Công thức định luật 1 nhiệt động lực học lớp 12 (hay, chi tiết)

Bài viết Công thức định luật 1 nhiệt động lực học lớp 12 trình bày đầy đủ công thức, ví dụ minh họa có lời giải chi tiết và các bài tập tự luyện giúp học sinh nắm vững kiến thức trọng tâm về Công thức định luật 1 nhiệt động lực học từ đó học tốt môn Vật Lí 12.

Công thức định luật 1 nhiệt động lực học lớp 12 (hay, chi tiết)

1. Công thức định luật 1 nhiệt động lực học

Định luật I của nhiệt động lực học là sự vận dụng định luật bảo toàn năng lượng vào các quá trình thay đổi nội năng.

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:

ΔU = A + Q

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:

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.

2. Ví dụ minh hoạ công thức định luật 1 nhiệt động lực học

Ví dụ 1: Người ta truyền cho khí trong xi lanh một nhiệt lượng 100 J. Khí nở ra thực hiện công 70 J đẩy pit-tông đi lên. Tính độ biến thiên nội năng của chất khí.

A. 30 J.                      

B. 40 J.                       

C. -80 J.                     

D. -30 J.

Hướng dẫn:

Người truyền nhiệt lượng cho chất khí → chất khí nhận nhiệt lượng Q > 0.

Độ biến thiên nội năng của chất khí là $∆$U = A+Q = -70+100 = 30 J.

Ví dụ 2: Người ta cung cấp nhiệt lượng 1,5 J cho chất khí đựng trong một xi lanh đặt nằm ngang. Chất khí nở ra, đẩy pit-tông đi một đoạn 5 cm. Tính độ biến thiên nội năng của chất khí. Biết lực ma sát giữa pit-tông và xi lanh có độ lớn là 20 N.

A. 1,5 J.                     

B. 1,0 J.                      

C. 0,5 J.                      

D. -1 J.

Hướng dẫn:

Công mà lực ma sát thực hiện trong dịch chuyển của pit-tông đoạn 5 cm có độ lớn:

A_ms = F_mss = 20.0,05 = 1 J.

Công mà chất khí thực hiện để thắng công của lực ma sát là A = -A_ms = −1 J.

Độ biến thiên nội năng của chất khí $∆$U = A+Q = -1+1,5 = 0,5 J. D

3. Bài tập tự luyện công thức định luật 1 nhiệt động lực học

Câu 1. Trong quá trình chất khí nhận nhiệt lượng và sinh công thì A và Q trong biểu thức $∆$U = Q + A phải thoả mãn điều kiện nào sau đây?

A. Q < 0, A > 0.             

B. Q > 0, A < 0.             

C. Q > 0, A > 0.             

D. Q < 0, A < 0.

Hướng dẫn:

Đáp án đúng là B

Q > 0 vật nhận nhiệt lượng, A < 0 vật thực hiện công.

Câu 2. Nếu tăng nhiệt độ của một hệ mà không làm thay đổi thể tích của nó thì nội năng của nó

A. tăng.                                                             

B. giảm.                         

C. ban đầu tăng, sau đó giảm.                            

D. luôn không đổi.

Hướng dẫn:

Đáp án đúng là A

Tăng nhiệt độ làm cho chuyển động của các phân tử hệ nhanh hơn, va chạm nhiều hơn, động năng phân tử tăng lên, dẫn đến nội năng tăng.

Câu 3. Đốt nóng khí trong xilanh và giữ sao cho thể tích của khí không đổi. Gọi Q, A và $∆$U lần lượt là nhiệt lượng, công và độ tăng nội năng của hệ. Định luật 1 của nhiệt động lực học được viết dưới dạng nào sau đây?

A. Q = $∆$U + A.              

B.Q = $∆$U – A.               

C. Q = A.                       

D. Q = $∆$U.

Hướng dẫn:

Đáp án đúng là D

Thể tích không đổi nên hệ không thay đổi về công, chỉ có thay đổi về nhiệt lượng do được đốt nóng. Định luật 1 của nhiệt động lực học khi đó được biểu diễn Q = ΔU.

Câu 4: Trường hợp nào sau đây không làm thay đổi nội năng của miếng đồng?

A. Cọ xát miếng đồng lên mặt bàn.

B. Đốt nóng miếng đồng.

C. Làm lạnh miếng đồng.

D. Đưa miếng đồng lên một độ cao nhỏ so với mặt đất.

Hướng dẫn:

Đáp án đúng là D

Đưa vật lên cao sẽ làm thay đổi cơ năng nhưng không làm thay đổi nội năng của vật.

Câu 5: Nội năng của khối khí tăng 15 J khi truyền cho khối khí một nhiệt lượng 35 J. Khi đó, khối khí đã

A. thực hiện công là 40 J.                                  

B. nhận công là 20 J.

C. thực hiện công là 20 J.                                  

D. nhận công là 40 J.

Hướng dẫn:

Đáp án đúng là C

Nội năng khối khí tăng ΔU > 0; khí nhận nhiệt lượng: Q > 0

A = $∆$U – Q = 15 – 35 = -20 J < 0 nên khối khí thực hiện công.

