Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM
I. KHÁI NIỆM NỘI NĂNG
1. Động năng phân tử và thế năng phân tử
Từ mô hình động học phân tử ở Bài 1, ta biết rằng các phân tử cấu tạo nên vật luôn chuyển động không ngừng và tương tác với nhau. Do đó, các phân tử có hai dạng năng lượng:
| Dạng năng lượng | Định nghĩa | Phụ thuộc vào |
|---|---|---|
| Động năng phân tử | Năng lượng mà phân tử có được do chuyển động hỗn loạn không ngừng | Tốc độ chuyển động của phân tử → Nhiệt độ của vật |
| Thế năng phân tử | Năng lượng mà phân tử có được do tương tác với nhau (lực liên kết phân tử) | Khoảng cách giữa các phân tử → Thể tích của vật |
Lưu ý: Động năng phân tử còn được gọi là nhiệt năng vì nó liên quan trực tiếp đến nhiệt độ của vật.
2. Định nghĩa nội năng
Nội năng của một vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật.
Kí hiệu: $U$
Đơn vị: Jun (J)
Công thức tổng quát:
$$U = \sum W_{đ(\text{phân tử})} + \sum W_{t(\text{phân tử})}$$
3. Nội năng phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Nội năng của một vật phụ thuộc vào hai yếu tố chính:
| Yếu tố | Giải thích |
|---|---|
| Nhiệt độ | Nhiệt độ càng cao → phân tử chuyển động càng nhanh → động năng phân tử tăng → nội năng tăng |
| Thể tích | Thể tích thay đổi → khoảng cách giữa các phân tử thay đổi → thế năng phân tử thay đổi → nội năng thay đổi |
Kết luận: $U = f(T, V)$ – Nội năng là hàm của nhiệt độ và thể tích.
4. Thí nghiệm minh họa mối liên hệ giữa nội năng và năng lượng phân tử
a) Dụng cụ thí nghiệm
- Ống nghiệm (1)
- Nút bấc có kích thước vừa khít miệng ống nghiệm (2)
- Đèn cồn (3)
- Giá đỡ thí nghiệm (4)
b) Tiến hành
- Bố trí thí nghiệm như hình vẽ
- Dùng đèn cồn đun nóng ống nghiệm cho đến khi nút bấc bật ra
c) Hiện tượng và giải thích
| Giai đoạn | Hiện tượng | Giải thích |
|---|---|---|
| Khi chưa bật | Không khí trong ống nghiệm nóng lên | – Không khí nhận năng lượng nhiệt từ đèn cồn
– Thể tích ống nghiệm không đổi → thế năng phân tử không đổ – Nhiệt độ tăng → động năng phân tử tăng – Nội năng của không khí tăng |
| Khi nút bật ra | Nút bấc bị đẩy ra khỏi ống nghiệm | – Các phân tử khí có động năng lớn, va chạm vào nút đủ mạnh
– Không khí thực hiện công đẩy nút bật ra – Một phần khí thoát ra ngoài → thế năng phân tử tăng – Nội năng của không khí giảm |
Kết luận từ thí nghiệm: Nội năng của vật có thể thay đổi do sự thay đổi của động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật.
II. ĐỊNH LUẬT I CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
1. Hai cách làm thay đổi nội năng
Có hai cách để làm thay đổi nội năng của một vật:
| Cách | Mô tả | Ví dụ |
|---|---|---|
| Thực hiện công | Tác dụng lực lên vật hoặc vật tác dụng lực lên vật khác | – Cọ xát đồng xu trên mặt sàn
– Bơm xe đạp (ống bơm nóng lên) – Nén khí trong xi lanh |
| Truyền nhiệt | Cho vật tiếp xúc với nguồn nhiệt (nóng hoặc lạnh) | – Thả đồng xu vào nước nóng
– Nung nóng thanh sắt – Cho vật vào tủ lạnh |
Lưu ý quan trọng:
- Thực hiện công: Có sự chuyển hóa giữa các dạng năng lượng (cơ năng ↔ nội năng)
- Truyền nhiệt: Chỉ có sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác, không có sự chuyển hóa năng lượng
2. Phát biểu định luật I của nhiệt động lực học
Định luật I: Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được.
