Giải chi tiết Vật lí 12 CTST bài 3: Nội năng. Định luật 1 của nhiệt động lực học

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Ô tô 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?

Bài làm chi tiết:

- Kính xe ô tô: 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;

- Không khí trong xe không được lưu thông;

- 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;

- 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;

1. NỘI NĂNG

Thảo luận 1: Chứng tỏ nội năng của vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.

Bài làm chi tiết:

Động năng của phân tử phụ thuộc vào tốc độ của phân tử. Nhiệt độ càng cao thì phân tử chuyển động càng nhanh, nên động năng phụ thuộc vào nhiệt độ;

Thế năng tương tác phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử. Thể tích càng lớn thì khoảng cách giữa các phân tử càng xa, nên thế năng tương tác phụ thuộc vào thể tích;

Mà nội năng là tổng của động năng và thế năng. Vì vậy, nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích.

Thảo luận 2: Vận dụng mô hình động học phân tử, hãy giải thích hiện tượng chiếc nút bị đẩy bật ra khỏi ống (Hình 3.2b).

Bài làm chi tiết:

Khi được cung cấp nhiệt, không khí bên trong ống nghiệm nóng lên, các phân tử chuyển động nhanh hơn, va chạm với nhau mạnh hơn tạo ra áp suất lớn hơn lên thành ống nghiệm. Áp suất lớn đẩy nút bịt bật ra khỏi ống nghiệm.

Thảo luận 3: 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?

Bài làm chi tiết:

Việc thay đổi lượng không khí 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 nên nút bịt khó bị đẩy ra khỏi ống nghiệm hơn.

- Khi lượng không khí trong ống nghiệm ít, tần suất va chạm giữa các phân tử giảm, nên nút bịt khó bị đẩy ra khỏi ống nghiệm hơn.

Luyện tập: 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).

Bài làm chi tiết:

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 làm cho động năng của các phân tử khí cũng tăng. Các phân tử khí chuyển động nhanh hơn và va chạm với nhau mạnh hơn 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.

2. CÁCH LÀM THAY ĐỔI NỘI NĂNG

Thảo luận 4: Có những cách nào làm thay đổi nội năng của một vật (hoặc một hệ vật). Cho ví dụ minh họa.

Bài làm chi tiết:

Có 02 cách làm thay đổi nội năng là thực hiện công và truyền nhiệt.

• Ví dụ cách thực hiện công: Khi nén lò xo, ta đã thực hiện công lên lò xo, dẫn đến cơ năng chuyển hóa thành nội năng, làm tăng nội năng của lò xo
• Ví dụ cách truyền nhiệt: Khi đun nóng một bình nước, ta đã thực hiện truyền nhiệt cho bình nước, làm nội năng của bình nước tăng lên

Luyện tập: 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.

Bài làm chi tiết:

• Chất rắn: 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 tích trữ năng lượng làm tăng nội năng của dây thun.
• Chất lỏng: Dùng thìa khuấy nước trong cốc: 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.
• 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.

Luyện tập: 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

Bài làm chi tiết:

Theo nguyên tắc của sự truyền nhiệt, nhiệt sẽ truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp hơn, cho đến khi hai vật có nhiệt độ bằng nhau, không có sự chênh lệch nhiệt độ, quá trình truyền nhiệt mới dừng lại.

Thảo luận 5: Xét trường hợp đun một ấm nước, nhiệt lượng cần 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.

Bài làm chi tiết:

Xét công thức: Q = m.c.(T₂ - T₁). Theo đó:

- Khi khối lượng nước tăng (m tăng), nhiệt lượng sẽ tăng (Q tăng);

- Khi độ tăng nhiệt độ của nước càng lớn (T tăng), nhiệt lượng sẽ tăng (Q tăng).

Luyện tập 1: Tính nhiệt lượng cần cung cấp để đun 3 lít nước từ nhiệt độ 25^oC lên 100^oC, biết nhiệt dung riêng của nước là 4 180 J/kg.K.

Bài làm chi tiết:

Nhiệt lượng cần cung cấp là: Q = m.c.(T₂ - T₁) = 3.4180.(100 - 25) = 940 500 (J)

Luyện tập 2: Một người thợ rèn nhúng một con dao rựa bằng thép có khối lượng 1,1 kg ở nhiệt độ 850⁰C 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^oC. 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.

