Hoạt động mở đầu (trang 20) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Ô tô khi đóng kín cửa để ngoài trời nắng nóng (Hình 3.1), nhiệt độ không khí trong xe tăng rất cao so với nhiệt độ bên ngoài, làm giảm tuổi thọ của các thiết bị bên trong xe. Nguyên nhân nào gây ra sự tăng nhiệt độ này?
Trả lời:
Nguyên nhân gây tăng nhiệt độ trong ô tô khi đóng kín cửa để ngoài trời nắng nóng:
- Hiệu ứng nhà kính:
+ Kính chắn gió và cửa sổ ô tô cho phép ánh sáng mặt trời đi vào, nhưng lại ngăn cản phần lớn bức xạ nhiệt từ bên trong xe thoát ra ngoài.
+ Hiệu ứng này tương tự như hiệu ứng nhà kính, khiến nhiệt độ bên trong xe tăng cao.
+ Ánh sáng mặt trời khi chiếu vào các vật dụng trong xe (ghế da, taplo,...) sẽ bị hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt năng.
+ Nhiệt năng này bị giữ lại bên trong xe do không thể thoát ra ngoài qua kính chắn gió và cửa sổ.
- Không khí trong xe không được lưu thông:
+ Khi đóng kín cửa xe, không khí bên trong không được lưu thông với môi trường bên ngoài.
+ Điều này khiến cho nhiệt độ bên trong xe tăng cao hơn so với môi trường bên ngoài.
- Vật liệu nội thất:
+ Một số vật liệu nội thất ô tô như da, nỉ,... có khả năng hấp thụ nhiệt tốt.
+ Khi nhiệt độ bên ngoài cao, những vật liệu này sẽ hấp thụ nhiệt và làm tăng nhiệt độ bên trong xe.
- Thiết bị điện tử:
+ Các thiết bị điện tử trong xe như radio, DVD,... cũng tỏa nhiệt khi hoạt động.
+ Nhiệt lượng này góp phần làm tăng nhiệt độ bên trong xe.
- Hệ thống điều hòa:
- Nếu hệ thống điều hòa không hoạt động hiệu quả hoặc bị hỏng, nhiệt độ bên trong xe sẽ tăng cao nhanh chóng.
1. Nội năng
a. Khái niệm về nội năng
Câu hỏi 1 (trang 20) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Chứng tỏ nội năng của vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.
- 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.
b. Thí nghiệm về mối quan hệ giữa nội năng và năng lượng của các phân tử tạo nên vật
Câu hỏi 2 (trang 21) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Vận dụng mô hình động học phân tử, hãy giải thích hiện tượng chiếc nút bị đẩy bật ra khỏi ống (Hình 3.2b).
Trả lời:
- Khi được cung cấp nhiệt, không khí bên trong ống nghiệm nóng lên, các phân tử chuyển động nhanh hơn, va chạm với nhau mạnh hơn tạo ra áp suất lớn hơn lên thành ống nghiệm. Áp suất lớn đẩy nút bịt bật ra khỏi ống nghiệm.
Câu hỏi 3 (trang 21) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Việc thay đổi lượng không khí chứa trong ống nghiệm có ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm không? Nếu có thì ảnh hưởng như thế nào?
Trả lời:
- Việc thay đổi lượng không khí trong ống nghiệm có ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.
- Khi lượng không khí trong ống nghiệm nhiều:
+ Một phần áp suất lên nút bịt là do áp suất của khí.
+ Áp suất của nước cần thiết để đẩy nút bịt ra khỏi ống nghiệm cao hơn.
+ Nút bịt khó bị đẩy ra khỏi ống nghiệm hơn.
- Khi lượng không khí trong ống nghiệm ít:
+ Áp suất lên nút bịt chủ yếu là do áp suất của nước.
+ Nút bịt dễ bị đẩy ra khỏi ống nghiệm hơn.
Luyện tập (trang 21) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Dựa vào mô hình động học phân tử, hãy giải thích hiện tượng quả bóng bàn bị móp (nhưng chưa bị thủng) khi thả vào cốc nước nóng sẽ phồng trở lại (Hình 3.3).
Lời giải:
- Khi thả vào cốc nước nóng, khối khí bên trong quả bóng nhận được nhiệt lượng từ nước nóng, nội năng khối khí tăng lên, thể tích khí tăng lên gây ra lực từ bên trong tác dụng lên vỏ quả bóng làm cho nó phồng trở lại.