3. Hệ thức của định luật I
$$\boxed{\Delta U = A + Q}$$
Trong đó:
- $\Delta U$: Độ biến thiên nội năng của vật (J)
- $A$: Công mà vật nhận được (J)
- $Q$: Nhiệt lượng mà vật nhận được (J)
4. Quy ước dấu của A và Q
| Đại lượng | Dấu dương (+) | Dấu âm (−) |
|---|---|---|
| Công A | Vật nhận công từ vật khác (bị nén) | Vật thực hiện công lên vật khác (dãn nở) |
| Nhiệt lượng Q | Vật nhận nhiệt từ vật khác (được đun nóng) | Vật tỏa nhiệt cho vật khác (bị làm lạnh) |
| Nội năng ΔU | Nội năng tăng | Nội năng giảm |
Sơ đồ quy ước dấu:
5. Các trường hợp đặc biệt của định luật I
| Trường hợp | Điều kiện | Hệ thức | Ý nghĩa |
|---|---|---|---|
| Chỉ truyền nhiệt | $A = 0$ | $\Delta U = Q$ | Nội năng thay đổi hoàn toàn do nhận/tỏa nhiệt |
| Chỉ thực hiện công | $Q = 0$ | $\Delta U = A$ | Nội năng thay đổi hoàn toàn do nhận/sinh công |
| Hệ cô lập | $A = 0, Q = 0$ | $\Delta U = 0$ | Nội năng không đổi (bảo toàn) |
| Quá trình đẳng nhiệt | $\Delta U = 0$ | $A + Q = 0$ hay $A = -Q$ | Công nhận được bằng nhiệt tỏa ra |
Bảng phân tích các trường hợp cụ thể:
| Hệ thức | Điều kiện | Mô tả quá trình |
|---|---|---|
| $\Delta U = Q$ với $Q > 0$ | $A = 0$ | Vật nhận nhiệt, nội năng tăng |
| $\Delta U = Q$ với $Q < 0$ | $A = 0$ | Vật tỏa nhiệt, nội năng giảm |
| $\Delta U = A$ với $A > 0$ | $Q = 0$ | Vật nhận công, nội năng tăng |
| $\Delta U = A$ với $A < 0$ | $Q = 0$ | Vật sinh công, nội năng giảm |
| $\Delta U = A + Q$ với $Q > 0, A < 0$ | — | Vật nhận nhiệt và sinh công |
| $\Delta U = A + Q$ với $Q < 0, A > 0$ | — | Vật nhận công và tỏa nhiệt |
III. ỨNG DỤNG ĐỊNH LUẬT I – ĐỘNG CƠ NHIỆT
1. Khái niệm động cơ nhiệt
Động cơ nhiệt là động cơ hoạt động dựa trên nguyên tắc biến nội năng của nhiên liệu thành cơ năng.
2. Ba bộ phận chính của động cơ nhiệt
| Bộ phận | Nhiệt độ | Chức năng |
|---|---|---|
| Nguồn nóng | $T_1$ (cao) | Cung cấp nhiệt lượng $Q_1$ cho động cơ |
| Bộ phận phát động | — | Tác nhân nhận nhiệt từ nguồn nóng, giãn nở sinh công $A$ |
| Nguồn lạnh | $T_2 < T_1$ (thấp) | Nhận nhiệt lượng $Q_2$ do động cơ tỏa ra |
Sơ đồ nguyên tắc hoạt động:
Giải thích:
- $Q_1$: Nhiệt lượng tác nhân nhận được từ nguồn nóng
- $Q_2$: Nhiệt lượng tác nhân truyền cho nguồn lạnh
- $A$: Công cơ học (công do tác nhân thực hiện để đẩy pít-tông và công do pít-tông thực hiện để đưa tác nhân về trạng thái ban đầu)
3. Máy hơi nước
Cấu tạo:
- (1) Nồi súp de (nguồn nóng)
- (2) Xi lanh và pít-tông (bộ phận phát động)
- (3) Bình ngưng hơi (nguồn lạnh)
Tác nhân: Hơi nước
Nguyên tắc hoạt động:
| Giai đoạn | Mô tả | Biến thiên nội năng |
|---|---|---|
| Nhận nhiệt | Hơi nước nhận năng lượng nhiệt từ nồi súp de, nhiệt độ tăng | $\Delta U_1 = Q_1 – A_1$ |
| Sinh công | Hơi nước trong xi lanh dãn nở, đẩy pít-tông sinh công | Nội năng giảm |
| Tỏa nhiệt | Hơi nước truyền nhiệt cho bình ngưng, về trạng thái ban đầu | $\Delta U_2 = -Q_2 + A_2$ |
4. Động cơ đốt trong
Cấu tạo:
- (1) Xi lanh
- (2) Pít-tông
- (3) Bu-gi (tạo tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí)
Tác nhân: Khí do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra trong xi lanh
Nguyên tắc hoạt động:
| Giai đoạn | Mô tả | Biến thiên nội năng |
|---|---|---|
| Nạp nhiên liệu | Hỗn hợp nhiên liệu và không khí được phun vào xi lanh | — |
| Đốt cháy | Bu-gi tạo tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp, nhiệt độ khí tăng mạnh | Nội năng tăng |
| Sinh công | Khí có nhiệt độ cao dãn nở, đẩy pít-tông xuống | $\Delta U_1 = Q_1 – A_1$ |
| Thải khí | Khí truyền nhiệt cho nguồn lạnh, pít-tông về vị trí cũ | $\Delta U_2 = -Q_2 + A_2$ |
Những lỗi thường gặp cần tránh
| Sai | Đúng |
|---|---|
| Nội năng chỉ phụ thuộc nhiệt độ | Nội năng phụ thuộc cả nhiệt độ và thể tích |
| $A > 0$ khi vật sinh công | $A > 0$ khi vật nhận công (bị nén) |
| $Q > 0$ khi vật tỏa nhiệt | $Q > 0$ khi vật nhận nhiệt (được đun nóng) |
| Truyền nhiệt có chuyển hóa năng lượng | Truyền nhiệt chỉ truyền nội năng, không chuyển hóa |
| Động năng phân tử phụ thuộc thể tích | Động năng phân tử phụ thuộc nhiệt độ |
Công thức tổng hợp
| Công thức | Ý nghĩa |
|---|---|
| $U = \sum W_{đ} + \sum W_{t}$ | Định nghĩa nội năng |
| $\Delta U = A + Q$ | Định luật I nhiệt động lực học |
| $\Delta U = Q$ (khi $A = 0$) | Chỉ truyền nhiệt |
| $\Delta U = A$ (khi $Q = 0$) | Chỉ thực hiện công |
| $A = -Q$ (khi $\Delta U = 0$) Quá trình đẳng nhiệt |
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn