Bài 2: Nội năng và định luật I nhiệt động lực học
Nội năng là năng lượng vi mô “bên trong” vật. Bài học tập trung vào hai cách làm thay đổi nội năng và đọc đúng dấu của công trong định luật I.
HỌC XONG BÀI NÀY
- Nêu được nội năng gồm động năng và thế năng tương tác phân tử.
- Phân biệt truyền nhiệt với thực hiện công.
- Giải bài tập ΔU = Q + A bằng một quy ước dấu thống nhất.
Kiến thức nền tảng
Nhiệt độ phản ánh chuyển động nhiệt ở mức vi mô; còn nội năng của một vật là tổng động năng và thế năng tương tác của các hạt cấu tạo nên vật. Vì vậy không thể kết luận hai vật có nội năng bằng nhau chỉ vì chúng cùng nhiệt độ.
Chọn hệ trước khi chọn dấu. Bài này dùng A là công ngoại lực thực hiện lên hệ: nhận công thì A dương; hệ thực hiện công ra ngoài thì A âm. Nhiệt lượng Q và nội năng U là hai khái niệm khác nhau.
Hai cách làm thay đổi nội năng
Thực hiện công và truyền nhiệt đều có thể làm đổi nội năng. Với quy ước công A do ngoại lực thực hiện lên hệ và nhiệt lượng Q hệ nhận, ΔU=Q+A. Q>0 khi hệ nhận nhiệt; Q<0 khi tỏa nhiệt. A>0 khi hệ nhận công, chẳng hạn khí bị nén; A<0 khi hệ thực hiện công lên ngoài. Nếu dùng W là công do hệ thực hiện thì ΔU=Q−W; không trộn hai quy ước.
Các quá trình thường gặp
Khí giãn nở chậm chống áp suất ngoài không đổi p có W=pΔV và A=−pΔV, đơn vị Pa·m³=J. Trên đồ thị p–V của quá trình cân bằng, diện tích dưới đường biểu diễn cho công do khí thực hiện có dấu theo chiều biến thiên V. Đẳng tích có ΔV=0 nên công giãn nở bằng 0; cách nhiệt có Q=0. Khí lí tưởng có nội năng phụ thuộc nhiệt độ: đẳng nhiệt cho ΔU=0 nhưng Q và công có thể khác 0. Không suy điều này cho mọi vật thực.
Phương pháp xử lí
Chọn hệ và ghi quy ước dấu ở đầu; tách từng lần nhận/tỏa nhiệt, nén/giãn; đổi tất cả năng lượng về J; thay số vào cân bằng năng lượng; giải thích dấu của ΔU. Với chu trình trở lại trạng thái đầu, tổng ΔU=0. Hiệu suất động cơ nhiệt η=Wích/Qnhận, trong đó hai đại lượng lấy độ lớn dương; năng lượng không chuyển hết thành công hữu ích.
Lỗi thường gặp và ghi nhớ
Không đồng nhất U với Q, vì Q chỉ có nghĩa trong quá trình truyền năng lượng. Không dùng nhiệt độ Celsius trong biểu thức tỉ lệ nội năng khí lí tưởng. Mỗi lời giải cần có tên hệ, quy ước dấu và chiều trao đổi năng lượng.
Nội năng khác nhiệt lượng ở đâu?
Nội năng U gồm động năng chuyển động nhiệt và thế năng tương tác giữa các hạt. Đó là năng lượng của hệ ở một trạng thái. Q là năng lượng truyền qua ranh giới hệ do chênh lệch nhiệt độ; không nói một vật “chứa nhiệt lượng Q”. Cơ năng chuyển động của cả vật không được cộng vào nội năng trong mô hình này.
Động cơ nhiệt: nhiệt vào, công ra
Một chu trình nhận nhiệt Qnóng, sinh công W và thải nhiệt có độ lớn Qlạnh. Sau một chu trình, hệ trở lại trạng thái đầu nên ΔU = 0.
W = Qnóng − Qlạnh; η = WQnóng = 1 − QlạnhQnóng.
Ở đây hai Q trong biểu thức hiệu suất là độ lớn dương. Ví dụ, nhận 500 J và thải 350 J trong một chu trình thì W = 150 J, η = 30%. Đừng trộn cách dùng độ lớn này với quy ước Q có dấu trong ΔU = Q + A.
Bảng kiến thức cần nhớ
| Nội dung | Ghi nhớ | Điều kiện |
|---|---|---|
| Định luật I | ΔU = Q + A | A: công hệ nhận |
| Khí thực hiện công W | ΔU = Q − W | W = −A |
| Đẳng áp, giãn nở chậm | W = p(V₂ − V₁) | p: áp suất ngoài không đổi |
Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1. Nhận nhiệt và sinh công
Khí nhận Q = 500 J, thực hiện công W = 180 J. Khi đó A = −180 J; ΔU = 500 − 180 = 320 J. Nội năng tăng 320 J. Cách kiểm nhanh: năng lượng vào lớn hơn năng lượng đi ra.