2. Các cách làm thay đổi nội năng
a. Thực hiện công
Câu hỏi 4 (trang 22) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Có những cách nào làm thay đổi nội năng của một vật (hoặc một hệ vật). Cho ví dụ minh họa.
Trả lời:
- Có 02 cách làm thay đổi nội năng là thực hiện công và truyền nhiệt.
+ Ví dụ cách thực hiện công: Khi nén lò xo, ta đã thực hiện công lên lò xo, dẫn đến cơ năng chuyển hóa thành nội năng, làm tăng nội năng của lò xo
+ Ví dụ cách truyền nhiệt: Khi đun nóng một bình nước, ta đã thực hiện truyền nhiệt cho bình nước, làm nội năng của bình nước tăng lên
Luyện tập (trang 22) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Lấy ví dụ minh họa về việc làm thay đổi nội năng của một khối chất rắn, khối chất lỏng và khối chất khí bằng cách thực hiện công trong thực tiễn.
Lời giải:
- Chất rắn:
+ Nén lò xo: Khi nén lò xo, ta đã thực hiện công lên lò xo, làm cho lò xo biến dạng. Lò xo sẽ tích trữ năng lượng dưới dạng năng lượng đàn hồi, làm tăng nội năng của lò xo.
+ Kéo căng một sợi dây thun: Khi kéo căng dây thun, ta đã thực hiện công lên dây thun, làm cho dây thun biến dạng. Dây thun sẽ tích trữ năng lượng dưới dạng năng lượng đàn hồi, làm tăng nội năng của dây thun.
+ Đập một viên đạn vào khối kim loại: Khi viên đạn va chạm với khối kim loại, một phần động năng của viên đạn sẽ chuyển sang cho khối kim loại, làm tăng nội năng của khối kim loại.
- Chất lỏng:
+ Khuấy một cốc nước: Khi khuấy cốc nước, ta đã thực hiện công lên cốc nước, làm cho các phân tử nước chuyển động nhanh hơn. Điều này làm tăng động năng của các phân tử nước, dẫn đến tăng nội năng của nước.
+ Dùng bơm tay để bơm khí vào quả bóng: Khi bơm khí vào quả bóng, ta đã thực hiện công lên khí, làm cho áp suất khí trong quả bóng tăng. Điều này làm tăng nội năng của khí trong quả bóng.
+ Làm sôi nước: Khi đun nước, ta đã truyền nhiệt cho nước, làm cho nước nóng lên. Khi nước sôi, các phân tử nước sẽ chuyển động nhanh hơn và thoát ra khỏi mặt nước, tạo thành hơi nước. Hơi nước có nội năng cao hơn nước lỏng.
- Chất khí:
- Nén khí trong bình: Khi nén khí trong bình, ta đã thực hiện công lên khí, làm cho áp suất khí trong bình tăng. Điều này làm tăng nội năng của khí trong bình.
- Làm nổ một quả bóng bay: Khi làm nổ quả bóng bay, một phần năng lượng đàn hồi của quả bóng bay sẽ chuyển hóa thành năng lượng âm thanh và năng lượng nhiệt, làm tăng nội năng của khí trong quả bóng bay.
- Dùng súng bắn đạn: Khi bắn súng, một phần năng lượng hóa học của thuốc súng sẽ chuyển hóa thành động năng của viên đạn và năng lượng âm thanh, làm tăng nội năng của khí trong nòng súng.
b. Truyền nhiệt
Luyện tập (trang 23) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Giải thích tại sao khi hai vật chênh lệch nhiệt độ tiếp xúc với nhau thì nhiệt độ của chúng sẽ tiến đến bằng nhau.
Lời giải:
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.
c. Nhiệt lượng, nhiệt rung riêng
Câu hỏi 5 (trang 23) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Xét trường hợp đun một ấm nước, nhiệt lượng cần cung cấp cho nước sẽ thay đổi như thế nào nếu khối lượng của nước càng lớn và độ tăng nhiệt độ của nước càng lớn.
Trả lời:
Xét công thức: Q = m.c.(T2 - T1). Theo đó:
- Khi khối lượng nước tăng (m tăng), nhiệt lượng sẽ tăng (Q tăng);
- Khi độ tăng nhiệt độ của nước càng lớn (ΔT tăng), nhiệt lượng sẽ tăng (Q tăng).
Luyện tập 1 (trang 24) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Tính nhiệt lượng cần cung cấp để đun 3 lít nước từ nhiệt độ 25 °C lên 100 °C, biết nhiệt dung riêng của nước là 4 180 J/kg.K.
