(TIỂU LUẬN) SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM bài tập NGUYÊN lí i NHIỆT ĐỘNG lực học

Huongdanvn.com –Có 1000 sáng kiến kinh nghiệm hay SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI Đơn vị: Trường THPT chuyên Lương Thế Vinh Mã số: SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM BÀI TẬP NGUYÊN LÍ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Người thực hiện: NGUYỄN HÀ NAM Lĩnh vực nghiên cứu: - Quản lý giáo dục  - Phương pháp dạy học môn:  - Lĩnh vực khác:  BM02-LLKHSKKN SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC I THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN 2.2.1 Họ tên: Nguyễn Hà Nam 2.2.2 Ngày tháng năm sinh: 27/01/1986 2.2.3 Nam, nữ: Nam 2.2.4 Địa chỉ: 39A, KP4, phường Tân Phong, Biên Hòa, Đồng Nai 2.2.5 Điện thoại: 0919339917 2.2.6 E-mail: hanam271@yahoo.com AI 2.2.7 Chức vụ: Giáo viên vật lí 2.2.8 Đơn vị cơng tác: Trường THPT chuyên Lương Thế Vinh TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO - Học vị (hoặc trình độ chun mơn, nghiệp vụ) cao nhất: Cao Học - Năm nhận bằng: 2011 - Chuyên ngành đào tạo: Vật Lí Nguyên Tử Hạt Nhân Năng Lượng Cao III.KINH NGHIỆM KHOA HỌC - Lĩnh vực chun mơn có kinh nghiệm: Vật Lí Số năm có kinh nghiệm: - Các sáng kiến kinh nghiệm có năm gần đây: Chuyên đề: “Giải tốn hệ quy chiếu qn tính phi quán tính” + + Chuyên đề: “Các mẫu cấu trúc hạt nhân” + Chuyên đề: “Các vấn đề phân rã hạt nhân” 3 BÀI TẬP NGUYÊN LÍ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Do nhu cầu thực tế giảng dạy, phân công phụ trách giảng dạy phần Nhiệt học cho lớp 10 chun lý, địi hỏi phải có hệ thống tập chun sâu Nhiệt học Vì tơi sưu tầm, giải hệ thống lại tập Nhiệt học Thông qua đề tài tác giả hi vọng giúp ích cho giáo viên học sinh tìm hiểu sâu thêm toán AI TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Cơ sở lý luận Nội dung đề tài hệ thống lại tập nguyên lí I Nhiệt Động Lực Học Nội dung, biện pháp thực giải pháp đề tài 2.1 Lí thuyết 2.1.1 Ngun lí I NĐLH: đó: U: độ biến thiên nội hệ A: công mà hệ nhận Q: nhiệt lượng mà hệ nhận Cách phát biểu khác: Q = U + A’ đó: A’: công mà hệ sinh 2.1.2 Áp dụng nguyên lí I cho q trình Q trình Đẳng nhiệt (T=const) Đẳng tích (V=const) Đẳng áp (p=const) Đoạn nhiệt (Q=0) hay Q trình thuận nghịch đó: CV nhiệt dung mol đẳng tích: CV nhiệt dung mol đẳng áp: i số bậc tự (khí đơn nguyên tử i = 3; khí lưỡng nguyên tử i = 5; khí từ nguyên tử trở lên i = 6) : hệ số Pốt-xơng: *Chứng minh cơng thức tính cơng q trình đoạn nhiệt: Q trình đoạn nhiệt có Q = 0, theo ngun lí thứ I nhiệt động lực học: A’ = - U = nCV (T2 – T1) Biết : ; n số mol khí P1V1 = nRT1 ; P2V2 = nRT2 Cơng A’ khí sinh : (1) tính theo nhiệt độ : (2) Nếu trình đoạn nhiệt thuận nghịch dùng đến TV -1 = const, từ tính : hay Thay vào (2) ta có : (3) Đối với khí lưỡng nguyên tử : i = ; Nếu trình thuận nghịch