Đáp án Vật lí 12 chân trời Bài 3: Nội năng. Định luật 1 của nhiệt động lực học

BÀI 3. NỘI NĂNG. ĐỊNH LUẬT 1 

CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Ô tô đóng kín cửa để ngoài trời nắng nóng (Hình 3.1), nhiệt độ không khí trong xe tăng rất cao so với nhiệt độ bên ngoài, làm giảm tuổi thọ của các thiết bị bên trong xe. Nguyên nhân nào gây ra sự tăng nhiệt độ này?

Hướng dẫn chi tiết:

- Kính xe ô tô: kính chắn gió và cửa sổ ô tô cho phép ánh sáng mặt trời đi vào, nhưng lại ngăn cản phần lớn bức xạ nhiệt từ bên trong xe thoát ra ngoài. Do đó khiến nhiệt độ trong xe tăng cao.

- Ánh sáng mặt trời chiéu vào các vật dụng trong xe sẽ bị hấp thụ và chuyển hoá thành nhiệt năng. Nhiệt năng này bị giữ lại bên trong xe do không thể thoát ra ngoài qua kính chắn gió và cửa sổ.

- Không khí trong xe không được lưu thông: Khi đóng kín cửa xe, không khí không lưu thông được thì nhiệt độ trong xe sẽ tăng cao hơn

- Một số vật liệu nội thất ô tô như da, nỉ,... có khả năng hấp thụ nhiệt tốt. Khi nhiệt độ bên ngoài cao, những vật liệu này sẽ hấp thụ nhiệt và làm tăng nhiệt độ bên trong xe;

- Các thiết bị điện tử trong xe như radio, DVD,... cũng tỏa nhiệt khi hoạt động. Nhiệt lượng này góp phần làm tăng nhiệt độ bên trong xe;

1. NỘI NĂNG

Thảo luận 1: Chứng tỏ nội năng của vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.

Hướng dẫn chi tiết:

- Nhiệt độ càng cao thì phân tử chuyển động càng nhanh, nên động năng của các phân tử cấu tạo nên vật cũng tăng. Sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử càng mạnh, va chạm với nhau càng nhiều dẫn đến nội năng của vật tăng.

- Khi thể tích của   vật giảm, khoảng cách giữa các phân tử cấu tạo nên vật giảm.  Lực tương tác giữa các phân tử tăng, dẫn đến sự tăng lên của thế năng tương tác. Do đó nội năng của vật tăng.

Mà nội năng là tổng của động năng và thế năng. Vì vậy, nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích.

Thảo luận 2: Vận dụng mô hình động học phân tử, hãy giải thích hiện tượng chiếc nút bị đẩy bật ra khỏi ống (Hình 3.2b).

Hướng dẫn chi tiết:

Giải thích hiện tượng chiếc nút bị đẩy bật ra khỏi ống như sau:

Khi được cung cấp nhiệt, không khí bên trong ống nghiệm nóng lên, các phân tử chuyển động nhanh hơn, va chạm với nhau mạnh hơn tạo ra áp suất lớn hơn lên thành ống nghiệm. Áp suất lớn đẩy nút bịt bật ra khỏi ống nghiệm.

Thảo luận 3: Việc thay đổi lượng không khí chứa trong ống nghiệm có ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm không? Nếu có thì ảnh hưởng như thế nào?

Hướng dẫn chi tiết:

Việc thay đổi lượng không khí có ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm. Khi lượng không khí trong ống nghiệm nhiều, một phần áp suất lên nút bịt là do áp suất của khí nên nút bịt khó bị đẩy ra khỏi ống nghiệm hơn. Khi lượng không khí trong ống nghiệm ít, tần suất va chạm giữa các phân tử giảm, nên nút bịt khó bị đẩy ra khỏi ống nghiệm hơn.

Luyện tập: Dựa vào mô hình động học phân tử, hãy giải thích hiện tượng quả bóng bàn bị móp (nhưng chưa bị thủng) khi thả vào cốc nước nóng sẽ phồng trở lại (Hình 3.3).

Hướng dẫn chi tiết:

- Khi quả bóng bàn bị móp, phần vỏ cao su bị nén lại, khiến cho các phân tử khí bên trong quả bóng cũng bị nén lại. 

- Khi thả quả bóng bàn vào nước nóng, nhiệt độ của khí bên trong quả bóng tăng cao làm cho động năng của các phân tử khí cũng tăng. 

=> Các phân tử khí chuyển động nhanh hơn và va chạm với nhau mạnh hơn tạo ra áp suất lớn hơn lên thành quả bóng. 

=> Áp suất lớn này đẩy vỏ cao su phồng trở lại hình dạng ban đầu.

2. CÁCH LÀM THAY ĐỔI NỘI NĂNG

Thảo luận 4: Có những cách nào làm thay đổi nội năng của một vật (hoặc một hệ vật). Cho ví dụ minh họa.

Hướng dẫn chi tiết:

Có 02 cách làm thay đổi nội năng là thực hiện công và truyền nhiệt.

+ Ví dụ cách thực hiện công: Cọ xát hai miếng kim loại vào nhau. Công cơ học do lực ma sát sinh ra làm tăng động năng của các phân tử kim loại, dẫn đến nội năng của kim loại tăng.

+ Ví dụ cách truyền nhiệt: Rót nước nóng và cốc nước lạnh. Nhiệt lượng từ nước nóng truyền sang nước lạnh làm tăng động năng của các phân tử nước lạnh, dẫn đến nội năng của nước lạnh tăng.

