I. GIỚI THIỆU

1. Tổng quan

Bài viết này tổng hợp 3 nội dung chính trong chương Nhiệt học – Vật lý 10:

1. Hiệu suất nhiệt – Đánh giá hiệu quả sử dụng nhiệt lượng trong các thiết bị như bếp đun, động cơ nhiệt, ấm điện. Hiệu suất cho biết bao nhiêu phần trăm năng lượng đầu vào được chuyển thành năng lượng có ích.

2. Nội năng – Năng lượng bên trong của vật, bao gồm động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật. Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ, thể tích và trạng thái của vật.

3. Nhiệt động lực học – Nguyên lý I và II nhiệt động lực học, mô tả mối quan hệ giữa nhiệt lượng, công và nội năng. Đây là nền tảng lý thuyết quan trọng nhất của nhiệt học.

2. Phân biệt các khái niệm cơ bản

Để hiểu rõ các công thức, trước hết cần phân biệt các đại lượng vật lý:

Lưu ý quan trọng:

• Nhiệt lượng Q là năng lượng truyền đi từ vật này sang vật khác
• Nội năng U là năng lượng chứa bên trong vật
• Công A là năng lượng truyền qua làm việc cơ học
• Ba đại lượng Q, U, A đều có cùng đơn vị là Jun (J)

II. HIỆU SUẤT NHIỆT LƯỢNG

1. Định nghĩa hiệu suất

Hiệu suất (H) là đại lượng đặc trưng cho mức độ hiệu quả của việc chuyển hóa năng lượng trong một thiết bị hay quá trình. Hiệu suất được định nghĩa là tỷ số giữa năng lượng có ích (mà ta cần) và năng lượng toàn phần (mà ta cung cấp).

Ký hiệu:

• H (viết tắt từ tiếng Pháp “rendement”)
• η (chữ eta trong bảng chữ cái Hy Lạp)

Đơn vị:

• Phần trăm (%)
• Hoặc không có đơn vị (khi biểu diễn dưới dạng tỷ số thập phân)

Giá trị: Hiệu suất luôn nằm trong khoảng từ 0 đến 1 (hoặc 0% đến 100%)

2. Công thức hiệu suất tổng quát

📌 Công thức cơ bản:

$$\boxed{H = \frac{\text{Năng lượng có ích}}{\text{Năng lượng toàn phần}} \times 100\%}$$

Hoặc viết dưới dạng nhiệt lượng:

$$\boxed{H = \frac{Q_{\text{có ích}}}{Q_{\text{toàn phần}}} \times 100\%}$$

Ý nghĩa vật lý:

• Tử số (năng lượng có ích): phần năng lượng thực sự được sử dụng vào mục đích mong muốn
• Mẫu số (năng lượng toàn phần): tổng năng lượng đã cung cấp cho thiết bị
• Hiệu suất luôn nhỏ hơn 100% do có tổn thất năng lượng

Năng lượng hao phí: $$Q_{\text{hao phí}} = Q_{\text{toàn phần}} – Q_{\text{có ích}}$$

3. Hiệu suất của các thiết bị cụ thể

a) Hiệu suất bếp đun (ấm đun nước)

Công thức:

$$\boxed{H = \frac{Q_{\text{thu}}}{Q_{\text{cung cấp}}} \times 100\% = \frac{mc\Delta t}{Q_{\text{cung cấp}}} \times 100\%}$$

Trong đó:

• $Q_{\text{thu}}$ = $mc\Delta t$: nhiệt lượng mà nước (hoặc chất cần đun) thu vào
• $m$: khối lượng chất cần đun (kg)
• $c$: nhiệt dung riêng của chất (J/kg.K)
  • Nước: $c = 4200$ J/kg.K
  • Nhôm: $c = 880$ J/kg.K
  • Sắt: $c = 460$ J/kg.K
• $\Delta t = t_2 – t_1$: độ tăng nhiệt độ (K hoặc °C)
• $Q_{\text{cung cấp}}$: tổng nhiệt lượng mà bếp tỏa ra

Ví dụ 1: Hiệu suất bếp ga

Một bếp ga được dùng để đun 2 kg nước từ nhiệt độ 20°C lên 100°C. Biết nhiệt lượng mà bếp cung cấp là 700 kJ. Tính hiệu suất của bếp?

