Nội năng là gì tại sao xoa tay lại ấm đun nước lại nóng

Bạn có bao giờ tự hỏi tại sao khi xoa hai bàn tay vào nhau lại thấy ấm lên không? Hay đơn giản là đun một ấm nước, năng lượng đã đi đâu và làm thay đổi cái gì bên trong nước? Trong thế giới vật lý, có một loại năng lượng "ẩn" bên trong mọi vật, liên quan đến chuyển động và tương tác của các phân tử cấu tạo nên nó. Đó chính là nội năng. Nhưng làm thế nào để đo lường sự thay đổi của nó, và những yếu tố nào có thể khiến nội năng của một vật biến đổi?

Hiểu rõ nội năng và những yếu tố chi phối

Khi nói về năng lượng của một vật, chúng ta thường nghĩ ngay đến việc nó đang di chuyển nhanh hay chậm (động năng), hoặc nó đang ở vị trí cao hay thấp (thế năng). Nhưng ít ai để ý đến một loại năng lượng cực kỳ quan trọng, nằm sâu bên trong chính vật chất đó – đó là nội năng. Hãy tưởng tượng nội năng như tổng số "năng lượng ẩn giấu" của tất cả các hạt nhỏ bé tạo nên vật ấy, từ nguyên tử, phân tử cho đến các ion.

Nội năng không phải là năng lượng của cả vật khi nó chuyển động hay tương tác với môi trường bên ngoài theo kiểu vĩ mô. Nó là năng lượng của cái "thế giới tí hon" bên trong. Cụ thể hơn, nội năng chính là tổng cộng của hai loại năng lượng chính ở cấp độ vi mô:

• Động năng của các phân tử: Các hạt này không bao giờ đứng yên cả! Chúng luôn chuyển động hỗn loạn, va chạm vào nhau và vào thành bình. Động năng này bao gồm chuyển động tịnh tiến (di chuyển từ chỗ này sang chỗ khác), chuyển động quay (xoay tròn) và thậm chí là chuyển động rung động (các nguyên tử trong phân tử rung lắc quanh vị trí cân bằng).
• Thế năng tương tác giữa các phân tử: Giữa các phân tử luôn tồn tại những lực hút hoặc lực đẩy. Thế năng này phụ thuộc vào khoảng cách và cách sắp xếp của chúng. Nó giống như thế năng hấp dẫn giữa hai vật thể, nhưng ở đây là giữa các hạt cực nhỏ.

Vậy, nội năng của một vật phụ thuộc vào những gì? Câu trả lời không đơn giản chỉ là một hay hai yếu tố, mà nó còn tùy thuộc vào trạng thái vật chất của vật đó (rắn, lỏng, khí).

Với chất khí lý tưởng, mọi thứ khá đơn giản. Các phân tử được coi là không tương tác với nhau (thế năng tương tác bằng không), nên nội năng của chúng chỉ phụ thuộc vào tổng động năng của các phân tử. Mà động năng trung bình của phân tử lại tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của khối khí. Vì vậy, nội năng của khí lý tưởng chỉ là một hàm của nhiệt độ mà thôi. Nhiệt độ càng cao, phân tử chuyển động càng nhanh, nội năng càng lớn.

Nhưng với chất khí thực, chất lỏng và chất rắn, câu chuyện phức tạp hơn một chút. Các phân tử/nguyên tử trong những trạng thái này tương tác với nhau khá mạnh. Lúc này, nội năng không chỉ phụ thuộc vào động năng (liên quan đến nhiệt độ) mà còn phụ thuộc đáng kể vào thế năng tương tác giữa chúng. Thế năng này lại bị ảnh hưởng bởi khoảng cách giữa các hạt, và khoảng cách này thay đổi khi thể tích của vật thay đổi.

Do đó, đối với chất thực, nội năng thường là hàm của cả nhiệt độ và thể tích. Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi động năng, còn thay đổi thể tích (hoặc áp suất, vì áp suất liên quan đến thể tích và nhiệt độ) làm thay đổi khoảng cách giữa các hạt, từ đó làm thay đổi thế năng tương tác. Ngoài ra, đối với chất rắn, cấu trúc tinh thể hay cách sắp xếp của các nguyên tử cũng ảnh hưởng đến thế năng tương tác và do đó ảnh hưởng đến nội năng.

Tóm lại, nội năng là kho năng lượng tiềm tàng bên trong vật chất, là tổng hòa của sự chuyển động và tương tác của các hạt vi mô. Nó là một đại lượng trạng thái, nghĩa là chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của vật (thông qua nhiệt độ, thể tích, cấu trúc…), chứ không phụ thuộc vào cách vật đạt được trạng thái đó.

