SGK Vật Lí 10 - Bài 32. Nội năng và sự biến thiên nội năng
Nội nặng và sự biến thiên NỘI NĂNG Nếu có người hỏi em phần lớn năng lượng đang được con người sử dụng là dạng năng lượng nào thì chắc em sẽ nghĩ tới điện năng, cơ năng hoặc năng lượng nguyên tử, chứ ít- nghĩ tới nội năng. Ây thế mà phần lớn năng lượng con người đang sử dụng lại được khai thác chính từ năng lượng này. Vậy nội năng là gì ? I - NỘI NĂNG 1. Nội năng là gì ? Hũ Hãy chứng tỏ nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật: u = f(T, V) 03 Hãy chứng tỏ nội năng cũa một lượng khí lí tưởng chỉ phụ thuộc nhiệt độ. Do các phân tử chuyển động không ngừng nên . chúng có động năng. Động năng phân tử phụ thuộc vào vận tốc của phân tử. Do giữa các phân tử có lực tương tác nên ngoài động năng các phân tử còn có thế năng tương tác phân tử, gọi tắt là thế năng phân tử. Thế năng phân tử phụ thuộc vào sự phân bố các phân tử. Trong nhiệt động lực học, người ta gọi tổng động năng và thê năng của các phàn tử cấu tạo nên vật là nội năng của ỳật. Nội năng của vật được kí hiệu bằng chữ u và có đơn vị là jun (J). HI ; 03 2. 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 (Aí/) của vật, nghĩa là phần nội năng tăng thêm lên hay giảm bớt đi trong một quá trình. II - CÁC CÁCH LÀM THAY ĐỔI NỘI NĂNG ở lớp 8 ta đã biết có hai cách làm thay đổi nội năng là thực hiện công và truyền nhiệt. 1. Thực hiện công Hình 32.1 là hai cách thực hiện công để làm thay đổi nội năng. Khi thực hiện công để cọ xát miếng kim loại trên mặt bàn thì miếng kim loại nóng lên. Nội năng của miếng kim loại đã thay đổi. Khi thực hiện công để ấn xuống mạnh và nhanh pit-tông của xilanh chứa khí, thì thể tích khí trong xilanh giảm đồng thời khí nóng lên. Nội năng của khí đã thay đổi. Các quá trình làm thay đổi nội năng như trên được gọi là quá trình thực hiện công, còn gọi tắt là sự thực hiện công. Trong quá trình thực hiện công có sự chuyển hoá từ một dạng năng lượng khác (ở các ví dụ trên là cơ năng) sang nội năng. 2. Truyền nhiệt a) Quá trình truyền nhiệt Cũng có thể làm cho miếng kim loại, khí trong xilanh nóng lên bằng cách cho tiếp xúc với một nguồn nhiệt (Hình 32.2a và b). Khi đó nội năng của miếng kim loại, khí trong xilanh cũng thay đổi. Quá trình làm thay đổi nội năng không có sự thực hiện công như trên gọi là quá trình truyền nhiệt, còn gọi tắt là sự truyền nhiệt. a) I I Hình 32.2 Trong quá trình truyền nhiệt không có sự chuyển hoá năng lượng từ dạng này sang dạng khác, chỉ có sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác. a) Người thợ rèn đang nung đỏ thanh sắt. b) Cảnh bãi biển lúc Mặt Trời mọc. c) Học sinh đun nước làm thí nghiệm. Hình 32.3 b) Nhiệt lượng Số đo độ biến thiên của nội năng trong quá trình truyền nhiệt là nhiệt lượng (còn gọi tắt là nhiệt}. AU = Q (32.1) AU là độ biến thiên nội năng của vật trong quá trình truyền nhiệt; Q là nhiệt lượng vật nhận được từ vật khác hay toả ra cho vật khác. ơ lớp 8 ta đã học công thức tính nhiệt lượng mà một lượng chất rắn hoặc lỏng thu vào hay toả ra khi nhiệt độ thay đổi : Q = mcAt (32.2) trong đó : 2 là nhiệt lượng thu vào hay toả ra (J); m là khối lượng (kg) ; c là nhiệt dung riêng của chất (J/kg.K); At là độ biến thiên nhiệt độ (°C hoặc K)/ Khác với chất lỏng và chất rắn, nhiệt dung riêng của chất khí còn phụ thuộc vào quá trình truyền nhiệt là quá trình đẳng tích hay đẳng áp. ) Bỉ; H3 Hãy so sánh sự thực hiện công và sự truyền nhiệt; công và nhiệt lượng. Hãy mô tả và nêu tên các hình thức truyền nhiệt trong các hiện tượng vẽ ỏ Hình 32.3. Trong nhiệt động lực học, nội năng của một vật là tổng động năng vả thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật. Nội năng cùa một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của-vật: u= f(T, V). Có thể làm thay đổi nội năng bằng các quá trình thực hiện công, ưuyền nhiệt Số đo độ biến thiên nội năng ưong quá trình truyền nhiệt là nhiệt luụng. Nhiệt luọng mà một luông chất rắn hoặc lỏng thu vào hay toà ra khi thay đổi nhiệt độ đuọc tính bằng công thức : Q _ mcAt CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Esw Phát biểu định nghĩa nội năng. Nội năng của một lượng khí lí tưởng có phụ thuộc vào thể tích khí không ? Tại sao ? Nhiệt lượng là gì ? Viết công thức tính nhiệt lượng vật thu vào hay toả ra khi nhiệt độ của vật thay đổi. Nêu tên và đơn vị của các đại lượng trong công thức. W Y Nội