Bài 2. Nội năng. Định luật I của Nhiệt động lực học

1. Kiến thức trọng tâm

1. 1. Nội năng

• Các phân tử cấu tạo nên vật luôn chuyển động nên có động năng.

• Giữa các phân tử có lực tương tác nên có thế năng tương tác.

Nội năng là tổng động năng chuyển động nhiệt và thế năng tương tác giữa các phân tử cấu tạo nên vật.

$$\mathrm{U=}{W}_{đ}+W_t$$

Trong đó:$W_{đ}$: tổng động năng phân tử, $W_t$: tổng thế năng tương tác phân tử.

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

1.2. Cách làm thay đổi nội năng

Có hai cách làm thay đổi nội năng của vật:

a) Thực hiện công

• Vật nhận công → nội năng tăng.

• Vật thực hiện công → nội năng giảm.

Ví dụ:

• Nén khí trong xi lanh.

• Cọ xát hai vật.

b) Truyền nhiệt

• Vật nhận nhiệt lượng → nội năng tăng.

• Vật truyền nhiệt lượng → nội năng giảm.

Ví dụ:

• Đun nóng nước.

• Làm lạnh nước bằng đá.

1.3. Định luật I của nhiệt động lực học

Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được.

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

Quy ước dấu:

1.4. Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt

• Q₁: Nhiệt lượng tác nhân nhận được từ nguồn nóng.

• Q₂: Nhiệt lượng tác nhân truyền cho nguồn lạnh.

• A: Công cơ học (công do tác nhân thực hiện để đẩy pít-tông trừ đi công do pít-tông thực hiện để đưa tác nhân về trạng thái ban đầu).

Hiệu suất của động cơ nhiệt:

$$\mathrm{H=}\frac{A}{Q_1}\text{.100\%}$$

2. Hiểu sâu bản chất

💡 Nội năng là năng lượng bên trong vật, không phải năng lượng của cả vật trong chuyển động.

💡 Khi nhiệt độ tăng, động năng phân tử tăng nên nội năng thường tăng.

💡 Không chỉ truyền nhiệt mới làm thay đổi nội năng; thực hiện công cũng có thể làm nội năng thay đổi.

💡 Định luật I thực chất là sự vận dụng định luật bảo toàn năng lượng cho các quá trình nhiệt.

💡 Động cơ nhiệt hoạt động dựa trên sự chuyển hóa nội năng thành cơ năng.

3. Ghi nhớ nhanh

• Nội năng = động năng + thế năng phân tử.

• Có 2 cách làm thay đổi nội năng: Thực hiện công, Truyền nhiệt.

• Định luật I nhiệt động lực học:

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

• Nhận nhiệt ⇒ $\mathrm{Q>0}$.

• Nhận công ⇒ $\mathrm{A>0}$.

• Định luật I là biểu hiện của định luật bảo toàn năng lượng.

4. Lưu ý cho học sinh

• Nội năng gồm động năng chuyển động nhiệt và thế năng tương tác giữa các phân tử.

• Nội năng có thể thay đổi bằng hai cách: thực hiện công hoặc truyền nhiệt.

• Nhiệt lượng không phải là năng lượng chứa sẵn trong vật mà là phần năng lượng truyền từ vật này sang vật khác.

• Cần xác định đúng dấu của $Q$ và $A$ khi áp dụng định luật I nhiệt động lực học.