Bài 3. Nội năng. Định luật 1 của nhiệt động lực học

1. NỘI NĂNG

Do các phân tử chuyển động nhiệt không ngừng nên chúng có động năng. Động năng phân tử phụ thuộc vào tốc độ của phân tử. Ngoài ra, do giữa các phân tử có lực tương tác nên ngoài động năng các phân tử còn có thế năng tương tác phân tử. Thế năng tương tác phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử. Trong nhiệt động lực học, người ta gọi tổng động năng và thế năng tương tác của các phân tử cấu tạo nên vật là nội năng của vật.

Nội năng được kí hiệu là U, đơn vị là jun (J). Nội năng của vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.

Nội năng của một vật là tổng động năng và thế năng tương tác của các phân tử cấu tạo nên vật. Nội năng của vật phụ thuộc vào nhiệt độ T và thể tích V của vật.

Khi năng lượng của các phân tử cấu tạo nên vật tăng thì nội năng của vật tăng và ngược lại.

2. CÁC CÁCH LÀM THAY ĐỔI NỘI NĂNG

Có hai cách làm thay đổi nội năng của vật là thực hiện công và truyền nhiệt.

Thực hiện công

Xét các ví dụ sau:

Ví dụ 1: Dùng tay ấn mạnh và nhanh pit-tông của một xilanh chứa khí (Hình 3.4), thể tích khí trong xilanh giảm, đồng thời người ta thấy khí nóng lên. Nội năng của khí tăng lên.

Ví dụ 2: Dùng tay chà sát một miếng kim loại lên sàn nhà, kết quả miếng kim loại bị nóng dần lên, nội năng của nó tăng.

Các quá trình làm thay đổi nội năng như trên gọi là quá trình thực hiện công (gọi tắt là sự thực hiện công). Trong quá trình thực hiện công, có sự chuyển hoá từ một dạng năng lượng khác (ví dụ trên là cơ năng) sang nội năng. Khi vật nhận công thì nội năng của vật tăng, khi vật thực hiện công cho vật khác thì nội năng của vật giảm.

Quá trình thực hiện công làm cho nội năng của vật thay đổi, vật nhận công thì nội năng tăng, vật thực hiện công cho vật khác thì nội năng giảm.

Truyền nhiệt

Xét các ví dụ sau:

Ví dụ 1: Làm nóng khối khí bên trong ống nghiệm bằng cách hơ ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn. Khi đó, nội năng của khối khí trong ống nghiệm tăng.

Ví dụ 2: Trong quá trình luyện thép, phôi thép được nung đến nóng chảy rồi được đổ vào khuôn để tạo thành các thanh thép. Sau đó thép được đưa ra khỏi khuôn và đặt lên các giá đỡ để chúng nguội dần. Trong quá trình luyện thép, nội năng của thép tăng rồi sau đó giảm dần.

Các quá trình làm thay đổi nội năng như trên gọi là quá trình truyền nhiệt năng (gọi tắt là truyền nhiệt). Phần năng lượng nhiệt trao đổi giữa hai vật gọi là nhiệt lượng.

Trong quá trình truyền nhiệt, không có sự chuyển hoá năng lượng từ dạng này sang dạng khác mà chỉ có sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác.

Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau thì xảy ra quá trình truyền nhiệt. Quá trình này làm thay đổi nội năng của các vật.

Nhiệt lượng, nhiệt dung riêng

Thông qua các kết quả thí nghiệm, các nhà khoa học đã tìm ra công thức xác định nhiệt lượng mà một vật có khối lượng m trao đổi khi thay đổi nhiệt độ từ T₁ (K) đến T₂ (K) là:

\(Q=mc\left(T_2-T_1\right)\)   (3.1)

Trong đó: c là hằng số phụ thuộc vào chất tạo nên vật, gọi là nhiệt dung riêng của chất đó, đơn vị là J/kg.K. Nhiệt dung riêng của một chất có giá trị bằng nhiệt lượng để làm tăng nhiệt độ của 1 kg của chất đó lên 1 K.

Q > 0: vật nhận nhiệt lượng, nhiệt độ của vật tăng lên.

Q < 0: vật truyền nhiệt lượng cho vật khác, nhiệt độ của vật giảm xuống.

Trong hệ SI, đơn vị đo nhiệt lượng là jun (J), ngoài ra nhiệt lượng còn được tính theo đơn vị calo (cal).

1 calo = 4,186 J

Như vậy, công và nhiệt lượng đều là số đo độ biến thiên nội năng. Công và nhiệt lượng có liên quan chặt chẽ với nhau và có thể chuyển hoá cho nhau thông qua biến thiên nội năng.

Số đo độ biến thiên nội năng trong quá trình truyền nhiệt gọi là nhiệt lượng. Nhiệt lượng vật trao đổi (toả ra hoặc nhận vào) được xác định bằng công thức:

\(Q=mc\left(T_2-T_1\right)\)

Nhiệt dung riêng của một chất có giá trị bằng nhiệt lượng để làm tăng nhiệt độ của 1 kg của chất đó lên 1 K. Biểu thức:

\(c=\dfrac{Q}{m\left(T_2-T_1\right)}\)