Lời giải:

Bước 1: Tính nhiệt lượng nước thu vào $$Q_{\text{thu}} = mc\Delta t = 2 \times 4200 \times (100 – 20)$$ $$= 2 \times 4200 \times 80 = 672,000 \text{ J} = 672 \text{ kJ}$$

Bước 2: Tính hiệu suất $$H = \frac{Q_{\text{thu}}}{Q_{\text{cung cấp}}} \times 100% = \frac{672}{700} \times 100% = 96%$$

Kết luận: Hiệu suất của bếp ga là 96%. Điều này có nghĩa là 96% nhiệt lượng từ ga được truyền vào nước, còn 4% bị hao phí ra môi trường xung quanh.

b) Hiệu suất động cơ nhiệt

Động cơ nhiệt là thiết bị biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. Ví dụ: động cơ xăng, động cơ diesel, máy hơi nước.

Công thức 1: (Theo công sinh ra)

$$\boxed{H = \frac{A}{Q_1} \times 100\%}$$

Công thức 2: (Theo nhiệt lượng)

$$\boxed{H = \frac{Q_1 – Q_2}{Q_1} \times 100\% = \left(1 – \frac{Q_2}{Q_1}\right) \times 100\%}$$

Trong đó:

• $A$: công mà động cơ sinh ra (J)
• $Q_1$: nhiệt lượng nhận từ nguồn nóng (J)
• $Q_2$: nhiệt lượng thải ra nguồn lạnh (J)

Giải thích:

• Động cơ nhiệt hoạt động giữa hai nguồn nhiệt
• Nguồn nóng (nhiệt độ cao): cung cấp nhiệt lượng $Q_1$
• Nguồn lạnh (nhiệt độ thấp): nhận nhiệt lượng thải $Q_2$
• Phần nhiệt lượng $Q_1 – Q_2$ được chuyển thành công $A$

Mối quan hệ: $A = Q_1 – Q_2$

c) Hiệu suất ấm điện (nhiệt điện)

Công thức:

$$\boxed{H = \frac{Q_{\text{thu}}}{A_{\text{điện}}} \times 100\% = \frac{mc\Delta t}{UIt} \times 100\%}$$

Trong đó:

• $Q_{\text{thu}} = mc\Delta t$: nhiệt lượng nước thu vào
• $A_{\text{điện}}$: điện năng tiêu thụ
• Công thức điện năng: $A_{\text{điện}} = UIt = Pt = I^2Rt = \frac{U^2}{R}t$
  • $U$: hiệu điện thế (V)
  • $I$: cường độ dòng điện (A)
  • $P$: công suất điện (W)
  • $R$: điện trở (Ω)
  • $t$: thời gian (s)

Ví dụ 2: Hiệu suất ấm điện

Một ấm điện có ghi 220V – 1000W được dùng để đun 1.5 kg nước từ 25°C lên 100°C trong thời gian 8 phút. Tính hiệu suất của ấm?

Lời giải:

Bước 1: Tính nhiệt lượng nước thu vào $$Q_{\text{thu}} = mc\Delta t = 1.5 \times 4200 \times (100 – 25)$$ $$= 1.5 \times 4200 \times 75 = 472,500 \text{ J}$$

Bước 2: Tính điện năng tiêu thụ $$A_{\text{điện}} = Pt = 1000 \times (8 \times 60) = 1000 \times 480 = 480,000 \text{ J}$$

Bước 3: Tính hiệu suất $$H = \frac{472,500}{480,000} \times 100% = 98.44% \approx 98.4%$$

Kết luận: Hiệu suất của ấm điện là khoảng 98.4%, rất cao so với các thiết bị nhiệt khác.

4. Hiệu suất lý tưởng (Chu trình Carnot)

Định lý Carnot: Không có động cơ nhiệt nào hoạt động giữa hai nguồn nhiệt có hiệu suất cao hơn động cơ Carnot lý tưởng.

Hiệu suất cực đại của động cơ nhiệt:

$$\boxed{H_{\max} = \left(1 – \frac{T_2}{T_1}\right) \times 100\%}$$

Trong đó:

• $T_1$: nhiệt độ tuyệt đối của nguồn nóng (K)
• $T_2$: nhiệt độ tuyệt đối của nguồn lạnh (K)
• $T(K) = t(°C) + 273$

Lưu ý quan trọng:

• Đây là hiệu suất lý tưởng, không thể đạt được trong thực tế
• Mọi động cơ thực tế đều có hiệu suất thấp hơn hiệu suất Carnot
• Phải đổi nhiệt độ từ °C sang K (Kelvin)

Ví dụ 3: Hiệu suất lý tưởng

Một động cơ nhiệt hoạt động giữa nguồn nóng 400°C và nguồn lạnh 100°C. Tính hiệu suất lý tưởng của động cơ?

