Bài 2. Nội năng. Định luật I của nhiệt động lực học

I. KHÁI NIỆM NỘI NĂNG

1. Nội năng của một vật

Vì các phân tử chuyển động không ngừng nên chúng có động năng. Động năng này được gọi là động năng phân tử. Động năng phân tử phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của phân tử.

Vì các phân tử tương tác với nhau nên chúng có thế năng. Thế năng này được gọi là thế năng tương tác phân tử, gọi tắt là thế năng phân tử. Thế năng phân tử phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử.

Tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật được gọi là nội năng của vật. Nội năng được kí hiệu bằng chữ U và có đơn vị là jun (J).

Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.

Lưu ý:

- Vì các phân tử cấu tạo nên vật chuyển động không ngừng nên tốc độ và khoảng cách giữa các phân tử luôn thay đổi làm cho động năng và cả thế năng của các phân tử cũng không ngừng thay đổi. Do đó, khi nói động năng và thế năng của phân tử thì phải hiểu đó là động năng và thế năng trung bình của các phân tử cấu tạo nên vật.

- Vì số phân tử trong một vật vô cùng lớn và các phân tử chuyển động hỗn loạn nên không thể xác định được chính xác độ lớn nội năng của một vật. Trong vật lí người ta chủ yếu quan tâm đến độ biến thiên nội năng (ΔU) của vật.

2. Thí nghiệm về mối liên hệ nội năng của vật với năng lượng của các phân tử cấu tạo nên vật

II. ĐỊNH LUẬT I CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

1. Cách làm thay đổi nội năng

Có hai cách làm thay đổi nội năng là thực hiện công và truyền năng lượng nhiệt (gọi tắt là truyền nhiệt).

- Ví dụ về thực hiện công: Khi dùng tay thực hiện công cọ xát một miếng kim loại lên sàn nhà thì miếng kim loại nóng lên, nội năng của nó đã thay đổi.

- Ví dụ về truyền nhiệt: Cũng có thể làm miếng kim loại nóng lên bằng cách cho nó tiếp xúc với một nguồn nhiệt. Khi đó nội năng của nó cũng thay đổi.

2. Định luật I của nhiệt động lực học

Định luật I của nhiệt động lực học là sự vận dụng định luật bảo toàn năng lượng vào các quá trình thay đổi nội năng.

Nếu vật vừa nhận được công vừa được truyền nhiệt thì: Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được:

\(\Delta U=A+Q\)   (2.1)

Với quy ước về dấu thích hợp thì hệ thức trên có thể áp dụng cho các quá trình thay đổi nội năng khác như vật truyền nhiệt cho vật khác, vật thực hiện công lên vật khác, vật vừa thực hiện công vừa truyền nhiệt cho vật khác. 

Quy ước về dấu của A và Q trong hệ thức (2.1):

Q > 0: Vật nhận nhiệt lượng từ vật khác.

Q < 0: Vật truyền nhiệt lượng cho vật khác.

A > 0: Vật nhận công từ vật khác.

A < 0: Vật thực hiện công lên vật khác.

Lưu ý: 

- Vật ở đây là vật rắn, khối chất lỏng và khối chất khí

- Nhiệt lượng là số đo nhiệt năng được truyền từ vật này sang vật khác trong quá trình truyền nhiệt. Khi không có quá trình truyền nhiệt thì không có nhiệt lượng.

- Nội năng là một dạng năng lượng. Mọi vật luôn có nội năng.