Giải chi tiết Vật lí 12 Cánh diều bài 2 Định luật 1 của nhiệt động lực học

MỞ ĐẦU 

Khi được mài (Hình 2.1), lưỡi dao không chỉ sắc hơn mà còn nóng lên. Nó cũng nóng lên khi được nhúng vào nước nóng. Trong hai trường hợp này, dù theo các cách khác nhau nhưng lưỡi dao đều nhận thêm năng lượng. Phần năng lượng nhận được thêm này có liên hệ gì với năng lượng của các phân tử cấu tạo nên lưỡi dao?

Bài làm chi tiết: 

Khi lưỡi dao được mài hoặc nhúng vào nước nóng (Hình 2.1), nó nhận thêm năng lượng từ môi trường xung quanh. Sự tăng nhiệt này gây ra sự tăng động năng của các phân tử trong lưỡi dao. Điều này có thể được hiểu thông qua một số nguyên lý vật lý:

• Năng lượng nhiệt: Khi lưỡi dao tiếp xúc với bề mặt mài hoặc nước nóng, nó hấp thụ năng lượng nhiệt từ môi trường xung quanh. Sự hấp thụ này tăng cường năng lượng nhiệt của các phân tử trong lưỡi dao, làm tăng độ rung và dao động của chúng.

• Năng lượng nội: Mỗi phân tử trong vật liệu của lưỡi dao có một lượng năng lượng nội tương ứng với cấu trúc và vị trí của nó trong lưới tinh thể. Khi lưỡi dao được mài hoặc nhúng vào nước nóng, phân tử trong đó bắt đầu dao động với một cường độ cao hơn, điều này có thể dẫn đến việc tăng cường năng lượng nội của chúng.

• Sự di chuyển của các nguyên tử và phân tử: Sự nóng lên có thể làm cho các nguyên tử và phân tử trong lưỡi dao di chuyển nhanh hơn. Điều này có thể dẫn đến việc tăng cường sự phân tán và hoán đổi nhiệt giữa các phân tử, góp phần vào việc nâng cao nhiệt độ của lưỡi dao.

Do đó, năng lượng mà lưỡi dao nhận được từ quá trình mài hoặc nhúng vào nước nóng có thể được xem xét là sự tăng cường năng lượng nhiệt và năng lượng nội của các phân tử cấu tạo nên lưỡi dao.

I. NỘI NĂNG

Câu 1: Hãy lập luận để chứng tỏ nội năng của một bình khí có liên hệ với nhiệt độ và thể tích của khí trong bình.

Bài làm chi tiết: 

Nội năng của một bình khí có liên hệ với nhiệt độ và thể tích của khí trong bình là:

Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ, khi hệ là một bình khí, thay đổi thể tích của hệ thì làm thể tích của hệ thay đổi thì khoảng cách giữa các phân tử cấu tạo nên hệ thay đổi làm cho thế năng tương tác của hệ thay đổi. Khi nhiệt độ của hệ thay đổi, động năng của các phân tử cấu tạo nên hệ cũng thay đổi từ đó làm cho nội năng của hệ thay đổi. Do đó nội năng của một bình khí có liên hệ với nhiệt độ và thể tích của khí trong bình.

Câu 2: Vì sao khi nén khí trong xilanh, thế năng tương tác giữa các phân tử và nội năng của lượng khí đó thay đổi?

Bài làm chi tiết: 

Thế năng tương tác giữa các phân tử và nội năng của lượng khí đó thay đổi là vì: Khi nén khí trong xilanh, thể tích của khí trong xilanh giảm đi, khi đó thế năng tương tác phân tử sẽ tăng lên do các phân tử gần nhau hơn. Mặt khác, nén khí trong xilanh có nghĩa ta thực hiện công tới hệ khí đó, khi đó nội năng của lượng khí đó sẽ thay đổi.

Luyện tập 1: Lấy ví dụ thực tế về sự thay đổi nội năng của hệ bằng cách thực hiện công và ví dụ về sự thay đổi nội năng của hệ bằng truyền nhiệt.

Bài làm chi tiết: 

• Ví dụ thực tế về sự thay đổi nội năng của hệ bằng cách thực hiện công: Khi ta bơm lốp xe đạp hoặc xe máy, khi đó ta đang thực hiện công vào chiếc bơm để nén khí vào lốp, do bị nén nên nội năng của khí trong bơm sẽ tăng, làm cho nhiệt độ của khí tăng. Sau khi bơm xong ta sẽ thấy bơm sẽ bị nóng do nhận nhiệt của khí bị nén.

• Ví dụ thực tế về sự thay đổi nội năng của hệ bằng cách truyền nhiệt: Khi ta đun nước bằng siêu trên bếp, siêu sẽ nhận nhiệt và truyền vào nước ở bên trong, nhiệt lượng này làm tăng động năng của nước từ đó nội năng của hệ sẽ tăng. Khi nhiệt độ của nước tăng lên thì nội năng của hệ cũng tăng lên theo.

II. ĐỊNH LUẬT I CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Luyện tập 2: Một lượng khí nhận nhiệt lượng 250 kJ do được đun nóng; đồng thời nhận công 500 kJ do bị nén.

a. Xác định độ tăng nội năng của lượng khí.

b. Xác định độ biến thiên nội năng của lượng khí trên nếu đồng thời với việc cung cấp nhiệt lượng 250 kJ, lượng khí này giãn ra và thực hiện công 100 kJ lên môi trường xung quanh nó.

Bài làm chi tiết: 

a. Ta sẽ tính tổng của năng lượng nhận được từ việc đun nóng và công nhận được từ việc nén để xác định độ tăng nội năng của lượng khí:

Độ tăng nội năng = Nhiệt lượng nhận + Công nhận = 250 kJ + 500 kJ  = 750 kJ

Vậy, độ tăng nội năng của lượng khí là 750 kJ.

b. Để xác định độ biến thiên nội năng của lượng khí khi nó giãn ra và thực hiện công lên môi trường xung quanh, ta sẽ tính tổng của năng lượng nhận được từ việc đun nóng, công nhận được từ việc nén và công thực hiện lên môi trường:

Độ biến thiên nội năng = Q + A + A’ = 250kJ + 500kJ – 100kJ = 650kJ.

(A’ = -100kJ do hệ sinh công).

Vậy, độ biến thiên nội năng của lượng khí trong trường hợp này là 650 kJ.

Vận dụng: Hãy tìm hiểu và giải tích vì sao miếng sắt trên đe bị nóng lên khi bị đập bằng búa nhiều lần.

Bài làm chi tiết: 

Miếng sắt trên đe bị nóng lên khi đập bằng búa nhiều lần là: 

Khi miếng sắt bị đập bởi búa, miếng sắt đã nhận công của búa thực hiện làm cho nó bị biến dạng, khi đó cấu trúc tinh thể của miếng sắt bị biến dạng, hay động năng của các phân tử tăng lên, từ đó nhiệt độ của miếng sắt tăng lên. Ngoài ra sự ma sát bề mặt của miếng sắt với đe và với búa sau những lần đập cũng sinh ra nhiệt làm cho nhiệt độ của miếng sắt tăng lên.