Lý 10 Bài 32: Nội năng và sự biến thiên nội năng

a) Nội năng là gì?

• Nội năng của vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật.

• Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật : \(U{\rm{ }} = {\rm{ }}f\left( {T,{\rm{ }}V} \right)\)

b) Độ biến thiên nội năng

• Trong nhiệt động lực học người ta không quan tâm đến nội năng của vật mà quan tâm đến độ biến thiên nội năng \(\Delta U\) của vật, nghĩa là phần nội năng tăng thêm hay giảm bớt đi trong một quá trình.

 a) Thực hiện công

• Làm nóng miếng kim loại bằng ma sát (cọ xát miếng kim loại lên mặt bàn)

• Ấn mạnh và nhanh pittong của xilanh chứa khí xuống

b) Truyền nhiệt

* Quá trình truyền nhiệt

- Quá trình làm thay đổi nội năng không có sự thực hiện công gọi là quá trình truyền nhiệt.

• Ví dụ: Làm nóng miếng kim loại bằng cách nhúng vào nước nóng

Lưu ý: Quá trình truyền nhiệt không có sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác, chỉ có sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác.

* Nhiệt lượng

- Số đo độ biến thiên nội năng trong quá trình truyền nhiệt là nhiệt lượng. \(\Delta U\) = Q

• ΔU: độ biến thiên nội năng của vật.
• Q: nhiệt lượng vật nhận được từ vật khác hay tỏa ra cho vật khác.

- Nhiệt lượng mà một lượng chất rắn hoặc lỏng thu vào hay toả ra khi nhiệt độ thay đổi được tính theo công thức: \(Q{\rm{ }} = {\rm{ }}mc\Delta t\)

• m: khối lượng (kg)
• c: nhiệt dung riêng (J/kg.K)
• Δt: độ biến thiên nhiệt độ (\(^0C{\rm{ }}hay{\rm{ }}K\) )
• \({t_2} > {\rm{ }}{t_1}\) : Vật thu năng lượng
• \({t_2} < {\rm{ }}{t_1}\) : Vật tỏa năng lượng

Một bình nhôm khối lượng 0,5kg chứa 0,118 kg nước ở nhiệt độ 20⁰C. Người ta thả vào bình một miếng sắt khối lượng 0,2 kg đã được nung  nóng tới 75^oC. Xác định nhiệt độ của nước khi bắt đầu có sự cân bằng nhiệt. Bỏ qua sự truyền nhiệt ra môi trường bên ngoài. Nhiệt dung riêng của nhôm là 896 J/(kg.K) ; của nước là 4,18.10³ J/(kg.K), của sắt là 0,46 J/(kg.K).

Hướng dẫn giải

Tóm tắt dữ kiện từ đề bài:

\( \left\{\begin{array}{l}m_{1}=0,5 k g ; t_{1}=20^{0} C ; c_{1}=896 J /(k g . K) \\ m_{2}=0,118 k g ; t_{1}=20^{0} C ; c_{2}=4,18.10^{3} J /(k g . K) \\ m_{3}=0,2 k g ; t_{3}=75^{0} C ; c_{3}=0,46.10^{3} J /(k g . K)\end{array}\right. \)

Nhiệt lượng mà bình nhôm thu vào: 

\({Q_1} = {m_1}{c_1}(t - {t_1})\)

Nhiệt lượng mà nước thu vào:

\({Q_2} = {m_2}{c_2}(t - {t_1})\)

⇒ Tổng nhiệt lượng thu vào của bình nhôm và nước:

\(Q_{thu} = Q_1 + Q_2 = (m_1c_1 + m_2c_2)(t - t_1)\)

Nhiệt lượng do sắt tỏa ra là :

Q_tỏa \( = {Q_3} = {m_3}{c_3}({t_3} - t)\)

Theo phương trình cân bằng nhiệt, ta có:

\({Q_{toả}} = {Q_{thu}}\)

\( \Leftrightarrow m_{3} c_{3}\left(t_{3}-t\right)=\left(m_{1} c_{1}+m_{2} c_{2}\right)\left(t-t_{1}\right) \)

\( \Leftrightarrow 0,2.0,46.10^{3}(75-t)=\left(0,5.896+0,118.4,18.10^{3}\right)(t-20) \)

\( \Leftrightarrow 6900-92 t=941,24 t-188824,8 \)

\( \Rightarrow t \approx 25^{0} C \)

Vậy, nhiệt độ của nước khi có sự cân bằng nhiệt là: \(t \approx 25^{0} C \)

Một nhiệt lượng kế bằng đồng thau khối lượng 128g chứa 210 g nước ở nhiệt độ 8,4^oC. Người ta thả một miếng kim loại khối lượng 192 g đã nung nóng tới 100^oC vào nhiệt lượng kế. Xác định nhiệt dung riêng của chất làm miếng kim loại biết rằng nhiệt độ khi bắt đầu có sự cân bằng nhiệt là 21,5^oC. Bỏ qua sự truyền nhiệt ra môi trường bên ngoài. Nhiệt dung riêng của đồng thau là 0,128.10³ J(kg.K).