Lời giải:

Bước 1: Đổi nhiệt độ sang Kelvin

• $T_1 = 400 + 273 = 673$ K
• $T_2 = 100 + 273 = 373$ K

Bước 2: Tính hiệu suất lý tưởng $$H_{\max} = \left(1 – \frac{373}{673}\right) \times 100%$$ $$= \left(1 – 0.554\right) \times 100%$$ $$= 0.446 \times 100% \approx 44.6%$$

Kết luận: Hiệu suất lý tưởng là khoảng 44.6%. Trong thực tế, động cơ thực chỉ đạt được 25-35% do ma sát và tổn thất nhiệt.

III. NỘI NĂNG

1. Định nghĩa nội năng

Nội năng (U) là tổng động năng và thế năng của tất cả các phân tử cấu tạo nên vật. Nói cách khác, nội năng là năng lượng được chứa bên trong vật, không phụ thuộc vào chuyển động hay vị trí của vật như một tổng thể.

Ký hiệu: U (từ tiếng Anh “internal energy”)

Đơn vị: Jun (J)

Thành phần của nội năng:

• Động năng phân tử: Năng lượng do chuyển động hỗn loạn của các phân tử (dao động, quay, tịnh tiến)
• Thế năng phân tử: Năng lượng tương tác giữa các phân tử

2. Nội năng phụ thuộc vào gì?

✅ CÁC YẾU TỐ NỘI NĂNG PHỤ THUỘC VÀO:

1. Nhiệt độ (T):

• Nhiệt độ tăng → Động năng phân tử tăng → Nội năng tăng
• Nhiệt độ giảm → Động năng phân tử giảm → Nội năng giảm
• Đây là yếu tố quan trọng nhất

2. Thể tích (V):

• Áp dụng cho chất khí
• Thể tích tăng → Khoảng cách phân tử tăng → Thế năng tương tác thay đổi
• Với khí lý tưởng: nội năng chỉ phụ thuộc nhiệt độ, không phụ thuộc thể tích

3. Số phân tử (khối lượng m):

• Khối lượng tăng → Số phân tử tăng → Nội năng tăng tỷ lệ thuận

4. Trạng thái vật chất:

• Rắn, lỏng, khí có nội năng khác nhau ở cùng nhiệt độ
• Nước đá 0°C có nội năng nhỏ hơn nước lỏng 0°C

❌ CÁC YẾU TỐ NỘI NĂNG KHÔNG PHỤ THUỘC VÀO:

1. Vị trí của vật:

• Nội năng không thay đổi khi di chuyển vật (thế năng trọng trường không tính vào nội năng)

2. Vận tốc của vật:

• Nội năng không thay đổi khi vật chuyển động thẳng đều (động năng chuyển động tổng thể không tính vào nội năng)

3. Công thức tính nội năng

a) Đối với khí lý tưởng đơn nguyên tử

Công thức:

$$\boxed{U = \frac{3}{2}nRT = \frac{3}{2}NkT}$$

Trong đó:

• $n$: số mol khí
• $R$: hằng số khí lý tưởng = 8.31 J/(mol.K)
• $T$: nhiệt độ tuyệt đối (K)
• $N$: số phân tử khí
• $k$: hằng số Boltzmann = $1.38 \times 10^{-23}$ J/K

Giải thích:

• Khí đơn nguyên tử (He, Ne, Ar): phân tử chỉ có chuyển động tịnh tiến
• Hệ số $\frac{3}{2}$ tương ứng với 3 bậc tự do chuyển động (theo 3 trục x, y, z)

b) Đối với khí lý tưởng hai nguyên tử

Công thức:

$$\boxed{U = \frac{5}{2}nRT}$$

Giải thích:

• Khí hai nguyên tử (O₂, N₂, H₂): phân tử có thêm chuyển động quay
• Hệ số $\frac{5}{2}$ tương ứng với 5 bậc tự do (3 tịnh tiến + 2 quay)

Lưu ý quan trọng:

• Phải đổi nhiệt độ từ °C sang K
• Công thức chỉ áp dụng cho khí lý tưởng
• Với chất rắn và lỏng, công thức phức tạp hơn

4. Độ biến thiên nội năng

Định nghĩa: Độ biến thiên nội năng ($\Delta U$) là độ thay đổi nội năng của vật khi trạng thái của vật thay đổi.