Lời giải:
Nhiệt lượng cần cung cấp để đun 3 lít nước từ nhiệt độ 25 °C lên 100 °C:
Q = m.c.(t₂ - t₁) = 3.4180.(100-25) = 945000 J
2. Nhiệt lượng mà thép tỏa ra bằng nhiệt lượng mà nước thu vào.
Q₁ = m₁.c₁.(t₁ - t) = 1,1.460.(850-t)
Q₂ = m₂.c₂.(t - t₂) = 200.4180.(t-27)
Q₁ = Q₂
=> 1,1.460.(850-t) = 200.4180.(t-27)
=> t = 30,1 ℃
Luyện tập 2 (trang 24) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Một người thợ rèn nhúng một con dao rựa bằng thép có khối lượng 1,1 kg ở nhiệt độ 850 °C vào trong bể nước lạnh để làm tăng độ cứng của lưỡi dao. Nước trong bể có thể tích 200 lít và có nhiệt độ bằng với nhiệt độ ngoài trời là 27 °C. Xác định nhiệt độ của nước khi có sự cân bằng nhiệt. Bỏ qua sự truyền nhiệt cho thành bể và môi trường bên ngoài. Biết nhiệt dung riêng của thép là 460 J/kg.K; của nước là 4 180 J/kg.K.
Lời giải:
Gọi nhiệt độ cân bằng là t
Nhiệt lượng do thép truyền cho nước:
Nhiệt lượng do nước nhận được từ thép:
Khi có sự cân bằng nhiệt:
Qtoa=Qthu⇔1,1.460.(850−t)=200.4180.(t−27) ⇔ t ≈ 27,5°C
Vận dụng (trang 24) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Hình 3.6 mô tả cách tạo lửa bằng ma sát trong tình huống nguy cấp của con người (như cần sưởi ấm trong thời tiết lạnh, nấu chín thức ăn,...) khi không có bật lửa. Hãy giải thích cách tạo ra lửa trong tình huống này.
Lời giải:
- Hình 3.6 sử dụng cách tạo ra lửa bằng việc ma sát hai vật liệu là vật liệu dễ cháy (củi, giấy, que gỗ…) và vật tạo ma sát. Khi hai vật tác động vào nhau với tốc độ đủ để tạo ra ma sát thì sẽ tạo ra nhiệt độ cao, kích thích vật liệu cháy. Khi nhiệt độ đạt đến mức nhất định, vật liệu cháy sẽ bắt đầu cháy.
3. Định luật 1 của nhiệt động lực học
Câu hỏi 6 (trang 25) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Xét khối khí như trong Hình 3.4, nếu ta vừa dùng tay ấn mạnh và nhanh pit-tông, vừa nung nóng khí bằng ngọn lửa đèn cồn thì nội năng của khí biến thiên như thế nào so với trường hợp không nung nóng? Vận dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, viết biểu thức liên hệ độ biến thiên nội năng của khối khí với công và nhiệt lượng mà khí nhận được
Trả lời:
Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng:
Độ biến thiên nội năng (ΔU) của khí bằng tổng công (A) mà khí nhận được và nhiệt lượng (Q) mà khí nhận được:
ΔU = A + Q
Trong trường hợp này:
- Công (A) > 0 vì khí được nén.
- Nhiệt lượng (Q) > 0 vì khí được nung nóng.
Vậy:
- ΔU > 0 => Nội năng của khí tăng.
- Nung nóng khí khi nén sẽ làm tăng độ biến thiên nội năng của khí so với trường hợp không nung nóng. Biểu thức liên hệ độ biến thiên nội năng, công và nhiệt lượng là ΔU = A + Q.
Luyện tập (trang 25) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Giả sử cung cấp cho vật một công là 200 J nhưng nhiệt lượng bị thất thoát ra môi trường bên ngoài là 120 J. Hỏi nội năng của vật tăng hay giảm bao nhiêu?
Lời giải:
Vật nhận công nên A > 0, nhiệt lượng truyền ra ngoài nên Q < 0
Độ biến thiên nội năng: ΔU=Q+A=−120+200=80J > 0 nên nội năng tăng.
Vận dụng (trang 25) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Hãy giải thích nguyên nhân gây ra sự tăng nhiệt độ trong ô tô ở Hình 3.1. Người ra thường sử dụng biện pháp đơn giản nào để hạn chế sự tăng nhiệt độ không khí trong ô tô trong trường hợp này?
