VnHocTap.com giới thiệu đến các em học sinh lớp 10 bài viết Nội năng và sự biến thiên nội năng, nhằm giúp các em học tốt chương trình Vật lí 10.
Nội dung bài viết Nội năng và sự biến thiên nội năng: §1. NỘI NĂNG VÀ SỰ BIẾN THIÊN NỘI NĂNG I. Trọng tâm kiến thức Nội năng: Nội năng của vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật. Chú ý: Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật U = f[T;V] Độ biến thiên nội năng: là phần nội năng tăng thêm hay giảm bớt đi trong một quá trình. Có hai cách làm thay đổi nội năng: 1. Thực hiện công Ví dụ: Làm nóng miếng kim loại bằng ma sát Thực hiện công: ∆ = U A Với chất khí lí tưởng: A pV U Trong đó: p là áp suất của khí ∆V là độ biến thiên thể tích [m3] 2. Truyền nhiệt 2.1. Quá trình truyền nhiệt Quá trình làm thay đổi nội năng không có sự thực hiện công gọi là quá trình truyền nhiệt. Ví dụ: làm nóng miếng kim loại bằng cách nhúng vào nước nóng 2.2. Nhiệt lượng Số đo độ biến thiên nội năng trong quá trình truyền nhiệt là nhiệt lượng. Nhiệt lượng mà một lượng chất rắn hoặc lỏng thu vào hay toả ra khi nhiệt độ thay đổi được tính theo công thức: Q mc t Nhiệt lượng: Số đo độ biến thiên của nội năng trong quá trình truyền nhiệt là nhiệt lượng: U Q. Trong đó: Q – là nhiệt lượng thu vào hay tỏa ra [J] m – là khối lượng [kg] c – là nhiệt dung riêng của chất ∆t – là độ biến thiên nhiệt độ [°C hoặc °K] Chú ý: Cách đổi đơn vị áp suất. II. Ví dụ minh hoạ Ví dụ 1: Để xác định nhiệt dung riêng của 1 kim loại, người ta bỏ vào nhiệt lượng kế chứa 500g nước ở nhiệt độ 15°C một miếng kim loại có m = 400g được đun nóng tới 100°C. Nhiệt độ khi có sự cân bằng nhiệt là 20°C. Tính nhiệt dung riêng của kim loại. Bỏ qua nhiệt lượng làm nóng nhiệt lượng kế và không khí. Lời giải: Nhiệt lượng tỏa ra Nhiệt lượng thu vào: Đáp án C. Study tips: Chú ý công thức tính nhiệt lượng Q mc t Ví dụ 2: Một ấm đun nước bằng nhôm có m = 350g, chứa 2,75kg nước được đun trên bếp. Khi nhận được nhiệt lượng 650KJ thì ấm đạt đến nhiệt độ 60°C. Hỏi nhiệt độ ban đầu của ấm, biết CAl = 880 J/kg.K Lời giải: Nhiệt lượng thu vào: Nhiệt lượng ấm nhôm đựng nước nhận được Đáp án B. Ví dụ 3: Để xác định nhiệt dung riêng của một chất lỏng, người ta đổ chất lỏng đó vào 20g nước ở 100°C. Khi có sự cân bằng nhiệt, nhiệt độ của hỗn hợp nước là 37,5°C, mh h 140g. Biết nhiệt độ ban đầu của nó là 20°C Nhiệt dung riêng của chất lỏng trên là: A. 2000 J/Kg.K B. 4200 J/Kg.K C. 5200J/Kg.K D. 2500J/Kg.K. Lời giải: Nhiệt lượng tỏa ra Nhiệt lượng thu vào Đáp án D. Ví dụ 4: Để xác định nhiệt độ của 1 cái lò, người ta dựa vào một miếng sắt m = 22,3g. Khi miếng sắt có nhiệt độ bằng nhiệt độ của lò, người ta lấy ra và thả ngay vào nhiệt lượng kế chứa 450g nước ở 15°C, nhiệt độ của nước tăng lên tới 22,5°C. Xác định nhiệt độ của lò. Lời giải: Nhiệt lượng tỏa ra Nhiệt lượng thu vào Đáp án A. Ví dụ 5: Một cốc nhôm m = 100g chứa 300g nước ở nhiệt độ 20°C. Người ta thả vào cốc nước một thìa đồng khối lượng 75g vừa rút ra từ nồi nước sôi 100°C. Xác định nhiệt độ của nước trong cốc khi có sự cân bằng nhiệt. Bỏ qua các hao phí nhiệt ra ngoài. Lấy Cu A. 25°C B. 50°C C. 21,7°C D. 27,1°C Lời giải: III. Bài tập rèn luyện kỹ năng Câu 1: Điều nào sau đây là đúng khi nói về các cách làm thay đổi nội năng của một vật? A. Nội năng của vật có thể biến đổi bằng hai cách: thực hiện công và truyền nhiệt. B. Quá trình làm thay đổi nội năng có liên quan đến sự chuyển dời của