Nội năng của một vật là tổng động năng và thế năng tương tác của các phân tử cấu tạo nên vật; nó thay đổi bằng hai cách, thực hiện công và truyền nhiệt, và nguyên lý I nhiệt động lực học viết điều đó thành ΔU = A + Q. Đây là định luật bảo toàn năng lượng áp dụng cho các quá trình nhiệt.
Phần này nằm trong chương vật lí nhiệt lớp 12 và là nền cho mọi bài về động cơ nhiệt, tủ lạnh. Chỗ khó nhất không phải công thức mà là quy ước dấu, vì sách Việt Nam và nhiều tài liệu nước ngoài viết khác nhau. Bài viết làm rõ điều đó, có ví dụ tính, và chỉ cách nhận ra khi AI đang dùng quy ước khác sách của bạn.
Nội năng gồm những gì
Các phân tử trong vật luôn chuyển động hỗn loạn, nên có động năng; chúng lại hút đẩy lẫn nhau, nên có thế năng tương tác. Tổng hai phần này, tính cho mọi phân tử, là nội năng, kí hiệu U, đơn vị jun. Động năng phân tử gắn với nhiệt độ: nhiệt độ cao thì phân tử chuyển động mạnh, động năng lớn. Thế năng tương tác gắn với khoảng cách giữa các phân tử, tức gắn với thể tích và trạng thái của chất. Vì vậy, ở mức phổ thông, nội năng phụ thuộc nhiệt độ và thể tích.
Với khí lý tưởng, mô hình bỏ qua tương tác giữa các phân tử, nên thế năng tương tác coi như bằng không và nội năng chỉ phụ thuộc nhiệt độ. Một hệ quả hay dùng trong bài tập: quá trình đẳng nhiệt của khí lý tưởng có ΔU bằng không. Khi nước đá tan ở 0 °C, nhiệt độ không đổi nhưng nội năng vẫn tăng, vì thế năng tương tác thay đổi khi cấu trúc tinh thể bị phá vỡ. Hai ví dụ này cho thấy vì sao không được đồng nhất nội năng với nhiệt độ.
Cũng cần phân biệt nội năng với cơ năng của vật. Một quả bóng đang bay có động năng chuyển động của cả quả bóng, thuộc về cơ năng; còn nội năng là năng lượng của chuyển động hỗn loạn bên trong, không liên quan tới việc cả quả bóng bay nhanh hay chậm. Khi bóng đập xuống sân và nảy thấp dần, phần cơ năng mất đi chuyển một phần thành nội năng của bóng và mặt sân, làm chúng ấm lên rất ít.
Hai cách làm thay đổi nội năng
Thực hiện công. Khi có lực tác dụng làm vật hoặc phần của vật dịch chuyển, năng lượng được chuyển ở dạng công. Chà hai bàn tay, dũa một chi tiết kim loại, bơm xe đạp liên tục, kéo một sợi dây kẽm qua lại nhiều lần ở cùng một chỗ, đều làm vật nóng lên mà không cần nguồn nóng nào. Ở đây công cơ học chuyển thành nội năng.
Truyền nhiệt. Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc, năng lượng đi từ vật nóng sang vật lạnh mà không cần lực nào làm dịch chuyển vật. Thả thìa vào cốc trà nóng, phơi quần áo dưới nắng, đặt lon nước vào tủ lạnh là ví dụ truyền nhiệt.
Kết quả có thể giống nhau. Một miếng kim loại nóng lên 5 °C, bạn không thể biết nó đã được dũa hay được nhúng vào nước nóng chỉ bằng cách đo nhiệt độ sau cùng. Nội năng là đại lượng trạng thái, chỉ phụ thuộc trạng thái hiện tại; còn công và nhiệt lượng là đại lượng quá trình, phụ thuộc cách đi từ trạng thái này sang trạng thái kia.
Điều này giải thích cách nói đúng. Được phép nói "nội năng của khí là bao nhiêu" nhưng không nói "công của khí là bao nhiêu" hay "nhiệt lượng của khí là bao nhiêu" khi không gắn với một quá trình cụ thể. Ý này đã xuất hiện ở bài nhiệt độ và nhiệt lượng trong danh mục; ở đây bạn thấy nó trở thành cơ sở của cả nguyên lý I.
Nguyên lý I và quy ước dấu: chỗ dễ nhầm nhất
Theo cách viết trong sách giáo khoa Việt Nam, nguyên lý I là ΔU = A + Q: độ biến thiên nội năng bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được. Mọi thứ phụ thuộc vào dấu, nên bạn ghi nhớ bảng sau.
| Đại lượng | Dương khi | Âm khi |
|---|---|---|
| Q, nhiệt lượng | Vật nhận nhiệt từ bên ngoài | Vật truyền nhiệt ra bên ngoài |
| A, công | Vật nhận công, ví dụ khí bị nén | Vật thực hiện công lên bên ngoài, ví dụ khí giãn nở đẩy pít-tông |
| ΔU, biến thiên nội năng | Nội năng tăng | Nội năng giảm |
Nhiều sách và trang web quốc tế viết ΔU = Q − W, trong đó W là công mà hệ thực hiện lên bên ngoài. Hai cách viết tương đương, chỉ khác dấu của chữ chỉ công: W của họ bằng âm A của sách Việt Nam. Chatbot học từ cả hai nguồn nên có lúc trả lời theo cách quốc tế. Khi thấy dấu trừ trước công, bạn hỏi lại: "Bạn đang dùng quy ước nào? Viết lại theo ΔU = A + Q, với A dương khi vật nhận công."
