Bài 2. Nội năng. Định luật I của nhiệt động lực học trang 7, 8, 9

2.1

Nội năng của một vật là

A. tổng động năng của các phân tử cấu tạo nên vật.

B. tổng thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật.

C. năng lượng nhiệt của vật.

D. tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nội năng

Lời giải chi tiết:

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

$$W=W_d+W_t$$

Đáp án D

2.2

Nội năng của một vật phụ thuộc vào

A. nhiệt độ và thể tích của vật.

B. nhiệt độ, áp suất và thể tích của vật.

C. khoảng cách trung bình giữa các phân tử cấu tạo nên vật.

D. tốc độ trung bình của các phân tử cấu tạo nên vật.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nội năng

Lời giải chi tiết:

Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật $$U=f\left(T,V\right).$$

Đáp án: A

2.3

Chỉ ra câu đúng, sai trong các câu sau:

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nội năng

Lời giải chi tiết:

a) – Đúng;

b) – Đúng;

c) – Sai: Nội năng của một khối khí chính là tổng động năng và thế năng của tất cả các phân tử cấu tạo nên khối khí đó. Do đó, nội năng hoàn toàn liên quan đến năng lượng của các nguyên tử.

d) – Sai: Đối với khí lí tưởng, nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.

e) – Sai: Trong quá trình đun nóng một ấm nước, nội năng của lượng nước trong ấm tăng

g) – Đúng.

2.4

Hãy thiết kế và thực hiện một phương án thí nghiệm để thấy được mối liên hệ giữa nội năng của vật và năng lượng của các phân tử cấu tạo nên vật.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nội năng và năng lượng

Lời giải chi tiết:

Có thể sử dụng thí nghiệm đun nước để thấy khi nội năng của khối nước tăng lên thì động năng của các phân tử nước cũng tăng lên.

2.5

Khi nội năng của một vật tăng lên thì năng lượng trung bình của các phân tử cấu tạo nên vật cũng tăng lên. Khi đó

A. chỉ có động năng của các phần tử tăng lên.

B. chỉ có thế năng các phân tử tăng lên.

C. động năng của các phân tử chắc chắn tăng lên còn thế năng của chúng có thể thay đổi không đáng kể.

D. động năng và thế năng của các phân tử chắc chắn cùng tăng lên.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nội năng

Lời giải chi tiết:

Khi nội năng của một vật tăng lên thì năng lượng trung bình của các phân tử cấu tạo nên vật cũng tăng lên. Khi đó động năng của các phân tử chắc chắn tăng lên còn thế năng của chúng có thể thay đổi không đáng kể.

Đáp án: C

2.6

Hãy tìm câu sai trong các câu sau: Để làm thay đổi nội năng của một vật, ta

A. cung cấp nhiệt lượng cho vật.

B. thực hiện công nhấc vật lên theo phương vuông góc với mặt đất một đoạn 1 m. C. cho vật trượt từ độ cao 1 m xuống mặt đất bằng mặt phẳng nghiêng với góc nghiêng 60° so với mặt đất.

D. cho vật truyền nhiệt lượng sang một vật khác có nhiệt độ thấp hơn.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nội năng

Lời giải chi tiết:

Thực hiện công nhấc vật lên theo phương vuông góc với mặt đất một đoạn 1 m không làm thay đổi nội năng vì khi nhấc vật lên theo phương vuông góc với mặt đất, ta chỉ làm tăng thế năng hấp dẫn của vật, chứ không làm thay đổi động năng của các phân tử cấu tạo nên vật. Do đó, nội năng của vật không thay đổi.

Đáp án: B

2.7

Một bạn học sinh dùng ấm điện cung cấp nhiệt lượng 334000 J cho 1 kg nước đá ở 0 °C để nó nóng chảy hoàn toàn thành nước lỏng ở 0 °C. Khi đó

A. Nội năng của nước lỏng cao hơn nội năng của nước đá lúc đầu 334000 J.

B. Tổng thế năng của các phân tử nước lỏng cao hơn nội năng của nước đá là 334000 J.

C. Tổng động năng của các phân tử nước lỏng cao hơn nội năng của nước đá là

334000 J.

D. Nhiệt năng của nước lỏng cao hơn nội năng của nước đá lúc đầu là 334000 J.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nội năng

Lời giải chi tiết:

Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và trạng thái của nó. Khi nước đá nóng chảy thành nước lỏng ở cùng một nhiệt độ (0 °C), năng lượng cung cấp cho quá trình này là nhiệt ẩn nóng chảy của nước đá.