Biến thiên nội năng Điều cốt lõi cần nắm

Nội năng của một vật, như chúng ta đã biết, là tổng năng lượng "ẩn giấu" bên trong, bao gồm động năng và thế năng của vô vàn phân tử cấu tạo nên nó. Tưởng tượng xem, để biết chính xác con số nội năng tuyệt đối của một cục sắt hay một cốc nước ở một thời điểm bất kỳ khó khăn đến mức nào! Nó đòi hỏi phải tính toán năng lượng của từng hạt, một nhiệm vụ gần như bất khả thi trong thực tế.

May mắn thay, trong thế giới vật lý, đặc biệt là nhiệt động lực học, điều chúng ta thực sự quan tâm và có thể đo lường, tính toán được không phải là nội năng là bao nhiêu, mà là nó thay đổi như thế nào khi vật tham gia vào một quá trình nào đó. Đây chính là lúc khái niệm độ biến thiên nội năng (hay sự biến thiên nội năng) tỏa sáng. Nó chính là thước đo sự thay đổi tổng năng lượng nội tại của hệ từ trạng thái này sang trạng thái khác.

Độ biến thiên nội năng được ký hiệu bằng chữ Hy Lạp delta (∆) đứng trước chữ U, tức là ∆U. Ký hiệu này nói lên điều gì? Rất đơn giản:

• Nếu ∆U > 0: Điều này có nghĩa là nội năng của hệ đã tăng lên. Hệ đã nhận thêm năng lượng dưới dạng nội năng, có thể do được làm nóng lên hoặc có công thực hiện lên nó.
• Nếu ∆U < 0: Ngược lại, nội năng của hệ đã giảm đi. Hệ đã mất bớt năng lượng nội tại, có thể do nguội đi hoặc thực hiện công lên môi trường xung quanh.
• Nếu ∆U = 0: Nội năng của hệ không thay đổi trong suốt quá trình. Điều này không có nghĩa là không có sự trao đổi năng lượng, mà tổng năng lượng vào và ra dưới dạng nhiệt và công đã cân bằng nhau.

Trong mọi quá trình nhiệt động, việc theo dõi và tính toán ∆U là cực kỳ quan trọng. Nó cho chúng ta biết hệ đang "tích trữ" hay "giải phóng" năng lượng nội tại, là nền tảng để hiểu và áp dụng các định luật bảo toàn năng lượng, đặc biệt là Định luật I Nhiệt động lực học. Thay vì loay hoay với con số nội năng tuyệt đối bí ẩn, chúng ta tập trung vào sự biến đổi ∆U đầy ý nghĩa này.

Nội năng thay đổi như thế nào?

Chúng ta đã cùng tìm hiểu nội năng là "kho chứa" năng lượng bí mật bên trong vật chất và biết rằng sự thay đổi của nó (ΔU) mới là điều chúng ta thường quan tâm. Nhưng làm thế nào để "can thiệp" vào kho chứa ấy, khiến nội năng tăng lên hay giảm đi? Bạn thử nghĩ xem, khi bạn xoa hai bàn tay vào nhau thật nhanh, bạn cảm thấy gì? Ấm lên đúng không? Đó chính là nội năng của bàn tay bạn đang tăng đấy! Hay khi đun nước, nước nóng dần lên cũng là nội năng tăng. Vậy, rốt cuộc có những "phép màu" nào giúp chúng ta thay đổi nội năng của một vật? Hóa ra, chỉ có hai cách cơ bản và độc lập mà thôi.

Khi ta làm việc nội năng thay đổi thế nào

Bạn biết không, nội năng của một vật không chỉ "ngồi yên" một chỗ đâu. Nó có thể thay đổi đấy, và một trong những cách phổ biến nhất để làm điều đó chính là "thực hiện công". Nghe có vẻ hơi học thuật nhỉ? Đơn giản là khi có một lực tác động lên vật và làm vật di chuyển hoặc biến dạng, tức là ta đang thực hiện công lên nó.

Hãy tưởng tượng bạn đang cọ xát hai bàn tay vào nhau thật nhanh. Bạn cảm thấy gì? Tay nóng lên đúng không? Đó chính là lúc công cơ học (lực ma sát và chuyển động) được chuyển hóa thành nội năng của các tế bào da ở tay bạn. Các phân tử trong tay bạn chuyển động nhanh hơn, va chạm mạnh hơn, và kết quả là nhiệt độ tăng lên, tức là nội năng tăng.

