Sách bài tập Vật lí 12 Bài 2 (Kết nối tri thức): Nội năng. Định luật I của nhiệt động lực học

Giải SBT Vật lí 12 Bài 2: Nội năng. Định luật I của nhiệt động lực học

Câu 2.1 trang 7 SBT Vật Lí 12: Nội năng của một vật là

A. tổng động năng của các phân tử cấu tạo nên vật.

B. tổng thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật.

C. năng lượng nhiệt của vật.

D. tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật.

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Câu 2.2 trang 7 SBT Vật Lí 12: Nội năng của một vật phụ thuộc vào

A. nhiệt độ và thể tích của vật.

B. nhiệt độ, áp suất và thể tích của vật.

C. khoảng cách trung bình giữa các phân tử cấu tạo nên vật.

D. tốc độ trung bình của các phân tử cấu tạo nên vật.

Lời giải:

Đáp án đúng là A

Câu 2.3 trang 7 SBT Vật Lí 12: Chỉ ra câu đúng, sai trong các câu sau:

Lời giải:

a) – Đúng; b) – Đúng; c) – Sai; d) – Sai; e) – Sai; g) – Đúng.

Câu 2.4 trang 7 SBT Vật Lí 12: Hãy thiết kế và thực hiện một phương án thí nghiệm để thấy được mối liên hệ giữa nội năng của vật và năng lượng của các phân tử cấu tạo nên vật.

Lời giải:

Có thể sử dụng thí nghiệm đun nước để thấy khi nội năng của khối nước tăng lên thì động năng của các phân tử nước cũng tăng lên.

Câu 2.5 trang 8 SBT Vật Lí 12: Khi nội năng của một vật tăng lên thì năng lượng trung bình của các phân tử cấu tạo nên vật cũng tăng lên. Khi đó

A. chỉ có động năng của các phân tử tăng lên.

B. chỉ có thế năng các phân tử tăng lên.

C. động năng của các phân tử chắc chắn tăng lên còn thế năng của chúng có thể thay đổi không đáng kể.

D. động năng và thế năng của các phân tử chắc chắn cùng tăng lên.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Câu 2.6 trang 8 SBT Vật Lí 12: Hãy tìm câu sai trong các câu sau: Để làm thay đổi nội năng của một vật, ta

A. cung cấp nhiệt lượng cho vật.

B. thực hiện công nhấc vật lên theo phương vuông góc với mặt đất một đoạn 1 m.

C. cho vật trượt từ độ cao 1 m xuống mặt đất bằng mặt phẳng nghiêng với góc nghiêng 60° so với mặt đất.

D. cho vật truyền nhiệt lượng sang một vật khác có nhiệt độ thấp hơn.

Lời giải:

Đáp án đúng là B

Câu 2.7 trang 8 SBT Vật Lí 12: Một bạn học sinh dùng ấm điện cung cấp nhiệt lượng 334 000 J cho 1 kg nước đá ở 0 °C để nó nóng chảy hoàn toàn thành nước lỏng ở 0 °C. Khi đó

A. Nội năng của nước lỏng cao hơn nội năng của nước đá lúc đầu 334 000 J.

B. Tổng thế năng của các phân tử nước lỏng cao hơn nội năng của nước đá là 334 000 J.

C. Tổng động năng của các phân tử nước lỏng cao hơn nội năng của nước đá là 334 000 J.

D. Nhiệt năng của nước lỏng cao hơn nội năng của nước đá lúc đầu là 334 000 J.

Lời giải:

Đáp án đúng là A

Câu 2.8 trang 8 SBT Vật Lí 12: Trong công nghệ khí nén, người ta sử dụng điện năng sinh công để nén một lượng khí lớn vào trong một bình kín có vỏ bằng kim loại chắc chắn và gọi đây là bình tích áp. Van đóng mở bình tích áp này được lắp nối với một ống dẫn khí và cuối đường ống sẽ là bộ phận (như phanh ô tô) hoặc dụng cụ cơ khí (như khoan bắt vít trong sửa ô tô, xe máy). Chú ý rằng, trong quá trình nén khí, động cơ điện sẽ lấy thêm không khí bên ngoài nén vào trong bình. Trong quá trình khối khí sinh công làm phanh ô tô hoặc quay trục khoan bắt vít sẽ có một lượng khí thoát ra. Một người thợ cơ khí sử dụng 5 000 J năng lượng điện cho máy nén khí thì có thể nén được 3 m³ không khí vào trong bình tăng áp có dung tích 250 lít. Hiệu suất của máy nén bằng 90%.

