Cấu trúc của chất, nội năng và định luật I nhiệt động lực học

Đây là bài mở đầu phần Vật lí nhiệt lớp 12. Trong đề 50 phút, chủ đề này thường có 2–3 câu ở phần I (mô hình động học phân tử, sự chuyển thể, dấu của $A$ và $Q$), đôi khi là một ý trong câu đúng/sai về đồ thị chuyển thể và một câu tính $\Delta U$ ở phần III. Điểm mấu chốt để không mất điểm: hiểu nội năng gồm những gì và dùng đúng quy ước dấu trong định luật I.

Kiến thức trọng tâm

Mô hình động học phân tử về cấu tạo chất

Mô hình gồm ba nội dung:

1. Các chất được cấu tạo từ các hạt riêng biệt là phân tử (nguyên tử, ion); giữa các phân tử có khoảng cách.
2. Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng (chuyển động nhiệt). Nhiệt độ càng cao thì phân tử chuyển động càng nhanh.
3. Giữa các phân tử có lực hút và lực đẩy. Khi các phân tử ở gần nhau, lực đẩy chiếm ưu thế; khi xa hơn, lực hút chiếm ưu thế; khi rất xa nhau, lực tương tác gần như bằng 0.

Bằng chứng thực nghiệm: chuyển động Brown của hạt phấn hoa trong nước (do các phân tử nước va chạm không đều), hiện tượng khuếch tán (giọt mực tự loang trong cốc nước, mùi nước hoa lan khắp phòng).

Chất rắn chia thành chất rắn kết tinh (muối ăn, kim loại, nước đá: có cấu trúc mạng tinh thể, nóng chảy ở một nhiệt độ xác định) và chất rắn vô định hình (thủy tinh, nhựa đường, sáp nến: không có nhiệt độ nóng chảy xác định, mềm dần khi nóng lên).

Sự chuyển thể

• Nóng chảy (rắn → lỏng) và đông đặc (lỏng → rắn): với chất rắn kết tinh, xảy ra ở một nhiệt độ xác định; trong suốt quá trình, nhiệt độ không đổi.
• Hóa hơi (lỏng → khí) gồm hai hình thức:

• Thăng hoa (rắn → khí, ví dụ băng phiến, nước đá khô) và ngưng kết (khí → rắn, ví dụ sương muối, tuyết).

Giải thích bằng mô hình phân tử: khi nóng chảy, nhiệt lượng nhận vào dùng để phá vỡ liên kết của mạng tinh thể (tăng thế năng tương tác), không làm tăng động năng trung bình của phân tử, nên nhiệt độ không đổi. Khi bay hơi, các phân tử có động năng lớn thoát ra khỏi mặt thoáng, động năng trung bình của phần chất lỏng còn lại giảm, nên chất lỏng lạnh đi (mồ hôi bay hơi làm mát cơ thể).

Nội năng

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

• Động năng phân tử phụ thuộc nhiệt độ → nội năng phụ thuộc nhiệt độ.
• Thế năng tương tác phụ thuộc khoảng cách giữa các phân tử → nội năng phụ thuộc thể tích.
• Với khí lí tưởng, bỏ qua thế năng tương tác nên nội năng chỉ phụ thuộc nhiệt độ.

Có hai cách làm thay đổi nội năng:

Số đo phần nội năng mà vật nhận thêm hay mất đi trong quá trình truyền nhiệt gọi là nhiệt lượng $Q$. Nhiệt lượng không phải là "lượng nhiệt chứa trong vật": vật có nội năng, còn nhiệt lượng chỉ xuất hiện khi có truyền nhiệt.

Định luật I của nhiệt động lực học

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

Mô phỏng dưới đây là một bình khí kín. Chọn Đẳng tích và kéo thanh nhiệt độ: thể tích bị khóa nên khí không thực hiện công, toàn bộ nhiệt lượng nhận vào làm các phân tử chuyển động nhanh hơn (màu chuyển dần sang đỏ), nội năng tăng.

Dạng bài thường gặp trong đề thi

Dạng 1: Nhận biết đặc điểm các thể theo mô hình động học phân tử

Xem lời giải

Phân tử chất lỏng ở gần nhau (lực tương tác đủ mạnh) nên chất lỏng có thể tích xác định; vị trí cân bằng của chúng luôn dịch chuyển nên chất lỏng chảy được, có hình dạng của bình chứa. Chọn B.

A mô tả chất khí, C mô tả chất rắn kết tinh, D sai vì phân tử luôn chuyển động không ngừng.