Hoặc khi bạn dùng bơm để bơm căng lốp xe đạp. Bạn phải dùng sức đẩy piston xuống, nén không khí lại. Công mà bạn thực hiện lên khối khí trong bơm làm các phân tử khí bị ép lại gần nhau hơn, chuyển động hỗn loạn hơn. Khối khí đó sẽ nóng lên, nội năng của nó tăng vọt. Đây là ví dụ điển hình về việc thực hiện công lên vật làm tăng nội năng.

Ngược lại, vật cũng có thể thực hiện công lên môi trường và làm nội năng của nó giảm đi. Chẳng hạn, khi hơi nước nóng trong xi lanh đẩy piston lên (như trong động cơ hơi nước cũ), hơi nước đã thực hiện công lên piston. Năng lượng của hơi nước bị hao hụt để làm công đó, khiến nội năng của nó giảm xuống và nhiệt độ hơi nước cũng hạ đi.

Tóm lại, thực hiện công là một cách hiệu quả để "truyền" năng lượng từ dạng cơ học (hoặc đôi khi là điện, như dùng máy khuấy) vào bên trong vật, biến nó thành nội năng, hoặc ngược lại, vật dùng nội năng của mình để thực hiện công lên bên ngoài. Quá trình này là sự chuyển hóa năng lượng trực tiếp, không cần qua trung gian "nóng" hay "lạnh" như truyền nhiệt.

Truyền Nhiệt: Dòng Chảy Năng Lượng Tự Nhiên

Nếu như thực hiện công là cách chúng ta dùng lực tác động để "ép" năng lượng biến đổi, thì truyền nhiệt lại là một câu chuyện hoàn toàn khác. Đây là quá trình năng lượng nội tại của vật tự động dịch chuyển, một cách rất "tự nhiên", từ nơi có nhiệt độ cao hơn sang nơi có nhiệt độ thấp hơn. Bạn hình dung thế này, nó giống như nước luôn chảy từ chỗ cao xuống chỗ trũng vậy đó, chẳng cần ai đẩy hay kéo cả.

Điều đặc biệt ở đây là trong suốt quá trình truyền nhiệt, không hề có sự thực hiện công theo nghĩa cơ học hay điện. Năng lượng chỉ đơn giản là "chảy" qua lại giữa các vật hoặc các phần của một vật do sự chênh lệch nhiệt độ. Từng phân tử ở vùng nóng rung động mạnh hơn, va chạm và truyền bớt năng lượng cho các phân tử ở vùng lạnh hơn, cứ thế lan dần.

Vậy làm sao để đo được cái "dòng chảy" năng lượng này? Người ta dùng khái niệm Nhiệt lượng, ký hiệu là Q. Nhiệt lượng chính là số đo phần năng lượng nội tại mà vật nhận thêm hay mất đi trong quá trình truyền nhiệt. Khi vật nhận nhiệt lượng (Q > 0), nội năng của nó tăng lên. Ngược lại, khi vật tỏa nhiệt lượng (Q < 0), nội năng của nó giảm xuống.

Đơn giản vậy thôi, truyền nhiệt là con đường năng lượng nội tại "đi lại" giữa các vật chỉ vì chúng không cùng nhiệt độ, không cần bất kỳ ai phải "làm việc" cả. Và Nhiệt lượng (Q) chính là "số vé" ghi lại lượng năng lượng đã di chuyển trên con đường này.

Tính toán nhiệt lượng thu vào hoặc tỏa ra đơn giản thế nào

Khi một vật rắn hoặc lỏng nóng lên hay nguội đi mà không thay đổi trạng thái (như nóng chảy hay bay hơi), lượng nhiệt nó trao đổi với môi trường tuân theo một công thức rất quen thuộc. Đây chính là cách chúng ta định lượng sự truyền năng lượng qua nhiệt, một trong hai "con đường" chính làm thay đổi nội năng mà ta đã bàn.

Công thức đó trông thế này:

Q = mc∆t

Ngắn gọn vậy thôi, nhưng nó chứa đựng cả một quá trình truyền năng lượng đấy. Giờ thì "mổ xẻ" từng thành phần trong công thức này nhé.

• Q: Đây chính là Nhiệt lượng mà vật thu vào (khi nóng lên) hoặc tỏa ra (khi nguội đi). Nếu Q dương, nghĩa là vật đang "hút" năng lượng từ ngoài vào. Nếu Q âm, vật đang "nhả" năng lượng ra môi trường xung quanh. Đơn vị thông dụng nhất của nhiệt lượng trong hệ SI là Joule (J), hoặc đôi khi bạn sẽ gặp đơn vị cũ hơn là Calo (cal). Nhớ là 1 calo xấp xỉ 4,18 J nhé.

