Khởi động (trang 10) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 2: Khi nước được đun tới lúc bắt đầu sôi thì dù có tiếp tục đun, nhiệt độ của nước cũng không thay đổi. Vậy nhiệt năng mà nước nhận được lúc này làm tăng dạng năng lượng nào của nước?
- Nhiệt năng mà nước nhận được làm tăng động năng, thế năng của các phân tử nước hay chính là làm tăng nội năng của nước.
I. Khái niệm nội năng
Câu hỏi (trang 10) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 2: Tại sao nội năng của vật lại phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật?
Trả lời:
- Bởi vì nội năng bằng tổng thế năng cộng với động năng.
- Thế năng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử vì các phân tử tương tác với nhau, nếu khoảng cách giữa các phân tử thay đổi thì thể tích sẽ thay đổi, từ đó thế năng cũng sẽ thay đổi nên nội năng phụ thuộc vào thể tích của vật.
- Động năng phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của phân tử mà tốc độ chuyển động của phân tử lại phụ thuộc vào nhiệt độ ( nhiệt độ càng cao thì tốc độ chuyển động của phân tử càng nhanh và ngược lại) nên động năng phụ thuộc vào nhiệt độ, từ đó nội năng cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của vật.
Hoạt động (trang 11) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 2: Thí nghiệm sau đây cho thấy mối liên hệ giữa nội năng của vật với năng lượng của các phân tử cấu tạo nên vật.
Chuẩn bị:
- Ống nghiệm (1).
- Nút bấc có kích thước vừa khít miệng ống nghiệm (2).
- Đèn cồn (3).
- Giá đỡ thí nghiệm (4).
Tiến hành:
- Bố trí thí nghiệm như Hình 2.2.
- Dùng đèn cồn đun nóng ống nghiệm cho đến khi nút bắc bật ra.
Thực hiện các yêu câu sau:
1. Khi đun ống nghiệm tới một lúc nào đó thì thấy nút bấc bật ra. Giải thích vì sao nút bấc bật ra.
2. Khi nút chưa bị bật ra:
a) Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng hay giảm? Vì sao?
b) Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng có phải do thế năng phân tử khí tăng không? Tại sao?
c) Tại sao hiện tượng nút ống nghiệm bị bật ra lại chứng tỏ động năng của các phân tử khí trong ống nghiệm tăng?
Trả lời:
1. Khi đun ống nghiệm, chất lỏng bên trong ống nghiệm sẽ nóng lên và chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí. Quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí gây ra sự mở rộng đột ngột của chất lỏng. Khi chất lỏng mở rộng, áp suất bên trong ống nghiệm tăng lên.
Trong khi đó, nút bấc của ống nghiệm có thể là một loại nút đậy không thể di chuyển hoặc không thể thoát ra ngoài dễ dàng. Khi áp suất bên trong ống nghiệm tăng lên do quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí, áp suất này có thể trở nên đủ lớn để đẩy nút bấc ra ngoài.
Do đó, nút bấc bật ra là kết quả của áp suất bên trong ống nghiệm tăng lên do sự mở rộng của chất lỏng trong quá trình đun nóng, và nút bấc không thể chịu được áp lực nên bị đẩy ra ngoài.
2
a. Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng vì khi ống nghiệm được đun nóng thì nhiệt độ trong ống nghiệm cũng tăng lên, từ đó làm động năng tăng lên nên nội năng tăng.
b. Nội năng của không khí trong ống nghiệm tăng không chỉ do thế năng phân tử khí tăng mà còn do động năng tăng nữa.
c. Hiện tượng nút ống nghiệm bị bật ra lại chứng tỏ động năng của các phân tử khí trong ống nghiệm tăng vì nhiệt độ tăng thì các phân tử khí chuyển động nhanh hơn, va chạm với nút bấc cũng mạnh hơn mà động năng phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của phân tử nên các phân tử khí chuyển động nhanh thì động năng cũng tăng theo.
