Bài 2. Định luật 1 của nhiệt động lực học

I. NỘI NĂNG

1. Khái niệm

Ta đã biết, các chất được cấu tạo từ các phân tử. Vì các phân tử luôn chuyển động nhiệt nên chúng có động năng. Mặt khác, giữa các phân tử có lực tương tác nên ngoài động năng, các phân tử còn có thế năng tương tác phân tử.

Trong nhiệt động lực học, khi xét năng lượng của các phân tử cấu tạo nên một khối chất rắn, lỏng, khí (được gọi chung là hệ), người ta chỉ xét động năng và thế năng tương tác phân tử.

Tổng động năng và thế năng tương tác của các phân tử cấu tạo nên hệ là nội năng của hệ.

Khi nhiệt độ của hệ thay đổi thì động năng của các phân tử cấu tạo nên hệ thay đổi. Do đó, nội năng phụ thuộc nhiệt độ của hệ. Mặt khác, khi thể tích của hệ thay đổi thì khoảng cách giữa các phân tử cấu tạo nên hệ thay đổi, làm cho thế năng tương tác giữa chúng thay đổi. Vì thế, nội năng cũng phụ thuộc thể tích của hệ.

2. Các cách làm biến đổi nội năng

Thực hiện công

Vì nội năng phụ thuộc thể tích của hệ nên nếu làm thể tích của hệ thay đổi thì nội năng thay đổi.

Thí nghiệm sau đây chứng tỏ khi thay đổi thể tích của một lượng khó trong xilanh, nội năng của lượng khí đó thay đổi.

Dụng cụ

- Xilanh (1).

- Pit-tông (2).

- Cảm biến nhiệt độ (3).

- Giá đỡ (4). 

Phương án thí nghiệm

- Tìm hiểu công dụng của các dụng cụ nêu trên.

- Lập phương án thí nghiệm với các dụng cụ đó.

Tiến hành

Sau đây là một phương án thí nghiệm với các dụng cụ nêu trên.

- Lắp đặt các dụng cụ như hình 2.2.

- Chuyển pit-tông về đầu phía trên của xilanh.

- Đọc số chỉ của cảm biến nhiệt độ.

- Đẩy mạnh pit-tông để nén khí trong xilanh.

- Đọc số chỉ của cảm biến nhiệt độ sau khi nén khí.

- Ghi kết quả theo mẫu Bảng 2.1.

Kết quả

Quá trình làm thay đổi nội năng như trên được gọi là quá trình thực hiện công. Trong quá trình thực hiện công có sự chuyển hóa từ một dạng năng lượng khác (ở ví dụ trên là cơ năng) sang nội năng.

Ví dụ trên cho ta thấy nội năng bị biến đổi do thực hiện công.

Truyền nhiệt

Vì nội năng phụ thuộc nhiệt độ nên nếu làm thay đổi nhiệt độ của hệ thì nội năng của hệ thay đổi.

Thí nghiệm sau đây chứng tỏ khi một lượng khí trong xilanh nhận được năng lượng nhiệt thì nhiệt độ thay đổi và do đó nội năng của lượng khí đó thay đổi.

Dụng cụ

- Xilanh có pit-tông (1).

- Cốc để đựng nước (2).

- Cảm biến nhiệt độ (3).

- Giá đỡ (4).

Phương án thí nghiệm

- Tìm hiểu công dụng của các dụng cụ trên.

- Lập phương án thí nghiệm với các dụng cụ đó.

Tiến hành

Sau đây là một phương án thí nghiệm với các dụng cụ nêu trên.

- Lắp đặt các dụng cụ như Hình 2.3.

- Giữ một lượng khí trong xilanh.

- Đọc số chỉ của cảm biến nhiệt độ.

- Đổ nước nóng vào cốc sao cho nước nóng tiếp xúc với phần xilanh có chứa khí. Giữ pit-tông cố định trong suốt quá trình thí nghiệm.

- Khi nhiệt độ ổn định và không tăng nữa, đọc số chỉ của cảm biến nhiệt độ.

- Ghi kết quả theo mẫu Bảng 2.2.

Kết quả

Quá trình làm thay đổi nội năng như trên không có sự thực hiện công, chỉ có sự truyền năng lượng nhiệt và thường được gọi tắt là sự truyền nhiệt.

Từ các thí nghiệm trên và nhiều thí nghiệm tương tự, người ta đã chứng minh rằng, có hai cách làm thay đổi nội năng là thực hiện công và truyền nhiệt.

II. ĐỊNH LUẬT 1 CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Mối liên hệ giữa nội năng của một hệ với năng lượng của các phân tử tạo nên hệ được diễn tả bằng định luật 1 của nhiệt động lực học.

Như đã nói ở trên, nội năng của hệ có thể thay đổi bằng hai cách là truyền nhiệt và thực hiện công. Nếu một hệ đồng thời nhận được công và nhiệt lượng thì theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, ta có : Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được.

Kí hiệu \(\Delta U\) là độ biến thiên nội năng. \(Q\) và \(A\) tương ứng là nhiệt lượng và công mà hệ nhận được, ta có

\(\Delta U=Q+A\)

trong đó : 

                                    \(Q\) và \(A\) là các giá trị đại số.

                                    Nếu \(Q>0\), hệ nhận nhiệt lượng.

                                    Nếu \(Q< 0\), hệ tỏa nhiệt lượng.

                                    Nếu \(A>0\), hệ nhận công.

                                    Nếu \(A< 0\), hệ sinh công.

Ví dụ

Một lượng khí bị nén đã nhận được công là 150 kJ. Khí nóng lên và đã tỏa nhiệt lượng là 95 kJ ra môi trường. Tìm độ biến thiên nội năng của lượng khí.

Giải

Theo quy ước, ta có :

                                            \(A\) = 150 kJ

                                            \(Q\) = - 95 kJ

Từ đây, ta có độ biến thiên nội năng của lượng khí này là

                                            \(\Delta U\) = 55 kJ