Nội năng và cách làm thay đổi nội năng

Giải thích vì sao xoa hai bàn tay vào nhau và cầm một cốc nước nóng đều làm tay ấm lên, nhưng theo hai cơ chế vật lí khác nhau.

Khi xoa hai bàn tay, có một lực ma sát cơ học giữa hai bề mặt da tác dụng khi tay trượt lên nhau — đây chính là một lực đang thực hiện công lên hệ. (1) Khi cầm cốc nước nóng, tay chỉ tiếp xúc với thành cốc và với hơi nóng toả ra, không có lực cơ học nào làm tay biến dạng hay cọ xát. (2)

Từ (1), xoa tay làm nội năng của tay tăng theo cơ chế thực hiện công. Từ (2), cầm cốc nước nóng làm nội năng của tay tăng theo cơ chế truyền nhiệt, vì nhiệt truyền trực tiếp từ vật có nhiệt độ cao hơn (nước) sang vật có nhiệt độ thấp hơn (tay), không qua bất kỳ lực cơ học nào.

Cả hai trường hợp nội năng của tay đều tăng (tay đều ấm lên), nên không thể chỉ nhìn kết quả cuối cùng để phân biệt cơ chế — phải xét xem có lực cơ học vĩ mô tác dụng hay không.

Vậy xoa hai bàn tay thay đổi nội năng theo cơ chế thực hiện công; cầm cốc nước nóng thay đổi nội năng theo cơ chế truyền nhiệt.

Khi bơm hơi cho một chiếc lốp xe đạp bằng bơm tay, thân bơm dần nóng lên rõ rệt. Xác định cơ chế làm nội năng của không khí trong bơm tăng lên, và giải thích.

Khi bơm, pittông trong thân bơm nén khối khí lại với thể tích giảm nhanh, đồng thời khí trong bơm cọ xát với thành xi lanh. Đây là một lực cơ học (áp lực nén) đang tác dụng lên khối khí và làm nó biến dạng (thể tích giảm). (1)

Vì có một lực cơ học vĩ mô (áp lực nén của pittông) đang thực hiện công lên khối khí — không phải chỉ đơn thuần tiếp xúc nhiệt với một vật nóng hơn — nên đây là cơ chế thực hiện công, không phải truyền nhiệt. (2)

Nếu bơm chậm rãi và dừng nghỉ giữa chừng, thân bơm cũng ấm lên nhưng chậm hơn — điều đó không thay đổi cơ chế (vẫn là thực hiện công do nén khí), chỉ thay đổi tốc độ nội năng tăng lên.

Vậy khối khí trong bơm nóng lên theo cơ chế thực hiện công, do pittông nén khí và ma sát cơ học bên trong bơm.

Một khối khí trong xi lanh được nén rất nhanh, nhanh đến mức không kịp trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài. Ngay sau khi nén, nhiệt độ khí tăng lên rõ rệt. Giải thích nội năng khí tăng lên bằng cơ chế nào.

Đề đã cho biết quá trình không kịp trao đổi nhiệt với môi trường, tức không có truyền nhiệt. Nhưng có một ngoại lực nén khí lại rất nhanh — đây chính là công cơ học tác dụng lên khối khí. (1)

Từ (1), vì không có truyền nhiệt nhưng có công cơ học, nội năng khí tăng lên hoàn toàn bằng cơ chế thực hiện công — bằng chứng cho thấy một mình cơ chế thực hiện công cũng đủ làm tăng nội năng, không cần bất kỳ truyền nhiệt nào đi kèm.

Đây chính là nguyên lý nén khí trong động cơ diesel: nén khí đủ nhanh và đủ mạnh làm khí nóng lên tới nhiệt độ tự bốc cháy, nên động cơ diesel không cần bugi đánh lửa như động cơ xăng.

Vậy nội năng của khối khí tăng lên hoàn toàn theo cơ chế thực hiện công, vì quá trình nén nhanh này không có truyền nhiệt đi kèm.

Trong một nồi áp suất đậy kín đặt trên bếp, nước vừa được bếp truyền nhiệt liên tục, vừa chịu áp suất hơi ngày càng tăng bên trong nồi kín (áp suất tăng tạo ra một lực nén lên khối chất). Hai cơ chế nào đang cùng làm thay đổi nội năng của nước trong nồi?

Bếp đang truyền nhiệt trực tiếp cho đáy nồi và nước bên trong — đây là cơ chế truyền nhiệt. (1) Đồng thời, áp suất hơi tăng bên trong nồi kín tạo ra một lực nén lên khối chất — đây là cơ chế thực hiện công. (2)

Từ (1) và (2), cả hai cơ chế cùng xảy ra đồng thời, không loại trừ nhau — khác với các ví dụ đơn giản ở trên chỉ có đúng một cơ chế riêng lẻ.

Khi cả hai cơ chế cùng xảy ra, muốn tính chính xác nội năng thay đổi bao nhiêu, phải cộng gộp cả nhiệt lượng lẫn công — đây chính là nội dung của định luật I nhiệt động lực học ở bài tiếp theo.

Vậy nội năng của nước trong nồi áp suất thay đổi đồng thời theo cả hai cơ chế: truyền nhiệt (từ bếp) và thực hiện công (do áp suất nén).