Nội năng và định luật I nhiệt động lực học

Các phân tử cấu tạo nên vật chuyển động không ngừng nên có động năng. Chúng tương tác với nhau nên còn có thế năng tương tác. **Nội năng** $U$ của vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật; đơn vị là jun (J). Cần phân biệt nội năng với động năng chuyển động của cả vật. Một bình khí đặt yên vẫn có nội năng vì các phân tử khí bên trong vẫn chuyển động và tương tác. Khi nhiệt độ thay đổi, động năng trung bình của các phân tử thay đổi. Khi thể tích hoặc trạng thái của vật thay đổi, khoảng cách giữa các phân tử và thế năng tương tác có thể thay đổi. Vì vậy, nội năng phụ thuộc vào trạng thái của vật. Trong bài toán, thường không cần biết giá trị tuyệt đối của $U$ mà chỉ cần độ biến thiên $\Delta U=U_2-U_1$.

Có hai cách truyền năng lượng làm nội năng của vật thay đổi: - **Thực hiện công:** cọ xát hai vật, nén một khối khí hoặc khuấy chất lỏng. Năng lượng được truyền qua tác dụng lực gây ra chuyển dời. - **Truyền nhiệt:** đặt vật tiếp xúc với vật có nhiệt độ khác. Năng lượng truyền tự phát từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn. Cọ hai bàn tay làm tay nóng lên chủ yếu do thực hiện công; áp tay vào cốc nước ấm làm tay nóng lên do truyền nhiệt. Kết quả đều có thể là nội năng của bàn tay tăng, nhưng cách truyền năng lượng khác nhau. **Nhiệt lượng** không phải phần năng lượng “chứa sẵn” trong vật; đó là số đo năng lượng được truyền trong quá trình truyền nhiệt.

Định luật I là định luật bảo toàn năng lượng áp dụng cho quá trình làm thay đổi nội năng. Theo quy ước công mà vật nhận: $$\Delta U=A+Q.$$ | Trao đổi với hệ đang xét | Dấu | |---|---| | Hệ nhận nhiệt | $Q>0$ | | Hệ truyền nhiệt ra ngoài | $Q<0$ | | Vật khác thực hiện công lên hệ | $A>0$ | | Hệ thực hiện công lên vật khác | $A<0$ | Trước khi thay số, cần xác định rõ **hệ đang xét** là khối khí, chất lỏng hay vật nào; sau đó đọc từng sự trao đổi theo phía của hệ. Nếu tài liệu khác kí hiệu $W$ là công do hệ thực hiện, công thức tương đương là $\Delta U=Q-W$. Không dùng lẫn hai quy ước trong cùng một bài.