Bài học

Ôn tập nội năng và định luật I nhiệt động lực học

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em vận dụng lại kiến thức về nội năng và định luật I nhiệt động lực học để giải cả ba dạng câu hỏi của đề thi tốt nghiệp THPT 2025, khép lại toàn bộ khoá học về nhiệt độ, sự chuyển thể và nội năng.

Kiến thức nền cần nhớ

Hai bài trước đã cho em định nghĩa nội năng, hai cơ chế thay đổi nội năng, và công thức $\Delta U=Q+A$ cùng quy ước dấu của $Q$ , $A$ . Bài ôn tập này ghép các kiến thức đó vào đúng ba dạng câu hỏi của đề thi thật.

Hai bài trước đã cho em định nghĩa nội năng, hai cơ chế thay đổi nội năng, và công thức $\Delta U=Q+A$ cùng quy ước dấu của $Q$, $A$. Bài ôn tập này ghép các kiến thức đó vào đúng ba dạng câu hỏi của đề thi thật.

Khởi động

Ở Phần II của đề thi thật, một câu hỏi về định luật I thường trộn lẫn một ý đúng về công thức với một ý sai về quy ước dấu — chỉ cần nhớ nhầm A>0 là "hệ sinh công" thay vì "hệ nhận công" là mất điểm ý đó, dù các ý khác trong cùng câu vẫn làm đúng.

Kiến thức trọng tâm

Ở dạng đúng/sai, đề hay đưa ra một ý có vẻ hợp lý nhưng sai một chi tiết nhỏ — ví dụ đảo ngược quy ước dấu của $A$ , hoặc khẳng định nội năng "chỉ" thay đổi được bằng một cơ chế duy nhất trong khi thực tế có hai cơ chế. Đọc chậm và đối chiếu từng từ khóa với định nghĩa gốc — "nhận" hay "sinh", "chỉ" hay "có thể" — là cách tránh bẫy này. Một dạng bẫy khác thường gặp ở cả ba phần của đề: vì nội năng là hàm trạng thái, trong một chu trình kín (hệ quay về đúng trạng thái ban đầu), tổng $\Delta U$ của cả chu trình luôn bằng 0 dù từng giai đoạn có $Q$ , $A$ khác 0.

Với dạng trả lời ngắn ở chủ đề này, đáp số luôn là một giá trị $\Delta U$ cụ thể kèm đơn vị Jun (J) — ghi thiếu dấu âm khi nội năng giảm, hoặc quên đơn vị, đều bị tính là sai dù con số tuyệt đối tính đúng. Thói quen tốt là luôn viết rõ dấu cộng hoặc trừ ngay từ bước gán $Q$ , $A$ , để không bỏ sót dấu ở bước cộng cuối cùng.

Nội năng $U$ gồm động năng chuyển động nhiệt của phân tử (phụ thuộc nhiệt độ) và thế năng tương tác phân tử (phụ thuộc thể tích). Có hai cơ chế làm thay đổi nội năng: thực hiện công (cần một lực cơ học vĩ mô) và truyền nhiệt (dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ). Định luật I nhiệt động lực học gộp cả hai cơ chế vào một phương trình: $\Delta U=Q+A$, với quy ước $Q>0$ khi hệ nhận nhiệt, $A>0$ khi hệ nhận công. Ở dạng đúng/sai, đề hay đưa ra một ý có vẻ hợp lý nhưng sai một chi tiết nhỏ — ví dụ đảo ngược quy ước dấu của $A$, hoặc khẳng định nội năng "chỉ" thay đổi được bằng một cơ chế duy nhất trong khi thực tế có hai cơ chế. Đọc chậm và đối chiếu từng từ khóa với định nghĩa gốc — "nhận" hay "sinh", "chỉ" hay "có thể" — là cách tránh bẫy này. Một dạng bẫy khác thường gặp ở cả ba phần của đề: vì nội năng là hàm trạng thái, trong một chu trình kín (hệ quay về đúng trạng thái ban đầu), tổng $\Delta U$ của cả chu trình luôn bằng 0 dù từng giai đoạn có $Q$, $A$ khác 0. Với dạng trả lời ngắn ở chủ đề này, đáp số luôn là một giá trị $\Delta U$ cụ thể kèm đơn vị Jun (J) — ghi thiếu dấu âm khi nội năng giảm, hoặc quên đơn vị, đều bị tính là sai dù con số tuyệt đối tính đúng. Thói quen tốt là luôn viết rõ dấu cộng hoặc trừ ngay từ bước gán $Q$, $A$, để không bỏ sót dấu ở bước cộng cuối cùng.

