1. Định Nghĩa Nội Năng và Độ Biến Thiên Nội Năng
Trong nhiệt động lực học, nội năng (U) của một vật thể được định nghĩa là tổng động năng và thế năng của tất cả các phân tử cấu tạo nên vật chất đó. Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ (T) và thể tích (V) của vật: U = f(T, V).
Tuy nhiên, trong thực tế, chúng ta thường quan tâm đến sự thay đổi của nội năng, hay còn gọi là độ biến thiên nội năng (ΔU). Độ biến thiên nội năng biểu thị lượng nội năng tăng lên hoặc giảm đi trong một quá trình biến đổi trạng thái của vật. ΔU có thể thay đổi thông qua thực hiện công (A) và truyền nhiệt (Q).
2. Công Thức Tính Độ Biến Thiên Nội Năng: Nguyên Lý I Nhiệt Động Lực Học
Nguyên lý I của nhiệt động lực học phát biểu rằng: Độ biến thiên nội năng của một vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được.
ΔU = A + Q
Trong đó:
- ΔU: Độ biến thiên nội năng (J)
- A: Công mà vật nhận được (J)
- Q: Nhiệt lượng mà vật nhận được (J)
Quy ước dấu:
- ΔU > 0: Nội năng tăng
- ΔU < 0: Nội năng giảm
- A > 0: Hệ nhận công
- A < 0: Hệ thực hiện công
- Q > 0: Hệ nhận nhiệt
- Q < 0: Hệ tỏa nhiệt
3. Các Cách Làm Thay Đổi Nội Năng
Có hai phương pháp chính để thay đổi nội năng của một vật: thực hiện công và truyền nhiệt.
-
Thực hiện công (A): Khi một vật nhận công, có sự chuyển hóa năng lượng từ một dạng khác (ví dụ: cơ năng) sang nội năng.
ΔU = A (khi Q = 0)
Ví dụ: Khi ta cọ xát một vật lên bề mặt khác, lực ma sát thực hiện công làm tăng nội năng của vật, khiến vật nóng lên.
-
Truyền nhiệt (Q): Trong quá trình truyền nhiệt, không có sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác; thay vào đó, nội năng được truyền trực tiếp từ vật này sang vật khác. Số đo độ biến thiên nội năng trong quá trình truyền nhiệt được gọi là nhiệt lượng.
ΔU = Q (khi A = 0)
Q = mcΔt
Trong đó:
- Q: Nhiệt lượng thu vào hoặc tỏa ra (J)
- m: Khối lượng của chất (kg)
- c: Nhiệt dung riêng của chất (J/kg.K)
- Δt: Độ biến thiên nhiệt độ (°C hoặc K)
Ví dụ: Khi ta bỏ đá lạnh vào cốc nước, nước truyền nhiệt cho đá, làm đá tan. Nội năng của nước giảm, nội năng của đá tăng.
4. Lưu Ý Quan Trọng
- Nguyên lý II Nhiệt Động Lực Học: Cần nhớ rằng nhiệt không thể tự truyền từ một vật lạnh sang vật nóng hơn. Quá trình truyền nhiệt luôn diễn ra từ vật nóng sang vật lạnh.
5. Bài Tập Ví Dụ Minh Họa
Bài 1: Một lượng khí trong xi-lanh nhận công 150J và tỏa ra môi trường xung quanh nhiệt lượng 30J. Tính độ biến thiên nội năng của khí.
Lời giải:
Khí nhận công: A = 150 J
Khí tỏa nhiệt: Q = -30 J
Áp dụng nguyên lý I nhiệt động lực học:
ΔU = A + Q = 150 J + (-30 J) = 120 J
Bài 2: Một bình chứa 2 mol khí lý tưởng đơn nguyên tử ở nhiệt độ 300K. Tính độ biến thiên nội năng của khí khi nhiệt độ tăng lên đến 400K.
Lời giải:
Đối với khí lý tưởng đơn nguyên tử, nội năng được tính theo công thức: U = (3/2)nRT, trong đó n là số mol, R là hằng số khí lý tưởng (8.314 J/mol.K), và T là nhiệt độ.
ΔU = U₂ – U₁ = (3/2)nR(T₂ – T₁) = (3/2) 2 mol 8.314 J/mol.K * (400K – 300K) = 2494.2 J
6. Bài Tập Vận Dụng
(Các bài tập vận dụng tương tự như bài tập bổ sung trong bài viết gốc có thể được sử dụng ở đây)
Lời khuyên: Để nắm vững Công Thức Tính độ Biến Thiên Nội Năng, hãy làm nhiều bài tập khác nhau, từ cơ bản đến nâng cao. Chú ý đến quy ước dấu và các quá trình biến đổi trạng thái khác nhau (đẳng tích, đẳng áp, đẳng nhiệt, đoạn nhiệt). Hiểu rõ bản chất của các quá trình này sẽ giúp bạn áp dụng công thức một cách chính xác và hiệu quả.
