Bài 26. Năng lượng nhiệt và nội năng

Các phân tử, nguyên tử luôn chuyển động hỗn loạn không ngừng. Nhiệt độ của vật càng cao thì chuyển động này càng nhanh. Giữa các phân tử, nguyên tử có lực hút và lực đẩy.

Minh họa chuyển động của phân tử trong các vật có nhiệt độ khác nhau.

Hình 26.1. Chuyển động của phân tử trong vật có nhiệt độ thấp (a), trong vật có nhiệt độ cao hơn (b).

Năm 1827, Robert Brown quan sát thấy các hạt phấn hoa trong nước chuyển động không ngừng về mọi hướng. Nguyên nhân là các phân tử nước chuyển động hỗn loạn va chạm vào hạt phấn hoa. Nhiệt độ nước càng cao thì hạt phấn hoa chuyển động càng nhanh. Mùi nước hoa khuếch tán vì các phân tử chuyển động hỗn loạn.

Đường đi và sự va chạm của các hạt phấn hoa trong nước.

Hình 26.2. Đường đi của các hạt phấn hoa trong thí nghiệm của Brown.

Mô tả va chạm của các phân tử nước vào hạt phấn hoa.

Hình 26.3. Va chạm của các phân tử nước vào hạt phấn hoa.

Chuyển động hỗn loạn không ngừng của các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên vật được gọi là chuyển động nhiệt. Năng lượng mà vật có được nhờ chuyển động nhiệt được gọi là năng lượng nhiệt, gọi tắt là nhiệt năng.

Do mọi vật đều được cấu tạo từ các phân tử, nguyên tử chuyển động hỗn loạn không ngừng nên mọi vật đều có nhiệt năng. Khi làm tăng nhiệt độ của vật thì nhiệt năng của vật tăng và ngược lại.

Có thể làm ấm tay bằng cách ma sát/thực hiện công hoặc truyền nhiệt. Nhiệt năng có thể chuyển hóa với các dạng năng lượng khác.

Do phân tử, nguyên tử chuyển động hỗn loạn không ngừng nên chúng có động năng. Phân tử, nguyên tử chuyển động càng nhanh thì động năng càng lớn.

Các phân tử, nguyên tử tương tác với nhau nên chúng có thế năng tương tác. Thế năng này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử, nguyên tử.

Nội năng của một vật là tổng động năng và thế năng của các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật.

Bố trí thí nghiệm so sánh nội năng và động năng phân tử của nước.

Hình 26.4. Bố trí thí nghiệm so sánh nội năng và động năng phân tử của nước.

Thả quả cầu kim loại ở nhiệt độ phòng vào nước nóng thì nhiệt độ quả cầu tăng và nhiệt độ nước giảm. Quả cầu nhận nhiệt năng từ nước; nước truyền bớt nhiệt năng cho quả cầu. Động năng nguyên tử và nội năng của cầu tăng; động năng phân tử và nội năng của nước giảm.

Bố trí thí nghiệm về sự thay đổi nội năng của nước và quả cầu kim loại.

Hình 26.5. Bố trí thí nghiệm về sự thay đổi nội năng của nước và quả cầu kim loại.

Khi vật được làm nóng, các phân tử, nguyên tử của vật chuyển động nhanh lên, nội năng của vật tăng.

Từ khi bắt đầu đun đến khi nước bắt đầu sôi, nhiệt độ của nước tăng dần. Khi nước đã sôi, nhiệt độ của nước không tăng dù vẫn tiếp tục đun.

Trước khi sôi: động năng trung bình và nội năng tăng. Khi đang sôi: động năng trung bình không tăng, năng lượng nhận thêm làm tăng thế năng khi phân tử tách xa và dùng cho chuyển pha nên nội năng vẫn tăng.

Bố trí thí nghiệm theo dõi nhiệt độ của nước khi đun sôi.

Hình 26.6. Bố trí thí nghiệm theo dõi nhiệt độ của nước khi đun sôi.

Tóm tắt: (1) Năng lượng nhiệt là năng lượng vật có được do chuyển động nhiệt.

(2) Nội năng của một vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên vật.

(3) Khi một vật được làm nóng, các phân tử, nguyên tử của vật chuyển động nhanh lên và nội năng của vật tăng.

Vận dụng: xoa hai tay nóng lên và ví dụ chuyển hóa nhiệt năng ↔ cơ năng/điện năng.