Lý thuyết Nội năng. Định luật 1 của nhiệt động lực học - Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Lý thuyết Vật lí 12 Bài 3: Nội năng. Định luật 1 của nhiệt động lực học

1. Nội năng

Khái niệm về nội năng

Nội năng của một vật là tổng động năng và thế năng tương tác của các phân tử cấu tạo nên vật. Nội năng của vật phụ thuộc vào nhiệt độ T và thể tích V của vật.

Thí nghiệm về mối liên hệ giữa nội năng và năng lượng của các phân tử tạo nên vật

Sau một thời gian ngắn bị đốt nóng, chiếc nút đậy bị đẩy bật ra khỏi ống nghiệm.

Khi bị đốt nóng, không khí trong ống nghiệm bị nóng lên, nhiệt độ khối khí tăng lên, nội năng khí tăng. Theo mô hình động học phân tử, khi nhiệt độ khối khí tăng, các phân tử khí chuyển động nhiệt nhanh hơn nên va chạm với thành ống nghiệm nhiều hơn và mạnh hơn làm áp suất khí trong ống tăng lên. Đến một nhiệt độ nào đó, áp suất này tạo ra lực đẩy đủ lớn làm bật nút đậy ra khỏi ống nghiệm.

Khi năng lượng của các phân tử cấu tạo nên vật tăng thì nội năng của vật tăng và ngược lại.

2. Các cách làm thay đổi nội năng

Thực hiện công

Quá trình thực hiện công làm cho nội năng của vật thay đổi, vật nhận công thì nội năng tăng, vật thực hiện công cho vật khác thì nội năng giảm.

Truyền nhiệt

Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau thì xảy ra quá trình truyền nhiệt. Quá trình này làm thay đổi nội năng của các vật.

Nhiệt lượng, nhiệt dung riêng

Công thức xác định nhiệt lượng mà một vật có khối lượng m trao đổi khi thay đổi nhiệt độ từ T, (K) đến T, (K) là:

Q = mc(T₂ - T₁)

Trong đó: c là hằng số phụ thuộc vào chất tạo nên vật, gọi là nhiệt dung riêng của chất đó, đơn vị là J/kg.K. Nhiệt dung riêng của một chất có giá trị bằng nhiệt lượng để làm tăng nhiệt độ của 1 kg của chất đó lên 1 K.

Q > 0: vật nhận nhiệt lượng, nhiệt độ của vật tăng lên.

Q < 0: vật truyền nhiệt lượng cho vật khác, nhiệt độ của vật giảm xuống.

Trong hệ SI, đơn vị đo nhiệt lượng là jun (J), ngoài ra nhiệt lượng còn được tính theo đơn vị calo (cal).

1 cal = 4,186 J

Nhiệt dung riêng của một chất có giá trị bằng nhiệt lượng để làm tăng nhiệt độ của 1 kg của chất đó lên 1 K. Biểu thức: $c=\frac{Q}{m(T_2-T_1)}$

3. Định luật 1 của nhiệt động lực học

Theo định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng thì độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được:

ΔU = A + Q

Đây là nội dung của định luật 1 của nhiệt động lực học.

Trong đó: ΔU là độ biến thiên nội năng của vật.

A, Q là các giá trị đại số.

Ý nghĩa về dấu các đại lượng trong biểu thức như sau:

Q > 0: vật nhận nhiệt lượng; Q < 0: vật truyền nhiệt lượng.

A > 0: vật nhận công; A < 0: vật thực hiện công.

Sơ đồ từ duy Nội năng. Định luật 1 của nhiệt động lực học

Trắc nghiệm: Nội năng. Định luật 1 của nhiệt động lực học

PHẦN I. Câu trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn. Thí sinh trả lời từ câu 1 đến câu 7. Mỗi câu hỏi thí sinh chỉ lựa chọn một phương án.

Câu 1: Phát biểu nào sau đây về nội năng là không đúng?

A. Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.

B. Nội năng của một vật có thể bị biến đổi bằng quá trình truyền nhiệt hoặc thực hiện công.

C. Nội năng của một vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật.

D. Số đo độ biến thiên nội năng trong quá trình truyền nhiệt được gọi là công.

Câu 2: Biết nhiệt dung của nước xấp xỉ là 4,18.10³ J/kg.K. Nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 kg nước ở 20 °C đến khi nước sôi 100 °C là

A. 8.10⁴J.

B. 10.10⁴J.

C. 33,44.10⁴J.

D. 32.10³J.

Câu 3: Nội năng của một vật

A. phụ thuộc vào động năng của chuyển động của vật.

B. phụ thuộc vào động năng chuyển động của các phân tử cấu tạo nên vật.

C. bằng không khi vật ở thể rắn.

D. tăng khi vật chuyển động.

Câu 4: Cung cấp cho vật một công là 200 J nhưng nhiệt lượng bị thất thoát ra môi trường bên ngoài là 120 J. Nội năng của vật

A. Tăng 80 J.

B. Giảm 80 J.

C. Không thay đổi.

D. Giảm 320 J.

Câu 5: Người ta thực hiện công 100 J để nén khí trong xi lanh. Biết rằng nội năng của khí tăng thêm 20 J. Cho kết luận đúng

A. Khí truyền nhiệt là 80 J.

B. Khí nhận nhiệt 80 J.

C. Khí truyền nhiệt 120 J.

D. Khí nhận nhiệt 120 J.

Câu 6: Phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Độ biến thiên nội năng của một vật là độ biến thiên nhiệt độ của vật đó.

B. Nội năng được gọi là nhiệt lượng.

C. Nội năng là phần năng lượng vật nhận được hay mất bớt đi trong quá trình truyền nhiệt.

D. Có thể làm thay đổi nội năng của vật bằng cách thực hiện công.

Câu 7: Phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Nội năng là một dạng năng lượng.

B. Nội năng là một dạng nhiệt lượng.

C. Nội năng của vật A lớn hơn nội năng của vật B thì nhiệt độ của vật A cũng lớn hơn nhiệt độ của vật B.

D. Nội năng của vật chỉ thay đổi trong quá trình truyền nhiệt, không thay đổi trong quá trình thực hiện công.

PHẦN II. Câu trắc nghiệm đúng sai. Trong mỗi ý a), b), c), d) ở mỗi câu, thí sinh chọn đúng hoặc sai

Câu hỏi: Cho biết các phát biểu sau đúng hay sai?

a) Hệ đứng yên vẫn có khả năng sinh công do có nội năng.

b) Nội năng bao gồm tổng động năng phân tử và thế năng phân tử.

c) Nội năng không phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.

d) Phần nội năng vật nhận được hay mất đi trong quá trình truyền nhiệt gọi là nhiệt lượng.

PHẦN III. Câu trả lời ngắn

Câu hỏi: Viên đạn chì có khối lượng 50 g, bay với tốc độ v₀ = 360 km/h. Sau khi xuyên qua một tấm thép, tốc độ giảm xuống còn 72 km/h. Tính lượng nội năng tăng thêm của đạn và thép.