nước không thay đổi vì nhiệt lượng lúc này đã chuyển hoá từ thể lỏng sang thể hơi, đó chính là sự bốc hơi của nước và nhiệt độ này không đủ để tăng nhiệt độ của nước. Vậy nên 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 chi tiết:

Bởi vì nội năng bằng tổng thế năng cộng với động năng.

Thế năng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử vì các phân tử tương tác với nhau, nếu khoảng cách giữa các phân tử thay đổi thì thể tích sẽ thay đổi, từ đó thế năng cũng sẽ thay đổi nên nội năng phụ thuộc vào thế tích của vật.

Động năng phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của phân tử mà tốc độ chuyển động của phân tử lại phụ thuộc vào nhiệt độ ( nhiệt độ càng cao thì tốc độ chuyển động của phân tử càng nhanh và ngược lại) nên động năng phục thuộc vào nhiệt độ, từ đó nội năn cũng 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:

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 chi tiết:

1. Khi đun ống nghiệm tới một lúc nào đó thì thấy nút bấc bật ra vì khi đun ống nghiệm , chất lỏng bên trong ống nghiệm nóng lên và chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí, quá trình này làm hơi nước giãn nở và làm bật nút chai.

3. Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng vì khi ống nghiệm được đun nóng thì nhiệt độ trong ống nghiệm cũng tăng lên, từ đó làm động năng tăng lên nên nội năng tăng.

4. Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng không phải do thế năng phân tử khí tăng. Vì nút bấc chưa bật ra, nội tăng tăng lúc này là do động năng tăng.

5. Hiện tượng nút ống nghiệm bị bật ra lại chứng tỏ động năng của các phân tử khí trong ống nghiệm tăng vì nhiệt độ tăng thì các phân tử khí chuyển động nhanh hơn, va chạm với nút bấc cũng mạnh hơn mà động năng phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của phân tử nên các phân tử khí chuyển động nhanh thì động năng cũng tăng theo.

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 chi tiết:

Nhìn hình 2.3 ta thấy:

- Hình a) là chúng ta đang thực hiện công bằng cách ấn vào đầu để nén phần khí trong xi lanh, quá trình nén khí này làm tăng nhiệt độ của khí và tăng nội năng của khí. Để quan sát được tăng nhiệt độ thì ta có thể đo nhiệt lộ của khí sau khi nén.

- Hình b) là đang truyền nhiệt cho khí bằng cách đun nóng xi lanh, khi nhiệt môi bên ngoài của xi lanh cao hơn nhiệt độ bên trong của xi lanh thì khí ở bên trong sẽ hấp thụ nhiệt từ bên ngoài vào hay nói cách khác thì ta đun xi lanh thì bên ngoài xi lanh sẽ nóng nên 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 chi tiết:

Ví dụ về truyền nhiệt: ta đun một nồi nước, sau một thời gian nước trong nồi sẽ nóng lên và sôi. Nhiệt lượng nồi nhận được từ bếp sẽ truyền qua thành nồi làm cho nước nóng lên và sôi. Ta có thể thấy nước nóng lên và sôi thì động năng sẽ tăng lên, từ đó nội năng sẽ tăng lên.

Ví dụ về thực hiện công: Ta có thể dùng búa đập vào miếng sắt nhiều lần, sẽ thấy miếng sắt nóng lên. Dùng búa đập vào miếng sắt thì đấy chính là ta đang thực hiện công, còn miếng sắt nóng lên cho thấy được nội năng của vật đang tăng.

Câu hỏi 3: Các hệ thức sau đây mô tả các quá trình thay đổi nội năng nào?

Giải chi tiết:

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 chi tiết:

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 lực tạo ra bởi áp suất hơi nước để đẩy pit-tông qua lại bên trong xi lanh, lực này được biến đổi bằng một thanh nối và bánh đà, thành lực quay để làm việc.

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 sự giãn nở của khí ở nhiệt độ cao và áp suất cao do quá trình đốt cháy tác dụng một lực trực tiếp lên một số thành phần của động cơ, lực này giúp vật có thể 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 chi tiết:

1. Trong quá trình vật rắn nóng chảy thì nhiệt truyền vào vật rắn sẽ làm tăng nhiệt độ của nó, còn khi vật rắn đang nóng chảy rồi thì 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 nữa nên lúc này nội năng sẽ không thay đổi.

2. Trong quá trình nước đá tan thì nhiệt bên ngoài sẽ truyền vào đá để làm tan, còn khi nước đá đang tan thì năng lược nhiệt được sử dụng để làm phá vỡ các liên kết giữa các phân tử trong đá mà không làm thay đổi nhiệt độ nên nội năng lúc này sẽ không thay đổi tại nhiệt độ nước đá đang tan.

3. Trong quá trình ngưng tụ, lượng nhiệt thoát ra khỏi hơi nước để làm giảm nhiệt độ của nó, còn khi hơi nước đã ngưng tụ rồi thì 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 nên 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 chi tiết:

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 chi tiết:

- Ví dụ: Sự sôi của nước. Khi đun nước thì nhiệt từ bếp sẽ truyền qua nồi, nước trong nồi sẽ nhận được nhiệt, khi đó nước nóng lên thì các phân tử sẽ chuyển động nhanh hơn, khi đó các bọt chứa không khí và hơi nước nổi lên trong lòng nước 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 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.