01
Cân bằng năng lượng – ΔU=Q+A
Thay đổi nhiệt lượng và công hệ nhận. Mũi tên và thanh năng lượng cập nhật đồng thời; dấu âm được hiển thị rõ.
Q (J)+300
A (J)−120
ΔU (J)+180
Nội năngTăng
HAT Physics Learning · VẬT LÍ 12 · KẾT NỐI TRI THỨC
BÀI 02 · NỘI NĂNG. ĐỊNH LUẬT I CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
Chuyển động và tương tác phân tử · Truyền nhiệt · Thực hiện công · Quy ước dấu
01 · MỤC TIÊU
Phân biệt nội năng, truyền nhiệt và thực hiện công
Kiến thức
Nêu được nội năng là tổng động năng chuyển động nhiệt và thế năng tương tác phân tử; phân biệt hai cách làm thay đổi nội năng; phát biểu và viết được Định luật I nhiệt động lực học.
Năng lực vận dụng
Xác định đúng dấu của Q, A và ΔU; nhận diện quá trình nén, giãn, nhận nhiệt, tỏa nhiệt; tính toán một và nhiều giai đoạn; giải thích thí nghiệm bằng mô hình phân tử.
Quy ước chuẩn của toàn bài: \(\Delta U=Q+A\), trong đó Q>0 khi hệ nhận nhiệt; A>0 khi ngoại lực thực hiện công lên hệ (hệ nhận công). Khi khí nở sinh công lên bên ngoài, A<0. Ở mô hình pít-tông có áp suất ngoài không đổi, chỉ xét công cơ học do thay đổi thể tích: \(A=-p_{\mathrm{ngoài}}(V_f-V_i)\). Không được dùng cùng lúc quy ước này và quy ước “công do khí thực hiện” mà không đổi dấu.
02 · KIẾN THỨC TRỌNG TÂM
Nội năng và Định luật I nhiệt động lực học
I. Nội năng của một vật
Phân tử luôn chuyển động nhiệt và có tương tác với nhau. Nội năng của vật là tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử và thế năng tương tác phân tử. Nội năng là đại lượng vô hướng; đơn vị là jun (J).
(1) Khái niệm nội năng
\[U=\sum_i W_{\mathrm{đ},i}+\sum W_{\mathrm{tương\ tác}}\]
Nội năng không đồng nhất với nhiệt lượng Q. Nhiệt lượng là năng lượng truyền qua ranh giới hệ do chênh lệch nhiệt độ; hệ không “chứa nhiệt lượng”.Đối với một vật xác định, nội năng nói chung phụ thuộc trạng thái (trong đó có nhiệt độ, thể tích). Khi nhiệt độ tăng, động năng chuyển động nhiệt trung bình thường tăng; khi khoảng cách giữa các phân tử thay đổi, thế năng tương tác có thể thay đổi. Vì vậy nhiệt độ không đổi chưa đủ kết luận nội năng không đổi, ví dụ nước đang sôi.
Phân tích hiện tượng: Khi nước đang sôi ở áp suất không đổi, nhiệt độ gần như không đổi nhưng nước vẫn nhận năng lượng để chuyển sang thể khí; phần nội năng gắn với tương tác phân tử thay đổi.
II. Hai cách làm thay đổi nội năng
Thực hiện công
Ma sát làm nóng hai bàn tay, nén nhanh khí trong xi lanh… Có sự truyền năng lượng thông qua lực và chuyển dời.
Truyền nhiệt
Đun nước, đặt vật nóng tiếp xúc vật lạnh, bức xạ Mặt Trời… Có năng lượng truyền do chênh lệch nhiệt độ.