các vật khác tác dụng lực lên vật đang xét gọi là sự thực hiện công. C. Quá trình làm thay đổi nội năng không bằng cách thực hiện công gọi là sự truyền nhiệt. D. Các phát biểu A, B, C đều đúng. Câu 2: Phát biểu nào sau đây về nội năng là không đúng? A. Nội năng có thể chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác. B. Nội năng là nhiệt lượng vật nhận được trong quá trình truyền nhiệt. C. Nội năng của một vật có thể tăng lên, giảm đi. D. Nội năng của khí lí tưởng không phụ thuộc vào thể tích, mà phụ thuộc vào nhiệt độ Câu 3: Khi truyền nhiệt cho một khối khí thì khối khí có thể: A. tăng nội năng và thực hiện công B. giảm nội năng và nhận công C. cả A và B đúng D. cả A và B sai Câu 4: Một vật khối lượng m, có nhiệt dung riêng c, nhiệt độ đầu và cuối là t1 và t2. Công thức Q cm t t dùng để xác định: A. nội năng. B. nhiệt năng. C. nhiệt lượng. D. năng lượng. Câu 5: Đơn vị của nhiệt dung riêng trong hệ SI là: A. J/g độ. B. J/kg độ. C. kJ/kg độ. D. cal/g độ. Câu 6: Nội năng của một vật là A. tổng động năng và thế năng của vật. B. tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật. C. tổng nhiệt lượng và cơ năng mà vật nhận được trong quá trình truyền nhiệt và thực hiện công. D. nhiệt lượng vật nhận được trong quá trình truyền nhiệt.
Câu 7: Câu nào sau đây nói về nội năng là không đúng? A. Nội năng là một dạng năng lượng. B. Nội năng có thể chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác. C. Nội năng là nhiệt lượng. D. Nội năng của một vật có thể tăng lên hoặc giảm đi. Câu 8: Tính nhiệt lượng cần cung cấp để đun nóng 5 kg nước từ nhiệt độ 20°C lên 100°C. Biết nhiệt dung riêng của nước là 4,18.103 J/kg.K. Câu 9: Tính nhiệt lượng tỏa ra khi 1 miếng sắt có khối lượng 2 kg ở nhiệt độ 500°C hạ xuống còn 40°C. Biết nhiệt dung riêng của sắt là 478J/kg.K. A. 219880 J. B. 439760 J. C. 879520 J. D. 109940 J. Câu 10: Người ta bỏ 1 miếng hợp kim chì và kẽm có khối lượng 50g ở t = 136°C vào 1 nhiệt lượng kế có nhiệt dung là 50 J/K chứa 100g nước ở 14°C. Xác định khối lượng của kẽm và chì trong hợp kim trên, biết nhiệt độ khi cân bằng trong nhiệt lượng kế là 18°C. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài.
Năng lượng chuyển động nhiệt là phần năng lượng do chuyển động hỗn loạn của các phân tử tạo nên [chính là động năng của các phân tử]. Năng lượng chuyển động nhiệt được kí hiệu là E.
Theo thuyết động học phân tử, khi nhiệt độ càng cao, các phân tử chuyển động hỗn loạn càng mạnh, động năng của chúng càng lớn. Vậy năng lượng chuyển động nhiệt của một khối khí bất kì không những phụ thuộc vào số lượng phân tử khí mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ của khối khí đó.
Đối với khí đơn nguyên tử, từ [7.4] suy ra, động năng trung bình của các phân tử khí là: \[ {{\overline{E}}_{\text{đ}}}=\frac{3}{2}kT \] [8.1]
Do đó, năng lượng chuyển động nhiệt của một khối khí bất kì là:
\[ E=N.{{\overline{E}}_{\text{đ}}}=\frac{N}{{{N}_{A}}}.{{N}_{A}}.\frac{3}{2}kT=\frac{3}{2}\frac{m}{\mu }RT \] [8.2]
Trong đó, N là số phân tử khí, NA là số Avogadro, R là hằng số khí lí tưởng, m là khối lượng khí và \[ \mu \] là khối lượng của một mol khí.
Nếu ta coi phân tử khí đơn nguyên tử như một chất điểm thì vị trí của nó trong không gian được xác định bởi 3 thong số x, y, z – gọi là 3 bậc tự do. Từ [8.1] ta có thể nói, động năng trung bình của phân tử khí được phân bố đều theo các bậc tự do, mỗi bậc là \[ \frac{1}{2}kT \].
