Bài 2. Nội năng. Định luật I của nhiệt động lực học
Nghiên cứu về nội năng, các cách làm thay đổi nội năng và định luật I nhiệt động lực học.
Lý thuyết Nội năng. Định luật I nhiệt động lực học
1 1. Nội năng
Nội năng (U): là tổng động năng và thế năng tương tác giữa các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên vật.
Đặc điểm:
- Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật
- Đơn vị: Jun (J)
- Ký hiệu: U
Đối với khí lý tưởng:
Chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ: U = f(T)
U = (3/2)NkT = (3/2)nRT với n là số mol
2 2. Các cách làm thay đổi nội năng
a) Thực hiện công:
- Quạt quay → không khí nóng lên
- Cọ xát vật → vật nóng lên
- Nén khí → khí nóng lên
- Đặt vật nóng vào lửa → vật nóng lên
- Cho nước đá vào nước → nước đá tan
- Đặt cốc nước vào nước nóng
Kết luận: Có hai cách làm thay đổi nội năng: thực hiện công và truyền nhiệt.
3 3. Nhiệt lượng
Nhiệt lượng (Q): là phần nội năng mà vật nhận được hoặc mất đi trong quá trình truyền nhiệt.
Công thức tính nhiệt lượng:
$$Q = mc\Delta t$$
Trong đó:
- Q: nhiệt lượng (J)
- m: khối lượng (kg)
- c: nhiệt dung riêng (J/kg.K)
- Δt: độ biến thiên nhiệt độ (K hoặc °C)
Ý nghĩa c: Nhiệt dung riêng cho biết nhiệt lượng cần thiết để 1 kg chất tăng thêm 1°C.
4 4. Định luật I nhiệt động lực học
Phát biểu: Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được.
Công thức:
$$\Delta U = A + Q$$
Quy ước dấu:
- Q > 0: vật nhận nhiệt lượng
- Q < 0: vật tỏa nhiệt lượng
- A > 0: vật nhận công
- A < 0: vật thực hiện công
Ứng dụng: Tính toán các quá trình biến đổi năng lượng trong nhiệt động lực học.
5 5. Phương trình cân bằng nhiệt
Khi hai vật trao đổi nhiệt với nhau:
$$Q_{toa} = Q_{thu}$$
Nguyên lý: Nhiệt lượng tỏa ra của vật nóng bằng nhiệt lượng thu vào của vật lạnh.
Lưu ý: Trong cân bằng nhiệt, nhiệt độ cuối cùng của hai vật bằng nhau.
Các dạng bài tập
1 Dạng 1: Tính nhiệt lượng
Phương pháp:
- Q = mcΔt
- Δt = t₂ - t₁
Ví dụ minh họa
Giải:
Δt = 80 - 20 = 60°C
Q = mcΔt = 2 × 4200 × 60 = 504000 J
2 Dạng 2: Cân bằng nhiệt
Phương pháp:
- Q_tỏa = Q_thu
- m₁c₁(t₁ - t) = m₂c₂(t - t₂)
Ví dụ minh họa
Giải:
Nước 50°C tỏa nhiệt, nước đá thu nhiệt để tan chảy
Giải phương trình cân bằng nhiệt để tìm t
3 Dạng 3: Dạng toán thực tế
Phương pháp:
- Đọc đề, xác định vật cần tính
- Áp dụng công thức phù hợp
- Chú ý các giai đoạn
Ví dụ minh họa
Giải:
Q = mcΔt = 2 × 4200 × 80 = 672000 J
t = Q/P = 672000/2000 = 336 s = 5,6 phút
Sẵn sàng thử thách bản thân?
Hoàn thành 17 câu hỏi để củng cố kiến thức và kiểm tra mức độ hiểu bài
Làm bài tập ngay