Nội năng. Định luật 1 của nhiệt động lực học SVIP

1. NỘI NĂNG

Khái niệm về nội năng

Vì các phân tử chuyển động không ngừng nên chúng có động năng. Động năng phân tử phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của phân tử.

Vì các phân tử tương tác với nhau nên chúng có thế năng. Thế năng phân tử phụ thuộc vào khoảng các giữa các phân tử.

Tổng của động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật được gọi là nội năng của vật.

Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật, được kí hiệu bằng chữ U và có đơn vị là jun (J).

Thí nghiệm về mối liên hệ giữa nội năng và năng lượng của các phân tử 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 vẽ.
• Dùng đèn cồn đun nóng ống nghiệm cho đến khi nút bấc bật ra.

Kết quả: Sau một thời gian ngắn bị đốt nóng, nút bấc bị bật ra khỏi ống nghiệm.

Giải thích: Khi đun nóng, nhiệt độ của không khí trong ống nghiệm tăng làm các phân tử khí di chuyển nhanh hơn và va chạm mạnh hơn, góp phần làm tăng nội năng của không khí. Động năng tăng gây áp suất lớn, khi đủ cao, áp suất này đẩy nút bấc bật ra ngoài.

Nhận xét: Thí nghiệm trên chứng tỏ, có mối liên hệ giữa nội năng của khối khí và năng lượng (cụ thể là động năng) của các phân tử cấu tạo nên nó. Khi động năng của các phân tử khí tăng thì nội năng của khối khí tăng và ngược lại.

2. CÁC CÁCH LÀM THAY ĐỔI NỘI NĂNG

Có hai cách làm thay đổi nội năng là thực hiện công và truyền năng lượng nhiệt (gọi tắt là truyền nhiệt).

Thực hiện công

Quá trình thực hiện công làm cho nội năng của vật thay đổi, vật nhận công thì nội năng tăng, vật thực hiện công cho vật khác thì nội năng giảm.

Truyền nhiệt

Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau thì xảy ra quá trình truyền nhiệt. Quá trình này làm thay đổi nội năng của các vật.

Nhiệt lượng, nhiệt dung riêng

Nhiệt lượng mà một vật có khối lượng $m$ trao đổi khi thay đổi nhiệt độ từ \(T_1\) (K) đến \(T_2\) (K) là:

\(Q=mc\left(T_2-T_1\right)\)

Trong đó:

• $c$ là nhiệt dung riêng của chất, đơn vị là J/kg.K. Nhiệt dung riêng của một chất có giá trị bằng nhiệt lượng để làm tăng nhiệt độ của 1 kg chất đó lên 1 K;
• $Q>0$: vật nhận nhiệt lượng, nhiệt độ của vật tăng lên;
• $Q<0$: vật truyền nhiệt lượng cho vật khác, nhiệt độ của vật giảm xuống.

3. ĐỊNH LUẬT I CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

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:

\(\Delta U=A+Q\)

Quy ước về dấu của \(A\) và \(Q\) trong hệ thức trên:

• \(Q>0\): 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.

Lưu ý: Vật ở đây là vật rắn, khối chất lỏng và khối chất khí.

Nhiệt lượng là số đo nhiệt năng được truyền từ vật này sang vật khác trong quá trình truyền nhiệt. Khi không có quá trình truyền nhiệt thì không có nhiệt lượng.

1. Nội năng của một vật là tổng động năng và thế năng tương tác của các phân tử cấu tạo nên vật. Nội năng của vật phụ thuộc vào nhiệt độ $T$ và thể tích $V$ của vật.

2. Khi năng lượng của các phân tử cấu tạo nên vật tăng thì nội năng của vật tăng và ngược lại.

3. Quá trình thực hiện công làm cho nội năng của vật thay đổi, vật nhận công thì nội năng tăng, vật thực hiện công cho vật khác thì nội năng giảm.

4. Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau thì xảy ra quá trình truyền nhiệt. Quá trình này làm thay đổi nội năng của các vật.

5. Số đo độ biến thiên nội năng trong quá trình truyền nhiệt gọi là nhiệt lượng. Nhiệt lượng vật trao đổi (tỏa ra hoặc nhận vào) được xác định bằng công thức: \(Q=mc\left(T_2-T_1\right)\).

6. Nhiệt dung riêng của một chất có giá trị bằng nhiệt lượng để làm tăng nhiệt độ của 1 kg của chất đó lên 1 K. Biểu thức: \(c=\dfrac{Q}{m\left(T_2-T_1\right)}\).

7. Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được: \(\Delta U=A+Q.\)