Ví dụ

Luyện dạng trắc nghiệm nhiều lựa chọn (Phần I)

1
Nội năng của một vật phụ thuộc trực tiếp vào những yếu tố nào?
2
Theo định nghĩa, nội năng gồm động năng chuyển động nhiệt của phân tử (phụ thuộc nhiệt độ) cộng thế năng tương tác phân tử (phụ thuộc khoảng cách phân tử, tức thể tích).
3
Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật — không phụ thuộc trực tiếp vào khối lượng riêng, hình dạng, hay màu sắc bên ngoài, những đại lượng hay xuất hiện trong các phương án gây nhiễu.
4
Dạng này kiểm tra trực tiếp một định nghĩa, không cần tính toán — chỉ cần nhớ đúng và không bị phương án gây nhiễu (như "khối lượng" hay "màu sắc") đánh lừa.
5
Vậy nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.

Ví dụ

Luyện dạng đúng/sai từng ý (Phần II)

1
Xét các phát biểu sau về nội năng và định luật I nhiệt động lực học: (a) Nội năng chỉ có thể thay đổi bằng cách truyền nhiệt. (b) Khi một hệ đồng thời nhận nhiệt và nhận công, nội năng của hệ luôn tăng. (c) Trong công thức ΔU=Q+A, giá trị A>0 nghĩa là hệ thực hiện công lên môi trường bên ngoài. (d) Nếu ΔU=0 thì hệ chắc chắn không trao đổi nhiệt và không trao đổi công với môi trường.
Xét các phát biểu sau về nội năng và định luật I nhiệt động lực học: (a) Nội năng chỉ có thể thay đổi bằng cách truyền nhiệt. (b) Khi một hệ đồng thời nhận nhiệt và nhận công, nội năng của hệ luôn tăng. (c) Trong công thức ΔU=Q+A, giá trị A>0 nghĩa là hệ thực hiện công lên môi trường bên ngoài. (d) Nếu ΔU=0 thì hệ chắc chắn không trao đổi nhiệt và không trao đổi công với môi trường.
2
(a) Có hai cơ chế làm thay đổi nội năng — thực hiện công và truyền nhiệt — không phải chỉ một, nên ý (a) SAI. (b) Nếu hệ nhận cả nhiệt lẫn công thì $Q>0$ và $A>0$ , cộng hai số dương luôn ra số dương, nên $\Delta U>0$ chắc chắn — ý (b) ĐÚNG.
(a) Có hai cơ chế làm thay đổi nội năng — thực hiện công và truyền nhiệt — không phải chỉ một, nên ý (a) SAI. (b) Nếu hệ nhận cả nhiệt lẫn công thì $Q>0$ và $A>0$, cộng hai số dương luôn ra số dương, nên $\Delta U>0$ chắc chắn — ý (b) ĐÚNG.
3
(c) Theo đúng quy ước, $A>0$ nghĩa là hệ NHẬN công, không phải thực hiện công lên môi trường — ý (c) SAI. (d) Phản ví dụ: nếu $Q=120$ J và $A=-120$ J thì $\Delta U=Q+A=0$ J dù cả $Q$ và $A$ đều khác 0 — ý (d) SAI.
(c) Theo đúng quy ước, $A>0$ nghĩa là hệ NHẬN công, không phải thực hiện công lên môi trường — ý (c) SAI. (d) Phản ví dụ: nếu $Q=120$J và $A=-120$J thì $\Delta U=Q+A=0$J dù cả $Q$ và $A$ đều khác 0 — ý (d) SAI.
4
Câu này chỉ có đúng 1 ý đúng trong 4 ý — một câu Phần II khó, vì ba trong bốn ý đều là những nhầm lẫn rất phổ biến khi mới học định luật I.
5
Vậy: (a) sai, (b) đúng, (c) sai, (d) sai.

