PHẦN 1: LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

I – Một số tính chất của phân tử, nguyên tử

Vào cuối thế kỉ XIX, các nhà khoa học đã xác định được hai tính chất cơ bản của phân tử, nguyên tử:

Tính chất 1: Nhiệt độ của vật càng cao, chuyển động hỗn loạn của các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên vật càng nhanh. Ngược lại, nhiệt độ càng thấp thì chuyển động càng chậm.

Tính chất 2: Giữa các phân tử, nguyên tử luôn tồn tại lực hút và lực đẩy, gọi chung là lực tương tác phân tử, nguyên tử.

Thí nghiệm Brown (1827):

Nhà khoa học người Anh Robert Brown quan sát bằng kính hiển vi các hạt phấn hoa trong nước, thấy chúng chuyển động không ngừng về mọi hướng. Nguyên nhân: các phân tử nước chuyển động hỗn loạn, va chạm vào hạt phấn hoa từ mọi phía, đẩy hạt phấn hoa di chuyển theo các hướng ngẫu nhiên.

Thí nghiệm còn cho thấy: khi nhiệt độ nước càng cao → hạt phấn hoa chuyển động càng nhanh → chứng tỏ phân tử nước chuyển động nhanh hơn và va chạm mạnh hơn.

Câu hỏi vận dụng:

Ở nhiệt độ phòng, phân tử không khí chuyển động với tốc độ hàng trăm đến hàng nghìn m/s. Tại sao khi mở lọ nước hoa ở đầu lớp, phải một lúc sau người ở cuối lớp mới ngửi thấy?

Trả lời: Mặc dù phân tử nước hoa chuyển động rất nhanh, nhưng trên đường đi chúng liên tục va chạm với vô số phân tử không khí đang chuyển động hỗn loạn. Mỗi lần va chạm, phân tử nước hoa bị đổi hướng → quãng đường thực tế rất dài dù khoảng cách thẳng ngắn → phải mất một lúc mùi thơm mới lan đến cuối lớp.

II – Khái niệm năng lượng nhiệt

Vì nhiệt độ càng cao thì phân tử, nguyên tử chuyển động hỗn loạn càng nhanh, nên chuyển động này được gọi là chuyển động nhiệt.

Năng lượng nhiệt (gọi tắt là nhiệt năng) là năng lượng mà vật có được nhờ chuyển động nhiệt của các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên vật.

Hai điểm quan trọng cần nhớ:

• Mọi vật đều được cấu tạo từ phân tử, nguyên tử chuyển động hỗn loạn không ngừng → mọi vật đều có nhiệt năng, dù nóng hay lạnh.
• Khi tăng nhiệt độ của vật → phân tử chuyển động nhanh hơn → nhiệt năng tăng. Khi giảm nhiệt độ → nhiệt năng giảm.

Câu hỏi củng cố:

Phát biểu nào đúng khi nói về nhiệt năng?

A. Chỉ những vật có khối lượng lớn mới có nhiệt năng.

B. Bất kì vật nào dù nóng hay lạnh đều có nhiệt năng. ✓

C. Chỉ những vật có nhiệt độ cao mới có nhiệt năng.

D. Chỉ những vật có trọng lượng riêng lớn mới có nhiệt năng.

Đáp án: B. Mọi vật đều có phân tử chuyển động hỗn loạn → mọi vật đều có nhiệt năng, không phân biệt nóng hay lạnh, nặng hay nhẹ.

Nhiệt năng là gì?

Nhiệt năng của một vật là tổng động năng của các phân tử cấu tạo nên vật.

(Lưu ý phân biệt: nhiệt năng = tổng động năng phân tử; nội năng = tổng động năng + thế năng phân tử. Xem phần III.)

Có mấy cách làm thay đổi nhiệt năng?

Có 2 cách:

• Thực hiện công (ví dụ: xoa hai tay vào nhau, cọ xát vật lên mặt bàn → tay/vật nóng lên).
• Truyền nhiệt (ví dụ: hơ tay trên ngọn lửa, bỏ đá vào nước nóng → đá nhận nhiệt, nước mất nhiệt).

