Nội năng và Định luật I của Nhiệt động lực học

[Doremon]

Trong đời sống hằng ngày, ta thấy mọi vật đều có thể nóng lên, nguội đi, giãn nở hoặc co lại. Tất cả những hiện tượng ấy đều gắn liền với năng lượng bên trong vật, hay còn gọi là nội năng.
Bài học “Nội năng và Định luật I của Nhiệt động lực học” giúp chúng ta hiểu bản chất của năng lượng ẩn trong từng vật thể, đồng thời nắm được mối quan hệ giữa công, nhiệt lượng và nội năng – nền tảng cho toàn bộ phần nhiệt học trong vật lý trung học.

I. Khái niệm​

1. Nội năng là gì?​

Nội năng là tổng động năng và thế năng tương tác giữa các phân tử cấu tạo nên vật.
Kí hiệu là $U$, đơn vị tính là jun (J).

$U = E_{đ} + E_{t}$​

Trong đó:

• $E_{đ}$: động năng của các phân tử (do chuyển động nhiệt).
• $E_{t}$: thế năng tương tác giữa các phân tử (do lực hút – đẩy).

Ví dụ: khi đun nóng nước, các phân tử chuyển động nhanh hơn → động năng tăng → nội năng tăng.

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến nội năng​

Nội năng của vật phụ thuộc vào:

• Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, tốc độ chuyển động của phân tử tăng → nội năng tăng.
• Thể tích: Khi thể tích thay đổi (đặc biệt trong chất khí), khoảng cách giữa các phân tử thay đổi → thế năng tương tác thay đổi → nội năng thay đổi.

Ghi nhớ: Mỗi vật luôn có một nội năng xác định tương ứng với trạng thái của nó (nhiệt độ, thể tích).

3. Tính chất của nội năng​

• Các phân tử cấu tạo vật chuyển động hỗn loạn không ngừng, tốc độ và khoảng cách giữa chúng liên tục thay đổi. Vì vậy, ta không thể xác định chính xác nội năng tuyệt đối của vật.
• Trong vật lý, ta chỉ quan tâm đến độ biến thiên nội năng – tức là sự thay đổi nội năng giữa hai trạng thái: $\Delta U = U_2 - U_1$

II. Cách làm thay đổi nội năng​

Có hai cách chính để làm thay đổi nội năng của một vật:

• Thực hiện công (tác động cơ học).
• Truyền nhiệt (trao đổi năng lượng nhiệt).

1. Thực hiện công​

Khi ta dùng tay cọ xát một miếng kim loại lên sàn, kim loại nóng lên. Nhiệt độ tăng nghĩa là nội năng của kim loại tăng.
Hiện tượng này xảy ra vì năng lượng cơ học (công ma sát) biến đổi thành năng lượng nội năng.

Nếu ta xét một hệ kín, năng lượng không tự mất đi mà chuyển từ dạng công sang dạng nhiệt – minh chứng rõ cho định luật bảo toàn năng lượng.

2. Truyền nhiệt​

Cách thứ hai để thay đổi nội năng là truyền năng lượng nhiệt từ vật này sang vật khác.

Ví dụ:

• Khi đặt miếng kim loại lạnh tiếp xúc với bếp nóng → kim loại nhận nhiệt lượng $Q$ → nội năng tăng.
• Ngược lại, khi đặt miếng kim loại nóng vào nước lạnh → nó truyền nhiệt lượng $Q$ cho nước → nội năng giảm.

Như vậy, nội năng có thể tăng do vật nhận nhiệt hoặc nhận công từ bên ngoài.

III. Định luật I của Nhiệt động lực học​

Định luật I là một hình thức đặc biệt của định luật bảo toàn năng lượng, áp dụng cho các quá trình nhiệt.

1. Phát biểu định luật​

Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được.

Công thức: $\Delta U = Q + A$
Trong đó:

• $\Delta U$: độ biến thiên nội năng (J).
• $Q$: nhiệt lượng vật nhận được (J).
• $A$: công mà vật nhận được (J).

2. Quy ước dấu trong công thức​

Để mô tả chính xác chiều trao đổi năng lượng, ta quy ước:

Đại lượng	Dấu (+)	Dấu (–)
$Q$ (nhiệt lượng)	Vật nhận nhiệt	Vật tỏa nhiệt
$A$ (công)	Vật nhận công	Vật sinh công

Như vậy:

• Nếu vật vừa nhận công vừa nhận nhiệt, thì $\Delta U > 0$ → nội năng tăng.
• Nếu vật sinh công hoặc tỏa nhiệt, thì $\Delta U < 0$ → nội năng giảm.

3. Phân tích ý nghĩa vật lý​

Định luật I cho thấy:

• Nội năng là một dạng năng lượng.
• Công và nhiệt lượng chỉ là hai cách trao đổi năng lượng giữa vật và môi trường.
• Trong mọi quá trình, tổng năng lượng của hệ kín được bảo toàn.

Không có năng lượng nào “tự sinh ra” hay “tự mất đi” – nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác.

4. Ví dụ minh họa​

Ví dụ 1: Nung nóng một thanh đồng

• Thanh đồng nhận nhiệt $Q > 0$ từ ngọn lửa, không có công thực hiện ($A = 0$).
  → $\Delta U = Q$ → nội năng tăng.

Ví dụ 2: Khí trong xilanh bị nén

• Khi pittông nén khí, khí bị nén lại (nhận công $A > 0$), nhiệt độ tăng.
  → $\Delta U = A$ nếu không có truyền nhiệt.