Ký hiệu: $\Delta U$ (đọc là “delta U”)

Công thức:

$$\Delta U = U_2 – U_1$$

Trong đó:

• $U_1$: nội năng ban đầu
• $U_2$: nội năng sau

Ý nghĩa dấu:

• $\Delta U > 0$: nội năng tăng (vật nhận năng lượng)
• $\Delta U < 0$: nội năng giảm (vật mất năng lượng)
• $\Delta U = 0$: nội năng không đổi (quá trình đẳng nhiệt)

5. Hai cách làm thay đổi nội năng

Có hai cách làm thay đổi nội năng của vật:

1. Thực hiện công (A):

• Nén khí trong xilanh → khí nóng lên → nội năng tăng
• Khí dãn ra đẩy pít-tông → khí lạnh đi → nội năng giảm
• Cọ xát hai vật → nhiệt độ tăng → nội năng tăng

2. Truyền nhiệt (Q):

• Đun nóng vật → vật thu nhiệt → nội năng tăng
• Làm lạnh vật → vật tỏa nhiệt → nội năng giảm

Công thức tổng quát:

$$\boxed{\Delta U = Q + A}$$

Quy ước dấu rất quan trọng:

Mẹo nhớ:

• Thu và Nhận → dấu dương (+)
• Tỏa và Sinh → dấu âm (-)

6. Nguyên lý I nhiệt động lực học

Phát biểu: Độ biến thiên nội năng của một hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được.

Công thức:

$$\boxed{\Delta U = Q + A}$$

Hoặc viết dưới dạng khác:

$$Q = \Delta U – A$$

Ý nghĩa:

• Đây là định luật bảo toàn năng lượng áp dụng cho nhiệt học
• Năng lượng không tự sinh ra hay mất đi, chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác

Ứng dụng trong các quá trình đặc biệt:

a) Quá trình đẳng tích (V = const)

• Thể tích không đổi → Không sinh công: $A = 0$
• Nguyên lý I: $\Delta U = Q$
• Kết luận: Nhiệt lượng vật nhận bằng độ tăng nội năng

b) Quá trình đẳng áp (p = const)

• Áp suất không đổi
• Công sinh ra: $A’ = p\Delta V$ (công do khí sinh ra)
• Nguyên lý I: $Q = \Delta U + A’$

c) Quá trình đẳng nhiệt (T = const)

• Nhiệt độ không đổi → Nội năng không đổi: $\Delta U = 0$
• Nguyên lý I: $Q = -A$
• Kết luận: Nhiệt lượng khí nhận bằng công khí sinh ra

d) Quá trình đoạn nhiệt (Q = 0)

• Không trao đổi nhiệt với môi trường
• Nguyên lý I: $\Delta U = A$
• Kết luận: Độ biến thiên nội năng bằng công vật nhận

7. Ví dụ minh họa

Bài 1: Tính độ biến thiên nội năng

Một lượng khí nhận nhiệt lượng 500 J và sinh công 200 J. Tính độ biến thiên nội năng của khí?

Lời giải:

Phân tích dấu:

• Khí thu nhiệt → $Q = +500$ J (dấu dương)
• Khí sinh công → $A = -200$ J (dấu âm)

Áp dụng công thức: $$\Delta U = Q + A = 500 + (-200) = 300 \text{ J}$$

Kết luận: Nội năng của khí tăng 300 J.

Bài 2: Quá trình nén khí

Một lượng khí bị nén, nhận công 300 J và tỏa nhiệt 100 J ra môi trường. Tính độ biến thiên nội năng?

Lời giải:

Phân tích dấu:

• Khí nhận công (bị nén) → $A = +300$ J (dấu dương)
• Khí tỏa nhiệt → $Q = -100$ J (dấu âm)

Áp dụng công thức: $$\Delta U = Q + A = -100 + 300 = 200 \text{ J}$$

Kết luận: Nội năng của khí tăng 200 J.

