Câu hỏi mở đầu trang 10

Đề bài: Khi nước được đun tới lúc bắt đầu sôi thì dù có tiếp tục đun, nhiệt độ của nước cũng không thay đổi. Vậy nhiệt năng mà nước nhận được lúc này làm tăng dạng năng lượng nào của nước?

Lời giải:

• Nội năng của nước = tổng động năng phân tử + thế năng phân tử.
• Khi nước đang sôi, nhiệt độ không đổi → động năng trung bình của các phân tử nước không đổi.
• Vậy nhiệt năng mà nước nhận được lúc này dùng để làm tăng thế năng phân tử (thắng lực liên kết, tách các phân tử nước ra xa nhau để chuyển từ thể lỏng sang thể hơi).

I. Khái niệm nội năng

Câu hỏi trang 10

Đề bài: Tại sao nội năng của vật lại phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật?

Lời giải:

Nội năng của vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật. Trong đó:

• Động năng phân tử phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của phân tử → mà tốc độ chuyển động phụ thuộc vào nhiệt độ (nhiệt độ càng cao, phân tử chuyển động càng nhanh).
• Thế năng phân tử phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử → mà khoảng cách này lại phụ thuộc vào thể tích của vật (thể tích thay đổi thì khoảng cách phân tử thay đổi).

→ Do đó, nội năng của vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.

Hoạt động trang 11

Đề bài: Thí nghiệm về mối liên hệ nội năng của vật với năng lượng của các phân tử cấu tạo nên vật (bố trí thí nghiệm như Hình 2.2: ống nghiệm được nút bằng nút bắc, dùng đèn cồn đun nóng).

1. Khi đun ống nghiệm tới một lúc nào đó thì thấy nút bắc bật ra. Giải thích vì sao nút bắc bật ra.
2. Khi nút chưa bị bật ra:a) Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng hay giảm? Vì sao?b) Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng có phải do thế năng phân tử khí tăng không? Tại sao?

   c) Tại sao hiện tượng nút ống nghiệm bị bật ra lại chứng tỏ động năng của các phân tử khí trong ống nghiệm tăng?

Lời giải:

1. Khi đun, không khí trong ống nghiệm nhận nhiệt lượng → các phân tử khí chuyển động nhanh hơn, va đập vào nút bắc mạnh hơn và thường xuyên hơn → áp suất khí trong ống tăng dần. Đến khi áp suất đủ lớn để thắng ma sát giữ nút thì nút bị đẩy bật ra.

2.

a) Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng. Vì không khí nhận được nhiệt lượng từ đèn cồn → tổng động năng và thế năng phân tử tăng → nội năng tăng.

b) Không phải. Vì khi nút chưa bật ra, thể tích ống nghiệm không đổi → khoảng cách giữa các phân tử khí không đổi → thế năng phân tử không đổi. Nội năng tăng ở đây là do động năng phân tử tăng.

c) Nút bật ra chứng tỏ áp suất khí trong ống tăng lên. Áp suất tăng là do các phân tử khí va đập vào thành ống và vào nút mạnh hơn, nhiều hơn → điều này chỉ xảy ra khi các phân tử chuyển động nhanh hơn, tức là động năng phân tử tăng.

II. Định luật I của nhiệt động lực học

1. Cách làm thay đổi nội năng

Câu hỏi trang 11

Đề bài:

1. Mô tả sự thay đổi nội năng của lượng khí trong xi lanh ở Hình 2.3.
2. Tìm thêm ví dụ về thực hiện công và truyền nhiệt làm thay đổi nội năng của vật.

Lời giải:

1. Dựa vào Hình 2.3, có hai cách làm thay đổi nội năng của lượng khí:

• Hình 2.3a — Thực hiện công: Dùng tay ấn pit-tông xuống nén khí → thể tích khí giảm, khí bị nén → nội năng khí tăng (nhiệt độ tăng).
• Hình 2.3b — Truyền nhiệt: Đặt xi lanh lên nguồn nhiệt (đèn cồn) → khí trong xi lanh nhận nhiệt lượng → nội năng khí tăng, khí dãn nở đẩy pit-tông đi lên.

