Giải SGK Vật lý 12 CTST Bài 3. Nội năng. Định luật I của nhiệt động lực học có đáp án

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 thay đổi thì khoảng cách giữa các phân tử thay đổi dẫn đến thế năng phân tử 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.

Việc thay đổi lượng không khí chứa trong ống nghiệm không đáng kể thì về cơ bản sẽ không ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm, nó chỉ làm nhanh hoặc làm chậm quá trình giãn nở không khí bên trong ống nghiệm. Tuy nhiên nếu lượng không khí quá ít thì kết quả thí nghiệm sẽ bị ảnh hưởng, nút đậy sẽ không bật ra.

- Nếu lượng không khí bên trong nhiều thì khối khí sẽ bị giãn nở nhiều hơn và làm bật nút đậy nhanh hơn.

- Nếu lượng không khí ít thì khối khí bị giãn nở ít hơn, quá trình làm bật nút đậy chậm hơn.

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.

- Cách làm thay đổi nội năng của khối chất rắn: người thợ rèn dùng búa đập vào thanh sắt nhiều lần.

- Cách làm thay đổi nội năng của khối chất lỏng: cho nước vào chai nhựa, đậy kín lại, dùng tay lắc chai nhựa thật nhiều lần, nội năng của nước thay đổi do ma sát của nước với chai.

- Cách làm thay đổi nội năng của khối chất khí: hít một lượng khí vào xilanh, sau đó dùng tay bịt đầu xilanh lại, tay kia kéo lên ấn xuống pittong nhiều lần sẽ làm thay đổi nội năng khối khí.

Khi hai vật chênh lệch nhiệt độ tiếp xúc nhau thì có sự trao đổi nhiệt lượng giữa hai vật.

- Nhiệt lượng từ vật có nhiệt độ cao truyền sang cho vật có nhiệt độ thấp hơn.

- Khi hai vật tiếp xúc với nhau, các phân tử ở vật có nhiệt độ cao sẽ chuyển động nhanh hơn và va chạm với các phân tử ở vật có nhiệt độ thấp. Trong quá trình va chạm, sẽ truyền năng lượng từ các phân tử ở vật có nhiệt độ cao sang các phân tử ở vật có nhiệt độ thấp.

Nên vật có nhiệt độ cao sẽ truyền nhiệt lượng làm nhiệt độ giảm đi, vật có nhiệt độ thấp sẽ nhận nhiệt lượng làm nhiệt độ tăng lên. Quá trình truyền nhiệt sẽ dừng khi nhiệt độ của chúng bằng nhau.

Gọi nhiệt độ cân bằng là t

Nhiệt lượng do thép truyền cho nước: ${Q}_{toa}={m}_{1}{c}_{1}Δ{t}_{1}=1{,}1.460.(850-t)$

Nhiệt lượng do nước nhận được từ thép: ${Q}_{thu}={m}_{2}{c}_{2}Δ{t}_{2}=200.4180.(t-27)$

Khi có sự cân bằng nhiệt: ${Q}_{toa}={Q}_{thu}\Leftrightarrow 1{,}1.460.(850-t)=200.4180.(t-27)\Leftrightarrow t\approx 27{,}5\ ^{\circ}C$

Vừa dùng tay ấn mạnh và nhanh pit-tông, vừa nung nóng khí bằng ngọn lửa đèn cồn thì nội năng của khối khí tăng nhanh hơn so với trường hợp không nung nóng, vì ngoài thực hiện công ta đã truyền cho khối khí một nhiệt lượng Q.

Biểu thức độ biến thiên nội năng: $ΔU=Q+A$

Vật nhận công nên A > 0, nhiệt lượng truyền ra ngoài nên Q < 0

Độ biến thiên nội năng: $ΔU=Q+A=-120+200=80\ J$ > 0 nên nội năng tăng.

