Bài 2. Nội năng định luật i của nhiệt động lực học

Khi nước được đun tới lúc bắt đầu sôi thì dù có tiếp tục đun, nhiệt độ của nước cũng không thay đổi. Vậy nhiệt năng mà nước nhận được lúc này làm tăng dạng năng lượng nào của nước?

Vì các phân tử chuyển động không ngừng nên chúng có động năng. Động năng này được gọi là động năng phân tử. Động năng phân tử phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của phân tử.

Vì các phân tử tương tác với nhau nên chúng có thế năng. Thế năng này được gọi là thế năng tương tác phân tử, gọi tắt là thế năng phân tử. Thế năng phân tử phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử.

Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.

Q1. Vì các phân tử cấu tạo nên vật chuyển động không ngừng nên tốc độ và khoảng cách giữa các phân tử luôn thay đổi làm cho động năng và cả thế năng của các phân tử cũng không ngừng thay đổi. Do đó, khi nói động năng và thế năng của phân tử thì phải hiểu đó là động năng và thế năng trung bình của các phân tử cấu tạo nên vật.

2. Vì số phân tử trong một vật vô cùng lớn và các phân tử chuyển động hỗn loạn nên không thể xác định được chính xác độ lớn nội năng của một vật. Trong vật lí người ta chủ yếu quan tâm đến độ biến thiên nội năng ($\mathrm{\Delta }U$) của vật.

Thí nghiệm sau đây cho thấy mối liên hệ giữa nội năng của vật với năng lượng của các phân tử cấu tạo nên vật.

• Ống nghiệm (1).

• Nút bấc có kích thước vừa khít miệng ống nghiệm (2).

• Đèn cồn (3).

• Giá đỡ thí nghiệm (4).

• Bố trí thí nghiệm như Hình 2.2.

• Dùng đèn cồn đun nóng ống nghiệm cho đến khi nút bấc bật ra.

Có hai cách làm thay đổi nội năng là thực hiện công và truyền năng lượng nhiệt (gọi tắt là truyền nhiệt).

• Ví dụ về thực hiện công: Khi dùng tay thực hiện công cọ xát một miếng kim loại lên sàn nhà thì miếng kim loại nóng lên, nội năng của nó đã thay đổi.

• Ví dụ về truyền nhiệt: Cũng có thể làm miếng kim loại nóng lên bằng cách cho nó tiếp xúc với một nguồn nhiệt. Khi đó nội năng của nó cũng thay đổi.

Nếu vật vừa nhận được công vừa được truyền nhiệt thì: Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được:

Với quy ước về dấu thích hợp thì hệ thức trên có thể áp dụng cho các quá trình thay đổi nội năng khác như vật truyền nhiệt cho vật khác, vật thực hiện công lên vật khác, vật vừa thực hiện công vừa truyền nhiệt cho vật khác.

Quy ước về dấu của A và Q trong hệ thức (2.1):

$Q>0$: Vật nhận nhiệt lượng từ vật khác.

$Q<0$: Vật truyền nhiệt lượng cho vật khác.

$A>0$: Vật nhận công từ vật khác.

$A<0$: Vật thực hiện công lên vật khác.

Định luật I của nhiệt động lực học có nhiều ứng dụng thực tế, một trong những ứng dụng quan trọng là để chế tạo các loại động cơ nhiệt. Ngoài ra, định luật này còn dùng để giải thích các hiện tượng liên quan đến sự truyền và biến đổi nội năng.

Động cơ nhiệt là động cơ hoạt động dựa trên nguyên tắc biến nội năng của nhiên liệu thành cơ năng.

Mỗi động cơ nhiệt đều có ba bộ phận chính (Hình 2.6a):

• Nguồn nóng có nhiệt độ $T_1$, cung cấp nhiệt lượng cho động cơ.

• Bộ phận phát động trong đó tác nhân nhận nhiệt từ nguồn nóng, giãn nở sinh công (Trong máy hơi nước, tác nhân là hơi nước; trong động cơ đốt trong, tác nhân là khí do nhiên liệu bị đốt cháy toả ra trong xi lanh).

• Nguồn lạnh có nhiệt độ $T_2<T_1$, nhận nhiệt lượng do động cơ toả ra.

Hãy dựa vào các sơ đồ trong Hình 2.6b, c để trình bày sơ lược về cấu tạo và hoạt động của máy hơi nước và động cơ đốt trong.