1. Lượng khí trong bình tích áp có khả năng sinh được công bằng bao nhiêu?

2. Xác định sự thay đổi nội năng của lượng khí trong bình lúc đầu.

Lời giải:

1. Lượng khí trong bình tích áp có khả năng sinh được công bằng: 5 000.90% = 4 500 J

2. Nội năng của lượng khí trong bình lúc đầu tăng thêm một lượng bằng: $\frac{4500.250}{3000}=375 \text{J}$

Câu 2.9 trang 9 SBT Vật Lí 12: Bình tích áp ở Bài 2.8 sau khi nén xong có nhiệt độ cao hơn so với môi trường, sau khoảng 20 phút thì nhiệt độ của bình mới bằng nhiệt độ môi trường. Một nhiệt lượng bằng 500 J đã trao đổi giữa bình tích áp và môi trường trong quá trình này.

1. Bình tích áp đã nhận thêm nhiệt lượng hay truyền bớt nhiệt lượng?

2. Nếu người thợ đã sử dụng 2 000 J phục vụ cho công việc của mình thì có thể xác định được nội năng của lượng khí còn lại không? Tại sao?

Lời giải:

1. Bình tích áp đã truyền bớt nhiệt lượng 500 J ra ngoài môi trường vì nhiệt độ của bình lúc đầu cao hơn của môi trường.

2. Ta chỉ có thể xác định được khối khí còn lại có khả năng thực hiện được công bằng khoảng: 4 500 – 500 – 2000 = 2 000 (J), chứ không thể tính được tổng nội năng của khối khí trong bình.

Câu 2.10 trang 9 SBT Vật Lí 12: Người ta thực hiện công để nén 6 m³ khí oxygen ở điều kiện bình thường vào trong một bình dung tích 40 lít để sử dụng trong y tế. Oxygen trong bình lúc này ở thể lỏng. Sau khi xong việc, người ta chờ khoảng 20 phút để nhiệt độ của bình oxygen tương đương với nhiệt độ môi trường rồi mới đưa vào bệnh viện sử dụng.

1. Các đại lượng nào sau đây của các phân tử trong khối khí nén đưa vào sử dụng sẽ tăng lên so với lúc đầu: động năng, thế năng của các phần tử khí, nội năng, kích thước phân tử?

2. Áp dụng định luật 1 nhiệt động lực học để giải thích mối liên hệ giữa độ biến thiên nội năng của khối khí lúc đầu với công thực hiện nén khí và nhiệt lượng mà bình khí nén đã trao đổi với môi trường.

3. Sau khi mở van bình oxygen, người ta có thể thấy rõ van kim loại sẽ mát hơn bình thường. Hãy giải thích tại sao?

Lời giải:

1. Thế năng và nội năng của các phân tử trong khối khí nén đưa vào sử dụng sẽ tăng lên so với lúc đầu.

2. Áp dụng định luật I của nhiệt động lực học, ta có mối liên hệ $∆$U = A - Q

Trong đó: $∆$U là độ biến thiên nội năng của khối khí lúc đầu.

A là công thực hiện nén khí (khí nhận công nên A > 0).

Q là nhiệt lượng mà bình khí nén đã trao đổi với môi trường (khí truyền nhiệt nên Q < 0).