II. Định luật I của nhiệt động lực học
1. Cách làm thay đổi nội năng
Câu hỏi 1 (trang 11) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 2: Mô tả sự thay đổi nội năng của lượng khí trong xi lanh ở Hình 2.3.
Trả lời:
Nhìn hình 2.3 ta thấy:
- Hình a) là chúng ta đang thực hiện công bằng cách ấn vào đầu để nén phần khí trong xi lanh, quá trình nén khí này làm tăng nhiệt độ của khí và tăng nội năng của khí. Để quan sát được tăng nhiệt độ thì ta có thể đo nhiệt lộ của khí sau khi nén.
- Hình b) là đang truyền nhiệt cho khí bằng cách đun nóng xi lanh, khi nhiệt môi bên ngoài của xi lanh cao hơn nhiệt độ bên trong của xi lanh thì khí ở bên trong sẽ hấp thụ nhiệt từ bên ngoài vào hay nói cách khác thì ta đun xi lanh thì bên ngoài xi lanh sẽ nóng nên và nó truyền nhiệt vào bên trong, khí bên trong sẽ nhận nhiệt.
Câu hỏi 2 (trang 11) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 2: Tìm thêm ví dụ về thực hiện công và truyền nhiệt làm thay đổi nội năng của vật
Trả lời:
Ví dụ: Quá trình nấu nước trong nồi cơm điện
Khi nấu nước trong nồi cơm điện, công được thực hiện lên nước và nhiệt được truyền vào nước từ nguồn nhiệt (dây nhiệt) của nồi cơm. Quá trình này làm thay đổi nội năng của nước.
- Thực hiện công lên nước:
+ Khi nồi cơm điện được bật lên, dây nhiệt bên trong nồi nước bắt đầu làm nóng nước.
+ Nước trong nồi bắt đầu hấp thụ nhiệt từ dây nhiệt và nhiệt được chuyển vào nước, làm tăng nhiệt độ và áp suất bên trong nồi.
+ Áp suất bên trong nồi tăng lên do nước mở rộng, và nhiệt độ của nước tăng lên, làm tăng nội năng của nước.
- Truyền nhiệt cho nước:
+ Nhiệt từ dây nhiệt được truyền vào nước, giúp nước nhanh chóng đun sôi.
+ Khi nhiệt được truyền vào nước, động năng của các phân tử nước tăng lên và nội năng của nước tăng theo.
⇒ Tóm lại, trong quá trình nấu nước trong nồi cơm điện, công được thực hiện lên nước khi nước được làm nóng và nhiệt được truyền vào nước từ dây nhiệt. Cả hai quá trình này đều làm thay đổi nội năng của nước.
2. Định luật I của nhiệt động lực học
Câu hỏi (trang 12) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 2: Các hệ thức sau đây mô tả các quá trình thay đổi nội năng nào?
1. ΔU = Q khi Q > 0 và khi Q < 0.
2. ΔU = A khi A > 0 và khi A < 0.
3. ΔU = A + Q khi Q > 0 và A < 0.
4. ΔU = A + Q khi Q < 0 và A > 0.
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.
Hoạt động (trang 13) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 2: Định luật I của nhiệt động lực học có nhiều ứng dụng thực tế, một trong những ứng dụng quan trọng là để chế tạo các loại động cơ nhiệt. Ngoài ra, định luật I của nhiệt động lực học có nhiều ứng dụng thực tế, một trong những ứng dụng quan trọng là để chế tạo các loại động cơ nhiệt. Ngoài ra, định luật này còn dùng để giải thích các hiện tượng liên quan đến sự truyền và biến đổi nội năng.
Động cơ nhiệt là động cơ hoạt động dựa trên nguyên tắc biến đổi nội năng của nhiên liệu thành cơ năng.
Mỗi động cơ nhiệt đều có ba bộ phận chính (Hình 2.6a):
- Nguồn nóng có nhiệt độ T1 cung cấp nhiệt lượng cho động cơ.
- Bộ phận phát động trong đó tác nhân nhận nhiệt từ nguồn nóng, giãn nở sinh công ( Trong máy hơi nước, tác nhân là hơi nước; trong động cơ đốt trong, tác nhân là khí do nhiên liệu bị đốt cháy toả ra trong xi lanh).