Giải thích: Mặc dù khí tỏa nhiệt ra ngoài, nhưng công nhận vào lớn hơn nhiệt tỏa ra, nên nội năng vẫn tăng.

Bài 3: Quá trình đẳng nhiệt

Một lượng khí dãn đẳng nhiệt, sinh công 400 J. Tính nhiệt lượng mà khí đã nhận?

Lời giải:

Phân tích:

• Quá trình đẳng nhiệt → $T = const$ → $\Delta U = 0$
• Khí sinh công → $A = -400$ J

Áp dụng nguyên lý I: $$\Delta U = Q + A$$ $$0 = Q + (-400)$$ $$Q = 400 \text{ J}$$

Kết luận: Khí đã thu nhiệt 400 J. Toàn bộ nhiệt lượng này được chuyển thành công để khí dãn ra.

IV. CÔNG THỨC TÍNH NHIỆT ĐỘ

1. Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng

Phương trình Clapeyron (Phương trình trạng thái khí lý tưởng):

$$pV = nRT$$

Suy ra nhiệt độ:

$$\boxed{T = \frac{pV}{nR}}$$

Trong đó:

• $p$: áp suất của khí (Pa – Pascal)
• $V$: thể tích của khí (m³)
• $n$: số mol khí
• $R$: hằng số khí lý tưởng = 8.31 J/(mol.K)
• $T$: nhiệt độ tuyệt đối (K)

Lưu ý:

• Kết quả ra đơn vị Kelvin (K)
• Để đổi sang độ C: $t(°C) = T(K) – 273$
• Áp suất phải đổi về đơn vị Pa

2. Từ công thức nhiệt lượng

Khi biết nhiệt lượng, khối lượng và nhiệt dung riêng:

Công thức nhiệt lượng: $$Q = mc\Delta t = mc(t_2 – t_1)$$

Suy ra độ tăng nhiệt độ: $$\boxed{\Delta t = \frac{Q}{mc}}$$

Nhiệt độ cuối: $$\boxed{t_2 = t_1 + \frac{Q}{mc}}$$

Ví dụ: Tính nhiệt độ cuối

Một lượng nước có khối lượng 0.5 kg ở nhiệt độ ban đầu 20°C nhận nhiệt lượng 84 kJ. Tính nhiệt độ cuối của nước? Biết nhiệt dung riêng của nước là 4200 J/kg.K.

Lời giải:

Áp dụng công thức: $$t_2 = t_1 + \frac{Q}{mc}$$ $$= 20 + \frac{84,000}{0.5 \times 4200}$$ $$= 20 + \frac{84,000}{2,100}$$ $$= 20 + 40 = 60°C$$

Kết luận: Nhiệt độ cuối của nước là 60°C.

3. Từ phương trình cân bằng nhiệt

Khi trộn hai chất với nhau:

Khi hệ cô lập (không trao đổi nhiệt với bên ngoài), nhiệt lượng tỏa ra bằng nhiệt lượng thu vào:

$$Q_{\text{tỏa}} = Q_{\text{thu}}$$

Công thức tổng quát:

$$m_1c_1(t – t_1) + m_2c_2(t – t_2) = 0$$

Trong đó:

• $m_1, m_2$: khối lượng hai chất
• $c_1, c_2$: nhiệt dung riêng hai chất
• $t_1, t_2$: nhiệt độ ban đầu
• $t$: nhiệt độ cân bằng (cần tìm)

Giải phương trình trên để tìm t:

$$t = \frac{m_1c_1t_1 + m_2c_2t_2}{m_1c_1 + m_2c_2}$$

V. BẢNG CÔNG THỨC TỔNG HỢP

A. Công thức hiệu suất

B. Công thức nội năng

C. Quy ước dấu Q và A

Mẹo nhớ dấu:

• THU, NHẬN → dấu DƯƠNG (+)
• TỎA, SINH → dấu ÂM (-)

D. Các quá trình đặc biệt

VI. MẸO VÀ LƯU Ý

1. Mẹo nhớ công thức

Nguyên lý I nhiệt động lực học:

“Delta U bằng Q cộng A”

$$\Delta U = Q + A$$

Đây là công thức quan trọng nhất cần nhớ!