III. Định luật I của nhiệt động lực học
(2) Định luật I – quy ước công hệ nhận
\[\boxed{\Delta U=Q+A}\]
ΔU = Usau − Utrước; Q nhận (+), Q tỏa (−); A hệ nhận công (+), A hệ thực hiện công (−). Các đại lượng đều tính bằng J.(3) Tìm nhiệt lượng hoặc công
\[Q=\Delta U-A,\qquad A=\Delta U-Q\]
Đại lượng chưa biết được xác định bằng biến đổi đại số, có thể âm; dấu âm biểu thị chiều truyền năng lượng.(4) Quá trình đoạn nhiệt
\[Q=0\Rightarrow\Delta U=A\]
Đoạn nhiệt nghĩa là không trao đổi nhiệt với môi trường; không đồng nghĩa nhiệt độ luôn không đổi.(5) Quá trình thể tích không đổi, chỉ có công p–V
\[\Delta V=0\Rightarrow A_{pV}=0\Rightarrow\Delta U=Q\]
Điều kiện: ranh giới hệ không dịch chuyển và không có dạng công nào khác. Không tự động suy ra A=0 khi hệ vẫn nhận công điện hoặc công khuấy.(6) Công khí nhận khi áp suất ngoài không đổi
\[A=-p_{\mathrm{ngoài}}(V_f-V_i)\]
Khí giãn nở (Vf>Vi) thì A âm; khí bị nén thì A dương. Công thức áp dụng khi ngoại áp không đổi và chỉ tính công do dịch chuyển pít-tông.(7) Đổi đơn vị tiện dùng
\[1\,\mathrm{kPa}\cdot1\,\mathrm L=1\,\mathrm J\]
Vì 1 kPa = 10³ Pa; 1 L = 10⁻³ m³. Mốc thể tích có thể lấy tùy ý, nhưng ΔV phải có dấu.(8) Tổng biến thiên nhiều giai đoạn
\[\Delta U_{\mathrm{tổng}}=\sum_i (Q_i+A_i)\]
Nội năng là hàm trạng thái: ΔU tổng chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và cuối. Q và A của từng con đường có thể khác nhau.IV. Bảng quy ước dấu
| Tình huống | Q | A (công hệ nhận) | Nhận xét |
|---|---|---|---|
| Hệ nhận nhiệt | + | tùy | Năng lượng đi vào dưới dạng nhiệt |
| Hệ tỏa nhiệt | − | tùy | Năng lượng đi ra dưới dạng nhiệt |
| Nén khí bởi ngoại lực | tùy | + | Năng lượng vào thông qua công |
| Khí giãn nở đẩy pít-tông | tùy | − | Khí thực hiện công ra ngoài |
V. Ví dụ có hướng dẫn từng bước
Ví dụ 1 · Nhận nhiệt và nhận công
Khí nhận 300 J nhiệt lượng đồng thời được ngoại lực thực hiện 120 J công. Tìm ΔU.
Giải: Q=+300 J; A=+120 J, nên ΔU=Q+A=420 J.
Ví dụ 2 · Nhận nhiệt và thực hiện công
Khí nhận 500 J và thực hiện công 180 J lên môi trường. Tính ΔU.
Giải: Q=+500 J; A=−180 J; ΔU=+320 J.
Ví dụ 3 · Nén đoạn nhiệt
Nén khí đoạn nhiệt bằng công 240 J. Tìm ΔU.
Giải: Q=0; A=+240 J; ΔU=+240 J.
Ví dụ 4 · Giãn nở đẳng áp ngoài
Khí giãn từ 2,0 L đến 3,5 L dưới áp suất ngoài không đổi 100 kPa; nhận 250 J nhiệt. Tính A và ΔU.
Giải: ΔV=+1,5 L; A=−100×1,5=−150 J; ΔU=250−150=100 J.
Ví dụ 5 · Tìm Q
Khí có ΔU=−80 J và thực hiện công 50 J. Tìm Q.
Giải: A=−50 J; Q=ΔU−A=−80−(−50)=−30 J. Khí tỏa 30 J.
Ví dụ 6 · Hai giai đoạn
Giai đoạn 1 khí nhận Q₁=150 J, bị nén A₁=40 J. Giai đoạn 2 khí tỏa 60 J, thực hiện công 30 J. Tính ΔU.
Giải: ΔU₁=150+40=190 J; ΔU₂=−60−30=−90 J; ΔU=100 J.
Ví dụ 7 · Nội năng và nhiệt độ
Trong quá trình sôi ở áp suất không đổi, nước nhận nhiệt nhưng nhiệt độ không tăng. Có mâu thuẫn Định luật I không?
Giải: Không. Nội năng gồm cả thế năng tương tác phân tử. Năng lượng được cung cấp để chuyển thể, không chỉ tăng động năng trung bình.
