Nội năng và sự biến thiên của nội năng là kiến thức cơ bản của chương trình Vật Lý 10. Để giúp các em học sinh củng cố kiến thức này, bài viết sau đây chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu nội năng là gì, cũng như đơn vị, công thức tính nội năng.
Nội năng là gì? đơn vị của nội năng là gì?
Nội năng của một vật là năng lượng ở bên trong của vật đó, được xác định bằng tổng 2 dạng năng lượng là động năng và thế năng của các phân tử tạo nên vật đó. Nội năng được ký hiệu là U, đơn vị của nội năng là Jun (J).
Nội năng của vật sẽ chịu sự chi phối của thể tích và nhiệt độ của vật đó: U = f(T, V).
Sự biến thiên nội năng là quá trình thay đổi nội năng của một vật. Các vật thể được cấu tạo bởi các hạt cơ bản gồm: hạt electron, nơtron, proton. Những hạt này được chuyển động không ngừng để tạo nên được động năng của phân tử, giữa chúng có khoảng cách giúp sinh ra thế năng của phân tử. Nhờ đó mà năng lượng bên trong của vật được hình thành.
Độ biến thiên nội năng được ký hiệu là ∆U, được hiểu là sự tăng thêm hoặc giảm bớt đi phần năng lượng bên trong của một vật trong quá trình biến thiên nội năng.
Công thức tính nội năng
Dựa theo nguyên lí I nhiệt động lực học thì độ biến thiên nội năng của một vật sẽ bằng tổng công và nhiệt lượng vật nhận được:
∆U = A + Q
Quy ước về dấu:
- ∆U > 0: nội năng tăng
- ∆U < 0: nội năng giảm
- A > 0: hệ nhận công
- A < 0: hệ thực hiện công
- Q > 0: hệ nhận nhiệt
- Q < 0: hệ truyền nhiệt.
Xem thêm: Hóa năng là gì? Vai trò, Ví dụ về hóa năng trong cuộc sống
Cách làm thay đổi nội năng
Thực hiện công
Trong quá trình thực hiện công sẽ có sự chuyển hóa từ dạng năng lượng khác sang nội năng, ví dụ như chuyển từ cơ năng sang nội năng.
∆U = A (A > 0: Vật nhận công)
Ví dụ: Khi ta cọ xát một vật vào tấm gỗ, chính nhờ sự ma sát làm cho vật nóng lên. Quá trình thực hiện công sẽ có sự chuyển hóa cơ năng thành nội năng.
Truyền nhiệt
Trong quá trình truyền nhiệt sẽ không có sự chuyển hóa từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác. Thay vào đó, chỉ có sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác. Nhiệt lượng là số đo độ biến thiên nội năng trong quá trình truyền nhiệt:
∆U = Q = mc.∆t
Trong đó:
- Q: là nhiệt lượng thu vào/tỏa ra (J). Nếu Q > 0: Vật nhận nhiệt lượng (thu), còn Q < 0: Vật truyền nhiệt lượng (tỏa)
- m: là khối lượng chất (kg)
- c: chính là nhiệt dung riêng của chất (J/kg.K)
- ∆t: độ biến thiên của nhiệt độ (oC hoặc K)
Ví dụ: Ta thực hiện bỏ đá vào cốc nước, nội năng của nước sẽ truyền cho đá khiến cho đá tan.
Lưu ý: Nhiệt sẽ không thể truyền từ một vật sang vật nóng hơn.
Xem thêm: Động năng là gì? Đơn vị, công thức tính động năng, ví dụ
Ví dụ minh họa
Bài 1: Thực hiện công 200 J để thực hiện nén khí trong một xilanh. Yêu cầu bạn hãy tính độ biến thiên nội năng của khí biết khí được truyền ra môi trường xung quanh với nhiệt lượng là 40 J.
Hướng dẫn:
Hệ khí nhận công -> A = 200J
Khí được truyền ra môi trường xung quanh với nhiệt lượng 40 J -> Q = – 40J
Dựa theo nguyên lí I nhiệt động lực học, ta có: ΔU = A + Q = 200 – 40 = 160 J.
Xem thêm: Nhiệt năng là gì? Đơn vị, công thức tính nhiệt năng, ví dụ
Bài 2: Ta có một bình kín có chứa 2g khí lí tưởng ở 20°C được đun nóng đẳng tích để nhằm giúp cho áp suất khí tăng lên 2 lần.
- Hãy tính nhiệt độ của khí sau khi đun?
- Yêu cầu tính độ biến thiên nội năng của khối khí cho biết nhiệt dung riêng đẳng tích khí là 12,3.103 J/kg.K.
Hướng dẫn:
a. Nhiệt độ của khi sau khi đun như sau:
- Trạng thái 1: (p1; T1 = 20 + 273 = 293 K)
- Trạng thái 2: (p2 = 2p1; T2)
Ta áp dụng phương trình đẳng tích:
b. Ta có: t1 = 20 0C
Dựa theo nguyên lí I nhiệt động lực học, ta có: ΔU = A + Q.
Vì là quá trình đẳng tích nên:
Như vậy chúng ta đã hiểu được nội năng là gì, cũng như những kiến thức lý thuyết có liên quan đến nội năng trong nhiệt động lực học. Hy vọng qua đây sẽ giúp các em nắm vững kiến thức để có thể dễ dàng giải thích được một số hiện tượng thay đổi nội năng, cũng như vận dụng trong việc giải các bài tập liên quan.
