Lý Thuyết Định luật 1 Nhiệt Động Lực Học Chi Tiết

Định luật 1 nhiệt động lực học giúp giải thích mối quan hệ giữa nhiệt lượng, công và nội năng – nền tảng quan trọng của chương nhiệt học. Bài viết này Trung tâm gia sư The TutorX sẽ giúp bạn tìm hiểu chi tiết lý thuyết Định luật 1 nhiệt động lực học ví dụ minh họa và bài tập vận dụng một cách dễ hiểu.

Nguồn gốc và cơ sở hình thành định luật 1 nhiệt động lực học

Trước thế kỷ XIX, nhiều nhà khoa học cho rằng nhiệt là một dạng chất đặc biệt gọi là “nhiệt chất”. Tuy nhiên, các thí nghiệm nổi tiếng của James Prescott Joule đã chứng minh rằng nhiệt có thể được sinh ra từ công cơ học, chẳng hạn như khi khuấy nước bằng cánh quạt thì nước nóng lên.

Từ những nghiên cứu đó, người ta nhận ra rằng nhiệt và công đều là những dạng truyền năng lượng, và năng lượng không tự sinh ra hay tự mất đi. Chính tư tưởng này đã dẫn đến sự ra đời của định luật 1 nhiệt động lực học, dựa trên nguyên lý bảo toàn năng lượng.

Nội dung định luật 1 nhiệt động lực học

Nội dung của định luật 1 nhiệt động lực học được phát biểu như sau:

Độ biến thiên nội năng của một hệ bằng tổng nhiệt lượng và công mà hệ nhận được.

Biểu thức toán học:

ΔU=Q+A

Trong đó:

• ΔU là độ biến thiên nội năng của hệ
• Q là nhiệt lượng truyền cho hệ
• A là công của ngoại lực thực hiện lên hệ

Định luật cho thấy rằng nội năng của hệ chỉ thay đổi khi có sự trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài thông qua nhiệt hoặc công.

>>> Xem thêm: Công thức hóa học của muối là gì?

Các đại lượng trong định luật 1 nhiệt động lực học

Để vận dụng chính xác định luật 1 nhiệt động lực học, cần nắm vững ý nghĩa vật lý của các đại lượng xuất hiện trong công thức.

Nội năng (U)

Nội năng là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật. Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và trạng thái của vật (rắn, lỏng, khí). Khi vật nóng lên hoặc bị nén, nội năng của vật thường tăng.

Đơn vị đo: Jun (J)

Nhiệt lượng (Q)

Nhiệt lượng là phần năng lượng truyền từ vật này sang vật khác do sự chênh lệch nhiệt độ. Khi một hệ nhận nhiệt thì nội năng của hệ có xu hướng tăng, ngược lại khi hệ tỏa nhiệt thì nội năng giảm.

Đơn vị đo: Jun (J)

Công (A)

Công trong nhiệt động lực học thường xuất hiện khi có sự giãn nở hoặc nén của khí, ví dụ như khí trong xi lanh đẩy piston hoặc bị piston nén lại. Công thể hiện sự truyền năng lượng không thông qua nhiệt.

Đơn vị đo: Jun (J)

Quy ước dấu trong định luật 1 nhiệt động lực học

Khi vận dụng định luật 1 nhiệt động lực học, việc xác định đúng dấu của Q và A là yếu tố quyết định kết quả bài toán.

Nhiệt lượng (Q):

• Q>0: Hệ nhận nhiệt
• Q<0: Hệ tỏa nhiệt

Công (A):

• A>0: Hệ nhận công từ ngoại lực (bị nén)
• A<0: Hệ thực hiện công ra môi trường (giãn nở)

Mẹo ghi nhớ nhanh: “Hệ nhận thì dương – hệ cho thì âm”

>>> Xem thêm: Địa chỉ gia sư giỏi uy tín dạy kèm tại TPHCM

Bài tập vận dụng liên quan định luật 1 nhiệt động lực học

Các bài tập dưới đây là những dạng thường gặp trong kiểm tra và đề thi về định luật 1 nhiệt động lực học.

Bài tập 1:
Một khối khí nhận nhiệt lượng 600J từ nguồn nóng, đồng thời bị nén và nhận công 200J từ ngoại lực.

Áp dụng định luật 1:

ΔU=Q+A=600+200=800J

 Nội năng của khối khí tăng 800J.

Bài tập 2:
Một khối khí nhận nhiệt lượng 400J nhưng khi giãn nở đã thực hiện công 250J ra môi trường.

Khi đó:ΔU=400+(−250)=150J

Nội năng của hệ vẫn tăng nhưng tăng ít hơn lượng nhiệt cung cấp.

Bài tập 3

Một hệ nhận nhiệt lượng 500J và thực hiện công 120J ra môi trường. Tính độ biến thiên nội năng của hệ.

Lời giải:

Hệ thực hiện công → ????

A=−120J

ΔU=Q+A=500−120=380J

Nội năng hệ tăng 380J.

Bài tập 4

Nội năng của một hệ tăng 300J. Trong quá trình đó hệ tỏa ra nhiệt lượng 100J. Tính công của ngoại lực tác dụng lên hệ.

Lời giải:

Q=−100J

300=−100+A⇒A=400J

Ngoại lực đã thực hiện công 400J lên hệ.

Định luật 1 nhiệt động lực học giúp chúng ta hiểu rõ mối quan hệ giữa nhiệt lượng – công – nội năng, đồng thời khẳng định nguyên lý bảo toàn năng lượng trong các quá trình nhiệt học. Việc nắm vững lý thuyết, quy ước dấu và phương pháp giải bài tập sẽ giúp học sinh học tốt chương nhiệt động lực học và vận dụng hiệu quả vào thực tế.