III – Khái niệm nội năng

1. Động năng và thế năng của phân tử, nguyên tử

a) Động năng:

Phân tử, nguyên tử luôn chuyển động hỗn loạn không ngừng → chúng có động năng. Chuyển động càng nhanh → động năng càng lớn.

b) Thế năng:

Thế năng là năng lượng mà vật có được nhờ tương tác với các vật khác. Các phân tử, nguyên tử tương tác với nhau qua lực hút và lực đẩy → chúng có thế năng tương tác phân tử, nguyên tử (gọi tắt là thế năng phân tử). Thế năng này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử.

2. Nội năng

Nội năng của một vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên vật.

$$\text{Nội năng} = \sum \text{Động năng phân tử} + \sum \text{Thế năng phân tử}$$

3. Sự tăng, giảm nội năng

Khi thả quả cầu kim loại (nhiệt độ phòng) vào cốc nước nóng:

• Quả cầu nhận nhiệt năng từ nước → nhiệt độ quả cầu tăng → động năng phân tử kim loại tăng → nội năng quả cầu tăng.
• Nước truyền bớt nhiệt năng cho quả cầu → nhiệt độ nước giảm → động năng phân tử nước giảm → nội năng nước giảm.

Kết luận: Khi vật được làm nóng, các phân tử, nguyên tử chuyển động nhanh lên và nội năng của vật tăng.

Câu hỏi vận dụng – Đun nước sôi:

• Từ khi bắt đầu đun đến khi nước sôi: nước nhận nhiệt năng → phân tử nước chuyển động nhanh hơn → nội năng tăng → nhiệt độ tăng dần đến 100 °C.
• Khi nước đã sôi (100 °C): dù tiếp tục đun, nhiệt độ không tăng nữa. Nhiệt năng nhận được lúc này dùng để chuyển nước từ thể lỏng sang thể hơi (thay đổi thế năng phân tử, phá vỡ liên kết giữa các phân tử nước).

PHÂN BIỆT CÁC KHÁI NIỆM QUAN TRỌNG

Nhiệt năng ≠ Nội năng (nhiệt năng chỉ gồm động năng phân tử, nội năng gồm cả thế năng phân tử).

Nội năng ≠ Nhiệt lượng (nội năng là năng lượng vật đang có, nhiệt lượng là phần năng lượng trao đổi).

PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP

Dạng 1: Nhận biết khái niệm nhiệt năng, nội năng, nhiệt lượng

Phương pháp:

Phân biệt rõ ba khái niệm:

• Nhiệt năng = tổng động năng phân tử → mọi vật đều có (dù nóng hay lạnh).
• Nội năng = động năng + thế năng phân tử → phụ thuộc nhiệt độ và thể tích.
• Nhiệt lượng = phần nhiệt năng nhận được hoặc mất đi khi truyền nhiệt.

Các bẫy thường gặp:

• “Nội năng chính là nhiệt lượng” → Sai (nội năng là năng lượng tổng, nhiệt lượng là phần trao đổi).
• “Nhiệt năng là tổng động năng và thế năng phân tử” → Sai (đó là nội năng, không phải nhiệt năng).

Ví dụ 1:

Tìm phát biểu sai:

A. Nội năng là một dạng năng lượng nên có thể chuyển hoá thành các dạng khác.

B. Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.

C. Nội năng chính là nhiệt lượng của vật.

D. Nội năng của vật có thể tăng hoặc giảm.

Hướng dẫn giải:

• A – Đúng: nội năng có thể chuyển hoá sang cơ năng, điện năng,…
• B – Đúng: nội năng phụ thuộc nhiệt độ (ảnh hưởng động năng) và thể tích (ảnh hưởng khoảng cách phân tử → thế năng).
• C – Sai. Nội năng là tổng năng lượng (động năng + thế năng) của các phân tử. Nhiệt lượng chỉ là phần năng lượng trao đổi trong quá trình truyền nhiệt. Hai khái niệm khác nhau.
• D – Đúng: khi vật nhận/mất nhiệt hoặc được thực hiện công thì nội năng thay đổi.

Đáp án: C ✓

Ví dụ 2:

Câu nào sau đây về nhiệt năng là không đúng?

A. Nhiệt năng là năng lượng vật nào cũng có.

B. Nhiệt năng là tổng động năng của các phân tử cấu tạo nên vật.

C. Nhiệt năng là tổng động năng và thế năng của vật.

D. Nhiệt năng là một dạng năng lượng.

Hướng dẫn giải:

• A – Đúng: mọi vật đều có nhiệt năng vì phân tử luôn chuyển động.
• B – Đúng: nhiệt năng = tổng động năng phân tử.
• C – Sai. “Tổng động năng và thế năng” là nội năng, không phải nhiệt năng. Nhiệt năng chỉ gồm tổng động năng phân tử.
• D – Đúng: nhiệt năng là một dạng năng lượng.

