Bài 2: Nội năng. Định luật I của nhiệt động lực học | Vật Lí 12 | Chương I: VẬT LÍ NHIỆT - Lớp 12 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

Khởi động

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?

EM CÓ BIẾT

Hình 2.1. James Joule (Giêm Giun) (1818-1889), nhà vật lí người Anh có nhiều đóng góp cho sự hình thành và phát triển nhiệt động lực học

Nhiệt động lực học là lĩnh vực vật lí nghiên cứu về năng lượng nhiệt và sự truyền nhiệt.

Nhiệt động lực học ra đời vào giữa thế kỉ XIX trong quá trình con người tìm hiểu về sự chuyển hóa năng lượng dự trữ trong các nhiên liệu thành cơ năng để chế tạo các động cơ nhiệt.

! 1. Vì các phân tử cấu tạo nên vật chuyển động không ngừng nên tốc độ và khoảng cách giữa các phân tử luôn thay đổi làm cho động năng và cả thế năng của các phân tử cũng không ngừng thay đổi. Do đó, khi nói động năng và thế năng của phân tử thì phải hiểu đó là động năng và thế năng trung bình của các phân tử cấu tạo nên vật.

  2. Vì số phân tử trong một vật vô cùng lớn và các phân tử chuyển động hỗn loạn nên không thể xác định được chính xác độ lớn nội năng của một vật. Trong vật lí người ta chủ yếu quan tâm đến độ biến thiên nội năng (ΔU) của vật.

Hoạt động

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 bấc bật ra.

Thực hiện các yêu cầu 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?

EM CÓ BIẾT

Thí nghiệm minh họa định luật I của nhiệt động lực học

Định luật I của nhiệt động lực học được hình thành từ những thí nghiệm mà nhà vật lí người Anh Joule đã tiến hành trong những năm từ 1844 đến 1854.

Một trong những thí nghiệm này được mô tả ở Hình 2.5. Thí nghiệm cho thấy công A mà nước nhận được từ vật nặng chuyển động làm quay các cánh quạt khiến nước nóng lên (nội năng của nước tăng) có độ lớn tương đương với độ tăng nội năng của nước.

Vào thời kì đó, người ta chưa đo được phần nhiệt lượng mà nước truyền cho các thiết bị thí nghiệm và môi trường xung quanh. Nếu tính cả phần nhiệt lượng này thì: ΔU = A + Q với Q có giá trị âm vì vật truyền nhiệt cho môi trường.

Nhiệt kế; Cánh cản

Hình 2.5. Sơ đồ mô tả thí nghiệm của Joule

Hoạt động

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 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.

Nguồn nóng T_1; Tác nhân và cơ cấu của động cơ nhiệt; Nguồn lạnh T₂

Q₁: Nhiệt lượng tác nhân nhận được từ nguồn nóng.

Q₂: Nhiệt lượng tác nhân truyền cho nguồn lạnh.

A: Công cơ học (công do tác nhân thực hiện để đẩy pit-tông và công do pit-tông thực hiện để đưa tác nhân về trạng thái ban đầu).

a) Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt

1. Nồi súp de (nguồn nóng)

2. Xi lanh và pit-tông

3. Bình ngưng hơi (nguồn lạnh)

b) Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của máy hơi nước

Nạp hỗn hợp nhiên liệu và không khí; Thải khí

1. Xi lanh

2. Pit-tông

3. Bu-gi (tạo tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí)

c) Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của động cơ đốt trong

?

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 đổi.

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 = 9,8m/s². Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với mặt phẳng nghiêng.