- Nguồn lạnh có nhiệt độ T2< T1 nhận nhiệt lượng do động cơ toả ra.
Hãy dựa vào các sơ đồ trong Hình 2.6b,c để trình bày sơ lược về cấu tạo và hoạt động của máy hơi nước và động cơ đốt trong.
Trả lời:
Hình 2.6 b:
- Cấu tạo của máy hơi nước: Nồi súp de, xi lanh và pit tông, bình ngưng hơi.
- Cơ chế hoạt động: Động cơ hơi nước sử dụng lực tạo ra bởi áp suất hơi nước để đẩy pit-tông qua lại bên trong xi lanh, lực này được biến đổi bằng một thanh nối và bánh đà, thành lực quay để làm việc.
Hình 2.6 c:
- Cấu tạo của động cơ đốt trong: xi lanh, pit-tông, bu-gi, thanh truyền
- Cơ chế hoạt động: Động cơ đốt trong sử dụng sự giãn nở của khí ở nhiệt độ cao và áp suất cao do quá trình đốt cháy tác dụng một lực trực tiếp lên một số thành phần của động cơ, lực này giúp vật có thể di chuyển một quãng đường nhất định, biến năng lượng hoá học thành công có ích.
Câu hỏi 1 (trang 14) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 2: Nội năng của vật biến đổi như thế nào trong các trường hợp sau:
a) Vật rắn đang nóng chảy.
b) Nước đá đang tan.
c) Hơi nước ngưng tụ ở nhiệt độ không đối.
Trả lời:
a) Vật rắn đang nóng chảy:
- Trong quá trình nóng chảy, nhiệt được truyền vào vật rắn để làm tăng nhiệt độ của nó.
- Nội năng của vật tăng lên do việc tăng động năng trung bình của các phân tử trong vật rắn.
- Tuy nhiên, nội năng không thay đổi tại nhiệt độ nóng chảy, vì năng lượng được sử dụng để làm tan chảy các liên kết giữa các phân tử mà không làm thay đổi nhiệt độ.
b) Nước đá đang tan:
- Trong quá trình tan, nhiệt được truyền vào nước đá để làm tan nó.
- Nội năng của nước tăng lên do việc tăng động năng trung bình của các phân tử trong nước.
- Tuy nhiên, nội năng không thay đổi tại nhiệt độ tan, vì năng lượng được sử dụng để làm tan các liên kết giữa các phân tử nước đá mà không làm thay đổi nhiệt độ.
c) Hơi nước ngưng tụ ở nhiệt độ không đổi:
- Trong quá trình ngưng tụ, nhiệt được trích ra khỏi hơi nước để làm giảm nhiệt độ của nó.
- Nội năng của hơi nước giảm đi do mất đi động năng trung bình của các phân tử trong hơi nước.
- Tuy nhiên, nội năng không thay đổi tại nhiệt độ ngưng tụ, vì năng lượng được sử dụng để làm đông đặc các phân tử trong hơi nước mà không làm thay đổi nhiệt độ.
Câu hỏi 2 (trang 14) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 2: Một vật khối lượng 1 kg trượt không vận tốc ban đầu từ đỉnh xuống chân một mặt phẳng dài 21 m, nghiêng 30° so với mặt nằm ngang. Tốc độ của vật ở chân mặt phẳng là 4,1 m/s. Tính công của lực ma sát và độ biến thiên nội năng của vật trong quá trình chuyển động trên. Lấy g = 9,8 m/s2. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với mặt phẳng nghiêng.
Trả lời:
Chọn mốc thế năng tại mặt đất
Cơ năng tại đỉnh dốc:
Cơ năng tại chân dốc:
Công của lực ma sát bằng độ biến thiên cơ năng:
Mặt phẳng nghiêng thực hiện công lên vật do đó vật nhận công: A = 94,495 J.
Độ biến thiên nội năng: (do bỏ qua sự trao đổi nhiệt với mặt phẳng nghiêng nên Q = 0).