Nội năng và định luật I của nhiệt động lực học

• Động năng phân tử phụ thuộc nhiệt độ: nóng hơn thì động năng trung bình lớn hơn.
• Thế năng tương tác phụ thuộc thể tích (khoảng cách giữa các phân tử) và thể của chất.
• Vì vậy nội năng của một lượng chất phụ thuộc nhiệt độ và thể tích: $U=U(T,V)$.
• Nội năng không gồm động năng và thế năng của cả vật chuyển động như một khối (quả bóng bay nhanh không "nóng hơn" vì thế).

Với khí lí tưởng (các phân tử không tương tác khi ở xa nhau, bỏ qua thế năng) nội năng chỉ còn là tổng động năng, chỉ phụ thuộc nhiệt độ. Điều này dùng ở phần Khí lí tưởng; trong bài này, khi đề nói "khí dãn đẳng nhiệt, coi là khí lí tưởng" thì nội năng không đổi.

• Thực hiện công $A$: nén hay dãn làm đổi thể tích (pit-tông nén khí làm khí nóng lên), cọ xát, đập búa, khoan.
• Truyền nhiệt $Q$: cho vật tiếp xúc với vật có nhiệt độ khác. Có ba hình thức: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ nhiệt.

Cả hai đều là truyền năng lượng sang hệ; khác nhau ở chỗ công gắn với chuyển dời có hướng của vật (pit-tông dịch chuyển), còn nhiệt gắn với va chạm hỗn loạn giữa các phân tử ở chỗ tiếp xúc.

Đây là định luật bảo toàn năng lượng cho hệ nhiệt: nội năng tăng bao nhiêu thì đã có bấy nhiêu năng lượng đi vào hệ dưới dạng công và nhiệt.

Các quá trình đặc biệt (với khối khí trong xi-lanh):

Khi vật có ma sát hoặc va chạm mềm, cơ năng giảm và nội năng tăng. Công của lực cản (ma sát, lực cản của bia) lên vật làm vật nóng lên. Với toàn bộ cơ năng bị mất ($W$), nếu phần $H$ của nó thành nhiệt cho vật cần xét: $H\cdot W = mc\,\Delta t.$ Ví dụ đạn găm vào bia: $W=\tfrac12mv^2$ (động năng mất đi); thác nước: $W=mgh$.

• $U$ = động năng + thế năng của các phân tử; phụ thuộc $T$ và $V$.
• $\Delta U=A+Q$; $A>0$ nhận công, $A<0$ sinh công; $Q>0$ nhận nhiệt, $Q<0$ toả nhiệt.
• Đẳng tích $A=0$; đoạn nhiệt $Q=0$; đẳng nhiệt khí lí tưởng $\Delta U=0$.
• Cơ năng $\to$ nhiệt: $H\cdot W=mc\Delta t$ cho vật nhận nhiệt.