Nội năng là gì? Tổng động năng và thế năng phân tử

Năng lượng là một khái niệm cơ bản trong vật lý, xuất hiện dưới nhiều dạng khác nhau. Trong số đó, nội năng là gì là câu hỏi quan trọng để hiểu rõ hơn về các quá trình nhiệt động lực học diễn ra trong vật chất. Nội năng (ký hiệu là U) đại diện cho tổng động năng và thế năng của tất cả các phân tử cấu thành nên một vật thể hoặc một hệ thống. Khái niệm này bao gồm mọi dạng năng lượng tồn tại bên trong vật chất, từ động năng chuyển động hỗn loạn của các phân tử, thế năng phát sinh từ tương tác giữa chúng, đến năng lượng liên kết hóa học. Tuy nhiên, nội năng không tính đến động năng hay thế năng của toàn bộ hệ thống khi hệ đó di chuyển trong một trường lực bên ngoài. Giá trị nội năng của một vật thường phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thể tích của vật đó.

Bản chất của nội năng: Động năng và thế năng vi mô

Để hình dung rõ hơn nội năng là gì, ta cần đi sâu vào cấu trúc vi mô của vật chất. Một vật thể, dù là rắn, lỏng hay khí, đều được tạo thành từ vô số các phân tử và nguyên tử. Các hạt này không đứng yên mà liên tục chuyển động.

Động năng của các phân tử

Mỗi phân tử trong vật chất đều sở hữu động năng do chuyển động. Trong chất khí, các phân tử chuyển động tự do với tốc độ lớn, va chạm liên tục vào nhau và vào thành bình. Trong chất lỏng, các phân tử chuyển động linh hoạt hơn chất rắn nhưng vẫn bị ràng buộc bởi lực liên kết. Trong chất rắn, các nguyên tử và phân tử dao động quanh các vị trí cân bằng cố định. Tổng động năng của tất cả các phân tử này chính là một phần quan trọng của nội năng và thường được gọi là nhiệt năng. Nhiệt độ của vật chất càng cao, động năng trung bình của các phân tử càng lớn, và do đó, nhiệt năng (hay một phần của nội năng) cũng tăng lên.

Thế năng tương tác giữa các phân tử

Bên cạnh động năng, các phân tử trong vật chất còn tương tác với nhau thông qua lực hút và lực đẩy. Các lực này tạo ra thế năng tương tác giữa các phân tử. Khi các phân tử ở gần nhau, lực hút van der Waals hoặc lực liên kết hóa học có thể xuất hiện, làm giảm thế năng. Ngược lại, khi chúng quá gần, lực đẩy sẽ chiếm ưu thế, làm tăng thế năng. Sự thay đổi khoảng cách giữa các phân tử (ví dụ, khi vật chất giãn nở hoặc co lại) sẽ làm thay đổi thế năng tương tác này.

Ví dụ, khi một khối đồng nóng chảy từ thể rắn sang thể lỏng ở nhiệt độ không đổi, động năng trung bình của các phân tử đồng không đổi đáng kể, nhưng thế năng tương tác giữa chúng tăng lên do các liên kết bị phá vỡ, làm tăng nội năng của khối đồng.

Các dạng năng lượng khác cấu thành nội năng

Ngoài động năng và thế năng tương tác giữa các phân tử, nội năng còn bao gồm các dạng năng lượng vi mô khác như:

• Năng lượng liên kết hóa học: Năng lượng được lưu trữ trong các liên kết hóa học giữa các nguyên tử trong một phân tử. Khi các phản ứng hóa học xảy ra, các liên kết cũ bị phá vỡ và các liên kết mới được hình thành, dẫn đến sự thay đổi nội năng của hệ.
• Năng lượng hạt nhân: Năng lượng liên kết các hạt trong hạt nhân nguyên tử. Tuy nhiên, năng lượng hạt nhân thường không thay đổi trong các quá trình vật lý và hóa học thông thường, nên ít khi được xét đến khi nói về sự biến thiên nội năng trong nhiệt động lực học.