2. Một số ví dụ:

• Thực hiện công làm thay đổi nội năng:

• Chà xát hai tay vào nhau → tay nóng lên.
• Cưa gỗ một lúc → lưỡi cưa nóng lên.
• Bơm xe đạp nhanh → thân bơm nóng lên (vì khí trong bơm bị nén).
• Búa đập nhiều lần vào miếng sắt → sắt nóng lên.

• Truyền nhiệt làm thay đổi nội năng:

• Đun ấm nước trên bếp → nước nóng lên.
• Phơi quần áo dưới nắng → quần áo nóng và khô.
• Dùng bàn là ủi quần áo → quần áo nóng lên.
• Cho đá vào cốc nước → nước nguội đi.

2. Định luật I của nhiệt động lực học

Câu hỏi trang 12

Đề bài: Các hệ thức sau đây mô tả các quá trình thay đổi nội năng nào?

1. $\Delta U = Q$ khi $Q > 0$, khi $Q < 0$.
2. $\Delta U = A$ khi $A > 0$, khi $A < 0$.
3. $\Delta U = A + Q$ khi $Q > 0$ và $A < 0$.
4. $\Delta U = A + Q$ khi $Q < 0$ và $A > 0$.

Lời giải:

Nhắc lại quy ước dấu: $Q > 0$ vật nhận nhiệt, $Q < 0$ vật truyền nhiệt; $A > 0$ vật nhận công, $A < 0$ vật thực hiện công.

1. $\Delta U = Q$: vật chỉ trao đổi nhiệt, không trao đổi công.

• $Q > 0$: vật nhận nhiệt → nội năng tăng. Ví dụ: đun nóng khối chất lỏng đựng trong bình kín cứng.
• $Q < 0$: vật truyền nhiệt cho vật khác → nội năng giảm. Ví dụ: cốc nước nóng để trong phòng nguội dần.

2. $\Delta U = A$: vật chỉ trao đổi công, không trao đổi nhiệt (quá trình cách nhiệt).

• $A > 0$: vật nhận công → nội năng tăng. Ví dụ: nén nhanh khí trong bơm xe đạp (không kịp trao đổi nhiệt).
• $A < 0$: vật thực hiện công → nội năng giảm. Ví dụ: khí trong bình cách nhiệt dãn nở đẩy pit-tông đi lên.

3. $\Delta U = A + Q$ khi $Q > 0$ và $A < 0$: vật vừa nhận nhiệt vừa thực hiện công.

Ví dụ: khí trong xi lanh vừa được đun nóng (nhận nhiệt) vừa dãn nở đẩy pit-tông đi lên (thực hiện công).

4. $\Delta U = A + Q$ khi $Q < 0$ và $A > 0$: vật vừa truyền nhiệt vừa nhận công.

Ví dụ: khí trong xi lanh bị nén (nhận công) đồng thời tỏa nhiệt ra môi trường bên ngoài (truyền nhiệt).

Hoạt động trang 13

Đề bài: Hãy dựa vào các sơ đồ trong Hình 2.6b, c để trình bày sơ lược về cấu tạo và hoạt động của máy hơi nước và động cơ đốt trong.

Lời giải:

• Máy hơi nước (Hình 2.6b):

Cấu tạo gồm 3 bộ phận chính:

1. Nồi súp de (nguồn nóng): chứa nước, được đun nóng bằng nhiên liệu (than, củi…) để tạo ra hơi nước ở áp suất cao.
2. Xi lanh và pit-tông: nơi hơi nước áp suất cao đi vào, đẩy pit-tông chuyển động qua lại.
3. Bình ngưng hơi (nguồn lạnh): làm nguội hơi nước sau khi đã sinh công, ngưng tụ hơi thành nước.

Hoạt động: Nước trong nồi súp de được đun sôi tạo hơi nước áp suất cao → hơi nước đi vào xi lanh, đẩy pit-tông chuyển động → pit-tông sinh công cơ học. Sau đó hơi nước đi ra bình ngưng, nhả nhiệt và ngưng tụ lại thành nước.