Ví dụ 2. Nén khí có tỏa nhiệt
Ngoại lực thực hiện công 250 J lên khí, đồng thời khí tỏa 90 J. A = +250 J, Q = −90 J nên ΔU = 160 J. Việc tỏa nhiệt không bắt buộc làm nội năng giảm nếu phần công nhận vào lớn hơn.
Luyện tập và đề ôn liên quan
Tự kiểm tra
Một quá trình cách nhiệt có A = 120 J. ΔU bằng bao nhiêu?
Xem đáp án và cách kiểm
Q = 0 nên ΔU = A = 120 J. Cách nhiệt không có nghĩa nội năng không đổi.
ĐỌC SÂU HƠN · KẾT NỐI VỚI BÀI TẬP
Công thức trọng tâm và điều kiện áp dụng
Định luật I nhiệt động lực học
Theo quy ước A là công ngoại lực thực hiện lên hệ; Q dương khi hệ nhận nhiệt.
Chênh lệch nội năng
Độ biến thiên là trạng thái cuối trừ trạng thái đầu.
1. Hiểu đúng nội năng
Nội năng U là một đại lượng trạng thái của hệ (đơn vị joule, J). Động năng vi mô liên quan chuyển động của hạt; thế năng vi mô liên quan lực tương tác và khoảng cách giữa chúng.
Trong một số mô hình đơn giản như khí lí tưởng có khối lượng xác định, nội năng chỉ phụ thuộc nhiệt độ. Với chất thực nói chung, nội năng có thể thay đổi khi biến đổi trạng thái và tương tác hạt thay đổi. Không được xem công hoặc nhiệt lượng là những “thành phần chứa sẵn” bên trong vật.
2. Định luật I và quy ước dấu
Nếu khí nở ra và thực hiện công lên môi trường, phần công do khí thực hiện có giá trị dương theo một quy ước khác, nhưng trong công thức ở đây A nhận vào hệ sẽ âm. Đổi quy ước phải đổi đồng thời cách viết công thức, không được trộn dấu.
| Tình huống | Dấu theo ΔU = Q + A |
|---|---|
| Hệ nhận nhiệt | Q dương |
| Hệ tỏa nhiệt | Q âm |
| Nén khí, môi trường làm công lên khí | A dương |
| Khí giãn nở, làm công ra ngoài | A âm |
3. Ba tình huống cần nhận diện
Đẳng tích: khi thể tích khí không đổi, công cơ học do thay đổi thể tích bằng 0; ta có thể viết ΔU = Q nếu chỉ có công kiểu này. Cách nhiệt: khi Q ≈ 0, độ biến thiên nội năng do công quyết định. Chu trình kín: hệ trở lại trạng thái đầu nên tổng ΔU bằng 0.
4. Ví dụ tính toán
- Hệ nhận nhiệt nên Q = +350 J.
- Khí làm công ra ngoài nên A = −120 J theo quy ước công nhận vào hệ.
- ΔU = 350 − 120 = +230 J.
Ý nghĩa: nội năng của khí tăng 230 J.
Những lỗi học sinh thường mắc
- Gọi nhiệt lượng là “năng lượng vốn có” trong vật.
- Quên ghi quy ước dấu trước khi tính A.
- Suy A dương khi khí tự giãn nở làm công ra ngoài.
- Suy cùng nhiệt độ thì mọi vật có nội năng bằng nhau.
Liên hệ thực tế
Khi bơm xe, khí bị nén nên có thể nóng lên do công tác dụng. Khi chà xát hai tay, công của lực ma sát làm tăng nội năng; ở ấm điện, dòng điện cung cấp năng lượng cho bộ phận đun nóng và truyền nhiệt cho nước.
Sơ đồ tư duy Bài 2
Mỗi nhánh ghi rõ kiến thức, điều kiện hoặc lỗi dễ nhầm — em có thể mở bản vector lớn để đọc chi tiết.
Đọc sơ đồ bằng chữ
- Nội năng U: Động năng của các hạt · Thế năng tương tác hạt · Đại lượng trạng thái, đơn vị J
- Truyền nhiệt Q: Nhận nhiệt: Q > 0 · Tỏa nhiệt: Q < 0 · Không phải “nội năng chứa sẵn”
- Thực hiện công A: Nén khí: A > 0 · Giãn nở làm công: A < 0 · Chọn đúng hệ khảo sát
- Định luật I: ΔU = Q + A · Một quy ước dấu nhất quán · Kiểm tra ý nghĩa dấu ΔU
- Trường hợp riêng: Đẳng tích: công pΔV = 0 · Cách nhiệt: Q ≈ 0 · Chu trình kín: tổng ΔU = 0
- Lỗi cần tránh: Không trộn hai quy ước công · Đẳng nhiệt ≠ luôn ΔU = 0 · Nhiệt độ ≠ nội năng
HIỂU RỒI THÌ LUYỆN
Tự kiểm tra kiến thức Bài 2
Học theo từng câu, chọn Đúng/Sai từng ý và mở lời giải sau khi tự làm. Bộ câu hỏi được biên soạn tương ứng với bài này.