Đặc điểm nổi bật của nội năng

Hiểu rõ nội năng là gì còn đòi hỏi việc nắm vững các đặc điểm cơ bản của nó:

• Biểu hiện cụ thể: Nội năng được thể hiện dưới dạng nhiệt năng (tức là tổng động năng của các phân tử) cùng với thế năng phân tử, vốn là kết quả của sự tương tác lẫn nhau giữa chúng.
• Phụ thuộc vào trạng thái: Nội năng chịu ảnh hưởng trực tiếp từ các thông số trạng thái của hệ, đặc biệt là nhiệt độ và thể tích hiện tại của vật. Đối với một lượng khí lý tưởng xác định, nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Với các chất thực, nội năng còn phụ thuộc vào thể tích. Chẳng hạn, một bình khí ga mini dùng để nấu lẩu ở nhiệt độ phòng sẽ có nội năng khác so với cùng một lượng khí đó được nén trong bình với thể tích nhỏ hơn, dù nhiệt độ có thể tương đương.
• Không đo lường trực tiếp: Không thể xác định giá trị tuyệt đối của nội năng một cách trực tiếp. Thay vào đó, sự quan tâm được đặt vào biến thiên nội năng (ΔU), biểu thị sự thay đổi nội năng khi hệ trải qua một quá trình biến đổi nhất định. Điều này giống như việc chúng ta không thể đo độ cao tuyệt đối của một ngọn núi từ tâm Trái Đất, nhưng có thể dễ dàng đo sự thay đổi độ cao khi leo từ chân núi lên đỉnh.
• Hàm trạng thái: Nội năng là một hàm trạng thái, nghĩa là giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của hệ (được xác định bởi các thông số như nhiệt độ, áp suất, thể tích) chứ không phụ thuộc vào quá trình mà hệ đạt được trạng thái đó. Nếu một hệ bắt đầu từ trạng thái A và kết thúc ở trạng thái B, biến thiên nội năng ΔU sẽ luôn giống nhau, bất kể quá trình biến đổi có phức tạp đến đâu.

Phương thức thay đổi nội năng

Nội năng của một vật có thể được biến đổi thông qua hai cơ chế chính, được mô tả trong Định luật I Nhiệt động lực học:

1. Thực hiện công (A)

Nội năng có thể thay đổi khi có công được thực hiện lên hệ hoặc hệ thực hiện công lên môi trường.

• Công do lực bên ngoài tác dụng lên hệ: Khi một lực bên ngoài tác dụng lên hệ và làm hệ thay đổi thể tích, công được thực hiện lên hệ. Ví dụ, khi bạn dùng bơm để nén không khí vào lốp xe máy, bạn đang thực hiện công lên khối khí. Công này làm tăng nội năng của khối khí, khiến nó nóng lên. Tương tự, trong động cơ đốt trong của xe máy Honda Wave, quá trình nén hỗn hợp nhiên liệu và không khí bởi piston làm tăng nội năng của hỗn hợp đó.
• Hệ thực hiện công lên môi trường: Khi hệ tự giãn nở và đẩy lùi môi trường xung quanh, hệ thực hiện công lên môi trường. Ví dụ, khí nóng trong động cơ xe máy giãn nở và đẩy piston, thực hiện công cơ học để làm quay trục khuỷu. Công này làm giảm nội năng của khí.

Công được tính bằng công thức A = F.d (lực nhân quãng đường) hoặc trong nhiệt động lực học, A = -PΔV (áp suất nhân biến thiên thể tích) đối với quá trình đẳng áp.

2. Truyền nhiệt (Q)

Truyền nhiệt là quá trình chuyển dịch nhiệt lượng từ một vật sang vật khác do sự chênh lệch nhiệt độ.

