Giải SGK Vật lí 12 Bài 2. Nội năng. Định luật I của nhiệt động lực học

Nội năng là tổng động năng và thế năng phân tử.

Động năng phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của phân tử, nhiệt độ càng cao thì tốc độ chuyển động càng tăng, dẫn đến động năng tăng.

Thế năng phân tử phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử, thể tích vật thay đổi mở rộng hoặc thu hẹp làm các phân tử bị dãn, nén tương ứng khi chuyển động, dẫn đến thế năng bị thay đổi.

Suy ra nội năng của vật phụ thuộc vào động năng và thế năng phân tử hay nói cách khác là phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích vật.

2. Khi nút chưa bật ra:

a) Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng vì động năng của phân tử khí tăng.

b) Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng không phải do thế năng phân tử khí tăng. Vì thể tích bình chứa không đổi, nên nội năng sẽ phụ thuộc chủ yếu vào động năng phân tử. Khi động năng của các phân tử khí tăng thì nội năng của khối khí tăng và ngược lại.

c) Nhiệt độ tăng dẫn đến động năng phân tử khí tăng, dẫn đến nội năng tăng.

Hình a:

- Khi thực hiện công để cọ xát miếng kim loại thì làm cho miếng kim loại nóng lên. Nội năng của miếng kim loại đã thay đổi.

- Khi ấn mạnh và nhanh pit-tông của xilanh chứa khí thì thể tích khí trong xilanh giảm đồng thời khí nóng lên. Nội năng của khí đã thay đổi.

Các quá trình làm thay đổi nội năng như trên đã làm thay đổi nhiệt độ của vật (hoặc chất khí) bằng cách thực hiện công, làm cho nhiệt độ tăng nên động năng phân tử tăng. Trong quá trình thực hiện công có sự chuyển hoá từ một dạng năng lượng khác (ở các ví dụ trên là cơ năng) sang nội năng.

Hình b:

- Khi làm cho miếng kim loại, khí trong xilanh nóng lên bằng cách cho tiếp xúc với một nguồn nhiệt thì nội năng của miếng kim loại, khí trong xilanh cũng thay đổi. Trong quá trình truyền nhiệt không có sự chuyển hoá năng lượng từ dạng này sang dạng khác, chỉ có sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác.

Ví dụ về quá trình thực hiện công làm thay đổi nội năng của vật:

- Bơm xe đạp, sau một thời gian ngắn ống bơm sẽ nóng lên

Ví dụ về quá trình truyền nhiệt làm thay đổi nội năng của vật:

- Thợ rèn nung nóng thanh sắt

1. ΔU = Q khi Q > 0 và khi Q < 0.

Quá trình thay đổi nội năng bằng cách truyền nhiệt, Q > 0 vật nhận nhiệt lượng từ vật khác, Q < 0 vật truyền nhiệt lượng cho vật khác.

2. ΔU = A khi A > 0 và khi A < 0.

Quá trình thay đổi nội năng bằng cách thực hiện công, A > 0 vật nhận công từ vật khác, A < 0 vật thực hiện công lên vật khác.

3. ΔU = A + Q khi Q > 0 và A < 0.

Quá trình thay đổi nội năng bằng cách vừa thực hiện công vừa truyền nhiệt, Q > 0 vật nhận nhiệt lượng từ vật khác, A < 0 vật thực hiện công lên vật khác.

4. ΔU = A + Q khi Q < 0 và A > 0.

Quá trình thay đổi nội năng bằng cách vừa thực hiện công vừa truyền nhiệt, Q < 0 vật truyền nhiệt lượng cho vật khác, A > 0 vật nhận công từ vật khác.

Cấu tạo của máy hơi nước:

1. Nồi súp de (nguồn nóng): chứa nước được đun nóng bởi nguồn nhiệt

2. Xi lanh và pít-tông: được nối với bánh đà, khi pít-tông di chuyển thì làm bánh đà quay theo.

3. Bình ngưng hơi (nguồn lạnh): nhận nhiệt lượng do nguồn nóng truyền.

Nguyên tắc hoạt động: khi nước ở bình 1 được đun nóng, không khí trong bình giãn nở sinh công đẩy pít-tông di chuyển đẩy bánh đá quay, phần nhiệt lượng sinh ra được truyền cho bình ngưng hơi, cứ như thế quá trình đun nóng tiếp diễn thì pít-tông chuyển động liên tục làm bánh đà quay liên tục, đảm bảo động cơ hoạt động liên tục.