Ví dụ

Luyện dạng trả lời ngắn (Phần III)

1
Một hệ tỏa ra môi trường 220J nhiệt lượng, đồng thời nhận từ bên ngoài một công 340J. Tính độ biến thiên nội năng của hệ.
2
Hệ tỏa nhiệt nên $Q=-220$ J. (1) Hệ nhận công nên $A=+340$ J. (2)
Hệ tỏa nhiệt nên $Q=-220$J. (1) Hệ nhận công nên $A=+340$J. (2)
3
Từ (1) và (2): $\Delta U=Q+A=-220+340=120$ J.
Từ (1) và (2): $\Delta U=Q+A=-220+340=120$J.
4
Kết quả dương hợp lý vì công nhận vào (340J) lớn hơn nhiệt đã tỏa ra (220J) — phần chênh lệch ở lại làm tăng nội năng.
5
Vậy nội năng của hệ tăng thêm 120J.

Ví dụ

Luyện thêm dạng trả lời ngắn — chu trình kín

1
Một khối khí trải qua hai giai đoạn rồi quay về đúng trạng thái ban đầu: giai đoạn 1 có ΔU1=180J; giai đoạn 2 có Q2=-100J và A2=-80J. Tính ΔU2 và cho biết số liệu đề bài có hợp lý với một chu trình kín hay không.
2
$\Delta U_2=Q_2+A_2=-100+(-80)=-180$ J.
$\Delta U_2=Q_2+A_2=-100+(-80)=-180$J.
3
Vì là chu trình kín, tổng $\Delta U$ cả chu trình phải bằng 0: $\Delta U_1+\Delta U_2=180+(-180)=0$ J — đúng như tính chất hàm trạng thái đã học, nên số liệu đề bài hợp lý.
Vì là chu trình kín, tổng $\Delta U$ cả chu trình phải bằng 0: $\Delta U_1+\Delta U_2=180+(-180)=0$J — đúng như tính chất hàm trạng thái đã học, nên số liệu đề bài hợp lý.
4
Vậy $\Delta U_2=-180$ J, và chu trình này hợp lý vì tổng độ biến thiên nội năng cả chu trình bằng 0J.
Vậy $\Delta U_2=-180$J, và chu trình này hợp lý vì tổng độ biến thiên nội năng cả chu trình bằng 0J.

Ví dụ

Luyện thêm dạng trắc nghiệm — vì sao cần định luật I

1
Đun sôi nước trong nồi áp suất kín: nước vừa nhận nhiệt từ bếp, vừa bị nén do áp suất hơi tăng bên trong. Hiện tượng này minh hoạ cho điều gì về định luật I nhiệt động lực học?
2
Đây chính là trường hợp cả Q và A cùng khác 0 đồng thời (tình huống nồi áp suất đã nêu ở bài trước) — cả nhận nhiệt (Q>0) và nhận công (A>0) cùng xảy ra.
3
Định luật I gộp cả hai đóng góp này vào một phép cộng duy nhất, ΔU=Q+A, thay vì phải phân tích riêng từng cơ chế như ở bài trước khi chưa có công thức.
4
Đây là lý do định luật I ra đời: để không phải phân tích cơ chế thủ công cho từng tình huống, chỉ cần biết đúng dấu và độ lớn của Q, A là tính được ΔU ngay.
5
Vậy tình huống nồi áp suất minh hoạ đúng nội dung định luật I: cộng gộp đồng thời cả nhiệt lượng và công trao đổi.

Cùng là hệ có trao đổi cả nhiệt lẫn công, nhưng kết quả ΔU có thể dương hoặc bằng 0 tuỳ vào độ lớn tương đối của Q và A — không có một quy luật chung cho mọi trường hợp trái dấu.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

$\Delta U=Q+A$ là công cụ duy nhất cần cho cả ba dạng câu hỏi về nội năng: trắc nghiệm hỏi định nghĩa hoặc một phép tính đơn, đúng/sai kiểm tra từng chi tiết của quy ước dấu, trả lời ngắn đòi hỏi tính chính xác không có phương án để đoán.

Khoá học tiếp theo dùng chính định luật I nhiệt động lực học vừa ôn tập để xây dựng các công thức tính nhiệt lượng cụ thể — nhiệt dung riêng, nhiệt nóng chảy riêng, nhiệt hóa hơi riêng — cho phép tính chính xác Q trong những bài toán cân bằng nhiệt thực tế.