• m: Đại lượng này đơn giản là khối lượng của vật. Vật càng nặng thì cần nhiều nhiệt hơn để nóng lên một mức độ nhất định, hoặc tỏa ra nhiều nhiệt hơn khi nguội đi. Đơn vị thường dùng là kilogam (kg), hoặc đôi khi là gam (g) tùy theo đơn vị của các đại lượng khác trong bài toán.

• c: Đây là một "nhân vật" đặc trưng cho từng loại vật liệu, gọi là Nhiệt dung riêng. Nó cho biết cần bao nhiêu năng lượng (nhiệt lượng) để làm cho một đơn vị khối lượng của chất đó tăng lên một độ nhiệt độ. Ví dụ, nhiệt dung riêng của nước lỏng khá cao, khoảng 4200 J/kg.K (hoặc J/kg.°C), nghĩa là cần tới 4200 Joule để làm 1 kg nước nóng thêm 1 độ C. Trong khi đó, sắt chỉ khoảng 460 J/kg.K. Chính vì thế mà nồi nước nóng lâu hơn nồi sắt trên bếp đấy! Đơn vị của nhiệt dung riêng thường là J/kg.K hoặc J/kg.°C.

• ∆t: Ký hiệu này đọc là "delta t", nó biểu thị độ biến thiên nhiệt độ. Đơn giản là lấy nhiệt độ lúc sau trừ đi nhiệt độ lúc đầu: ∆t = t_sau – t_đầu. Nếu vật nóng lên, t_sau lớn hơn t_đầu, nên ∆t dương. Nếu vật nguội đi, t_sau nhỏ hơn t_đầu, nên ∆t âm. Đơn vị của ∆t có thể là độ C (°C) hoặc Kelvin (K). May mắn là độ lớn của 1 độ C bằng độ lớn của 1 Kelvin, nên khi tính độ biến thiên nhiệt độ thì dùng đơn vị nào cũng cho cùng một giá trị số, miễn là nhất quán trong cả bài toán.

Công thức Q = mc∆t chỉ áp dụng khi vật không đổi trạng thái. Nếu có sự nóng chảy, đông đặc, bay hơi hay ngưng tụ, sẽ cần thêm các công thức liên quan đến nhiệt nóng chảy riêng hay nhiệt hóa hơi riêng nữa. Nhưng với chất rắn và lỏng chỉ đơn thuần thay đổi nhiệt độ, công thức này là "người bạn" đắc lực giúp ta tính toán lượng năng lượng trao đổi qua con đường truyền nhiệt.

Định luật Bảo toàn Năng lượng trong Nhiệt động lực học

À há! Sau khi lượn một vòng quanh thế giới nội năng và cách "biến hóa" nó bằng công hay nhiệt, giờ là lúc chúng ta gặp gỡ một trong những "ông lớn" của vật lý: Định luật I Nhiệt động lực học. Đừng nghe tên thấy "nhiệt động lực học" mà sợ, nguyên lý này đơn giản lắm, nó chỉ là một cách nói khác, "khoa học" hơn, của định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng mà thôi.

Nói một cách dễ hiểu nhất, định luật này "phán" rằng: độ biến thiên nội năng của một vật hay một hệ (tức là nó tăng lên hay giảm đi bao nhiêu) chính là tổng của công mà vật nhận được (hoặc thực hiện) và nhiệt lượng mà vật nhận được (hoặc tỏa ra). Nghe có vẻ hơi "xoắn não" một tí, nhưng cứ hình dung thế này: nội năng của bạn giống như số tiền trong ví. Tiền trong ví tăng lên hay giảm đi là do bạn nhận được tiền (như nhận lương, nhận quà) hoặc chi tiền (mua sắm, trả nợ). Trong vật lý, "nhận tiền" chính là nhận công hoặc nhận nhiệt, còn "chi tiền" là thực hiện công hoặc tỏa nhiệt.

Công thức "vàng" của định luật này trông thế này:

ΔU = A + Q

Trong đó:

• ΔU (đọc là delta U) là độ biến thiên nội năng của hệ. Nếu ΔU dương, nội năng tăng; nếu ΔU âm, nội năng giảm.
• A là công.
• Q là nhiệt lượng.

Quan trọng nhất là cái "quy ước dấu" cho A và Q nè, dễ nhầm lẫn lắm nha:

• Đối với Nhiệt lượng (Q):

  • Nếu hệ nhận nhiệt lượng từ môi trường (được "sưởi ấm" chẳng hạn), Q mang dấu dương (+). Năng lượng đi vào hệ.
  • Nếu hệ truyền nhiệt lượng ra môi trường (bị "nguội đi"), Q mang dấu âm (-). Năng lượng đi ra khỏi hệ.