Thí nghiệm sau đây sẽ giúp chúng ta hiểu được ý nghĩa của khái niệm nhiệt độ, nhận biết được khi nào có hoặc không có quá trình truyền nhiệt năng và chiều truyền nhiệt năng giữa hai vật tiếp xúc nhau.

Chuẩn bị:

Cốc nhôm đựng khoảng 200 mL nước ở nhiệt độ khoảng ${30}^{\circ }C$ (1).
Bình cách nhiệt đựng khoảng 500 mL nước ở nhiệt độ khoảng ${60}^{\circ }C$ (2).
Hai nhiệt kế (3).

Tiến hành:

Đặt cốc nhôm vào trong lòng bình cách nhiệt sao cho nước trong hình cách nhiệt ngập một phần cốc nhôm (Hình 3.1).
Quan sát sự thay đổi nhiệt độ của nước trong bình và trong cốc từ khi bắt đầu thí nghiệm tới khi hai nhiệt độ này hằng nhau.

Trả lời các câu hỏi sau:

Từ kết quả trên có thể rút ra kết luận sau:

Nhiệt độ cho biết trạng thái cân bằng nhiệt của các vật tiếp xúc nhau và chiều truyền nhiệt năng:

Khi hai vật có nhiệt độ chênli lệch tiếp xúc nhau thì nhiệt năng truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn.
Khi hai vật có nhiệt độ bằng nhau tiếp xúc nhau thì không có sự truyền nhiệt năng giữa chúng. Hai vật ở trạng thái cân bằng nhiệt.

Thang nhiệt độ chúng ta vẫn dùng hằng ngày là thang Celsius. Ilai nhiệt độ dùng làm mốc của thang này là nhiệt độ đóng băng và nhiệt độ sôi của nước tinh khiết, ở áp suất tiêu chuẩn (Hình 3.2a). Khoảng cách giữa hai nhiệt độ này được chia thành 100 phần bằng nhau, mỗi phần là 1 độ. Vì được chia thành 100 phần bằng nhau nên ban đầu thang nhiệt độ này được gọi là thang nhiệt độ bách phân (centigrade).

Năm 1948, Hội đồng quốc tế về trọng lượng và đo lường đã quyết định công nhận thang nhiệt độ này và đổi tên nó thành thang nhiệt độ Celsius dễ vinh danh nhà khoa học Thụy Điển Anders Celsius (An-do Xen-si-út) (1701-1774), người đầu tiên xây dựng thang nhiệt độ này vào năm 1742.

Nhiệt độ trong thang Celsius thường được kí hiệu bằng chữ t, đơn vị là độ C (${}^{\circ }C$). Các nhiệt độ cao hơn $0^{\circ }C$ có giá trị dương, thấp hơn $0^{\circ }C$ có giá trị âm.

Hiện nay, hầu hết các nước trên thế giới đều sử dụng thang nhiệt độ này, trừ một số nước nói tiếng Anh vẫn sử dụng thang nhiệt dộ Fahrenheit do nhà khoa học người Đức Gabriel Fahrenheit. (Ga-hri-en Pha-ren-hai) (1686 – 1736) xây dựng năm 1714.

Năm 1848, nhà vật lí người Ireland là William Thomson (Wi-li-am Tôm-son) - Nam tước Kelvin thứ nhất (1824-1907) đề xuất một thang nhiệt độ trong đó mọi nhiệt độ đều có giá trị dương. Hai nhiệt độ được dùng làm mốc là:

1. Nhiệt độ thấp nhất mà các vật có thể có. Không có vật ở bất kì trạng thái nào có thể có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ này. Nhiệt độ này được gọi là "Độ không tuyệt đối" vì thế thang nhiệt độ này được gọi là Thang nhiệt độ tuyệt đối. Ở nhiệt độ không tuyệt đối, tất cả các chất đều có động năng chuyển động nhiệt của các phân tử bằng 0 và thế năng của chúng là tôi thiếu. Người ta xác định được giá trị của độ không tuyệt đối trong thang Celsius là $-273,{15}^{\circ }C$. Cách xác định và ý nghĩa của độ không Luyệt đối sẽ được giới thiệu trong bài Định luật Charles (Bài 10) ở chương sau.

2. Nhiệt độ mà nước tinh khiết có thể tồn tại đồng thời ở cả ba thể rắn, lỏng và hơi, trong trạng thái cân bằng nhiệt ở áp suất tiêu chuẩn (nhiệt độ này có độ lớn là ${0.01}^{\circ }C)$, được gọi là nhiệt độ điểm ba của nước (Hình 3.2b).