• Động cơ đốt trong (Hình 2.6c):

Cấu tạo gồm 3 bộ phận chính:

1. Xi lanh: buồng chứa hỗn hợp nhiên liệu và không khí.
2. Pit-tông: chuyển động lên xuống trong xi lanh.
3. Bu-gi: tạo tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí.

Hoạt động: Hỗn hợp nhiên liệu và không khí được nạp vào xi lanh, sau đó bị pit-tông nén lại. Bu-gi tạo tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp → khí cháy có nhiệt độ và áp suất rất cao, dãn nở đột ngột đẩy pit-tông đi xuống → sinh công cơ học. Sau đó khí thải được đẩy ra ngoài.

Bài tập luyện tập trang 14

Bài 1

Đề bài: Nội năng của vật biến đổi như thế nào trong các trường hợp sau:

a) Vật rắn đang nóng chảy.

b) Nước đá đang tan.

c) Hơi nước ngưng tụ ở nhiệt độ không đổi.

Lời giải:

a) Vật rắn đang nóng chảy: nội năng tăng.

Vì trong quá trình nóng chảy, nhiệt độ không đổi → động năng phân tử không đổi. Nhưng vật vẫn nhận nhiệt lượng để phá vỡ mạng tinh thể, các phân tử ra xa nhau hơn → thế năng phân tử tăng → nội năng tăng.

b) Nước đá đang tan: nội năng tăng.

Đây cũng là quá trình nóng chảy (nước đá là chất rắn kết tinh chuyển thành nước lỏng). Tương tự câu a, nhiệt độ giữ ở 0 °C không đổi, nhưng thế năng phân tử tăng → nội năng tăng.

c) Hơi nước ngưng tụ ở nhiệt độ không đổi: nội năng giảm.

Vì hơi nước tỏa nhiệt ra môi trường ($Q < 0$), các phân tử hơi kết lại với nhau thành thể lỏng, khoảng cách phân tử giảm → thế năng phân tử giảm. Nhiệt độ không đổi nên động năng không đổi → tổng nội năng giảm.

Bài 2

Đề bài: Một vật khối lượng 1 kg trượt không vận tốc ban đầu từ đỉnh xuống chân một mặt phẳng dài 21 m, nghiêng 30° so với mặt nằm ngang. Tốc độ của vật ở chân mặt phẳng là 4,1 m/s. Tính công của lực ma sát và độ biến thiên nội năng của vật trong quá trình chuyển động trên. Lấy $g = 9{,}8 ; \text{m/s}^2$. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với mặt phẳng nghiêng.

Lời giải:

Tóm tắt:

• $m = 1$ kg; $s = 21$ m; $\alpha = 30°$
• $v_0 = 0$; $v = 4{,}1$ m/s
• $g = 9{,}8 ; \text{m/s}^2$

• Độ cao mặt phẳng nghiêng:

$$h = s \cdot \sin\alpha = 21 \cdot \sin 30° = 21 \cdot 0{,}5 = 10{,}5 ; \text{m}$$

• Công của trọng lực trên đoạn đường trượt:

$$A_p = m \cdot g \cdot h = 1 \cdot 9{,}8 \cdot 10{,}5 = 102{,}9 ; \text{J}$$

• Động năng của vật ở chân mặt phẳng nghiêng:

$$W_đ = \dfrac{1}{2} m v^2 = \dfrac{1}{2} \cdot 1 \cdot (4{,}1)^2 = \dfrac{1}{2} \cdot 16{,}81 \approx 8{,}4 ; \text{J}$$

• Công của lực ma sát:

Áp dụng định lí biến thiên động năng: tổng công của các lực bằng độ biến thiên động năng của vật:

$$A_p + A_{ms} = W_đ – 0$$

$$\Rightarrow A_{ms} = W_đ – A_p = 8{,}4 – 102{,}9 = -94{,}5 ; \text{J}$$

Dấu “–” cho thấy lực ma sát ngược chiều chuyển động, làm giảm động năng của vật.