Câu 6. Một quả bóng có khối lượng 100 g rơi từ độ cao 10,0 m xuống sân và nảy lên được 7,00 m. Tại sao nó không nảy lên được đến độ cao ban đầu? Tính độ biến thiên nội năng của quả bóng, sân và không khí. Lấy g = 9,8 m/s².

Hướng dẫn:

Do trong quá trình va chạm với mặt đất, một phần năng lượng đã chuyển hoá thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, năng lượng âm thanh,… nên quả bóng không nảy len được đến độ cao ban đầu.

$∆$U = mgh₁ – mgh₂ = 0,1.9,8.(10 – 7) = 2,94 J.

Câu 7. Người ta cung cấp nhiệt lượng 100 J cho chất khí trong xilanh. Chất khí nở ra đẩy pít-tông lên và thực hiện một công 70 J. Tìm độ biến thiên nội năng của chất khí.

Hướng dẫn:

Khí nhận nhiệt lượng nên Q > 0

Khí thực hiện công nên A < 0

Độ biến thiên nội năng $∆$U = Q + A = 100 – 70 = 30 J.

Câu 8. Một chất khí đựng trong bình hình trụ được lắp một pít-tông có thể chuyển động không ma sát trong bình. Khi hấp thụ một năng lượng nhiệt 400 J từ môi trường bên ngoài, chất khí trong bình giãn nở dưới áp suất bên ngoài không đổi là 1,00 atm từ thể tích 5,00 lít đến 10,0 lít. Xác định độ biến thiên nội năng của khí trong bình. Cho biết 1 l.atm tương đương với 101,3 J.

Hướng dẫn:

Từ định luật 1 của nhiệt động lực học, ta có: $∆$U = Q + A

Chất khí thực hiện công để thắng được áp suất bên ngoài: A = F.h (h là quãng đường dịch chuyển của pít-tông trong bình, F là lực tác dụng lên pít-tông; F = p.S với p là áp suất tác dụng lên pít-tông, S là tiết diện của bình).

A = F.h = pSh = pDV = 1.(5 - 10) = -5 l.atm = -506,5 J.

Độ biến thiên nội năng: $∆$U = 400 – (–506,5) = 906,5 J

Câu 9. Người ta cung cấp nhiệt lượng 1,5 J cho khối khí đựng trong xilanh nằm ngang. Khí trong xilanh nở ra đẩy pít-tông đi một đoạn 5,0 cm. Tính độ biến thiên nội năng của khối khí. Biết lực ma sát giữa pít-tông và xilanh có độ lớn là 20,0 N.

Hướng dẫn:

A = FS = 20.0,05 = 5 = 1J; $∆$U = 1,5 - 1 = 0,5 J.

Câu 10. Viên đạn chì có khối lượng 50 g, bay với tốc độ v₀ = 360 km/h. Sau khi xuyên qua một tấm thép, tốc độ giảm xuống còn 72 km/h. Tính lượng nội năng tăng thêm của đạn và thép.

Hướng dẫn:

Xét hệ gồm đạn và thép. Khi viên đạn xuyên qua tấm thép thì tấm thép tác dụng vào viên đạn một lực. Lực này sinh công làm giảm động năng của đạn. Về độ lớn, công của lực F bằng độ giảm động năng của đạn.

Theo định luật 1 của nhiệt động lực học: $∆$U = A + Q.

Vì Q = 0 nên $\Delta U=\frac{1}{2}m\left(v_0^2-v^2\right)=240 \text{J}$

$∆$U > 0 nên nội năng của hệ đạn và thép tăng thêm một lượng 240 J.

Câu 11: Khi truyền nhiệt lượng 400 J cho khối khí trong một xilanh hình trụ được nắp kín bằng pit-tông thì khối khí dãn nở đẩy pit-tông lên, làm thể tích của khối khí tăng thêm 0,3 lít. Biết áp suất của khối khí là 2.10⁵ Pa và không đổi trong quá trình khối khí dãn nở.

a) Tính độ lớn công của khối khí thực hiện.

b) Tính độ biến thiên nội năng của khối khí.

Hướng dẫn:

a) Công khối khí thực hiện có độ lớn: |A| = Fd = pSd = p$∆$V = 2.10⁵.0,3.10^-3 = 60 J

b) Do khối khí thực hiện công nên A = -60 J.

Khối khí nhận nhiệt lượng nên Q = 40 J.

Độ biến thiên nội năng của khối khí: $∆$U = A + Q = −60 + 400 = 340 J.

Xem thêm các bài viết về công thức Vật Lí 12 sách mới hay, chi tiết khác:

• Công thức thang nhiệt độ

• Công thức nhiệt dung riêng

• Công thức nhiệt nóng chảy riêng

• Công thức nhiệt hoá hơi riêng

• Công thức số phân tử khí

---