ba cơng thức (1) , (2) (3) tương đương Trong trường hợp cụ thể, tùy theo kiện biết (2 thơng số P, V, T), chọn cơng thức thuận lợi cho cách tính tốn Nếu q trình khơng thuận nghịch có cơng thức (1) (2) cịn (3) khơng 2.2 Bài tập 2.2.1 Cho bình cách nhiệt chứa khí lí tưởng nhiệt độ T áp suất p Biết nội khí U = CvT (Cv số biết) Hỏi cần truyền cho khí nhiệt lượng Q để áp suất khí tăng thêm lượng p? Giải Thể tích bình khơng đổi nên khối khí bình biến đổi đẳng tích: A = Q= U=CV T (1) Áp dụng định luật Sác-lơ: (2) Thế (2) vào (1): 2.2.2 Nén đẳng nhiệt l khơng khí áp suất at Tìm nhiệt lượng tỏa ra, biết thể tích cuối cịn 1/10 thể tích ban đầu Giải Quá trình đẳng nhiệt U = Nhiệt lượng tỏa cơng khối khí nhận được: Q’=-Q=A= 2.2.3 Có mol khí Hêli nhiệt độ 0oC chứa xi lanh cách nhiệt lí tưởng, có píttơng đậy kín Hỏi cần phải thực cơng để nén cho thể tích khí giảm cịn nửa thể tích ban đầu? Bỏ qua ma sát Giải Q trình đoạn nhiệt có Q = Quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch Thay số khí đơn nguyên tử : i=3; ; n = 1mol ; T1 = 273K ; R = 8,31J/molK Công ngoại lực thực cơng khối khí nhận : A = 2000J 2.2.4 Người ta muốn nén 10 l khí oxy đến thể tích l Nên dùng trình trình: đẳng áp, đẳng nhiệt, đoạn nhiệt (thuận nghịch)? Giải Đẳng áp: Đẳng nhiệt: Đoạn nhiệt: Ta có Nén q trình tốn cơng (cơng khối khí nhận nhỏ) có lợi Vây: đăng ap > đăng nhiêt > đoan nhiêt 2.2.5 Một khối khí Nitơ đựng xi-lanh Người ta thực trình thay đổi trạng thái: - Dãn đoạn nhiệt từ thể tích V1=1 l tới thể tích V2=3 l - Dãn đẳng áp từ V2 tới V3=5 l -Dãn đẳng nhiệt từ V3 tới V4=7 l Nhiệt độ áp suất ban đầu khối khí T1=290K, p1=6,58.105 Pa Tính cơng mà khối khí sinh ra, độ biến thiên nội nhiệt lượng nhận trình biến đổi ĐS: (Q=0) A’= 584 J; U = -584 J; Q = (p=const) A’= 284 J; U = 707 J; Q = 990 (T=const) A’= 238 J; U = J; Q = 238J 2.2.6 Khí lý tưởng có số đoạn nhiệt Cp/Cv= dãn theo qui luật p = số Thể tích ban đầu khí Vo, thể tích cuối NVo Hãy tính : a) Độ tăng nội khí b) Cơng mà khí sinh c) Nhiệt dung mol khí q trình Giải a) Độ tăng nội hệ : U = nCv T = i(pV-p0V0)/2 U = iV0(Np-p0)/2 = iV02 b) (N2 – )/2 > N > Cơng mà khí thực : A= V02(N2–1)/2>1 c) Tính nhiệt dung mol C khí q trình : Áp dụng ngun lí thứ I nhiệt động lực học: Q = U + A Với Q = nC T nC T = iV02 (N2 – )/2 + V02( N2 – )/2 Vì i = /( -1) 2.2.7 Trong xi lanh hình trụ đặt thẳng đứng có chứa chất khí lí tưởng bị giam píttơng khối lượng M, tiết diện S píttơng dễ dàng chuyển động không ma sát xi lanh Ban đầu, píttơng V, giữ độ cao h so với đáy xi lanh để cho áp suất khí bên áp suất khí Po, sau người ta thả pít-tơng Coi thành xi lanh píttơng cách nhiệt Biết nhiệt độ ban đầu khí xi lanh To hệ số đoạn nhiệt khí Tính nhiệt độ, cơng thực pít-tơng trạng thái cân bằng.Xét hai trường hợp trình xảy thuận nghịch q trình xảy khơng thuận nghịch Giải Gọi x quãng đường di chuyển