Ví dụ 3: Khí trong xilanh giãn nở

• Nếu pittông được thả ra, khí giãn nở → sinh công ($A < 0$).
  Nếu không có trao đổi nhiệt, nội năng giảm: $\Delta U = A < 0$.

IV. Mối liên hệ giữa công, nhiệt và nội năng​

Công và nhiệt chỉ là hai con đường khác nhau để làm thay đổi nội năng:

Hình thức tác động	Đặc điểm	Ví dụ
Thực hiện công	Truyền năng lượng qua tác dụng lực (cơ học)	Cọ xát, nén khí
Truyền nhiệt	Truyền năng lượng qua chênh lệch nhiệt độ	Đun nóng, làm lạnh

Cả hai quá trình đều dẫn đến thay đổi mức năng lượng vi mô của các phân tử cấu tạo nên vật.

V. Ứng dụng thực tế của định luật I​

Định luật I của nhiệt động lực học là nền tảng cho rất nhiều công nghệ và hiện tượng trong tự nhiên:

1. Động cơ nhiệt​

• Trong động cơ, một phần nhiệt lượng từ nhiên liệu cháy được biến đổi thành công cơ học → xe, máy nổ hoạt động.
• Hiệu suất của động cơ luôn nhỏ hơn 100% vì một phần năng lượng bị thất thoát dưới dạng nhiệt.

2. Máy nén khí và tủ lạnh​

• Trong máy nén khí, khi nén → khí nhận công → nhiệt độ tăng (nội năng tăng).
• Trong tủ lạnh, máy nén và dàn bay hơi chuyển năng lượng nhiệt từ nơi lạnh sang nơi nóng, nhờ cơ chế tuần hoàn chất làm lạnh.

3. Hiện tượng tự nhiên​

• Sương mù, bốc hơi, ngưng tụ đều là những ví dụ điển hình của trao đổi nội năng qua truyền nhiệt.

VI. So sánh với các định luật năng lượng khác​

Định luật	Nội dung	Mối quan hệ
Định luật bảo toàn cơ năng	Cơ năng biến đổi giữa động năng và thế năng, tổng không đổi (nếu không có ma sát)	Trường hợp riêng của bảo toàn năng lượng
Định luật I nhiệt động lực học	Năng lượng có thể trao đổi dưới dạng công và nhiệt, tổng vẫn bảo toàn	Mở rộng cho mọi dạng năng lượng

Như vậy, Định luật I nhiệt động lực học là bước mở rộng quan trọng, mô tả sự bảo toàn năng lượng trong thế giới vi mô – nơi phân tử luôn dao động, va chạm và trao đổi năng lượng liên tục.

VII. Ghi nhớ và tổng kết​

Kiến thức trọng tâm:

• Nội năng: Tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật.
• Độ biến thiên nội năng: $\Delta U = U_2 - U_1$
• Định luật I nhiệt động lực học: $\Delta U = Q + A$
• Quy ước dấu:
  • $Q > 0$: vật nhận nhiệt; $Q < 0$: vật tỏa nhiệt.
  • $A > 0$: vật nhận công; $A < 0$: vật sinh công.
• Ý nghĩa: Năng lượng không tự sinh ra hoặc mất đi – chỉ chuyển hóa giữa công, nhiệt và nội năng.

VIII. Kết luận​

Hiểu về nội năng và định luật I nhiệt động lực học không chỉ giúp nắm vững kiến thức vật lý lớp 10 mà còn mở ra cánh cửa nhìn nhận thế giới theo góc độ năng lượng. Mọi quá trình tự nhiên, từ việc đun nước đến hoạt động của động cơ, đều là minh chứng sinh động cho sự bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.

Tự học hiệu quả: Khi làm bài tập về nhiệt học, hãy luôn xác định rõ vật nhận hay tỏa nhiệt, nhận hay sinh công — đó chính là chìa khóa để áp dụng đúng công thức $\Delta U = Q + A$.

 

[Doremon]

Khi nước được đun tới lúc bắt đầu sôi thì dù có tiếp tục đun, nhiệt độ của nước cũng không thay đổi. Vậy nhiệt năng mà nước nhận được lúc này làm tăng dạng năng lượng nào của nước?
Trả lời:
Nhiệt năng mà nước nhận được lúc này làm tăng nội năng của nước

 

[Tăng Giáp]

Tại sao nội năng của vật lại phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật?
Lời giải
Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật do các lý do sau:

- Nhiệt độ: Nội năng của một vật liên quan mật thiết đến năng lượng nhiệt (năng lượng cảm biến từ nhiệt độ) mà vật đó chứa. Khi nhiệt độ tăng, năng lượng nhiệt của vật cũng tăng lên do việc tăng cường động năng của các phân tử và nguyên tử bên trong vật liệu. Tương tự, khi nhiệt độ giảm, nội năng cũng giảm.

- Thể tích của một vật ảnh hưởng đến nội năng của nó thông qua công việc làm được hoặc công việc mất đi trong quá trình mở rộng hoặc nén. Theo định lý nội năng, nội năng của một hệ thống được thay đổi trong quá trình làm việc. Khi vật được nén, làm việc được thực hiện lên vật, do đó nội năng tăng lên. Ngược lại, khi vật mở rộng, nội năng giảm do vật làm việc ra ngoài.

Do đó, nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ vì nó ảnh hưởng đến động năng của các phân tử trong vật, và phụ thuộc vào thể tích vì nó ảnh hưởng đến việc làm việc được thực hiện trong quá trình mở rộng hoặc nén.