Nội năng của nước lỏng sẽ cao hơn nội năng của nước đá tại cùng một nhiệt độ vì nước lỏng có nội năng cao hơn nước đá. Tuy nhiên, sự gia tăng nội năng ở đây chính là do nhiệt ẩn của nước đá được chuyển hóa thành nước lỏng.

Vì nhiệt lượng cung cấp cho nước đá là 334000 J, và nhiệt lượng này hoàn toàn được dùng để chuyển hóa nước đá thành nước lỏng, nên: Nội năng của nước lỏng sau khi nóng chảy sẽ cao hơn nội năng của nước đá ban đầu đúng bằng lượng nhiệt cung cấp, tức là 334000 J.

Đáp án: A

2.8

Trong công nghệ khí nén, người ta sử dụng điện năng sinh công để nén một lượng khí lớn vào trong một bình kín có vỏ bằng kim loại chắc chắn và gọi đây là bình tích áp. Van đóng mở bình tích áp này được lắp nối với một ống dẫn khí và cuối đường ống sẽ là bộ phận (như phanh ô tô) hoặc dụng cụ cơ khí (như khoan bắt vít trong sửa ô tô, xe máy). Chú ý rằng, trong quá trình nén khí, động cơ điện sẽ lấy thêm không khí bên ngoài nén vào trong bình. Trong quá trình khối khí sinh công làm phanh ô tô hoặc quay trục khoan bắt vít sẽ có một lượng khí thoát ra. Một người thợ cơ khí sử dụng 5 000 J năng lượng điện cho máy nén khí thì có thể nén được 3 m³ không khí vào trong bình tăng áp có dung tích 250 lít. Hiệu suất của máy nén bằng 90%.

1. Lượng khí trong bình tích áp có khả năng sinh được công bằng bao nhiêu?

2. Xác định sự thay đổi nội năng của lượng khí trong bình lúc đầu.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nội năng

Lời giải chi tiết:

1. Lượng khí trong bình tích áp có khả năng sinh được công bằng:

$5000.90\%=4500\left(J\right)$

2. Nội năng của lượng khí trong bình lúc đấu tăng thêm một lượng bằng:

$\frac{4500.250}{3000}=375\left(J\right)$

2.9

Bình tích áp ở Bài 2.8 sau khi nén xong có nhiệt độ cao hơn so với môi trường, sau khoảng 20 phút thì nhiệt độ của bình mới bằng nhiệt độ môi trường. Một nhiệt lượng bằng 500 J đã trao đổi giữa bình tích áp và môi trường trong quá trình này.

1. Bình tích áp đã nhận thêm nhiệt lượng hay truyền bớt nhiệt lượng

2. Nếu người thợ đã sử dụng 2 000 J phục vụ cho công việc của mình thì có thể xác định được nội năng của lượng khí còn lại không? Tại sao?

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nhiệt lượng

Lời giải chi tiết:

1. Bình tích áp đã truyền bớt nhiệt lượng 500 J ra ngoài môi trường vì nhiệt độ của bình lúc đầu cao hơn của môi trường.

2. Ta chỉ có thể xác định được khối khí còn lại có khả năng thực hiện được công bằng khoảng:$4500--500--2000=2000\left(J\right)$, chứ không thể tính được tổng nội năng của khối khí trong bình.

2.10

Người ta thực hiện công để nén 6 m³ khí oxygen ở điều kiện bình thường vào trong một bình dung tích 40 lít để sử dụng trong y tế. Oxygen trong bình lúc này ở thể lỏng. Sau khi xong việc, người ta chờ khoảng 20 phút để nhiệt độ của bình oxygen tương đương với nhiệt độ môi trường rồi mới đưa vào bệnh viện sử dụng.