3. Sau khi mở van bình oxygen, người ta có thể thấy rõ van kim loại sẽ mát hơn bình thường. Do các phân tử oxygen lỏng khi thoát ra môi trường ngoài có áp suất bình thường sẽ lập tức hoá hơi, quá trình hoá hơi sẽ làm mất đi một ít nhiệt lượng và vì vậy khí hoá hơi sẽ hạ nhiệt độ, van khoá sẽ truyền nhiệt lượng cho khối khí này và trở nên mát hơn.

Câu 2.11 trang 9 SBT Vật Lí 12: Một động cơ hơi nước cần một nồi hơi “súp de” để đun nước sôi tạo hơi. Việc giãn nở của hơi tạo áp lực đẩy lên pit-tông hay các cánh turbine, khi đó chuyển động thẳng được chuyển thành chuyển động quay để quay bánh xe hay truyền động cho các bộ phận cơ khí khác. Để vận hành một động cơ hơi nước có công suất 30 kW thì nồi hơi súp de cần liên tục nhận được nhiệt lượng bằng 40 000 J mỗi giây.

1. Tính phần hao phí nhiệt lượng của nồi hơi súp de.

2. Người ta cung cấp nhiệt lượng cho nồi hơi súp de bằng việc đốt than đá, hiệu suất động cơ hơi nước này là 20%. Hãy tính công suất toả nhiệt ở lò than.

Lời giải:

1. Phần hao phí nhiệt lượng của nồi hơi súp de bằng:

40 000 – 30 000 = 10 000 (J mỗi giây)

Điều này tương đương với tỉ lệ hao phí là 25%.

2. Công suất toả nhiệt ở lò than bằng 30 000 : 20% = 150 000 J/s.

Câu 2.12 trang 9 SBT Vật Lí 12: Biến đổi khí hậu hiện nay có đóng góp chính do các hoạt động của con người như đốt nhiều nguyên liệu hoá thạch gây hiệu ứng nhà kính. Biến đổi khí hậu làm cho nhiệt độ Trái Đất tăng lên, tức là nhiệt độ của bầu khí quyển tăng lên. Hãy vận dụng định luật I của nhiệt động lực học để giải thích tại sao khi nhiệt độ trái đất tăng lên sẽ làm xuất hiện nhiều hình thái thời tiết tiêu cực hơn.

Lời giải:

Biến đổi khí hậu làm cho nhiệt độ Trái Đất tăng lên, tức là nhiệt độ của bầu khí quyển tăng lên. Theo định luật I ta thấy, khi một vật có nội năng lớn mà giải phóng nội năng thì có hai khả năng là truyền nhiệt năng và thực hiện công.

Như vậy là khi nhiệt độ Trái Đất tăng lên sẽ làm tăng khả năng thực hiện công của nó, làm xuất hiện nhiều hình thái thời tiết tiêu cực như bão, lốc,...

Lý thuyết Nội năng. Định luật I của nhiệt động lực học

I. Khái niệm nội năng

1. Nội năng của một vật

Vì các phân tử chuyển động không ngừng nên chúng có động năng. Động năng này được gọi là động năng phân tử. Động năng phân tử phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của phân tử.

Vì các phân tử tương tác với nhau nên chúng có thế năng. Thế năng này được gọi là thế năng tương tác phân tử, gọi tắt là thế năng phân tử. Thế năng phân tử phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử. Tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật được gọi là nội năng của vật. Nội năng được kí hiệu bằng chữ U và có đơn vị là jun (J).

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

II. Định luật I của nhiệt động lực học

1. Cách làm thay đổi nội năng

Có hai cách làm thay đổi nội năng của vật là thực hiện công và truyền nhiệt. Trong quá trình thực hiện công có sự chuyển hóa từ một dạng năng lượng khác sang nội năng. Trong quá trình truyền nhiệt không có sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác mà chỉ có sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác.

2. Định luật I của nhiệt động lực học

Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được

Qui ước dấu:

• $\Delta \text{U}$> 0: Nội năng tăng; $\Delta \text{U}$< 0: Nội năng giảm.

• A > 0: Hệ nhận công; A < 0: Hệ sinh công.

• Q > 0: Hệ nhận nhiệt; Q < 0: Hệ truyền nhiệt.