Ví dụ 8 · Công trên đồ thị p–V
Khí giãn đẳng áp ngoài 150 kPa, thể tích từ 1 L đến 3 L. Tính công khí nhận.
Giải: A=−pΔV=−150×(3−1)=−300 J. Trên đồ thị p–V, diện tích hình chữ nhật là công do khí thực hiện (+300 J).
03 · QUAN SÁT VÀ MÔ PHỎNG
Ba hoạt động khám phá quy ước năng lượng
Trước khi thao tác: Dự đoán xem hệ nhận nhiệt nhưng vẫn giảm nội năng trong trường hợp nào. Khi khí được nén đoạn nhiệt, nhiệt lượng Q có bằng 0 không và công A có dấu gì?
02
Xi lanh – pít-tông: nén và giãn
Mô hình pít-tông không ma sát, áp suất ngoài không đổi. Thể tích đầu và cuối được xác định rõ; các phép tính dùng kPa, L và J.
ΔV (L)+2
A hệ nhận (J)−200
ΔU (J)+150
Kiểu biến đổiGiãn nở
03
Đồ thị p–V và tổng công qua nhiều giai đoạn
Đường đi mẫu gồm hai đoạn đẳng áp ngoài; công hệ nhận bằng âm tổng diện tích có dấu dưới đường p–V. Thay dữ liệu để kiểm chứng.
A₁ (J)−100
A₂ (J)−320
A tổng (J)−420
Tại chỗ đổi áp suất khi thể tích giữ nguyên: ΔV=0 nên công p–V bằng 0. Các đoạn ngang biểu diễn ngoại áp không đổi; chỉ dùng mô hình này cho công pít-tông, không áp đặt cho mọi quá trình nhiệt động.
04 · LUYỆN TẬP
36 bài tự luyện phân hóa + kiểm tra 22 câu chuẩn V4
36Bài tự luyện
6Nhóm bài
22Câu kiểm tra
10Điểm tối đa
Phần A · Luyện tập có đáp số và lời giải
Đọc kĩ dấu của Q, A và đơn vị; nhập chỉ kết quả số, không kèm đơn vị. Có thể dùng dấu phẩy thập phân, số âm; chỉ xem lời giải sau khi tự làm.
0/36 bài đúng
Trang 1/5
Phần B · Kiểm tra 22 câu theo thang 10 điểm
8 câu ABCD (2 điểm) · 4 câu Đúng/Sai bốn ý (4 điểm) · 8 câu trả lời ngắn (2 điểm) · 2 câu tự luận (2 điểm). Đáp án chỉ hiển thị sau khi nộp; tự luận được đối chiếu theo rubric, không có AI tự chấm nội dung.
05 · HỆ THỐNG HÓA
Bản đồ tư duy – Nội năng và Định luật I
Hệ thống dấu, công thức và điều kiện áp dụng, có thể phóng to/thu nhỏ và đọc bằng chữ.
Xem sơ đồ dạng văn bản
- Nội năng U = tổng động năng nhiệt + thế năng phân tử.
- ΔU = Q + A với A là công hệ nhận.
- Đoạn nhiệt Q=0; nở pít-tông A âm, nén A dương.
- Không lẫn công hệ nhận và công do khí thực hiện.
06 · EM CÓ BIẾT?
Hiểu nội năng qua các hiện tượng quanh ta
Bơm xe nóng lên
Khi bơm nhanh, không khí bị nén, nhận công từ pít-tông. Nếu trao đổi nhiệt với ngoài chưa kịp xảy ra, nội năng tăng và nhiệt độ khí có thể tăng.
Nước sôi vẫn cần cấp nhiệt
Nhiệt độ khi sôi ở áp suất ổn định không tăng đáng kể, nhưng nước vẫn nhận năng lượng để chuyển thể. Giải thích vi mô cần tính đến tương tác phân tử.
Định luật bảo toàn năng lượng
Định luật I là một cách diễn đạt bảo toàn năng lượng cho hệ nhiệt động: năng lượng đi vào hệ qua công hoặc nhiệt làm thay đổi nội năng.
Câu hỏi suy ngẫm: Vì sao ở một quá trình, khí có thể nhận nhiệt nhưng nội năng vẫn giảm? Hãy tự đặt Q=+100 J và tìm một giá trị công A phù hợp.