Đáp án: C ✓

Dạng 2: Xác định cách làm thay đổi nội năng (thực hiện công hay truyền nhiệt)

Phương pháp:

Ví dụ 1:

Trường hợp nào sau đây nội năng biến đổi không phải do truyền nhiệt?

A. Chậu nước để ngoài nắng nóng lên.

B. Gió mùa đông bắc làm không khí lạnh đi.

C. Khi trời lạnh, xoa hai bàn tay vào nhau cho ấm lên.

D. Cho cơm nóng vào bát thì bưng bát cũng thấy nóng.

Hướng dẫn giải:

• A – Truyền nhiệt: ánh nắng truyền nhiệt cho chậu nước.
• B – Truyền nhiệt: gió lạnh lấy bớt nhiệt từ không khí.
• C – Thực hiện công. Khi xoa hai tay, có lực ma sát (lực cơ học) tác dụng → động năng chuyển hoá thành nhiệt năng → tay nóng lên. Đây không phải truyền nhiệt mà là thực hiện công.
• D – Truyền nhiệt: cơm nóng truyền nhiệt cho bát.

Đáp án: C ✓

Ví dụ 2:

Cách nào sau đây không làm thay đổi nội năng của vật?

A. Cọ xát vật lên mặt bàn.

B. Đốt nóng vật.

C. Làm lạnh vật.

D. Đưa vật lên cao.

Hướng dẫn giải:

• A – Cọ xát = thực hiện công → nội năng thay đổi.
• B – Đốt nóng = truyền nhiệt → nội năng thay đổi.
• C – Làm lạnh = truyền nhiệt (vật mất nhiệt) → nội năng thay đổi.
• D – Đưa vật lên cao chỉ làm tăng thế năng hấp dẫn (cơ năng) của vật so với mặt đất, không liên quan đến chuyển động nhiệt hay tương tác phân tử bên trong vật → nội năng không thay đổi.

Đáp án: D ✓

Dạng 3: Xác định sự thay đổi nhiệt năng, nội năng khi truyền nhiệt

Phương pháp:

Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc:

• Vật nóng hơn → truyền nhiệt năng → nhiệt năng và nội năng giảm → nhiệt độ giảm.
• Vật lạnh hơn → nhận nhiệt năng → nhiệt năng và nội năng tăng → nhiệt độ tăng.
• Nhiệt lượng = phần nhiệt năng trao đổi = nhiệt năng sau − nhiệt năng trước.

Ví dụ 1:

Bỏ thỏi kim loại nung nóng đến 90 °C vào cốc nước ở 24 °C. Nhiệt năng thay đổi thế nào?

A. Nhiệt năng thỏi kim loại tăng, nước giảm.

B. Cả hai đều tăng.

C. Nhiệt năng thỏi kim loại giảm, nước tăng.

D. Cả hai đều giảm.

Hướng dẫn giải:

Thỏi kim loại (90 °C) nóng hơn nước (24 °C) → thỏi kim loại truyền nhiệt cho nước:

• Nhiệt năng thỏi kim loại giảm (vì mất nhiệt, nhiệt độ giảm).
• Nhiệt năng nước tăng (vì nhận nhiệt, nhiệt độ tăng).

Đáp án: C ✓

Ví dụ 2:

Một vật có nhiệt năng ban đầu 200 J, sau khi nung nóng nhiệt năng là 400 J. Nhiệt lượng vật nhận được là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Nhiệt lượng là phần nhiệt năng mà vật nhận thêm:

$$Q = 400 – 200 = 200 \text{ (J)}$$

Đáp án: 200 J ✓

Dạng 4: Giải thích hiện tượng thực tế liên quan đến nhiệt năng và nội năng

Phương pháp:

Bước 1 – Xác định hiện tượng liên quan đến nhiệt năng/nội năng.

Bước 2 – Giải thích dựa trên chuyển động phân tử và sự truyền nhiệt/thực hiện công.

Bước 3 – Kết luận sự thay đổi nhiệt năng, nội năng.

Ví dụ 1:

Tại sao khi xoa hai bàn tay vào nhau thì tay nóng lên?