Một mẹo kiểm: khí giãn nở đẩy pít-tông lên thì khí mất năng lượng cho bên ngoài, nên phần công phải làm nội năng giảm. Nếu phép tính của bạn cho thấy giãn nở làm nội năng tăng mà không có nhiệt nào vào, dấu đã sai.
Ví dụ giả định với khí trong xi lanh
Ba ví dụ dưới dùng quy ước sách Việt Nam. Bạn tự xác định dấu trước khi xem phép tính.
- Khí nhận nhiệt và giãn nở. Khí trong xi lanh nhận 500 J nhiệt lượng và đẩy pít-tông, thực hiện công 200 J lên bên ngoài. Q = +500 J, A = −200 J. ΔU = −200 + 500 = 300 J. Nội năng tăng 300 J.
- Nén nhanh, toả ít nhiệt. Người ta nén khí, thực hiện lên khí công 150 J, trong lúc đó khí toả ra ngoài 30 J. A = +150 J, Q = −30 J. ΔU = 150 − 30 = 120 J. Khí nóng lên, đúng với cảm giác thân bơm ấm lên khi bơm nhanh.
- Đẳng nhiệt của khí lý tưởng. Khí giãn nở chậm ở nhiệt độ không đổi, thực hiện công 80 J. Vì nội năng khí lý tưởng chỉ phụ thuộc nhiệt độ nên ΔU = 0, suy ra Q = −A = 80 J. Khí phải nhận đúng 80 J nhiệt để giữ nhiệt độ.
- Kiểm bằng lời. Sau mỗi ví dụ, nói thành câu: "khí nhận bao nhiêu, mất bao nhiêu, còn lại bao nhiêu". Câu văn hợp lý thì dấu đúng.
Với ví dụ thứ ba, học sinh hay viết Q = A = −80 J vì nhầm dấu. Câu kiểm bằng lời giúp bạn tránh: khí mất 80 J vì sinh công, nội năng không đổi, vậy khí phải được bù 80 J nhiệt từ bên ngoài, nên Q dương.
Động cơ nhiệt và hiệu suất
Động cơ nhiệt là thiết bị biến một phần nhiệt lượng thành công. Cấu tạo nguyên tắc gồm ba phần: nguồn nóng cấp nhiệt lượng Q₁, chất công tác, thường là khí, nhận nhiệt rồi giãn nở sinh công A, và nguồn lạnh nhận phần nhiệt Q₂ còn thừa. Theo bảo toàn năng lượng sau mỗi chu trình, A = Q₁ − Q₂. Hiệu suất H bằng A chia Q₁. Ví dụ giả định: mỗi chu trình động cơ nhận 1000 J từ nguồn nóng, thải 700 J ra nguồn lạnh, thì A = 300 J và H = 30 %.
Điều đáng nhớ là không động cơ nhiệt nào chuyển được toàn bộ nhiệt lượng thành công; luôn phải thải một phần ra nguồn lạnh. Đây là nội dung của nguyên lý II nhiệt động lực học, mức độ học tuỳ bộ sách. Ở dạng mở rộng, hiệu suất tối đa về lý thuyết của động cơ hoạt động giữa nguồn nóng T₁ và nguồn lạnh T₂, tính bằng kelvin, là 1 − T₂/T₁. Với T₁ = 500 K và T₂ = 300 K, hiệu suất tối đa là 1 − 0,6 = 0,4, tức 40 %. Động cơ thật luôn thấp hơn mức này vì ma sát và hao phí.
Xe máy, ô tô chạy xăng dầu, nhà máy nhiệt điện là động cơ nhiệt. Khi bạn đặt tay gần ống xả, phần nhiệt cảm nhận được chính là Q₂ bị thải ra. Tủ lạnh làm việc theo chiều ngược lại: nhận công để đưa nhiệt từ chỗ lạnh ra chỗ nóng, được phân tích trong bài về nhiệt trong bếp và tủ lạnh của danh mục này.
Từ thí nghiệm của Joule tới quan sát an toàn ở nhà
Ý tưởng công có thể biến thành nội năng ngày nay nghe hiển nhiên, nhưng từng phải được chứng minh bằng thí nghiệm. Vào thế kỷ 19, nhà vật lý người Anh James Prescott Joule dùng một vật nặng rơi xuống kéo cánh khuấy quay trong thùng nước cách nhiệt. Nước nóng lên rất ít, nhưng đo cẩn thận thì độ tăng nhiệt độ tỉ lệ với công mà vật nặng thực hiện. Từ đó người ta thấy công và nhiệt là hai cách chuyển cùng một thứ: năng lượng. Đơn vị jun mang tên ông.