Hướng dẫn giải

Gọi \(t_1\) là nhiệt độ ban đầu của nhiệt lượng kế và nước trong nhiệt lượng kế, ta có: \(t_1 = 8,4^0C\)

\(t_2\)  là nhiệt độ ban đầu của miếng kim loại, ta có \(t_2 = 100^0C\)

t là nhiệt độ khi cân bằng, theo đề bài ta có \( t = 21,5^0C\)

Nhiệt lượng mà nước thu vào cho đến khi cân bằng nhiệt:

\({Q_1} = {\rm{ }}{m_1}{c_1} (t - t_1)\)

Nhiệt lượng mà bình nhôm thu vào cho đến khi cân bằng nhiệt:

\({Q_2} = {\rm{ }}{m_2}{c_2} (t - t_2)\)

Nhiệt lượng miếng sắt tỏa ra cho đến khi cân bằng nhiệt:

\({Q_3} = {\rm{ }}{m_3}{c_3} (t_3 - t)\)

Theo phương trình cân bằng nhiệt, ta có:

\({Q_{1}} + {\rm{ }}{Q_{2}} = {\rm{ }}{Q_3}\)

⇔ \(({m_1}{c_{1}} + {m_2}{c_2})\left( {t - 8,4} \right) = {m_3}{c_3}\left( {100 - {\rm{ }}t} \right)\)    

⇔ \((0,210.4,{18.10^3} + 0,128.0,{128.10^3})\left( {21,5 - 8,4} \right) = 0,192.{c_3}\left( {100 - 21,5} \right)\)

⇒ \({c_3} = {\rm{ }}0,{78.10^3}J/kg.K\)

Vậy nhiệt dung riêng của chất làm miếng kim loại là \(0,{78.10^3}J/kg.K\)

Câu 1: Một viên đạn đại bác có khối lượng 10 kg khi rơi tới đích có vận tốc 54 km/h. Nếu toàn bộ động năng của nó biến thành nội năng thì nhiệt lượng tỏa ra lúc va chạm vào khoảng bao nhiêu?

Câu 2: Một quả bóng khối lượng 200 g rơi từ độ cao 15 m xuống sân và nảy lên được 10 m. Độ biến thiên nội năng của quả bóng bằng (lấy g = 10 m/s²) bao nhiêu?

Câu 3: Để xác định nhiệt độ của một lò nung, người ta đưa vào trong lò một miếng sắt có khối lượng 50 g. Khi miếng sắt có nhiệt độ bằng nhiệt độ của lò, người ta lấy ra và thả nó vào một nhiệt lượng kế chứa 900 g nước ở nhiệt độ 17^oC. Khi đó nhiệt độ của nước tăng lên đến 23^oC, biết nhiệt dung riêng của sắt là 478 J/(kg.k), của nước là 4180 J/(kg.k). Nhiệt độ của lò xấp xỉ bằng bao nhiêu?

Câu 4: Một ấm đun nước bằng nhôm có m = 350g, chứa 2,75kg nước được đun trên bếp. Khi nhận được nhiệt lượng 650 kJ thì ấm đạt đến nhiệt độ 60°C. Hỏi nhiệt độ ban đầu của ấm, biết c_Al = 880 J/kg.K, cnước = cn = 4190 J/kg.K.

Câu 5: Để xác định nhiệt dung riêng của một chất lỏng, người ta đổ chất lỏng đó vào 20g nước ở 100°C. Khi có sự cân bằng nhiệt, nhiệt độ của hỗn hợp nước là 37,5°C, m_hh = 140g. Biết nhiệt độ ban đầu của nó là 20°C, c_n = 4200 J/kg.K. Nhiệt dung riêng của chất lỏng trên là bao nhiêu?

Câu 1: Nhiệt độ của vật giảm là do các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật

A. ngừng chuyển động.

B. nhận thêm động năng.

C. chuyển động chậm đi.

D. va chạm vào nhau.

Câu 2: Nhiệt độ của vật không phụ thuộc vào yếu tố nào sau đây?

A. Khối lượng của vật.

B. Vận tốc của các phân tử cấu tạo nên vật.

C. Khối lượng của từng phân tử cấu tạo nên vật.

D. Khoảng cách giữa các phân tử cấu tạo nên vật.

Câu 3: Trường hợp làm biến đổi nội năng không do thực hiện công là?

A. Đun nóng nước bằng bếp.

B. Một viên bi bằng thép rơi xuống đất mềm.

C. Nén khí trong xilanh.

D. Cọ xát hai vật vào nhau.

Câu 4: Tìm phát biểu sai.

A. Tác động lên hệ một công có thể làm thay đổi cả tổng động năng chuyển động nhiệt của các hạt tạo nên vật và thế năng tương tác giữa chúng.

B. Nội năng của một hệ nhất định phải có thế năng tương tác giữa các hạt tạo nên hệ.

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

D. Trong quá trình đẳng nhiệt, độ tăng nội năng của hệ bằng nhiệt lượng mà hệ nhận được

Câu 5: Cách nào sau đây không làm thay đổi nội năng của vật?

A. Cọ xát vật lên mặt bàn.

B. Đốt nóng vật.

C. Làm lạnh vật.

D. Đưa vật lên cao.

Qua bài giảng Nội năng và sự biến thiên nội năng này, các em cần hoàn thành 1 số mục tiêu mà bài đưa ra như :

• Phát biểu được định nghĩa nội năng trong nhiệt động lực học.

• Chứng minh được nội năng của một vật phụ thuộc nhiệt độ và thể tích.

• Nêu được các ví dụ cụ thể về thực hiện công và truyền nhiệt.

• Viết được công thức tính nhiệt lượng vật thu vào hay tỏa ra, nêu được tên và đơn vị các đại lượng có mặt trong công thức.