Nguyên nhân sự tăng nhiệt độ trong ô tô do nội năng của khối khí bên trong ô tô tăng lên. Để hạn chế sự tăng nhiệt độ không khí trong ô tô ta nên sử dụng một số cách sau:

- Đỗ ô tô ở dưới bóng mát

- Nếu phải di chuyển dưới trời nắng thì nên bật điều hoà để có sự lưu thông không khí bên ngoài và bên trong.

- Sử dụng nội thất cũng như màu sơn của xe là màu sáng.

- Lắp thêm rèm cửa xe

- Dán tấm kính cách nhiệt

- Có thể mở hé cửa kính xe

Nhiệt lượng mà miếng sắt nhận được: $Q=mcΔt=0{,}150.460.12=828\ J$

Công mà người đã thực hiện: $A=\frac{828}{40\%}=2070\ J$

* Dụng cụ:

– 1 biến thế nguồn (1),

– 2 đồng hồ đo điện đa năng dùng làm vốn kế một chiều và ampe kế một chiều (2).

– Dây nối (3)

– 1 bình nhiệt lượng kế (có dây nung và que khuấy) (4).

– 1 đồng hồ đo thời gian có độ chia nhỏ nhất 0,01 s (5).

– 1 nhiệt kế có độ chia nhỏ nhất 1 C (6),

– 1 chai nước ở nhiệt độ phòng (7).

– 1 chiếc cân điện tử có độ chia nhỏ nhất 0,01 g (8).

– 1 công tắc điện (9)

* Tiến hành thí nghiệm

Bước 1: Điều chỉnh đơn vị đo của cân là g. Đặt bình nhiệt lượng kế (đã gắn nhiệt kế và que khuấy) lên đĩa cần, hiệu chỉnh cân về số 0,00.

Bước 2:

- Nhấc bình nhiệt lượng kế khỏi đĩa cần, rót nước ở nhiệt độ phòng vào bình sao cho dây nung ngập hoàn toàn trong nước.

– Đặt bình nhiệt lượng kế chứa nước lên đĩa cân, ghi nhận giá trị khối lượng m$_{n}$ và nhiệt độ ban đầu T$_{0}$ của nước.

Bước 3:

– Mắc bình nhiệt lượng kế vào mạch điện như Hình 4.2. Điều chỉnh biến thế nguồn đến giá trị 6 V.

– Đóng công tắc, đồng thời bấm đồng hồ đo thời gian.

– Ghi nhận giá trị hiện điện thế U trên vốn kế và cường độ dòng điện I trên ampe kế.

– Dùng que khuấy khuấy nhẹ nhàng, liên tục để nước trong bình nóng đều.

– Quan sát và ghi lại thời gian tại mỗi thời điểm mà số chỉ trên nhiệt kế tăng thêm 1 $^{o}$C, 2 °C, 3 $^{o}$C theo mẫu Bảng 4.1.

Bước 4: Ngắt mạch điện.

Đề xuất phương án khắc phục sai số:

- Thao tác thực hiện thí nghiệm chính xác.

- Kiểm tra các thiết bị dụng cụ thí nghiệm đảm bảo tối đa không có sự thất thoát nhiệt lượng ra ngoài.

Đề xuất phương án:

- Đo nhiệt độ ban đầu t$_{0}$ của khối kim loại.

- Cho dòng điện chạy qua khối kim loại, đo công suất dòng điện ( ) và thời gian dòng điện (t) chạy qua để xác định được nhiệt lượng cung cấp.

- Sau thời gian t trên, đo nhiệt độ t$_{1}$ của khối kim loại

- Sử dụng công thức để tìm nhiệt dung riêng của khối kim loại.

* Dụng cụ:

– 1 bình nhiệt lượng kế (có que khuấy).

– Cốc nước đá.

− 1 nhiệt kế có độ chia nhỏ nhất 1 $^{o}$C.

– 1 chai nước ở nhiệt độ phòng.

– 1 chiếc cân điện tử có độ chia nhỏ nhất 0,01.

