Các dạng bài tập áp dụng định luật I của nhiệt động lực học
Cách giải nhanh bài tập định luật I nhiệt động lực học
Bài viết tổng hợp đầy đủ các dạng bài tập áp dụng Định luật I của nhiệt động lực học trong chương trình Vật lý 12, từ cơ bản đến nâng cao. Nội dung giúp học sinh nhận biết từng dạng toán, nắm vững công thức tính độ biến thiên nội năng, công và nhiệt lượng, đồng thời rèn luyện kỹ năng giải nhanh các câu hỏi thường gặp trong đề kiểm tra và kỳ thi tốt nghiệp THPT. Mỗi dạng bài đều đi kèm phương pháp giải và đáp án tham khảo giúp người học tự đánh giá năng lực.
A. Nội năng là gì?
- Khái niệm nội năng: Tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật gọi là nội năng của vật.
- Đặc điểm của nội năng:
+ Nội năng được kí hiệu là U, đơn vị là Joule (J);
+ Nội năng của các phân tử phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.
B. Định luật I của nhiệt động lực học
Phát biểu định luật I của nhiệt động lực học
Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được
\(\Delta U = Q + A\)
Trong đó \(\mathrm{\Delta}U\): độ biến thiên nội năng (J);
Q: Nhiệt lượng mà vật nhận được (J);
A: Công mà vật nhận được (J).
Quy ước:
Q và A là các giá trị đại số và được quy ước như sau
+ Vật nhận nhiệt lượng: Q > 0, vật tỏa nhiệt lượng: Q < 0;
+ Vật nhận công: A > 0, vật sinh công: A < 0.
+ Nội năng tăng: \(\mathrm{\Delta}U >
0\), nội năng giảm: \(\mathrm{\Delta}U
< 0\).
C. Các dạng bài tập áp dụng định luật I của nhiệt động lực học
Dạng I. Tính độ biến thiên nội năng dựa trên công và nhiệt lượng
Ví dụ 1: Giả sử cung cấp cho vật một công là 200 J nhưng nhiệt lượng bị thất thoát ra môi trường bên ngoài là 120 J. Nội năng của vật
A. tăng thêm 320 J. B. tăng thêm 80 J.
C. giảm đi 80 J. D. giảm đi 320 J.
Hướng dẫn giải
Vật nhận công: \(A = 200\ J\); vật bị thất thoát nhiệt lượng ra môi trường: \(Q =
- 120\ J\);
Độ biến thiên nội năng của khối khí: \(\mathrm{\Delta}U = Q + A = ( - 120) + 200 = 80\ J
> 0\). Vậy nội năng của khí tăng thêm 80 J.
Dạng II. Tính độ biến thiên nội năng trong Cylinder và Piston nằm ngang
Ví dụ 1: Cung cấp nhiệt lượng 40 J cho một lượng khí trong một cylinder đặt nằm ngang đồng thời nhấn piston với lực không đổi 40 N để nén khí, piston chuyển động một đoạn 25 cm. Nội năng của lượng khí của quá trình này
A. tăng thêm 50 J. B. tăng thêm 30 J.
C. giảm đi 30 J. D. giảm đi 50 J.
Hướng dẫn giải
Cung cấp nhiệt lượng cho khối khí ⇒ Khối khí nhận nhiệt lượng: \(Q = 40\ J\);
Khí bị nén ⇒ Khí nhận công: \(A\ > \
0\). Độ lớn công mà khí nhận:\(\ |A| =
F.d = 40 \times 0,25 = 10\ J\) \(\Longrightarrow A = 10\ J\)
Độ biến thiên nội năng của khối khí: \(\mathrm{\Delta}U = Q + A = 40 + 10 = 50\ J >
0\).
Vậy nội năng của khí tăng thêm 50J.
Dạng III. Tính độ biến thiên nội năng của một vật đang chuyển động
Ví dụ 1: Một vật có khối lượng 1kg trượt không vận tốc ban đầu từ đỉnh xuống chân một mặt phẳng dài 21 m, nghiêng 30\({^\circ}\) so với mặt nằm ngang. Tốc độ của vật ở chân mặt phẳng là 4,1 m/s. Lấy g = 9,8 m/s2 và bỏ qua sự trao đổi nhiệt với mặt phẳng nghiêng và môi trường.
a) Công của lực ma sát trong trường hợp này bằng
A. 100,9 J. B. 94,5 J. C. – 94,5 J. D. – 100,9 J.
Hướng dẫn giải
Chọn gốc thế năng tại chân dốc, ta xét cơ năng của vật tại đỉnh dốc (vị trí 1) và chân dốc (vị trí 2):
\(W_{1} = W_{t_{1}} = mgh_{1} =
mgl.\sin{30{^\circ}};\)
\(W_{2} = W_{đ_{2}} =
\frac{1}{2}mv_{2}^{2};\)
Độ biến thiên cơ năng chính bằng công của lực không thế (lực ma sát):
\(W_{2} - W_{1} = A_{F_{ms}}\)
\(\Longrightarrow A_{F_{ms}} = \frac{1}{2}mv_{2}^{2} -mgl.\sin{30{^\circ}}\)
\(= \frac{1}{2} . 1 . {4,1}^{2} - 1 .9,8 . 21 . \sin{30{^\circ}} = - 94,5\ J.\)
b) Nội năng của vật trong quá trình này
A. tăng thêm 100,9 J. B. tăng thêm 94,5 J.
C. giảm đi 94,5 J. D. giảm đi 100,9 J.
Hướng dẫn giải
Vật đang nhận công của lực ma sát (A > 0) và không nhận thêm nhiệt lượng (Q = 0). Vậy \(\mathrm{\Delta}U = A =
94,5\ J.\)
📚 Phần tiếp theo của tài liệu đã được tổng hợp trong file đính kèm, mời bạn tải về để đọc tiếp.
------------------------------------------
Nắm vững các dạng bài tập áp dụng Định luật I của nhiệt động lực học là bước quan trọng giúp học sinh học tốt chương Nhiệt học Vật lý 12. Thông qua việc luyện tập có hệ thống, người học sẽ hiểu rõ bản chất của quá trình trao đổi năng lượng và nâng cao khả năng giải quyết các bài toán thực tế cũng như các câu hỏi trong kỳ thi THPT.