• Đối với Công (A):

  • Nếu môi trường thực hiện công lên hệ (ví dụ, bạn nén khí trong xi lanh), A mang dấu dương (+). Năng lượng đi vào hệ dưới dạng công.
  • Nếu hệ thực hiện công lên môi trường (ví dụ, khí trong xi lanh nở ra đẩy piston), A mang dấu âm (-). Năng lượng đi ra khỏi hệ dưới dạng công.

Tóm lại, công thức ΔU = A + Q nói rằng, sự thay đổi nội năng của hệ chỉ phụ thuộc vào tổng năng lượng mà nó trao đổi với môi trường dưới hai dạng: công và nhiệt. Năng lượng không tự nhiên sinh ra hay mất đi, nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác mà thôi. Đây chính là trái tim của định luật bảo toàn năng lượng áp dụng cho các quá trình nhiệt. Hiểu được quy luật này, bạn đã nắm trong tay chìa khóa để giải mã rất nhiều hiện tượng thú vị xung quanh mình rồi đấy!

Áp dụng Định luật I qua ví dụ cụ thể

Mình đã cùng nhau tìm hiểu Định luật I Nhiệt động lực học là gì rồi đúng không? Nó chính là kim chỉ nam cho thấy năng lượng được bảo toàn trong các quá trình nhiệt động, kết nối sự thay đổi nội năng (∆U) với công (A) và nhiệt lượng (Q) qua công thức đơn giản mà quyền năng:

∆U = A + Q

Giờ thì không lý thuyết suông nữa, mình cùng thử "xắn tay áo" áp dụng công thức này vào một bài toán cụ thể xem sao nhé! Đây là cách tốt nhất để thấy nó hoạt động thế nào trong thực tế.

Nhưng khoan đã, trước khi lao vào tính toán, nhớ lại cái vụ quy ước dấu một chút nha. Cái này quan trọng lắm, sai dấu là đi tong hết công sức đấy:

• Công (A):
  • Nếu hệ nhận công (tức là có lực bên ngoài tác động lên hệ, làm hệ bị nén chẳng hạn): A > 0 (dương).
  • Nếu hệ thực hiện công (tức là hệ tự giãn nở, đẩy piston ra chẳng hạn): A < 0 (âm).
• Nhiệt lượng (Q):
  • Nếu hệ nhận nhiệt từ môi trường (hệ nóng lên): Q > 0 (dương).
  • Nếu hệ truyền nhiệt ra môi trường (hệ nguội đi): Q < 0 (âm).

Nắm chắc quy ước dấu rồi thì mình vào bài tập minh họa nè.

Bài toán:

Giả sử mình có một khối khí đang ở trạng thái cân bằng. Người ta thực hiện một quá trình nén khối khí này, làm cho khối khí nhận được một lượng công là 300 J. Trong quá trình nén đó, khối khí đồng thời tỏa ra môi trường xung quanh một lượng nhiệt là 70 J. Hãy xác định độ biến thiên nội năng của khối khí trong quá trình này.

Lời giải chi tiết:

Đầu tiên, mình cần xác định các đại lượng đã cho và dấu của chúng theo quy ước:

1. Công (A): Đề bài nói người ta thực hiện công lên khối khí, tức là khối khí nhận công. Theo quy ước, công mà hệ nhận có giá trị dương.
   Vậy: A = +300 J.

2. Nhiệt lượng (Q): Đề bài nói khối khí tỏa ra môi trường một lượng nhiệt. Theo quy ước, nhiệt lượng mà hệ tỏa ra có giá trị âm.
   Vậy: Q = -70 J.

Giờ thì mình chỉ việc áp dụng Định luật I Nhiệt động lực học:

∆U = A + Q

Thay các giá trị vừa xác định (cả dấu của chúng nữa nhé!) vào công thức:

∆U = (+300 J) + (-70 J)
∆U = 300 – 70
∆U = 230 J

Kết quả tính toán cho thấy độ biến thiên nội năng của khối khí là +230 J. Dấu dương của ∆U chứng tỏ nội năng của khối khí đã tăng lên một lượng là 230 Jun sau quá trình nén và tỏa nhiệt này.

Thấy chưa? Áp dụng Định luật I vào bài toán cụ thể không hề khó tí nào, chỉ cần cẩn thận xác định đúng dấu của công và nhiệt lượng dựa vào quá trình diễn ra là mọi thứ sẽ đâu vào đấy ngay! Nó giúp mình thấy rõ sự cân bằng năng lượng diễn ra như thế nào, công và nhiệt lượng "đóng góp" vào sự thay đổi nội năng ra sao.