Hiệu suất:

“Có ích chia toàn phần”

$$H = \frac{\text{Có ích}}{\text{Toàn phần}} \times 100%$$

Quy ước dấu:

“Thu – Nhận là DƯƠNG, Tỏa – Sinh là ÂM”

• THU nhiệt → Q dương (+)
• TỎA nhiệt → Q âm (-)
• NHẬN công → A dương (+)
• SINH công → A âm (-)

2. Các sai lầm thường gặp

❌ SAI LẦM 1: Nhầm dấu Q và A

Sai:

• Khí sinh công 100 J → ghi $A = +100$ J ❌

Đúng:

• Khí sinh công 100 J → ghi $A = -100$ J ✓

❌ SAI LẦM 2: Quên đổi °C sang K

Sai:

• Tính nội năng ở 27°C: $U = \frac{3}{2}nR \times 27$ ❌

Đúng:

• Đổi sang K: $T = 27 + 273 = 300$ K
• $U = \frac{3}{2}nR \times 300$ ✓

❌ SAI LẦM 3: Nhầm hiệu suất thực tế với hiệu suất Carnot

Sai:

• Hiệu suất động cơ thực tế có thể bằng hiệu suất Carnot ❌

Đúng:

• Hiệu suất Carnot là giới hạn lý thuyết
• Hiệu suất thực tế luôn nhỏ hơn hiệu suất Carnot ✓

❌ SAI LẦM 4: Quên quy ước: công sinh ra có dấu âm

Sai:

• Trong công thức $\Delta U = Q + A$, nếu khí sinh công thì A > 0 ❌

Đúng:

• Khí sinh công → A < 0 (dấu âm) ✓

3. Kiểm tra kết quả

Kiểm tra hiệu suất:

• Hiệu suất luôn: $0 < H < 100%$ (hoặc $0 < H < 1$)
• Nếu $H \geq 100%$ → SAI, cần kiểm tra lại!

Kiểm tra nhiệt độ tuyệt đối:

• Nhiệt độ Kelvin luôn: $T > 0$ K
• Nhiệt độ thấp nhất: $T = 0$ K = -273°C (không đạt được)

Kiểm tra $\Delta U$:

• $\Delta U$ có thể dương, âm hoặc bằng 0
• $\Delta U > 0$: nội năng tăng
• $\Delta U < 0$: nội năng giảm
• $\Delta U = 0$: nội năng không đổi (đẳng nhiệt)

VII. BÀI TẬP MẪU

Bài 1: Tính hiệu suất bếp ga

Đề bài: Một bếp ga được sử dụng để đun 3 kg nước từ nhiệt độ 20°C lên 100°C. Biết khối lượng ga tiêu thụ là 0.1 kg và nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg ga là $4.6 \times 10^7$ J. Tính hiệu suất của bếp? Cho nhiệt dung riêng của nước là 4200 J/kg.K.

Lời giải:

Bước 1: Tính nhiệt lượng nước thu vào $$Q_{\text{thu}} = mc\Delta t = 3 \times 4200 \times (100 – 20)$$ $$= 3 \times 4200 \times 80 = 1,008,000 \text{ J}$$

Bước 2: Tính nhiệt lượng ga cung cấp $$Q_{\text{cung}} = m_{\text{ga}} \times q = 0.1 \times 4.6 \times 10^7$$ $$= 4,600,000 \text{ J}$$

Bước 3: Tính hiệu suất $$H = \frac{Q_{\text{thu}}}{Q_{\text{cung}}} \times 100% = \frac{1,008,000}{4,600,000} \times 100%$$ $$= 0.219 \times 100% \approx 21.9%$$

Kết luận: Hiệu suất của bếp ga là khoảng 21.9%.

Bài 2: Tính độ biến thiên nội năng

Đề bài: Một lượng khí nhận nhiệt lượng 800 J và sinh công 300 J. Tính độ biến thiên nội năng của khí?

Lời giải:

Phân tích dấu:

• Khí thu nhiệt → $Q = +800$ J (dấu dương)
• Khí sinh công → $A = -300$ J (dấu âm)

Áp dụng nguyên lý I: $$\Delta U = Q + A = 800 + (-300) = 500 \text{ J}$$

Kết luận: Nội năng của khí tăng 500 J.

Bài 3: Quá trình đẳng nhiệt

Đề bài: Một lượng khí lý tưởng dãn đẳng nhiệt, sinh công 500 J. Tính nhiệt lượng mà khí đã nhận?

