Hoạt động Mở đầu (trang 13) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 2: Khi được mài (Hình 2.1), lưỡi dao không chỉ sắc hơn mà còn nóng lên. Nó cũng nóng lên khi được nhúng vào nước nóng. Trong hai trường hợp này, dù theo các cách khác nhau nhưng lưỡi dao đều nhận thêm năng lượng. Phần năng lượng nhận được thêm này có liên hệ gì với năng lượng của các phân tử cấu tạo nên lưỡi dao?
Trả lời:
- Khi lưỡi dao được mài hoặc nhúng vào nước nóng, nó nhận thêm năng lượng từ môi trường xung quanh. Sự tăng nhiệt này gây ra sự tăng động năng của các phân tử trong lưỡi dao. Điều này có thể được hiểu thông qua một số nguyên lý vật lý:
+ Năng lượng nhiệt: Khi lưỡi dao tiếp xúc với bề mặt mài hoặc nước nóng, nó hấp thụ năng lượng nhiệt từ môi trường xung quanh. Sự hấp thụ này tăng cường năng lượng nhiệt của các phân tử trong lưỡi dao, làm tăng độ rung và dao động của chúng.
+ Năng lượng nội: Mỗi phân tử trong vật liệu của lưỡi dao có một lượng năng lượng nội tương ứng với cấu trúc và vị trí của nó trong lưới tinh thể. Khi lưỡi dao được mài hoặc nhúng vào nước nóng, phân tử trong đó bắt đầu dao động với một cường độ cao hơn, điều này có thể dẫn đến việc tăng cường năng lượng nội của chúng.
+ Sự di chuyển của các nguyên tử và phân tử: Sự nóng lên có thể làm cho các nguyên tử và phân tử trong lưỡi dao di chuyển nhanh hơn. Điều này có thể dẫn đến việc tăng cường sự phân tán và hoán đổi nhiệt giữa các phân tử, góp phần vào việc nâng cao nhiệt độ của lưỡi dao.
- Do đó, năng lượng mà lưỡi dao nhận được từ quá trình mài hoặc nhúng vào nước nóng có thể được xem xét là sự tăng cường năng lượng nhiệt và năng lượng nội của các phân tử cấu tạo nên lưỡi dao.
I. Nội năng
Câu hỏi 1 (trang 13) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 2: Hãy lập luận để chứng tỏ nội năng của một bình khí có liên hệ với nhiệt độ và thể tích của khí trong bình.
- 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.
Câu hỏi 2 (trang 14) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 2: Vì sao khi nén khí trong xilanh, thế năng tương tác phân tử và nội năng của lượng khí đó thay đổi?
Trả lời:
Khi khí được nén trong xilanh, các phân tử khí trong lượng khí đó chịu áp suất tăng lên và thể tích giảm đi. Quá trình này ảnh hưởng đến thế năng tương tác giữa các phân tử và nội năng của lượng khí theo một số cách:
- Tăng Áp Suất:
+ Áp suất tăng lên khi khí được nén. Áp suất là một yếu tố quan trọng trong thế năng tương tác giữa các phân tử khí.
+ Các phân tử trong khí sẽ trải qua sự va chạm với thành xilanh và với nhau với áp suất cao hơn. Điều này tăng cường tương tác giữa chúng.
- Giảm Thể Tích:
+ Thể tích của khí giảm đi khi nén. Các phân tử trong một thể tích nhỏ hơn sẽ ảnh hưởng lẫn nhau mạnh mẽ hơn.
+ Các phân tử gần nhau hơn và có khả năng tương tác với nhau nhiều hơn. Thế năng tương tác giữa chúng tăng lên do khoảng cách giảm.
- Tăng Nhiệt Độ:
+ Khi khí được nén, năng lượng nhiệt độ của nó có thể tăng lên. Quá trình nén khí thường đi kèm với tăng nhiệt độ do làm việc của máy nén.
+ Nhiệt độ tăng lên có thể làm tăng năng lượng nội của khí, do đó, nội năng của lượng khí cũng thay đổi.
Luyện tập 1 (trang 15) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 2: Lấy ví dụ thực tế về sự thay đổi nội năng của hệ bằng cách thực hiện công và ví dụ về sự thay đổi nội năng của hệ bằng truyền nhiệt.
Lời giải:
- Ví dụ về sự thay đổi nội năng của hệ bằng cách thực hiện công: Khi ta bơm lốp xe đạp hoặc xe máy, khi đó ta đang thực hiện công vào chiếc bơm để nén khí vào lốp, do bị nén nên nội năng của khí trong bơm sẽ tăng, làm cho nhiệt độ của khí tăng. Sau khi bơm xong ta sẽ thấy bơm sẽ bị nóng do nhận nhiệt của khí bị nén.
- Ví dụ về sự thay đổi nội năng của hệ bằng cách truyền nhiệt: Khi ta đun nước bằng siêu trên bếp, siêu sẽ nhận nhiệt và truyền vào nước ở bên trong, nhiệt lượng này làm tăng động năng của nước từ đó nội năng của hệ sẽ tăng. Khi nhiệt độ của nước tăng lên thì nội năng của hệ cũng tăng lên theo.
II. Định luật 1 của nhiệt động lực học
Luyện tập 2 (trang 16) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 2: Một lượng khí nhận nhiệt lượng 250 kJ do được đun nóng; đồng thời nhận công 500 kJ do bị nén.
a) Xác định độ tăng nội năng của lượng khí.
b) Xác định độ biến thiên nội năng của lượng khí trên nếu đồng thời với việc cung cấp nhiệt lượng 250 kJ, lượng khí này giãn ra và thực hiện công 100 kJ lên môi trường xung quanh nó.
Lời giải:
a) Khí nhận nhiệt lượng Q > 0, nhận công A > 0
Độ tăng nội năng ΔU = A + Q = 500 + 250 = 750 kJ.
b) Khí nhận nhiệt lượng Q > 0, thực hiện công A < 0
Độ tăng nội năng ΔU = A + Q = –100 + 250 = 150 kJ.
Vận dụng (trang 16) Vật Lí 12 Cánh diều Bài 2: Hãy tìm hiểu và giải tích vì sao miếng sắt trên đe bị nóng lên khi bị đập bằng búa nhiều lần.
Lời giải:
- Khi miếng sắt bị đập bởi búa, miếng sắt đã nhận công của búa thực hiện làm cho nó bị biến dạng, khi đó cấu trúc tinh thể của miếng sắt bị biến dạng, hay động năng của các phân tử tăng lên, từ đó nhiệt độ của miếng sắt tăng lên. Ngoài ra sự ma sát bề mặt của miếng sắt với đe và với búa sau những lần đập cũng sinh ra nhiệt làm cho nhiệt độ của miếng sắt tăng lên.