Nội Năng – Định Luật I Nhiệt Động Lực Học
Khái niệm nội năng, hai cách làm thay đổi nội năng, hệ thức $\Delta U = A + Q$, quy ước dấu và ứng dụng trong động cơ nhiệt
Từ mô hình động học phân tử (Bài 1): các phân tử cấu tạo nên vật luôn chuyển động không ngừng và tương tác với nhau. Do đó mỗi phân tử có hai dạng năng lượng:
| Dạng năng lượng | Có được do | Phụ thuộc vào |
|---|---|---|
| Động năng phân tử | Chuyển động hỗn loạn không ngừng | Tốc độ phân tử → nhiệt độ |
| Thế năng phân tử | Tương tác (lực liên kết) giữa các phân tử | Khoảng cách phân tử → thể tích |
- Kí hiệu nội năng: U.
- Đơn vị: Jun (J).
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 phân tử thay đổi → thế năng phân tử thay đổi → nội năng thay đổi. |
▸ Thí nghiệm minh họa
Đun nóng không khí trong ống nghiệm có nút bấc bằng đèn cồn cho đến khi nút bấc bật ra.
| Giai đoạn | Hiện tượng & giải thích |
|---|---|
| Trước khi nút bật | Không khí nhận nhiệt từ đèn cồn; thể tích không đổi nên thế năng phân tử không đổi; nhiệt độ tăng → động năng phân tử tăng → nội năng tăng. |
| Khi nút bật ra | Các phân tử khí có động năng lớn va chạm đủ mạnh, không khí thực hiện công đẩy nút bật ra; một phần khí thoát ra ngoài → nội năng giảm. |
Có hai cách làm thay đổi nội năng của một vật:
| Cách | Mô tả | Ví dụ |
|---|---|---|
| Thực hiện công | Tác dụng lực làm vật biến dạng/chuyển động | Cọ xát đồng xu; bơm xe (ống bơm nóng); nén khí trong xi lanh |
| Truyền nhiệt | Cho vật tiếp xúc với nguồn nóng hoặc nguồn lạnh | Thả đồng xu vào nước nóng; nung thanh sắt; cho vật vào tủ lạnh |
• Truyền nhiệt: chỉ có sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác, không chuyển hóa dạng năng lượng.
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).
▸ Quy ước dấu của A và Q
Quy tắc chung: vật NHẬN vào thì dương (+), vật CHO/SINH ra thì âm (−).
| Đại lượng | Dấu (+) | Dấu (−) |
|---|---|---|
| Công $A$ | Vật nhận công (bị nén) | Vật sinh công (dãn nở) |
| Nhiệt lượng $Q$ | Vật nhận nhiệt (được đun nóng) | Vật tỏa nhiệt (bị làm lạnh) |
| Nội năng $\Delta U$ | Nội năng tăng | Nội năng giảm |
| Trường hợp | Điều kiện | Hệ thức |
|---|---|---|
| Chỉ truyền nhiệt | $A = 0$ | $\Delta U = Q$ |
| Chỉ thực hiện công | $Q = 0$ | $\Delta U = A$ |
| Hệ cô lập | $A = 0,\;Q = 0$ | $\Delta U = 0$ (bảo toàn) |
| Quá trình đẳng nhiệt | $\Delta U = 0$ | $A = -Q$ |
▸ Đọc ý nghĩa của hệ thức theo dấu A, Q
| Hệ thức & dấu | 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. |
▸ Ba bộ phận chính
| Bộ phận | 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, dãn nở sinh công $A$. |
| Nguồn lạnh ($T_2 < T_1$) | Nhận nhiệt lượng $Q_2$ do động cơ tỏa ra. |
▸ Sơ đồ nguyên tắc hoạt động
▸ Máy hơi nước
Tác nhân là hơi nước. Cấu tạo: nồi súp de (nguồn nóng) → xi lanh và pít-tông (bộ phận phát động) → bình ngưng hơi (nguồn lạnh). Hơi nước nhận nhiệt, dãn nở đẩy pít-tông sinh công, rồi tỏa nhiệt cho bình ngưng để về trạng thái ban đầu.
▸ Động cơ đốt trong
Tác nhân là khí do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra trong xi lanh. Bu-gi tạo tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí; khí nhiệt độ cao dãn nở đẩy pít-tông sinh công; sau đó thải khí và pít-tông về vị trí cũ.
▸ Hiệu suất của động cơ nhiệt
Trong một chu trình, tác nhân nhận nhiệt $Q_1$ từ nguồn nóng, sinh công có ích $A$ và tỏa nhiệt $Q_2$ cho nguồn lạnh. Theo bảo toàn năng lượng: $A = Q_1 - Q_2$.
Giải: $Q_1 = \dfrac{A}{H} = \dfrac{500}{0{,}25} = 2000$ J.
▸ Các dạng bài thường gặp
| Dạng | Cách làm |
|---|---|
| 1. Nội năng tăng/giảm trong quá trình chuyển thể | Xét vật nhận nhiệt (nóng chảy, hóa hơi) → nội năng tăng; tỏa nhiệt (đông đặc, ngưng tụ) → nội năng giảm. |
| 2. Áp dụng $\Delta U = A + Q$ | Xác định dấu của $A$, $Q$ (nhận = +, sinh/tỏa = −) rồi cộng lại; $\Delta U>0$ tăng, $\Delta U<0$ giảm. |
| 3. Kết hợp cơ – nhiệt (ma sát) | Tính cơ năng $W_1$, $W_2$; công ma sát $A_{ms} = W_2 - W_1$; nếu bỏ qua trao đổi nhiệt thì $\Delta U = |A_{ms}|$. |
| 4. Giải thích hiện tượng thực tế | Xét vật nhận/sinh công, nhận/tỏa nhiệt → dùng định luật I suy ra nội năng tăng/giảm. |
▸ Công thức tổng hợp
| Công thức | Ý nghĩa |
|---|---|
| $\Delta U = A + Q$ | Định luật I nhiệt động lực học. |
| $\Delta U = Q$ (khi $A = 0$) | Quá trình chỉ truyền nhiệt. |
| $\Delta U = A$ (khi $Q = 0$) | Quá trình chỉ thực hiện công. |
| $A = -Q$ (khi $\Delta U = 0$) | Quá trình đẳng nhiệt. |
▸ Lỗi sai thường gặp
| ❌ Sai | ✅ Đúng |
|---|---|
| Nội năng chỉ phụ thuộc nhiệt độ | 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 |
| Truyền nhiệt có chuyển hóa năng lượng | Truyền nhiệt chỉ truyền nội năng |
| Động năng phân tử phụ thuộc thể tích | Động năng phân tử phụ thuộc nhiệt độ |
Sơ đồ tư duy, bảng tóm tắt công thức, các dạng bài tập từ cơ bản đến nâng cao và lỗi sai thường gặp.
Đã nắm vững lý thuyết, các em chuyển sang tab Bài Tập để luyện 25 câu bám sát SGK nhé!
Cùng luyện Bài 2 – Nội năng. Định luật I NĐLH!
25 câu: 19 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận
Tuyệt vời!
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