Bạn có thể quan sát cùng ý tưởng ấy mà không cần dụng cụ đặc biệt. Lấy một đoạn dây thép mảnh loại dùng buộc đồ, gập qua gập lại nhanh ở cùng một chỗ chừng hai mươi lần, rồi chạm nhẹ chỗ gập vào mu bàn tay: chỗ đó ấm lên rõ. Đầu dây có thể sắc, nên đeo găng tay hoặc nhờ người lớn làm cùng. Cách thứ hai an toàn hơn cho em nhỏ: cho một nắm cát khô vào chai nhựa có nắp, đo nhiệt độ cát bằng nhiệt kế, lắc mạnh liên tục vài phút rồi đo lại. Độ tăng nhỏ, có khi chỉ khoảng một độ, nên cần nhiệt kế đủ nhạy và đo nhanh.
Sau khi làm, bạn mô tả lại cho AI bằng lời và hỏi: "Trong quan sát này, A và Q mang dấu gì, nội năng đi từ đâu tới đâu, vì sao cát chỉ nóng lên rất ít dù mình lắc rất mệt?" Câu hỏi cuối dẫn tới một ý hay: năng lượng cơ thể bạn tiêu tốn phần lớn biến thành nhiệt trong chính cơ thể, chỉ một phần nhỏ thành công lắc cát, và cát lại có khối lượng đáng kể nên mỗi độ tăng cần khá nhiều năng lượng.
Luyện với AI: xác định dấu trong tình huống
Kỹ năng then chốt là nhìn tình huống và gán đúng dấu cho A và Q. Đây là dạng luyện rất hợp với chatbot vì nó ra được vô số tình huống. Câu lệnh gợi ý: "Theo quy ước ΔU = A + Q, A dương khi vật nhận công, Q dương khi vật nhận nhiệt, cho mình tám tình huống đời thường. Mình sẽ tự ghi dấu của A, Q và cho biết nội năng tăng hay giảm. Chưa đưa đáp án." Một vài tình huống mẫu để bạn tự thử:
- Không khí trong bơm xe đạp khi bạn ấn nhanh pít-tông xuống.
- Hơi nước trong nồi đẩy nắp nồi bật lên.
- Lon nước ngọt đặt vào ngăn mát tủ lạnh.
- Khí trong lốp xe khi xe chạy lâu trên đường nắng.
- Chất khí xịt ra từ bình xịt, làm thân bình lạnh đi.
- Miếng sắt được dũa liên tục.
Với tình huống bình xịt, nhiều bạn và cả chatbot giải thích chưa đủ ý. Gợi ý: khí trong bình giãn nở nhanh khi thoát ra, sinh công đẩy không khí xung quanh, gần như không kịp nhận nhiệt, nên nội năng giảm và nhiệt độ giảm. Khi AI và bạn lệch nhau ở tình huống nào, bạn yêu cầu nó trình bày lập luận theo đúng ba bước: ai nhận công, ai nhận nhiệt, nội năng đi đâu.
Câu hỏi thường gặp
Nội năng và nhiệt lượng khác nhau thế nào?
Nội năng là năng lượng bên trong vật ở một trạng thái, giống như số dư tài khoản. Nhiệt lượng là phần năng lượng truyền vào hoặc ra trong một quá trình do chênh lệch nhiệt độ, giống như một lần chuyển khoản. Nội năng thay đổi được cả bằng truyền nhiệt lẫn bằng thực hiện công.
Vì sao có sách viết ΔU = Q − W?
Đó là quy ước khác, trong đó W là công do hệ thực hiện lên bên ngoài. Khi khí giãn nở, W dương và nội năng giảm vì dấu trừ. Theo sách Việt Nam, A là công vật nhận, nên A bằng âm W. Hai cách cho cùng kết quả nếu dùng nhất quán.
Quá trình đẳng nhiệt có trao đổi nhiệt không?
Có. Với khí lý tưởng, đẳng nhiệt nghĩa là nội năng không đổi, nhưng khí vẫn có thể sinh hoặc nhận công. Khi đó nhiệt lượng trao đổi bằng đúng độ lớn của công, ngược dấu. Đẳng nhiệt không có nghĩa là không có nhiệt đi vào hay đi ra.
Có động cơ nào hiệu suất 100 % không?
Không có động cơ nhiệt nào đạt 100 %, vì luôn phải thải một phần nhiệt ra nguồn lạnh, và còn hao phí do ma sát. Hiệu suất tối đa về lý thuyết phụ thuộc nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh; động cơ thật luôn thấp hơn mức đó.
Làm sao biết AI đang dùng quy ước dấu nào?
Nhìn công thức nó viết. Nếu thấy dấu trừ trước công hoặc chữ W kèm câu "công do hệ thực hiện", đó là quy ước quốc tế. Bạn yêu cầu nó viết lại theo ΔU = A + Q của sách Việt Nam, rồi kiểm lại từng dấu bằng câu nói "nhận bao nhiêu, mất bao nhiêu".