Nội năng của một vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật. Nội năng thường được ký hiệu là U và đo bằng đơn vị Jun (J). Đây là khái niệm quan trọng trong phần nhiệt học của Vật lý lớp 10. Bài viết này trình bày nội năng là gì, nội năng phụ thuộc vào yếu tố nào, hai cách làm thay đổi nội năng, nguyên lý I nhiệt động lực học và bài tập có lời giải.
Nội năng là gì?
Nội năng của một vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật đó. Trong đó, động năng của phân tử liên quan đến chuyển động nhiệt (chuyển động hỗn loạn không ngừng của các phân tử), còn thế năng liên quan đến lực tương tác giữa các phân tử. Vì mọi vật đều được cấu tạo từ các phân tử luôn chuyển động và tương tác nên vật nào cũng có nội năng.
Nội năng phụ thuộc vào yếu tố nào?
- Khi nhiệt độ tăng, các phân tử chuyển động nhanh hơn nên động năng phân tử tăng, làm nội năng tăng.
- Khi thể tích thay đổi, khoảng cách giữa các phân tử thay đổi, làm thế năng phân tử thay đổi theo.
Vì vậy, nội năng là một hàm của nhiệt độ và thể tích.
Hai cách làm thay đổi nội năng
- Thực hiện công: ví dụ cọ xát hai vật vào nhau, hoặc nén khí trong xi lanh làm khí nóng lên.
- Truyền nhiệt: ví dụ đặt vật lên bếp, nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh làm nội năng của vật lạnh tăng.
Cả hai cách đều làm thay đổi nội năng, nhưng bản chất khác nhau: thực hiện công có sự chuyển hóa năng lượng, còn truyền nhiệt là sự truyền năng lượng trực tiếp giữa các phân tử.
Nguyên lý I nhiệt động lực học
Mối liên hệ giữa độ biến thiên nội năng với công và nhiệt lượng được phát biểu qua nguyên lý I nhiệt động lực học:
ΔU = A + Q
Trong đó ΔU là độ biến thiên nội năng, A là công và Q là nhiệt lượng mà vật nhận được. Nguyên lý này thể hiện định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng áp dụng cho các quá trình nhiệt.
Ví dụ về nội năng
Khi bơm xe đạp, ta thực hiện công nén không khí, làm thân bơm nóng lên – đó là nội năng của khí tăng do thực hiện công. Khi đun nước, bếp truyền nhiệt cho nước làm nội năng của nước tăng, nước nóng dần lên rồi sôi.
Bài tập vận dụng có lời giải
- Bài 1: Một vật nhận nhiệt lượng Q = 200 J và nhận công A = 100 J. Tính độ biến thiên nội năng. Lời giải: ΔU = A + Q = 100 + 200 = 300 J.
- Bài 2: Một khí nhận nhiệt 500 J nhưng sinh công (thực hiện công lên bên ngoài) 200 J, tức A = −200 J. Tính ΔU. Lời giải: ΔU = A + Q = −200 + 500 = 300 J.
- Bài 3: Nội năng của một vật tăng khi nào? Lời giải: khi vật nhận nhiệt hoặc được thực hiện công (làm nhiệt độ hoặc trạng thái phân tử thay đổi).
- Bài 4 (trắc nghiệm): Có mấy cách làm thay đổi nội năng? A. 1 B. 2 C. 3 D. 4. Đáp án: B (thực hiện công và truyền nhiệt).
Phân biệt nội năng và nhiệt lượng
Hai khái niệm dễ nhầm là nội năng và nhiệt lượng. Nội năng (U) là một đại lượng đặc trưng cho trạng thái của vật, phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích tại thời điểm xét. Còn nhiệt lượng (Q) là phần năng lượng mà vật nhận được hoặc mất đi trong quá trình truyền nhiệt. Nói cách khác, nội năng là “cái vật đang có”, còn nhiệt lượng là “cái được trao đổi” giữa vật với môi trường trong một quá trình.
Câu hỏi thường gặp về nội năng
Nội năng là gì?
Là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật.
Nội năng phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.
Có mấy cách làm thay đổi nội năng?
Có hai cách: thực hiện công và truyền nhiệt.
Đơn vị của nội năng là gì?
Là Jun (J), giống các dạng năng lượng khác.
Nguyên lý I nhiệt động lực học phát biểu thế nào?
ΔU = A + Q, độ biến thiên nội năng bằng tổng công và nhiệt lượng vật nhận được.
Kết luận
Tóm lại, nội năng là tổng động năng và thế năng của các phân tử, phụ thuộc nhiệt độ và thể tích, thay đổi bằng thực hiện công hoặc truyền nhiệt. Nắm vững nội năng và nguyên lý I nhiệt động lực học sẽ giúp bạn học tốt phần nhiệt học. Để học thêm, mời bạn tham khảo các bài công thức tính quãng đường, một năm ánh sáng bằng bao nhiêu km và diện tích các tỉnh Việt Nam trên chuyên mục tin tức của Hoàng Hà Mobile.