Lời giải:
* Nguyên nhân:
- Kính xe ô tô: kính chắn gió và cửa sổ ô tô cho phép ánh sáng mặt trời đi vào, nhưng lại ngăn cản phần lớn bức xạ nhiệt từ bên trong xe thoát ra ngoài;
- Không khí trong xe không được lưu thông;
- Một số vật liệu nội thất ô tô như da, nỉ,... có khả năng hấp thụ nhiệt tốt. Khi nhiệt độ bên ngoài cao, những vật liệu này sẽ hấp thụ nhiệt và làm tăng nhiệt độ bên trong xe;
- Các thiết bị điện tử trong xe như radio, DVD,... cũng tỏa nhiệt khi hoạt động. Nhiệt lượng này góp phần làm tăng nhiệt độ bên trong xe;
* Biện pháp:
- Che chắn ánh nắng mặt trời:
+ Sử dụng rèm che nắng, tấm chắn nắng để giảm thiểu lượng ánh nắng mặt trời chiếu trực tiếp vào xe;
+ Chỗ đỗ xe: Đỗ xe dưới bóng râm hoặc trong nhà để xe.
- Giảm thiểu tác động của ánh nắng mặt trời:
+ Sử dụng tấm phản quang để che chắn phần nóc xe, giúp giảm bớt lượng nhiệt hấp thụ vào xe;
+ Sử dụng phim cách nhiệt cho kính chắn gió và cửa sổ để giảm lượng nhiệt truyền vào bên trong xe.
- Tăng cường thông gió:
+ Mở cửa sổ hoặc sử dụng quạt thông gió để tạo sự lưu thông không khí bên trong xe;
+ Bật chế độ lấy gió ngoài của điều hòa khi di chuyển.
- Sử dụng các vật liệu cách nhiệt:
+ Lót ghế bằng chất liệu thoáng mát, ít hấp thụ nhiệt;
+ Sử dụng thảm lót sàn có khả năng cách nhiệt.
- Sử dụng điều hòa:
+ Bật điều hòa để làm mát không khí trong xe;
+ Sử dụng chế độ tự động để điều chỉnh nhiệt độ phù hợp.
Bài tập
Bài tập 1 (trang 28) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Hệ thức nào dưới đây là phù hợp với quá trình một khối khí trong bình kín bị nung nóng?
A. ∆U = A; A > 0.
B. ∆U = Q; Q > 0.
C. ∆U = A; A < 0.
D. ∆U = Q; Q < 0.
Đáp án: B. ∆U = Q; Q > 0.
Giải thích:
- Quá trình nung nóng:
+ Nội năng (U) của khí tăng.
+ Khí nhận nhiệt lượng (Q) từ môi trường xung quanh.
+ Công (A) bằng 0 vì thể tích khí không thay đổi (bình kín).
- Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng:
∆U = A + Q
- Vì A = 0, ta có: ∆U = Q
- Vì khí nhận nhiệt lượng, Q > 0.
Bài tập 2 (trang 28) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Một người cọ xát một miếng sắt dẹt có khối lượng 150 g trên một tấm đá mài. Sau một khoảng thời gian, miếng sắt nóng thêm 12 °C, Tính công mà người này đã thực hiện, giả sử rằng 40% công đó được dùng để làm nóng miếng sắt. Biết nhiệt dung riêng của sắt là 460 J/kg.K.
Lời giải:
Nhiệt lượng mà miếng sắt nhận được: Q=mcΔt=0,150.460.12=828J
Công mà người đã thực hiện:
Bài tập 3 (trang 28) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 3: Một ấm đun nước bằng nhôm có khối lượng 400g, chứa 3 lít nước được đun trên bếp. Khi nhận được nhiệt lượng 740 kJ thì ấm đạt đến nhiệt độ là 80oC. Tính nhiệt độ ban đầu của ấm và nước, biết nhiệt dung riêng của nhôm là 880 J/kg.K, nhiệt dung riêng của nước là 4 180 J/kg.K. Coi nhiệt lượng mà ấm tỏa ra bên ngoài là không đáng kể.
Lời giải:
Nhiệt lượng được cung cấp (740 kJ) được dùng để làm nóng cả ấm (Q1) và nước (Q2) đến nhiệt độ 80oC.
→ Q = Q1 + Q2
⇔ 740 000 = m1.c1.(80 - t) + m2.c2.(80 - t)
⇔ 740 000 = 400.10-3.880.(80 - t) + 3.4180.(80 - t)
⇔ t = 22,6