Cấu tạo của động cơ đốt trong:

1. Xi lanh: chứa hỗn hợp nhiên liệu và không khí.

2. Pít-tông: chuyển động lên xuống để làm quay bánh đà.

3. Bu-gi: tạo tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí.

Nguyên tắc hoạt động: khi bu-gi đánh lửa tạo ra tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí, nhiệt độ tăng lên nội năng tăng, làm cho không khí giãn nở đẩy pít-tông đi xuống làm bánh đà quay, phần nhiệt lượng và khí thải sinh ra được thoát ra ngoài, pít-tông lại di chuyển lên trên làm bánh đà quay về vị trí ban đầu, quá trình nạp nhiên liệu và không khí lại được tiếp diễn thì quá trình trên lại được lặp lại, cứ như vậy pít-tông chuyển động lên xuống làm bánh đà quay liên tục, đảm bảo động cơ hoạt động liên tục.

a) Vật rắn đang nóng chảy.

Nội năng của vật tăng mặc dù nhiệt độ của vật đang nóng chảy không đổi, nhưng chúng luôn nhận được thêm nhiệt lượng Q để nóng chảy hoàn toàn, nên do đó nhiệt lượng tăng làm nội năng tăng.

b) Nước đá đang tan.

Nội năng của nước đá đang tan tăng mặc dù nhiệt độ của nước đá đang tan không đổi, nhưng chúng luôn nhận được thêm nhiệt lượng Q từ môi trường bên ngoài để nóng chảy hoàn toàn, nên do đó nhiệt lượng tăng làm nội năng tăng.

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

Nội năng của hơi nước ngưng tụ ở nhiệt độ không đổi giảm vì nó truyền nhiệt lượng ra môi trường bên ngoài nên nhiệt lượng giảm dẫn đến nội năng giảm.

Chọn mốc thế năng tại mặt đất

Cơ năng tại đỉnh dốc: ${\text{W}}_{1}=mg{h}_{1}+\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}=1.9{,}8.21.\sin 30^{\circ}+\frac{1}{2}{.1.0}^{2}=102{,}9\ J$

Cơ năng tại chân dốc: ${\text{W}}_{2}=mg{h}_{2}+\frac{1}{2}m{v}_{2}^{2}=1.9{,}8.0+\frac{1}{2}{.1.4{,}1}^{2}=8{,}405\ J$

Công của lực ma sát bằng độ biến thiên cơ năng: $A={\text{W}}_{2}-{\text{W}}_{1}=-94{,}495\ J$

Mặt phẳng nghiêng thực hiện công lên vật do đó vật nhận công: A = 94,495 J.

Độ biến thiên nội năng: $ΔU=A+Q=94{,}495\ J$ (do bỏ qua sự trao đổi nhiệt với mặt phẳng nghiêng nên Q = 0).

Cấu tạo của động cơ đốt trong:

1. Xi lanh: chứa hỗn hợp nhiên liệu và không khí.

2. Pít-tông: chuyển động lên xuống để làm quay bánh đà.

3. Bu-gi: tạo tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí.

Nguyên tắc hoạt động: khi bu-gi đánh lửa tạo ra tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí, nhiệt độ tăng lên nội năng tăng, làm cho không khí giãn nở đẩy pít-tông đi xuống làm bánh đà quay, phần nhiệt lượng và khí thải sinh ra được thoát ra ngoài, pít-tông lại di chuyển lên trên làm bánh đà quay về vị trí ban đầu, quá trình nạp nhiên liệu và không khí lại được tiếp diễn thì quá trình trên lại được lặp lại, cứ như vậy pít-tông chuyển động lên xuống làm bánh đà quay liên tục, đảm bảo động cơ hoạt động liên tục.