Giải Vật lí 12 Bài 3 (Chân trời sáng tạo): Nội năng. Định luật 1 của nhiệt động lực học

Mở đầu trang 20 Vật Lí 12: 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?

Lời giải:

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.

Câu hỏi 1 trang 20 Vật Lí 12: Chứng tỏ nội năng của vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.

Lời giải:

- Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ:

+ Khi nhiệt độ của vật tăng, động năng của các phân tử cấu tạo nên vật cũng tăng.

+ Điều này dẫn đến nội năng của vật cũng tăng.

- Nội năng phụ thuộc vào thể tích:

+ Khi thể tích của vật giảm, thế năng tương tác giữa các phân tử cấu tạo nên vật tăng.

+ Điều này dẫn đến nội năng của vật cũng tăng.

Câu hỏi 2 trang 21 Vật Lí 12: Vận dụng mô hình động học phân tử, hãy giải thích hiện tượng chiếc nút bị đẩy bật ra khỏi ống (Hình 3.2b).

Lời giải:

- Khi đun nóng nước trong ống nghiệm, nhiệt độ của nước tăng cao.

- Khi nhiệt độ tăng cao, động năng của các phân tử nước cũng tăng.

- Các phân tử nước chuyển động nhanh hơn và va chạm với nhau mạnh hơn.

- Lực va chạm của các phân tử nước tăng lên, tạo ra áp suất lớn hơn lên thành ống nghiệm.

- Áp suất lớn đẩy nút bịt ra khỏi ống nghiệm.

Câu hỏi 3 trang 21 Vật Lí 12: 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?

Lời giải:

- 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: 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 quả bóng bàn bị móp, phần vỏ cao su bị nén lại, khiến cho các phân tử khí bên trong quả bóng cũng bị nén lại.

- Khi thả quả bóng bàn vào nước nóng, nhiệt độ của khí bên trong quả bóng tăng cao.

- Khi nhiệt độ tăng cao, động năng của các phân tử khí cũng tăng.

- Các phân tử khí chuyển động nhanh hơn và va chạm với nhau mạnh hơn.

- Lực va chạm của các phân tử khí tăng lên, tạo ra áp suất lớn hơn lên thành quả bóng.

- Áp suất lớn này đẩy vỏ cao su phồng trở lại hình dạng ban đầu.

Câu hỏi 4 trang 22 Vật Lí 12: Có những cách nào làm thay đối nội năng của một vật (hoặc hệ vật)? Cho ví dụ minh họa.

Lời giải:

Có hai cách chính để làm thay đổi nội năng của một vật (hoặc hệ vật):

- Thực hiện công:

+ Nén một lò xo: Khi nén lò xo, ta đã thực hiện công lên lò xo, làm cho động năng của các phân tử trong lò xo tăng lên, dẫn đến nội năng của lò xo tăng.

+ Kéo một vật: Khi kéo một vật, ta đã thực hiện công lên vật, làm cho động năng của vật tăng lên, dẫn đến nội năng của vật tăng.

- Truyền nhiệt:

+ Đun nóng một cốc nước: Khi đun nóng cốc nước, ta đã truyền nhiệt cho cốc nước, làm cho động năng của các phân tử nước tăng lên, dẫn đến nội năng của nước tăng.

+ Cho một viên đá lạnh vào cốc nước nóng: Khi viên đá lạnh tiếp xúc với nước nóng, nước nóng sẽ truyền nhiệt cho viên đá, làm cho động năng của các phân tử nước trong viên đá tăng lên, dẫn đến nội năng của viên đá tăng.

Luyện tập trang 22 Vật Lí 12: 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.

Luyện tập trang 23 Vật Lí 12: 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 với nhau thì nhiệt độ của chúng sẽ tiến đến bằng nhau vì:

- Theo nguyên lý truyền nhiệt, nhiệt năng luôn truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp.

- 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.

- Quá trình va chạm này sẽ truyền năng lượng từ các phân tử ở vật có nhiệt độ cao sang các phân tử ở vật có nhiệt độ thấp.

- Quá trình truyền nhiệt sẽ tiếp tục diễn ra cho đến khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau.

- Khi nhiệt độ của hai vật bằng nhau, ta nói hai vật đã đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt.

Câu hỏi 5 trang 23 Vật Lí 12: Xét trường hợp đun một ấm nước, nhiệt lượng cẩn 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?