* Tiến hành thí nghiệm:

Bước 1: Điều chỉnh đơn vị đo của cân là g. Đặt bình nhiệt lượng kế (đã gắn nhiệt kế và que khuấy) lên đĩa cân, hiệu chỉnh cân về số 0,00.

Bước 2:

– Nhấc bình nhiệt lượng kể khỏi đĩa cân, rót nước ở nhiệt độ phòng vào bình nhiệt lượng kế (khoảng $\frac{2}{3}$ bình).

– Đặt bình nhiệt lượng kế chứa nước lên đĩa cân, ghi giá trị khối lượng m$_{n}$ và nhiệt độ ban đầu T$_{0}$ của nước theo mẫu Bảng 4.2.

– Lặp lại phép đo khối lượng m$_{n}$ của nước thêm hai lần.

Bước 3: Đặt lại bình nhiệt lượng kế chứa nước lên đĩa cân, hiệu chỉnh cân về số 0,00.

Bước 4:

– Nhấc bình nhiệt lượng kế khỏi đĩa cân, cho khối nước đá vào bình nhiệt lượng kế.

– Đậy kín nắp bình nhiệt lượng kế, dùng que khuấy khuấy đều đến khi nước đá tan hết. Ngay khi nhận thấy nước đá vừa tan hết, ghi giá trị nhiệt độ T của nước theo mẫu Bảng 4.2.

Bước 5: Đặt bình nhiệt lượng kế lúc này lên đĩa cân. Ghi giá trị m$_{đ}$ của khối nước đá theo mẫu Bảng 4.2. Lặp lại phép đo khối lượng m$_{đ}$ của khối nước đá thêm hai lần.

Lưu ý: Trong quá trình làm thí nghiệm, tránh làm nước nhỏ xuống khe ở dưới đĩa cân và mặt hiển thị số.

* Báo cáo kết quả thí nghiệm:

Đề xuất phương án khắc phục:

- Thực hiện thao tác chính xác

- Kiểm tra các dụng cụ để đảm bảo tối đa không có sự mất mát nhiệt lượng

* Dụng cụ:

– 1 chiếc cân điện tử có độ chia nhỏ nhất 0,01 g.

− 1 ấm đun nước siêu tốc (loại 1,8 lít),

– 1 đồng hồ đo thời gian có độ chia nhỏ nhất 0,01 s.

– 1 chai nước ở nhiệt độ phòng.

* Tiến hành thí nghiệm:

Bước 1:

– Điều chỉnh đơn vị đo của cân là g. Đặt ấm đun lên đĩa cân (Hình 1.3), hiệu chỉnh cân về số 0,00.

– Nhấc ấm đun khỏi đĩa cân, rót nước từ từ vào ấm đun đến giá trị khoảng 320,00 g.

Bước 2: Đặt ấm đun chứa nước lên đĩa cân, bật công tắc để bắt đầu đun nước. Khi nước vừa sôi, mở nắp ấm đun để nước bay hơi. Khi thấy cân điện tử chỉ 300,00 g thì bắt đầu bấm đồng hồ đo thời gian.

Bước 3:

– Khi thấy số chỉ trên cân điện tử giảm còn 250,00 g (là khối lượng m của phần nước còn lại trong ấm đun) thì ghi nhận thời gian t và khối lượng ra theo mẫu Bảng 4.3.

– Lặp lại phép đo t và m khi số chỉ trên cân điện tử lần lượt giảm còn 200,00 g và 150,00 g.

* Báo cáo kết quả thí nghiệm:

– Tính giá trị của đại lượng $L=\frac{\text{P}t}{Δm}$ trong mỗi lần đo, từ đó tính giá trị trung bình của đại lượng này.

Bảng 4.3. Bảng số liệu thí nghiệm đo nhiệt hoá hơi riêng của nước

(Biết ấm đun nước có công suất P = 1500 W, m$_{0}$ = 300,00 g)

Đề xuất phương án khắc phục:

- Thực hiện thao tác chính xác

- Kiểm tra các dụng cụ để đảm bảo tối đa không có sự mất mát nhiệt lượng