Dạng 2: Đọc đồ thị chuyển thể

Xem lời giải

a) Đúng. Đoạn nằm ngang (2) cho thấy X nóng chảy ở nhiệt độ xác định $80\,^\circ\text{C}$ → chất rắn kết tinh.

b) Sai. Từ phút 4 đến phút 10 là quá trình nóng chảy; tại phút 6, X gồm cả phần rắn và phần lỏng.

c) Sai. X vẫn nhận nhiệt lượng nên nội năng tăng; nhiệt lượng làm tăng thế năng tương tác (phá vỡ mạng tinh thể), động năng trung bình của phân tử không đổi nên nhiệt độ không đổi.

d) Đúng. Cùng công suất $P$ và khối lượng $m$: $P\,\Delta\tau = mc\,\Delta t \Rightarrow c = \dfrac{P}{m}\cdot\dfrac{\Delta\tau}{\Delta t}$, tức $c$ tỉ lệ nghịch với tốc độ tăng nhiệt độ.

• Thể rắn, đoạn (1): $\dfrac{\Delta t}{\Delta\tau} = \dfrac{80 - 20}{4} = 15$ (°C mỗi phút); gọi nhiệt dung riêng là $c_1$.
• Thể lỏng, đoạn (3): $\dfrac{\Delta t}{\Delta\tau} = \dfrac{110 - 80}{13 - 10} = 10$ (°C mỗi phút); gọi nhiệt dung riêng là $c_2$.

$$\frac{c_2}{c_1} = \frac{15}{10} = 1{,}5$$

Dạng 3: Vận dụng định luật I với quy ước dấu

Xem lời giải

1. Xác định dấu: khí nhận nhiệt → $Q = +800\,\text{J}$; khí thực hiện công → $A = -500\,\text{J}$.
2. Định luật I: $\Delta U = A + Q = -500 + 800 = 300\,\text{J}$.
3. $\Delta U > 0$ nên nội năng của khí tăng $300\,\text{J}$.

Nếu quên dấu của $A$, sẽ ra $1300\,\text{J}$ — đây thường là phương án nhiễu.

Dạng 4: Khí dãn nở đẳng áp kết hợp định luật I (trả lời ngắn)

Xem lời giải

1. Đổi đơn vị: $\Delta V = 4{,}5 - 3{,}0 = 1{,}5\,\text{L} = 1{,}5\cdot10^{-3}\,\text{m}^3$.
2. Công khí thực hiện: $p\,\Delta V = 2{,}0\cdot10^{5}\cdot1{,}5\cdot10^{-3} = 300\,\text{J}$, nên $A = -300\,\text{J}$.
3. $\Delta U = A + Q = -300 + 750 = 450\,\text{J}$.

Đáp số: 450.

Dạng 5: Chuyển hóa cơ năng thành nội năng trong thực tế

Xem lời giải

1. Đổi đơn vị: $m = 1200\,\text{kg}$; $v = 54\,\text{km/h} = 15\,\text{m/s}$.
2. Động năng ban đầu: $W_\text{đ} = \dfrac12 mv^2 = \dfrac12\cdot1200\cdot15^2 = 135\,000\,\text{J}$.
3. Phần chuyển thành nội năng (lực ma sát thực hiện công lên phanh): $\Delta U = 0{,}8\cdot135\,000 = 108\,000\,\text{J} = 108\,\text{kJ}$.

Lỗi thường gặp

Mẹo làm bài

Tự kiểm tra nhanh

1. Dùng bơm nén nhanh khí: người thực hiện công $120\,\text{J}$ lên khí, khí truyền ra thân bơm nhiệt lượng $30\,\text{J}$. Nội năng của khí thay đổi thế nào?

Xem đáp án

$A = +120\,\text{J}$, $Q = -30\,\text{J}$ → $\Delta U = 120 - 30 = 90\,\text{J}$: nội năng tăng $90\,\text{J}$.

2. Khí nhận nhiệt lượng $500\,\text{J}$ và nội năng tăng $200\,\text{J}$. Khí nhận công hay thực hiện công, độ lớn bao nhiêu?

Xem đáp án

$A = \Delta U - Q = 200 - 500 = -300\,\text{J}$ → khí thực hiện công $300\,\text{J}$.

3. Khí dãn nở đẳng áp ở $1{,}5\cdot10^{5}\,\text{Pa}$ từ $2\,\text{L}$ đến $5\,\text{L}$. Tính công khí thực hiện.

Xem đáp án

$p\,\Delta V = 1{,}5\cdot10^{5}\cdot3\cdot10^{-3} = 450\,\text{J}$.

4. Vì sao sau khi tắm, đứng trước quạt ta thấy lạnh hơn khi đứng ở chỗ kín gió?

Xem đáp án

Gió làm nước trên da bay hơi nhanh hơn. Phân tử nước có động năng lớn thoát ra, mang theo năng lượng, nên nước còn lại và da bị lạnh đi (bay hơi là quá trình thu nhiệt).

5. Đúng hay sai: "Thủy tinh nóng chảy ở một nhiệt độ xác định giống như nước đá."

Xem đáp án

Sai. Thủy tinh là chất rắn vô định hình, mềm dần khi nóng lên và không có nhiệt độ nóng chảy xác định.