Luyện tập: Lấy ví dụ minh họa về việc làm thay đổi nội năng của một khối chất rắn, khối chất lỏng và khối chất khí bằng cách thực hiện công trong thực tiễn.

Hướng dẫn chi tiết:

- Chất rắn: Kéo căng một sợi dây thun: Khi kéo căng dây thun, ta đã thực hiện công lên dây thun, làm cho dây thun biến dạng. Dây thun tích trữ năng lượng làm tăng nội năng của dây thun.

- Chất lỏng: Bơm hơi vào quả bóng: Khi bơm hơi vào quả bóng bằng tay, ta thực hiện công cơ học lên khí trong quả bóng. Công này làm tăng áp suất khí trong quả bóng, dẫn đến tăng nội năng của khí.

- Chất khí: Nén khí trong xi lanh: Khi nén khí trong xi lanh bằng piston, ta thực hiện công cơ học lên khí. Công này làm giảm thể tích khí, tăng áp suất khí, dẫn đến tăng nội năng của khí.

Luyện tập: Giải thích tại sao khi hai vật chênh lệch nhiệt độ tiếp xúc với nhau thì nhiệt độ của chúng sẽ tiến đến bằng nhau

Hướng dẫn chi tiết:

Khi hai vật chênh lệch nhiệt độ tiếp xúc với nhau thì nhiệt độ của chúng sẽ tiến đến bằng nhau bời vì:

 Theo nguyên tắc của sự truyền nhiệt, nhiệt sẽ truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp hơn, cho đến khi hai vật có nhiệt độ bằng nhau, không có sự chênh lệch nhiệt độ, quá trình truyền nhiệt mới dừng lại.

Thảo luận 5: Xét trường hợp đun một ấm nước, nhiệt lượng cần cung cấp cho nước sẽ thay đổi như thế nào nếu khối lượng của nước càng lớn và độ tăng nhiệt độ của nước càng lớn.

Hướng dẫn chi tiết:

Xét công thức: Q = m.c.(T₂ - T₁). Theo đó:

- Khi khối lượng nước tăng (m tăng), nhiệt lượng sẽ tăng (Q tăng)

- Khi độ tăng nhiệt độ của nước càng lớn (T tăng), nhiệt lượng sẽ tăng (Q tăng).

Luyện tập 1: Tính nhiệt lượng cần cung cấp để đun 3 lít nước từ nhiệt độ 25^oC lên 100^oC, biết nhiệt dung riêng của nước là 4 180 J/kg.K.

Hướng dẫn chi tiết:

Theo đề bài ta có: m = 3 kg, t₁ = 25℃, t₂ = 100℃, C = 4180 J/kg.K

Nhiệt lượng cần cung cấp là: 

Q = m.c.(T₂ - T₁) = 3.4180.(100 - 25) = 940 500 (J)

Vậy nhiệt lượng cần cung cấp là 940 500 J

Luyện tập 2: Một người thợ rèn nhúng một con dao rựa bằng thép có khối lượng 1,1 kg ở nhiệt độ 850⁰C vào trong bể nước lạnh để làm tăng độ cứng của lưỡi dao. Nước trong bể có thể tích 200 lít và có nhiệt độ bằng với nhiệt độ ngoài trời là 27^oC. Xác định nhiệt độ của nước khi có sự cân bằng nhiệt. Bỏ qua sự truyền nhiệt cho thành bể và môi trường bên ngoài. Biết nhiệt dung riêng của thép là 460 J/kg.K; của nước là 4 180 J/kg.K.

Hướng dẫn chi tiết:

Theo đề bài ta có: m = 1,1 kg, V = 200 lít, C_thép = 460 J/kg.K, C_nước = 4180 J/kg.K

Gọi nhiệt độ khi cân bằng nhiệt là T

Theo nguyên tắc của sự truyền nhiệt, nhiệt độ sẽ truyền từ dao rựa bằng thép sang nước trong bể, và nhiệt lượng do dao rựa bằng thép truyền đi (Q₁) bằng nhiệt lượng mà nước nhận vào (Q₂)

→ Q₁= Q₂

⇔ m₁.c₁. (T₁ - T) = m₂.c₂.(T - T₂)

⇔ 1,1.460.(850 - T) = 200.4180.(T - 27)

⇔ T = 27,5

Vậy nhiệt độ của nước khi có sự cân bằng nhiệt là 27,5 ℃

Vận dụng: Hình 3.6 mô tả cách tạo lửa bằng ma sát trong tình huống nguy cấp của con người (như cần sưởi ấm trong thời tiết lạnh, nấu chín thức ăn,...) khi không có bật lửa. Hãy giải thích cách tạo ra lửa trong tình huống này.

Hướng dẫn chi tiết:

Hình 3.6 sử dụng cách tạo ra lửa bằng việc ma sát hai vật liệu là vật liệu dễ cháy (củi, giấy, que gỗ…) và vật tạo ma sát. 

Bởi vì: 

+ Khi hai vật tác động vào nhau với tốc độ đủ để tạo ra ma sát thì sẽ tạo ra nhiệt độ cao, kích thích vật liệu cháy. 

+ Khi nhiệt độ đạt đến mức nhất định, vật liệu cháy sẽ bắt đầu cháy.

--------------------------------------

-------------Còn tiếp------------