Bài 26. Năng lượng nhiệt và nội năng

Vào những năm cuối thế kỉ XIX, các nhà khoa học đã xác định được hai tính chất cơ bản của phân tử, nguyên tử:

1. 1. Nhiệt độ của vật càng cao, chuyển động hỗn loạn của các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên vật càng nhanh.
   2. Giữa các phân tử, nguyên tử có lực hút và lực đẩy, gọi là lực tương tác phân tử, nguyên tử.

Hình a) biểu diễn chuyển động của các phân tử trong vật có nhiệt độ thấp; hình b) biểu diễn chuyển động của các phân tử trong vật có nhiệt độ cao hơn.

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, nhà khoa học người Anh Robert Brown khi quan sát bằng kính hiển vi các hạt phấn hoa trong nước đã thấy chúng chuyển động không ngừng về mọi hướng. Nguyên nhân là do các phân tử nước chuyển động hỗn loạn và va chạm vào các hạt phấn hoa làm cho các hạt này chuyển động theo mọi hướng.

Bên trái là đường đi ngoằn ngoèo của các hạt phấn hoa trong thí nghiệm Brown; bên phải là mô hình các phân tử nước va chạm vào hạt phấn hoa từ nhiều phía.

Hình 26.2–26.3.

Đường đi của hạt phấn hoa trong thí nghiệm Brown và sự va chạm của các phân tử nước vào hạt phấn hoa.

Thí nghiệm của Brown còn cho thấy khi nhiệt độ của nước càng cao thì các hạt phấn hoa chuyển động càng nhanh. Điều đó chứng tỏ các phân tử nước chuyển động càng nhanh thì va chạm vào các hạt phấn hoa càng mạnh.

Vì nhiệt độ của vật càng cao, chuyển động hỗn loạn của các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên vật càng nhanh nên chuyển động này của các phân tử, nguyên tử 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.

1. Động năng và thế năng của phân tử, nguyên tử

a) Động năng

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.

b) Thế năng

Thế năng là năng lượng mà vật có được nhờ tương tác với các vật khác. Tương tự, các phân tử, nguyên tử tương tác với nhau thông qua lực tương tác phân tử, nguyên tử nên chúng cũng có thế năng, gọi là thế năng tương tác phân tử, nguyên tử (gọi tắt là thế năng phân tử, nguyên tử). Thế năng phân tử, nguyên tử có độ lớn phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử, nguyên tử.

2. Nội năng

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

Hai bố trí a), b) dùng cốc nước và nhiệt kế để so sánh nội năng và động năng phân tử của nước theo Hình 26.4.

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

3. Sự tăng, giảm nội năng

Thả một quả cầu kim loại ở nhiệt độ trong phòng vào một cốc nước nóng. Nhiệt độ của quả cầu tăng lên còn nhiệt độ của nước giảm đi. Nhiệt độ của quả cầu tăng lên vì đã nhận thêm được nhiệt năng từ nước nóng, còn nhiệt độ của nước nóng giảm đi do đã truyền bớt nhiệt năng cho quả cầu.

Ở a), quả cầu kim loại còn ở ngoài cốc và nhiệt kế chỉ nhiệt độ cao hơn.

Ở b), quả cầu đã được thả vào nước và số chỉ nhiệt kế thấp hơn a), phù hợp với việc nước truyền nhiệt cho quả cầu nên nhiệt độ của nước giảm.

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.

Bố trí thí nghiệm gồm cốc nước, nhiệt kế, giá đỡ và nguồn đun để theo dõi nhiệt độ của nước khi đun đến sôi.

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

Quan sát thí nghiệm cho thấy: từ khi bắt đầu đun nước đến khi nước bắt đầu sôi thì nhiệt độ của nước tăng dần; khi nước đã sôi thì nhiệt độ của nước không tăng dù vẫn tiếp tục đun.

Nguồn đặt câu hỏi: khi nước đã sôi, nhiệt độ không tăng dù tiếp tục đun thì nhiệt năng mà nước nhận được từ đèn cồn đã chuyển hoá thành dạng năng lượng nào. Tài liệu không nêu đáp án trực tiếp tại đoạn này.