Lời giải:

- Khi khối lượng của nước tăng lên (m lớn), nhiệt lượng cần cung cấp để đun sôi nước cũng sẽ tăng theo. Cụ thể, nếu m tăng lên, thì Q cũng sẽ tăng lên theo.

- Nếu nước có độ tăng nhiệt độ ∆T lớn, nghĩa là bạn cần cung cấp nhiều nhiệt lượng để làm nóng nước đó. Điều này cũng dẫn đến việc Q tăng lên.

Luyện tập 1 trang 24 Vật Lí 12: 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

Luyện tập 2 trang 24 Vật Lí 12: 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:

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 ℃

Vận dụng trang 24 Vật Lí 12: 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:

Để tạo lửa bằng ma sát, cần hai vật liệu chuyển động chống lại nhau tạo ra nhiệt độ cao đủ để kích thích vật liệu cháy.

- Vật liệu cháy: Đầu tiên, cần một vật liệu cháy như giấy, que gỗ, hoặc bông rối.

- Vật liệu tạo ma sát: Một vật liệu cần phải di chuyển nhanh chóng và tạo ma sát khi nó tiếp xúc với vật liệu cháy. Thanh kim loại, lưỡi dao, hay vật liệu có bề mặt nhám là những lựa chọn phổ biến.

- Tạo ma sát: Di chuyển vật liệu tạo ma sát qua vật liệu cháy với áp lực và tốc độ đủ để tạo ra ma sát giữa chúng. Quá trình này tạo ra nhiệt độ cao, kích thích vật liệu cháy.

- Khi nhiệt độ đạt đến mức cần thiết, vật liệu cháy sẽ bắt đầu cháy. Bạn có thể thổi nhẹ vào đám lửa để tăng cường và duy trì ngọn lửa.

Câu hỏi 6 trang 25 Vật Lí 12: 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

Lời giải:

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: 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:

Vì hệ không cô lập (có trao đổi nhiệt với môi trường), tổng năng lượng của hệ không bảo toàn.

Tuy nhiên, tổng công và nhiệt lượng của hệ vẫn bảo toàn:

ΔU = A + Q = 200 – 120 = 80 J

Vận dụng trang 25 Vật Lí 12: Hãy giải thích nguyên nhân gây ra sự tăng nhiệt độ trong ô tô ở Hình 3.1. Người ta 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:

Biện pháp hạn chế tăng nhiệt độ:

- 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 1 trang 28 Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

Hệ thức phù hợp với quá trình một khối khí trong bình kín bị nung nóng là: ∆U = Q; Q > 0.

Lý do:

- 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.

Đáp án B

Bài 2 trang 28 Vật Lí 12: 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 cần thiết để làm nóng miếng sắt là:

Q = m.c.ΔT = 0,15.460.12 = 828 J

Giả sử 40% công được dùng để làm nóng miếng sắt, ta có:

Công dùng để làm nóng miếng sắt:

$Q=40\mathrm{\%}A\Rightarrow A=\frac{Q}{0,4}=\frac{828}{0,4}=2070J$

Bài 3 trang 28 Vật Lí 12: Một ấm đun nước bằng nhôm có khối lượng 400 g, chứa 3 lít nước được đun trên bếp. Khi nhận được nhiệt lượng 740 kJ thì ấm đạt đến nhiệt độ là 80 °C. 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 toả ra bên ngoài là không đáng kể.

Lời giải:

Nhiệt lượng truyền vào ấm nhôm:

$\begin{array}{l}{Q}_{n\mathrm{hom}}=m_{n\mathrm{hom}}.c_{n\mathrm{hom}}.\mathrm{\Delta }T=0,\mathrm{4.880.}(80-t_{n\mathrm{hom}})\\ Q_{nc}=m_{nc}.c_{nc}.\mathrm{\Delta }T=\mathrm{3.4180.}(80-t_{nc})\\ \Rightarrow Q=Q_{n\mathrm{hom}}+Q_{nc}=0,\mathrm{4.880.}(80-t_{n\mathrm{hom}})+\mathrm{3.4180.}(80-t_{nc})=740000\end{array}$

Xem thêm lời giải bài tập Vật Lí lớp 12 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 4: Thực hành đo nhiệt dung riêng, nhiệt nóng chảy riêng, nhiệt hoá hơi riêng

Bài 5: Thuyết động học phân tử chất khí

Bài 6: Định luật Boyle. Định luật Charles

Bài 7: Phương trình trạng thái của khí lí tưởng

Bài 8: Áp suất – động năng của phân tử khí