Bài làm chi tiết:

Gọi nhiệt độ khi cân bằng nhiệt là T

Theo nguyên tắc của sự truyền nhiệt, nhiệt độ sẽ truyền từ dao rựa bằng thép sang nước trong bể, và nhiệt lượng do dao rựa bằng thép truyền đi (Q₁) bằng nhiệt lượng mà nước nhận vào (Q₂)

→ Q₁= Q₂

⇔ m₁.c₁. (T₁ - T) = m₂.c₂.(T - T₂)

⇔ 1,1.460.(850 - T) = 200.4180.(T - 27)

⇔ T = 27,5

Vận dụng: 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.

Bài làm chi tiết:

Hình 3.6 sử dụng cách tạo ra lửa bằng việc ma sát hai vật liệu là vật liệu dễ cháy (củi, giấy, que gỗ…) và vật tạo ma sát. Khi hai vật tác động vào nhau với tốc độ đủ để tạo ra ma sát thì sẽ tạo ra nhiệt độ cao, kích thích vật liệu cháy. Khi nhiệt độ đạt đến mức nhất định, vật liệu cháy sẽ bắt đầu cháy.

3. ĐỊNH LUẬT 1 CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Thảo luận 6: Xét khối khí như trong Hình 3.4, nếu ra 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.

Bài làm chi tiết:

Nội năng của một vật thay đổi theo 2 cách là thực hiện công và truyền nhiệt. Cùng một khối khí, nếu áp dụng cả 2 cách trên, nội năng sẽ tăng nhiều hơn là khi chỉ áp dụng một trong hai cách. Do đó, khi vừa dùng tay ấn mạnh và nhanh pít-tông, vừa nung nóng khí, độ biến thiên của khí nội năng sẽ tăng so với trường hợp không nung nóng.

Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, độ biến thiên nội năng (ΔU) của khí bằng tổng công (A) và nhiệt lượng (Q) mà khí nhận được:

→ ΔU = A + Q

Luyện tập: 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.

Bài làm chi tiết:

Theo định Độ biến thiên nội năng của vật là: U = A + Q = 200 - 120 = 80 (J)

Vận dụng: Hãy giải thích nguyên nhân gây ra sự tăng nhiệt độ trong ô tô ở Hình 3.1. Người ra thường sử dụng biện pháp đơn giản nào để hạn chế sự tăng nhiệt độ không khí trong ô tô trong trường hợp này?

Bài làm chi tiết:

* Nguyên nhân:

- Kính xe ô tô: 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;

- Không khí trong xe không được lưu thông;

- 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;

- 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;

* Biện pháp:

- 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: Hệ thức nào dưới đây là phù hợp với quá trình một khối khí trong bình kín bị nung nóng?

A. ΔU = A; A > 0. B. ΔU = Q; Q > 0.

C. ΔU = A; A < 0. D. ΔU = Q; Q < 0.

Bài làm chi tiết:

Đáp án B. Khi bị nung nóng, khối khí được cung cấp nhiệt lượng nên Q > 0. Trong trường hợp này, khí không sinh công nên A = 0

Bài 2: Một người cọ xát một miếng sắt dẹt có khối lượng 150g trên mệt tấm đá mài. Sau một khoảng thời gian, miếng sắt nóng thêm 12^oC. 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.

Bài làm chi tiết:

Nhiệt lượng cần để nung nóng miếng sắt là: 

Q = m.c.ΔT = 150.10^-3.460.12 = 828 (J)

Vì 40% công dùng để làm nóng miếng sắt, nên công mà người đó đã thực hiện là: 

A = Q.10040= 828.10040 = 2070 (J)

Bài 3: Một ấm đun nước bằng nhôm có khối lượng 400g, chứa 3 lít nước được đun trên bếp. Khi nhận được nhiệt lượng 740 kJ thì ấm đạt đến nhiệt độ là 80^oC. 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 tỏa ra bên ngoài là không đáng kể.

Bài làm chi tiết:

Nhiệt lượng được cung cấp (740 kJ) được dùng để làm nóng cả ấm (Q₁) và nước (Q₂) đến nhiệt độ 80^oC.

→ Q = Q₁ + Q₂

⇔ 740 000 = m₁.c₁.(80 - t) + m₂.c₂.(80 - t)

⇔ 740 000 = 400.10^-3.880.(80 - t) + 3.4180.(80 - t)

⇔ t = 22,6