1. Các đại lượng nào sau đây của các phân tử trong khối khí nén đưa vào sử dụng sẽ tăng lên so với lúc đầu: động năng, thế năng của các phần tử khí, nội năng, kích thước phân tử?

2. Áp dụng định luật 1 nhiệt động lực học để giải thích mối liên hệ giữa độ biến thiên nội năng của khối khí lúc đầu với công thực hiện nén khí và nhiệt lượng mà bình khí nén đã trao đổi với môi trường.

3. Sau khi mở van bình oxygen, người ta có thể thấy rõ van kim loại sẽ mát hơn bình thường. Hãy giải thích tại sao?

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nội năng và định luật I của nhiệt động lực học

Lời giải chi tiết:

1. Thế năng và nội năng của các phân tử trong khối khí nén đưa vào sử dụng sẽ tăng lên so với lúc đầu.

2. Áp dụng định luật I của nhiệt động lực học, ta có mối liên hệ $\Delta U=A-Q$.

Trong đó: ∆U là độ biến thiên nội năng của khối khí lúc đầu.

A là công thực hiện nén khí.

Q là nhiệt lượng mà bình khí nén đã trao đổi với môi trường.

3. Sau khi mở van bình oxygen, người ta có thể thấy rõ van kim loại sẽ mát hơn bình thường. Do các phân tử oxygen lỏng khi thoát ra môi trường ngoài có áp suất bình thường sẽ lập tức hoá hơi, quá trình hoá hơi sẽ làm mất đi một ít nhiệt lượng và vì vậy khí hoá hơi sẽ hạ nhiệt độ, van khoá sẽ truyền nhiệt lượng cho khối khí này và trở nên mát hơn.

2.11

Một động cơ hơi nước cần một nồi hơi “súp de” để đun nước sôi tạo hơi. Việc giãn nở của hơi tạo áp lực đẩy lên pit-tông hay các cánh turbine, khi đó chuyển động thẳng được chuyển thành chuyển động quay để quay bánh xe hay truyền động cho các bộ phận cơ khí khác. Để vận hành một động cơ hơi nước có công suất 30 kW thì nồi hơi súp de cần liên tục nhận được nhiệt lượng bằng 40 000 J mỗi giây.

1. Tính phần hao phí nhiệt lượng của nồi hơi súp

2. Người ta cung cấp nhiệt lượng cho nồi hơi súp de bằng việc đốt than đá, hiệu suất động cơ hơi nước này là 20%. Hãy tính công suất toả nhiệt ở lò than.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về nhiệt lượng

Lời giải chi tiết:

1. Phần hao phí nhiệt lượng của nồi hơi súp de bằng: $40000-30000=10000$ (J/giây)

Điều này tương đương với tỉ lệ hao phí là 25%.

2. Công suất toả nhiệt ở lò than bằng: $\frac{30000}{0,2}=150000\left(J/s\right)$

2.12

Biến đổi khí hậu hiện nay có đóng góp chính do các hoạt động của con người

như đốt nhiều nguyên liệu hoá thạch gây hiệu ứng nhà kính. Biến đổi khí hậu làm cho nhiệt độ Trái Đất tăng lên, tức là nhiệt độ của bầu khí quyển tăng lên. Hãy vận dụng định luật I của nhiệt động lực học để giải thích tại sao khi nhiệt độ trái đất tăng lên sẽ làm xuất hiện nhiều hình thái thời tiết tiêu cực hơn.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức về khoa học và xã hội

Lời giải chi tiết:

Biến đổi khí hậu làm cho nhiệt độ Trái Đất tăng lên, tức là nhiệt độ của bầu khí quyển tăng lên. Theo định luật I ta thấy, khi một vật có nội năng lớn mà giải phóng nội năng thì có hai khả năng là truyền nhiệt năng và thực hiện công.

Như vậy là khi nhiệt độ Trái Đất tăng lên sẽ làm tăng khả năng thực hiện công của nó, làm xuất hiện nhiều hình thái thời tiết tiêu cực như bão, lốc,...