Nội năng là gì? Sự biến thiên và các cách làm biến đổi nội năng

Trong lĩnh vực vật lý và kỹ thuật, nội năng là một khái niệm cơ bản nhưng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc hiểu rõ bản chất của các quá trình sinh công, truyền nhiệt và chuyển hóa năng lượng. 

Bài viết dưới đây của Dianyo Powergen sẽ giúp bạn hiểu một cách chi tiết và chính xác nội năng là gì, các thành phần cấu tạo của nội năng, cũng như mối liên hệ giữa nội năng và năng lượng trong các hệ thống máy móc, máy phát điện công nghiệp giúp tối ưu hiệu suất vận hành và quản lý năng lượng hiệu quả hơn.

Khái niệm nội năng là gì?

Nội năng là một trong những khái niệm quan trọng nhất trong nhiệt động lực học, đóng vai trò nền tảng trong việc hiểu và phân tích cách năng lượng được lưu trữ, truyền tải và chuyển hóa trong các hệ thống vật chất.

Theo Wikipedia, nội năng (ký hiệu là U) của một hệ là năng lượng chứa bên trong hệ đó, không bao gồm động năng do chuyển động của toàn hệ và thế năng do ảnh hưởng của các trường lực bên ngoài. Tức là, nội năng là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật. Khi nhiệt độ của vật tăng, nội năng của vật cũng tăng do sự chuyển động mạnh hơn của các phân tử.

Mối quan hệ giữa biến thiên nội năng và nhiệt lượng được thể hiện bằng công thức: ΔU=Q

Hoặc biểu thức tính nhiệt lượng cụ thể: Q=mcΔT

Trong đó:

• Q: Nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào (J)

• m: Khối lượng của vật (kg)

• c: Nhiệt dung riêng của chất (J/kg·K)

• ΔT: Độ biến thiên nhiệt độ (K)

Nếu hệ là hệ kín (vật chất không trao đổi với môi trường), thì theo Định luật I nhiệt động lực học, sự thay đổi nội năng bằng tổng nhiệt lượng được cung cấp và công do môi trường tác động vào hệ. Còn nếu hệ cô lập hoàn toàn, nội năng không thay đổi vì không có sự trao đổi năng lượng hay vật chất.

Có thể thấy rằng nội năng chính là đại lượng vật lý biểu trưng cho khả năng sinh công hoặc truyền nhiệt của vật chất, và là một trong hai hàm trạng thái cơ bản của hệ nhiệt động lực học. 

Đơn vị và ký hiệu của nội năng

Nội năng được hiểu là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật thể. Trong hệ đo lường quốc tế (SI), đơn vị của nội năng là Jun (J) cùng đơn vị với năng lượng, công và nhiệt lượng.

Về bản chất, động năng của phân tử phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của các phân tử, trong khi thế năng của vật lại phụ thuộc vào khoảng cách và sự sắp xếp giữa các phân tử.

Do đó, nội năng của vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích, được biểu diễn qua công thức: U = f(T, V)

Trong nhiệt động lực học, người ta thường quan tâm đến độ biến thiên nội năng (∆U) tức là phần nội năng tăng hoặc giảm khi vật nhận hoặc truyền năng lượng.

- Ký hiệu nội năng: U

- Ký hiệu biến thiên nội năng: ∆U

Sự biến thiên của nội năng

Trong lĩnh vực nhiệt động lực học, sự biến thiên của nội năng là yếu tố quan trọng giúp hiểu rõ cách năng lượng được trao đổi và chuyển hóa trong các hệ thống vật lý cũng như trong vận hành máy móc.

Thực hiện công

Khi một vật thực hiện công, năng lượng được chuyển hóa từ dạng cơ năng hoặc điện năng sang nội năng. Quá trình này làm thay đổi mức năng lượng bên trong hệ, khiến các phân tử dao động mạnh hơn hoặc yếu đi, tùy vào hướng tác động của công.

Truyền nhiệt

Truyền nhiệt là quá trình làm thay đổi nội năng mà không có sự thực hiện công. Trong trường hợp này, không có sự chuyển hóa năng lượng giữa các dạng khác nhau, mà chỉ có sự trao đổi nội năng từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp dùng để duy trì cân bằng nhiệt trong tự nhiên và trong các thiết bị công nghiệp.

Nhiệt lượng

Nhiệt lượng (Q) chính là độ biến thiên của nội năng (∆U) trong quá trình truyền nhiệt. Khi vật hấp thụ nhiệt, nội năng tăng; ngược lại, khi vật tỏa nhiệt, nội năng giảm.

Nội năng phụ thuộc những thông số nào của hệ? Các cách làm biến đổi nội năng

Nội năng là một dạng năng lượng bên trong của hệ vật chất, phản ánh tổng năng lượng mà các phân tử cấu tạo nên hệ đang sở hữu. Trong nhiệt động lực học, nội năng bao gồm tổng động năng của chuyển động nhiệt và thế năng tương tác giữa các phân tử.

Đơn vị và ký hiệu nội năng: Nội năng được ký hiệu là U và có đơn vị đo là Jun (J) đơn vị năng lượng trong Hệ đo lường quốc tế (SI).

Các yếu tố ảnh hưởng đến nội năng

Nội năng của một vật phụ thuộc chủ yếu vào hai thông số:

- Nhiệt độ (T): Nhiệt độ càng cao, các phân tử chuyển động càng nhanh, làm động năng phân tử tăng, dẫn đến nội năng tăng.

- Thể tích (V): Thể tích thay đổi sẽ làm thay đổi khoảng cách và thế năng tương tác giữa các phân tử, từ đó ảnh hưởng đến giá trị nội năng. 

Mối quan hệ giữa 2 yếu tố này được thể hiện bằng công thức: U = f(T, V)

Các cách làm biến đổi nội năng của hệ?

- Thực hiện công: Khi hệ thực hiện công hoặc bị tác động công từ bên ngoài, năng lượng sẽ được chuyển hóa làm thay đổi nội năng của hệ. Ví dụ: khi nén khí trong xi-lanh, công nén làm tăng nội năng của khí.

- Truyền nhiệt lượng: Khi có sự trao đổi nhiệt giữa hai vật, nội năng của vật này tăng thì vật kia giảm tương ứng. Đây là cách phổ biến nhất để biến đổi nội năng trong tự nhiên và kỹ thuật.

Kết luận

Việc hiểu rõ nội năng là gì, các yếu tố ảnh hưởng và những cách làm biến đổi nội năng không chỉ giúp nắm vững nguyên lý hoạt động của tự nhiên mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, đặc biệt là vận hành và thiết kế máy phát điện công nghiệp.

Theo dõi Dianyo Powergen để cập nhật thêm nhiều kiến thức hữu ích về điện năng, máy phát điện và các ứng dụng trong công nghiệp hiện đại.