1. Định luật 1 của nhiệt động lực học là gì
Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học được biểu diễn bằng công thức sau:
Q = ΔU + W
Q: Nhiệt lượng được cung cấp
ΔU: Độ tăng nội năng
W: Công thực hiện
Tuy nhiên, chỉ nhìn vào công thức thì chưa dễ hiểu, vì vậy ta sẽ giải thích bằng một ví dụ cụ thể.
Như hình minh họa bên dưới, khi giữ cố định piston và cung cấp nhiệt lượng (Q) để đun nóng xi lanh,
khí bên trong sẽ tăng nhiệt độ, làm áp suất tăng lên.
trong trường hợp này, toàn bộ nhiệt lượng cung cấp (Q) sẽ chuyển thành sự tăng nhiệt độ,
tức là sự gia tăng nội năng (đối với chất khí).
Do đó, công thức sẽ là: Q=ΔU
Tiếp theo, giả sử ta không cố định piston và cung cấp nhiệt lượng (Q).
Khi đó, chuyển động của các phân tử bên trong trở nên mạnh mẽ hơn, nhiệt độ tăng lên, không khí giãn nở và piston bắt đầu dịch chuyển.
Nói cách khác, khí bên trong đã “thực hiện công đối với môi trường bên ngoài”.
Trong trường hợp này, piston di chuyển sao cho luôn cân bằng với áp suất khí quyển (P),
nên áp suất bên trong được giữ không đổi.
Khi đó, công W được tính theo công thức: W=PΔV
(chi tiết sẽ được giải thích trong phần Sự chuyển hóa năng lượng trong nhiệt động lực học)
Như vậy, nhiệt lượng cung cấp (Q) đã được chuyển hóa thành sự gia tăng nội năng (ΔU) và công dùng để dịch chuyển piston (W):
Q=ΔU+W =ΔU+PΔV
Điều này cho thấy nhiệt và công về bản chất là cùng một dạng năng lượng, có thể chuyển hóa lẫn nhau từ “nhiệt thành công” hoặc từ “công thành nhiệt”, và trong quá trình này năng lượng luôn được bảo toàn.
Nguyên lý này được gọi là Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học.
2. Nội năng là gì
Bây giờ, chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về nội năng.
Nội năng là năng lượng mà một vật thể chứa bên trong nó.
Năng lượng bên trong của vật thể bao gồm:
- Năng lượng do chuyển động của các phân tử
- Năng lượng do lực tương tác giữa các phân tử
Tổng của hai loại năng lượng này được gọi là nội năng.
Khi nhận nhiệt, các phân tử sẽ chuyển động mạnh mẽ hơn.
Ở chất rắn và chất lỏng, các phân tử có thế năng do vị trí (do lực tương tác giữa chúng).
Tuy nhiên, ở chất khí, có thể bỏ qua thế năng do lực tương tác phân tử.
Nói cách khác, đối với chất khí, thế năng do tương tác giữa các phân tử có thể coi như bằng không.
Trong ví dụ piston đã giải thích ở phần trước, chất nhận nhiệt là khí, vì vậy có thể bỏ qua thế năng do tương tác phân tử. Do đó, trong trường hợp piston:
ΔU = động năng do chuyển động nhiệt của các phân tử
3. Kết luận
Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học khẳng định rằng: năng lượng không tự sinh ra hay mất đi, mà chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác và luôn được bảo toàn.
Trong một hệ kín, nhiệt lượng cung cấp cho hệ sẽ biến đổi thành độ biến thiên nội năng và/hoặc công mà hệ thực hiện.
Việc hiểu rõ khái niệm nội năng và sự chuyển hóa giữa nhiệt và công không chỉ giúp nắm vững nền tảng nhiệt động lực học, mà còn là cơ sở cho nhiều ứng dụng thực tế trong cơ khí, động cơ nhiệt, kỹ thuật năng lượng và đời sống hằng ngày.