Tổng quát, Boltzmann đã thiết lập được định luật phân bố đều của năng lượng chuyển động nhiệt theo các bậc tự do như sau: Một khối khí ở trạng thái cân bằng về nhiệt độ thì năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử khí được phân bố đều theo bậc tự do, mỗi bậc là \[ \frac{1}{2}kT \]. Nếu gọi i là số bậc tự do của phân tử khí, thì năng lượng chuyển động nhiệt của một khối khí là: \[ E=\frac{i}{2}\frac{m}{\mu }RT \] [8.3]
Phân tử khí có i = 1, 2, 3; còn nguyên tử thì i = 3, 5, 6.
2. Nội năng của khí lí tưởng
Ta biết, năng lượng là thuộc tính của vật chất đặc trưng cho mức độ vận động của vật chất. Nội năng U của một hệ là phần năng lượng ứng với sự vận động ở bên trong hệ, bao gồm năng lượng chuyển động nhiệt R, thế năng tương tác giữa các phân tử khí Et và phần năng lượng bên trong mỗi phân tử EP.
\[ U=E+{{E}_{t}}+{{E}_{P}} \] [8.4]
Đối với khí lí tưởng, ta bỏ qua thế năng tương tac giữa các phân tử, nên: \[ U=E+{{E}_{t}} \] [8.5]
Với các biến đổi trạng thái thông thường, không làm thay đổi đến trạng thái bên trong của phân tử, nên \[ {{E}_{P}}=const \].
Vậy: \[ dU=dE=\frac{i}{2}\frac{m}{\mu }RdT \] [8.6]
Độ biến thiên nội năng của một khối khí lí tưởng bằng độ biến thiên năng lượng chuyển động nhiệt của khối khí đó.
3. Nhiệt lượng và công
Khi một hệ nhiệt động trao đổi năng lượng với bên ngoài thì phần năng lượng trao đổi đó được thể hiện dưới dạng công và nhiệt lượng.
Ví dụ: khí nóng xylanh đẩy piston chuyển động đi lên, ta nói khí đã sinh công A. Ngoài ra nó còn làm nóng piston. Phần năng lượng khí truyền trực tiếp cho piston để làm piston nóng lên, được gọi là nhiệt lượng Q.
Vậy, nhiệt lượng [gọi tắt là nhiệt] chính là phần năng lượng chuyển động nhiệt trao đổi trực tiếp giữa các phân tử của hệ đang xét với các phân tử của môi trường bên ngoài.
Trong hệ SI, đơn vị nhiệt lượng là jun [J]. Trước đây, người ta dùng đơn vị nhiệt lượng là calori [cal]. Ta có: 1 cal = 4,18 J hay 1 J = 0,24 cal
Quy ước về dấu:
+ Công A, nhiệt Q có giá trị dương khi hệ nhận từ bên ngoài.
+ Công A, nhiệt Q có giá trị âm khi hệ cung cấp ra bên ngoài.
Để tìm biểu thức tính công của khí, ta xét một khối khí bị nhốt trong xy lanh và piston. Giả sử áp suất khí đẩy piston chuyển động đi lên. Khi piston dịch chuyển một đoạn dx thì khí sinh công: \[ dA=F.dx=p.S.dx=p.dV \] với dV là độ biến thiên thể tích của khí. Vì piston đi lên nên dV > 0. Mà theo quy ước về dấu, khí sinh công thì A < 0.
Do đó, ta có: \[ dA=-pdV \] [8.7]
Trường hợp khí bị nén [nhận công] thì dV < 0. Suy ra, \[ dA>0 \]: phù hợp với quy ước về dấu. Vậy [8.7] là biểu thức tính công vi cấp của khí. Từ đó suy ra công của khí trên toàn bộ quá trình biến đổi từ trạng thái [1] đến trạng thái [2] là:
\[ A=-\int\limits_{[1]}^{[2]}{pdV} \] [8.8]
Nếu quá trình biến đổi là đẳng áp thì: \[ A=-\int\limits_{[1]}^{[2]}{pdV}=-p\left[ {{V}_{2}}-{{V}_{1}} \right] \] [8.9]
Với V1 và V2 là thể tích của khí ở trạng thái đầu và cuối.
Ý nghĩa hình học của biểu thức tính công [8.8]: độ lớn của công bằng trị số diện tích hình phẳng giới hạn bởi đồ thị biểu diễn sự biến đổi của áp suất theo thể tích \[ p=p[V] \] và trục hoành, ứng với quá trình biến đổi từ trạng thái [1] đến trạng thái [2]. Xem hình 8.2
Công và nhiệt luôn gắn với một quá trình biến đổi nhất định, ta nói công và nhiệt là hàm của quá trình, ta nói công và nhiệt là hàm của quá trình; nội năng thì ứng với từng trạng thái, ta nói nội năng là hàm của trạng thái. Các nguyên lý của Nhiệt Động Học sẽ chỉ rõ điều kiện chuyển hóa và mối quan hệ định lượng giữa công A, nhiệt Q và nội năng U của một hệ nhiệt động.