Lời giải:

Phân tích:

• Quá trình đẳng nhiệt → $T = const$ → $\Delta U = 0$
• Khí sinh công → $A = -500$ J (dấu âm)

Áp dụng nguyên lý I: $$\Delta U = Q + A$$ $$0 = Q + (-500)$$ $$Q = 500 \text{ J}$$

Kết luận: Khí đã thu nhiệt 500 J. Toàn bộ nhiệt lượng này được chuyển thành công để khí dãn ra.

Bài 4: Tính hiệu suất lý tưởng (Carnot)

Đề bài: Một động cơ nhiệt hoạt động giữa nguồn nóng có nhiệt độ 500 K và nguồn lạnh có nhiệt độ 300 K. Tính hiệu suất lý tưởng của động cơ theo chu trình Carnot?

Lời giải:

Áp dụng công thức Carnot: $$H_{\max} = \left(1 – \frac{T_2}{T_1}\right) \times 100%$$ $$= \left(1 – \frac{300}{500}\right) \times 100%$$ $$= \left(1 – 0.6\right) \times 100%$$ $$= 0.4 \times 100% = 40%$$

Kết luận: Hiệu suất lý tưởng của động cơ là 40%. Trong thực tế, hiệu suất động cơ sẽ thấp hơn nhiều do ma sát và tổn thất nhiệt.

Bài 5: Tính nhiệt độ cuối

Đề bài: Một lượng nước có khối lượng 2 kg ở nhiệt độ ban đầu 30°C nhận nhiệt lượng 336 kJ. Tính nhiệt độ cuối của nước? Cho nhiệt dung riêng của nước là 4200 J/kg.K.

Lời giải:

Áp dụng công thức: $$t_2 = t_1 + \frac{Q}{mc}$$ $$= 30 + \frac{336,000}{2 \times 4200}$$ $$= 30 + \frac{336,000}{8,400}$$ $$= 30 + 40 = 70°C$$

Kết luận: Nhiệt độ cuối của nước là 70°C.

VIII. KẾT LUẬN

Bài viết đã tổng hợp ba nội dung quan trọng trong chương Nhiệt học:

1. Hiệu suất nhiệt lượng:

• Công thức tổng quát: $H = \frac{Q_{\text{có ích}}}{Q_{\text{toàn phần}}} \times 100%$
• Hiệu suất bếp đun: $H = \frac{mc\Delta t}{Q_{\text{cung cấp}}} \times 100%$
• Hiệu suất động cơ: $H = \frac{A}{Q_1} \times 100%$ hoặc $H = \left(1 – \frac{Q_2}{Q_1}\right) \times 100%$
• Hiệu suất Carnot: $H_{\max} = \left(1 – \frac{T_2}{T_1}\right) \times 100%$

2. Nội năng:

• Nội năng khí lý tưởng: $U = \frac{3}{2}nRT$ (đơn nguyên tử) hoặc $U = \frac{5}{2}nRT$ (hai nguyên tử)
• Độ biến thiên nội năng: $\Delta U = U_2 – U_1$

3. Nguyên lý I nhiệt động lực học: $$\boxed{\Delta U = Q + A}$$

Đây là công thức QUAN TRỌNG NHẤT cần ghi nhớ!

Các điểm cần lưu ý

📌 Về hiệu suất:

• Hiệu suất luôn nhỏ hơn 100% (do có hao phí)
• Hiệu suất Carnot là giới hạn lý thuyết, không đạt được trong thực tế

📌 Về nội năng:

• Phải đổi nhiệt độ từ °C sang K khi tính nội năng khí
• $T(K) = t(°C) + 273$

📌 Về nguyên lý I:

• Phân biệt rõ dấu của Q và A
• $\Delta U$ có thể dương, âm hoặc bằng 0

📌 Về các quá trình đặc biệt:

• Đẳng tích: $A = 0$, $\Delta U = Q$
• Đẳng nhiệt: $\Delta U = 0$, $Q = -A$
• Đoạn nhiệt: $Q = 0$, $\Delta U = A$

Cô Trần Thị Bình

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Tổ trưởng chuyên môn Tổ Lý – Hóa – Sinh tại Edus

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Hoá Học, Bằng Thạc sĩ, Chức danh nghề nghiệp Giáo viên THPT – Hạng II, Tin học ứng dụng cơ bản, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 12+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Gia Định