• Độ biến thiên nội năng của vật:

Vì bỏ qua sự trao đổi nhiệt với mặt phẳng nghiêng, toàn bộ nhiệt lượng do ma sát sinh ra được vật hấp thụ, làm nội năng của vật tăng lên. Độ biến thiên nội năng bằng độ lớn công của lực ma sát:

$$\Delta U = |A_{ms}| = 94{,}5 ; \text{J}$$

Kết luận: Công của lực ma sát $A_{ms} \approx -94{,}5$ J; độ biến thiên nội năng của vật $\Delta U \approx 94{,}5$ J.

Em có thể

Dùng mô hình động học phân tử giải thích được một số hiện tượng liên quan đến sự chuyển thể của các chất

Lời giải:

• Sự nóng chảy: khi đun nóng chất rắn kết tinh, các phân tử nhận thêm năng lượng → dao động mạnh hơn. Đến nhiệt độ nóng chảy, dao động đủ mạnh để thắng lực liên kết trong mạng tinh thể → mạng tinh thể bị phá vỡ → chất rắn chuyển thành chất lỏng.
• Sự bay hơi: các phân tử ở gần mặt thoáng có động năng lớn nhất có thể thắng lực liên kết của các phân tử khác và thoát ra ngoài → trở thành phân tử hơi. Vì mất các phân tử “nhanh”, chất lỏng còn lại có động năng trung bình giảm → nhiệt độ giảm.
• Sự sôi: khi nhiệt độ đủ cao, sự hóa hơi xảy ra đồng thời cả trên mặt thoáng và trong lòng chất lỏng (tạo bọt hơi). Trong quá trình sôi, năng lượng nhận được dùng để tách phân tử ra khỏi khối chất lỏng, không làm tăng động năng → nhiệt độ không đổi.
• Sự ngưng tụ, đông đặc: ngược lại với sự hóa hơi và nóng chảy. Khi mất năng lượng, các phân tử chuyển động chậm lại, lực liên kết kéo chúng lại gần nhau → chuyển từ thể khí về thể lỏng, hoặc từ thể lỏng về thể rắn.

Dùng khái niệm nội năng và định luật I của nhiệt động lực học để giải thích một số hiện tượng đơn giản như sự chuyển hoá năng lượng trong các quá trình chuyển thể, nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt (máy hơi nước, động cơ đốt trong)

Lời giải:

• Chuyển hóa năng lượng trong các quá trình chuyển thể:

• Trong quá trình nóng chảy hoặc sôi, chất nhận nhiệt lượng $Q > 0$ nhưng nhiệt độ không đổi. Theo định luật I: $\Delta U = Q > 0$ → nội năng tăng, nhưng vì động năng phân tử không đổi nên toàn bộ nhiệt lượng chuyển hóa thành thế năng phân tử (dùng để thắng lực liên kết).
• Trong quá trình đông đặc hoặc ngưng tụ, chất tỏa nhiệt $Q < 0$ → nội năng giảm, thế năng phân tử giảm do các phân tử co lại gần nhau.

• Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt:

Động cơ nhiệt biến đổi nội năng của nhiên liệu thành cơ năng.

• Máy hơi nước: nồi súp de (nguồn nóng) cấp nhiệt $Q_1$ cho nước → nước sôi thành hơi có áp suất cao. Hơi nước đi vào xi lanh, thực hiện công $A$ đẩy pit-tông ($A < 0$ với hơi nước) → sinh ra cơ năng. Sau đó hơi nước tỏa nhiệt $Q_2$ ở bình ngưng (nguồn lạnh). Phần nhiệt lượng $Q_1 – Q_2$ chính là phần được chuyển hóa thành công cơ học.
• Động cơ đốt trong: nhiên liệu bị đốt cháy trong xi lanh cung cấp nhiệt lượng $Q_1$ cho khí. Khí có nhiệt độ và áp suất cao dãn nở đẩy pit-tông → thực hiện công cơ học. Khí thải mang nhiệt lượng $Q_2$ ra ngoài môi trường (đóng vai trò nguồn lạnh).

Trong cả hai loại động cơ, không thể chuyển hết nhiệt lượng $Q_1$ thành công cơ học được (luôn có $Q_2 \neq 0$).

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