năng của một vật là tổng động năng và thế năng của vật. tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật. c. tổng nhiệt lượng và cơ năng mà vật nhận được trong quá trinh truyền nhiệt và thực hiện công. D. nhiệt lượng vật nhận được trong quá trình truyền nhiệt. Chọn đáp án đúng. Câu nào sau đây nói về nội năng là không đúng ? Nội năng là một dạng năng lượng. Nội năng có thể chuyển hoá thành các dạng năng lượng khác. c. Nội năng là nhiệt lượng. D. Nội năng của một vật có thể tăng lên, giảm đi. Câu nào sau đây nói về nhiệt lượng là không đúng ? Nhiệt lượng là số đo độ tăng nội năng của vật trong quá trình truyền nhiệt. Một vật lúc nào cũng có nội năng, do đó lúc nào cũng có nhiệt lượng. c. Đơn vị của nhiệt lượng cũng là đơn vị của nội năng. D. Nhiệt lượng không phải là nội năng. Một bình nhôm khối lượng 0,5 kg chứa 0,118 kg nước ở nhiệt độ 20°C. Người ta thả vào bình một miếng sắt khối lượng 0,2 kg đã được nung nóng tới 75°c. 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 0,46.103 J/(kg.K). Một nhiệt lượng kế bằng đồng thau khối lượng 128 g chứa 210 g nước ở nhiệt độ 8,4°c. Người ta thả một miếng kim loại khối lượng 192 g đã nung nóng tới 100°C vào nhiệt lượng kế. Xác định nhiệt dung riêng của chất làm miếng kim loại, biết nhiệt độ khi bắt đầu có sự cân bằng nhiệt là 21,5°c. Bỏ qua sự truyền nhiệt ra môi trường bên ngoài. Nhiệt dung riêng của đồng thau là 0.128.103 J/(kg.K). Hiệu ứng nhà kính * Hằng ngày Mặt Trời truyền xuống Trái Đất qua hình thức bức xạ nhiệt một lượng năng lượng khống lồ, bằng 20 000 lần tổng năng lượng mà con người tiêu thụ. Nhờ có bầu khí quyển, Trái Đất không hấp thụ toàn bộ bức xạ này của Mặt Trời mà phản xạ trớ lại khoảng một phần ba. Cũng nhờ có bầu khí quyến mà một phần bức xạ nhiệt do Trái Đất phát ra lại được phán xạ trớ lại Trái Đất. Do đó, bầu khí quyển có tác dụng như một "nhà kính" bảo vệ Trái Đất, giữ cho Trái Đất có nhiệt độ ốn định, thích họp với sự sống của con người và các sinh vật khác trên Trái Đất. Trong khí quyển, khí cacbonic (CO2) có vai trò quan trọng. Nó vừa cho phép các bức xạ nhiệt của Mặt Trời đi qua khí quyển tới sưởi ấm Trái Đất, vừa ngăn không cho các bức xạ nhiệt của Trái Đất thoát ra ngoài khí quyển, góp phần vào việc ổn định nhiệt độ của khí quyển và Trái Đất Ờ các lớp sau chúng ta sẽ biết bức xạ nhiệt của Mặt Trời khác bức xạ nhiệt của Trái Đất. Bức xạ nhiệt của Mặt Trời có bước sóng ngắn, còn của Trái Đất có bước sóng dài. . Tuy nhiên, trong thế kí vừa qua con người đã làm tăng hàm lượng khí CO2 trong khí quyển lên rất nhiều do việc đốt rừng, đốt nhiên liệu, giảm diện tích trồng cây xanh... Cùng với sự phát triển mạnh mẽ cúa công nghệ, lượng nhiên liệu bị đốt cháy đế dùng trong các nhà máy cũng như trong đời sống hằng ngày của con người ngày càng tăng nhanh làm cho hàm lượng khí CO2 trong khí quyển cũng không ngừng tăng nhanh. Việc hàm lượng khí CO2 trong khí quyến tăng dẫn đến việc làm tăng "hiệu ứng nhà kính", làm cho lượng bức xạ nhiệt cúa Trái Đất thoát được ra ngoài khí quyển giám đi, còn lượng bức xạ nhiệt của Trái Đất bị phán xạ trở lại khí quyển lại tăng lên. Kết quá là khí quyển và Trái Đất không ngừng nóng lên. Nhiệt độ trung bình của khí quyển trong mấy năm qua tăng nhanh hơn hẳn so với những thập kí đầu cúa thế kí trước. Nhiệt độ trung bình của khí quyển tăng kéo theo sự thay đối về khí hậu, gây ra bão lụt, hạn hán, tan băng trên .các địa cực... đe doạ sự sống cúa con người và các sinh vật khác trên Trái Đất. Nhân loại đang cố gắng hết sức' mình để ốn định hiệu ứng nhà kính bằng cách làm giảm lượng khí thải do việc đốt nhiên liệu vào khí quyến. Tháng 6 năm 1992, đại diện của 162 quốc gia trong đó có Việt Nam, đã kí kết tại Hội nghị thượng đỉnh về "Môi trường và Phát triển" họp tại Bra-xin một Công ước quốc tế nhằm kiểm soát và giảm bớt lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Mục tiêu của Công ƯỚC là hạ thấp và ốn định nồng độ khí cacbonic trong khí quyến ớ mức độ có thể ngăn chặn được tác động nguy hiểm của hiệu ứng nhà kính đối với con người và hệ sinh thái. Tháng 12 năm 1997, hội nghị lần thứ 3 cúa các nước kí Công ước đã họp tại Ky-ô-tô, cố đô của Nhật Bản, để kí Nghị định thư quy định mức thái khí cacbonic vào khí quyến cho các nước, đặc biệt là các nước có nền công nghiệp phát triển. Việt Nam là một trong những nước đầu tiên kí Nghị định thư này.