• Hệ nhận nhiệt: Khi một hệ nhận nhiệt từ môi trường nóng hơn, nội năng của hệ tăng lên. Ví dụ, khi bạn đun sôi nước trong ấm đun nước điện, nhiệt lượng từ điện trở được truyền vào nước, làm tăng nội năng của nước và khiến nó nóng lên đến sôi. Một cốc cà phê sữa đá đặt trong phòng ở nhiệt độ 25 độ C sẽ nhận nhiệt từ không khí xung quanh, làm đá tan chảy và nhiệt độ cà phê tăng lên, tức nội năng của cà phê sữa đá tăng.
• Hệ tỏa nhiệt: Khi một hệ truyền nhiệt ra môi trường lạnh hơn, nội năng của hệ giảm xuống. Ví dụ, khi một cốc nước nóng để nguội trong phòng, nó tỏa nhiệt ra không khí xung quanh, làm giảm nội năng của nước.

Truyền nhiệt có thể xảy ra qua ba cơ chế: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt.

Mối liên hệ giữa nội năng, công và nhiệt lượng: Định luật I Nhiệt động lực học

Mối quan hệ giữa nội năng, công và nhiệt lượng được tổng kết trong Định luật I Nhiệt động lực học (còn gọi là Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng cho các hiện tượng nhiệt), phát biểu rằng:

“Độ biến thiên nội năng của một hệ bằng tổng nhiệt lượng và công mà hệ nhận được từ môi trường bên ngoài.”

Công thức: ΔU = Q + A

Trong đó:

• ΔU là biến thiên nội năng của hệ.
• Q là nhiệt lượng mà hệ nhận được (Q > 0 khi hệ nhận nhiệt, Q < 0 khi hệ tỏa nhiệt).
• A là công mà hệ nhận được (A > 0 khi hệ nhận công, A < 0 khi hệ thực hiện công).

Định luật này là một trong những định luật cơ bản nhất của vật lý, cho thấy năng lượng không tự nhiên sinh ra cũng không tự nhiên mất đi, mà chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác.

Ứng dụng của nội năng trong đời sống và công nghiệp

Hiểu rõ nội năng là gì và cách nó biến đổi có ý nghĩa to lớn trong nhiều lĩnh vực:

• Kỹ thuật nhiệt và năng lượng: Thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống nhiệt như động cơ đốt trong, tủ lạnh, điều hòa không khí, lò hơi. Các kỹ sư cần tính toán biến thiên nội năng để đảm bảo hiệu suất và an toàn cho các thiết bị này. Ví dụ, hiệu suất của một động cơ xe máy điện VinFast Feliz S được đánh giá một phần dựa trên khả năng chuyển hóa năng lượng hóa học (từ pin) thành công cơ học hiệu quả, đồng thời giảm thiểu tổn hao năng lượng dưới dạng nhiệt (giảm biến thiên nội năng không mong muốn).
• Hóa học và hóa học vật liệu: Nghiên cứu các phản ứng hóa học, xác định nhiệt phản ứng, và phát triển vật liệu mới với các tính chất nhiệt mong muốn.
• Khí tượng và khí hậu học: Nghiên cứu các quá trình nhiệt động trong khí quyển, dự báo thời tiết và biến đổi khí hậu. Sự thay đổi nội năng của các khối khí là yếu tố quan trọng trong việc hình thành các hiện tượng thời tiết.
• Sinh học: Nghiên cứu các quá trình trao đổi chất trong cơ thể sống, nơi năng lượng được chuyển hóa để duy trì sự sống.

Tổng kết

Nội năng là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu thành một vật chất, biểu thị năng lượng ẩn chứa bên trong nó. Khái niệm nội năng là gì không chỉ là một định nghĩa lý thuyết mà còn là nền tảng cho sự hiểu biết về các quá trình biến đổi năng lượng trong tự nhiên và trong các hệ thống kỹ thuật. Dù không thể đo lường trực tiếp giá trị tuyệt đối, việc nghiên cứu biến thiên nội năng thông qua công và nhiệt lượng đã mở ra cánh cửa cho nhiều phát minh và ứng dụng quan trọng, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.

—
Thông tin tham khảo. Nội dung bài viết mang tính chất tham khảo, không thay thế cho kiến thức chuyên sâu từ các tài liệu khoa học và giáo trình vật lý chính thức.