Hướng dẫn giải:

Khi xoa hai bàn tay vào nhau, giữa hai bề mặt da xuất hiện lực ma sát. Lực ma sát là lực cơ học → năng lượng từ chuyển động (động năng) của hai bàn tay được chuyển hoá thành nhiệt năng.

Ở cấp độ phân tử: khi xoa tay, các phân tử, nguyên tử ở bề mặt da bị kích thích, dao động nhanh hơn → động năng phân tử tăng → nhiệt năng tăng → tay nóng lên.

Đây là cách làm thay đổi nội năng bằng thực hiện công (không phải truyền nhiệt).

Ví dụ 2:

Tại sao khi nước đã sôi (100 °C), dù tiếp tục đun, nhiệt độ nước vẫn không tăng?

Hướng dẫn giải:

Khi nước chưa sôi: nhiệt năng nhận từ nguồn nhiệt làm phân tử nước chuyển động nhanh hơn → động năng phân tử tăng → nội năng tăng → nhiệt độ tăng dần đến 100 °C.

Khi nước đã sôi ở 100 °C: nhiệt năng nhận được không dùng để tăng tốc độ phân tử nữa, mà dùng để phá vỡ liên kết giữa các phân tử nước lỏng → nước chuyển từ thể lỏng sang thể hơi (bay hơi mạnh). Trong quá trình này, thế năng phân tử thay đổi (khoảng cách giữa phân tử tăng mạnh) nhưng động năng phân tử không tăng → nhiệt độ giữ nguyên 100 °C.

Ví dụ 3:

Một viên đạn đang bay trên cao có những dạng năng lượng nào?

Hướng dẫn giải:

Viên đạn đang bay trên cao có ba dạng năng lượng:

• Động năng: vì viên đạn đang chuyển động (bay).
• Thế năng hấp dẫn: vì viên đạn ở trên cao so với mặt đất.
• Nhiệt năng: vì các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên viên đạn luôn chuyển động hỗn loạn không ngừng → viên đạn luôn có nhiệt năng.

PHẦN 3: SƠ ĐỒ TƯ DUY

1. TÍNH CHẤT PHÂN TỬ, NGUYÊN TỬ

• Nhiệt độ càng cao → chuyển động hỗn loạn càng nhanh
• Giữa các phân tử có lực hút và lực đẩy (lực tương tác phân tử)
• Thí nghiệm Brown: hạt phấn hoa chuyển động hỗn loạn do bị phân tử nước va chạm

2. NĂNG LƯỢNG NHIỆT (NHIỆT NĂNG)

• Chuyển động hỗn loạn của phân tử = chuyển động nhiệt
• Nhiệt năng = năng lượng vật có được nhờ chuyển động nhiệt = tổng động năng phân tử
• Mọi vật đều có nhiệt năng (dù nóng hay lạnh)
• Nhiệt độ tăng → nhiệt năng tăng; nhiệt độ giảm → nhiệt năng giảm
• 2 cách thay đổi nhiệt năng: thực hiện công hoặc truyền nhiệt

3. NỘI NĂNG

• 3.1. Động năng phân tử
  • Phân tử chuyển động → có động năng
  • Chuyển động càng nhanh → động năng càng lớn
• 3.2. Thế năng phân tử
  • Phân tử tương tác nhau → có thế năng
  • Phụ thuộc khoảng cách giữa các phân tử
• 3.3. Nội năng = tổng động năng + thế năng phân tử
• 3.4. Sự tăng, giảm nội năng
  • Vật được làm nóng → phân tử chuyển động nhanh hơn → nội năng tăng
  • Vật nguội đi → phân tử chuyển động chậm hơn → nội năng giảm
  • Truyền nhiệt: vật nóng → mất nhiệt (nội năng giảm); vật lạnh → nhận nhiệt (nội năng tăng)

4. NHIỆT LƯỢNG

• Phần nhiệt năng mà vật nhận được hoặc mất đi trong quá trình truyền nhiệt
• $Q = \text{Nhiệt năng sau} – \text{Nhiệt năng trước}$

5. PHÂN BIỆT

• Nhiệt năng = tổng động năng phân tử
• Nội năng = động năng + thế năng phân tử
• Nhiệt lượng = phần năng lượng trao đổi khi truyền nhiệt

Cô Trần Thị Thanh Thảo

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Khoa Học Tự Nhiên THCS

Trình độ: Cử nhân Sư phạm KHTN, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 6+ năm kinh nghiệm tại Trường THCS Nguyễn Siêu