pít-tơng từ đầu đến vị trí cân Chiều cao khối khí cịn lại h’ Cơng ngoại lực tác dụng lên khối khí cơng khối khí nhận Cơng ngoại lực tác dụng lên chất khí : A = Mgx + PoSx = (Mg + PoS)(h – h’) Phương trình trạng thái khí lí tưởng : Po.S.h = nRTo P.S.h’ = nRT Nguyên lí thứ I nhiệt động lực học : Quá trình đoạn nhiệt có Q = 0; suy : A = U = nCV (T – To) Biết : Từ (1) (3) ta có: Điều kiện cân píttơng : Thay (5) vào (2) : Thay (6) vào (4) : 2.2.8 Trong hình trụ pítơng khơng trọng lượng diện tích S có chất khí áp suất Po nhiệt độ To Thể tích hình trụ phân thành hai phần vách ngăn nằm ngang cố định có khe hẹp Tải khối lượng M đặt lên píttơng tác dụng píttơng dịch tới sát vách ngăn Tìm nhiệt độ T khí hình trụ thành hình trụ píttơng khơng truyền nhiệt Cho CV = 2,5R Giải Hiểu ban đầu pittơng nằm n nên áp suất khí pk = p0 Gọi x quãng đường di chuyển píttơng Cơng ngoại lực tác dụng lên chất khí : A = Mgx + poSx Phương trình trạng thái khí lí tưởng : po.S.2x = nRTo (n số mol khí chứa bình) p.S.x = nRT T = p.To/2po Nguyên lí thứ I nhiệt động lực học : Q trình đoạn nhiệt có Q = ; A Biết : U=Q+A suy : = U = nCV (T – To) ; suy : A = niR (T – To)/2 = Mgx + poSx Khí lưỡng nguyên tử i = 10 Một mol khí lí tưởng đơn nguyên tử giữ tr 2.2.9 xi-lanh cách nhiệt nằm ngang pít-tơng P cách nhiệt Píttơng P gắn vào đầu lị xo L, lò xo L nằm dọc theo trục xi-lanh, đầu lò xo L gắn vào cuối xi lanh Trong xi lanh ngồi phần chứa khí chân không Ban đầu giữ cho pittông P vị trí mà lị xo khơng bị biến dạng, khí xi-lanh có áp suất P1 = kPa nhiệt độ T1 = 308 K Thả cho pít-tơng P chuyển động thấy khí giãn ra, đến trạng thái cân cuối thể tích khí gấp đơi thể tích ban đầu Tìm nhiệt độ T áp suất P2 khí Giải Q trình dãn khí đoạn nhiệt khơng thuận nghịch Theo nguyên lí I NĐLH: U + A’= 0U = -A’ Khí lí tưởng đơn ngun tử nên: Cơng khối khí sinh làm nén lị xo đoạn x, vậy: Khi cân bằng: kx = p2S Thế (4) vào (3) ta có: Thế (2), (5) vào (1): Áp dụng phương trình trạng thái khí lí tưởng: 2.2.10 Một xi lanh kín hình trụ đặt thẳng đứng, bên có píttơng nặng trượt khơng ma sát píttơng đáy xi lanh nối với lị xo, khoảng có chứa n = mol khí lí 11 tưởng đơn nguyên tử thể tích V o, nhiệt độ t1 = 27oC Phía chân khơng Ban đầu lị xo trạng thái khơng co giãn Sau ta truyền cho khí nhiệt lượng Q thể tích khí lúc 4Vo/3 nhiệt độ t2 = 147oC Cho thành xi lanh cách nhiệt, mát nhiệt không đáng kể R = 8,31(J/mol.K), C V = 3R/2 Tìm nhiệt lượng Q truyền cho khí *Ban đầu: Điều kiện cân bằng: đó: m, S khối lượng diện tích pít-tơng Phương trình C-M: *Sau truyền nhiệt: Điều kiện cân bằng: đó: x độ biến dạng lị xo Phương trình C-M: Ngun lí I NĐLH: Cơng A’ làm dãn lị xo nâng pít-tơng lên: Độ biến thiên nội năng: Thế (7), (8) vào (6): (1).x + (3).x ta được: Thế (4) vào: Kết hợp (2) (5): Thế (10) vào (9): Thay số: Q = 5493 J 12 2.2.11 Người ta cho vào bình cách nhiệt thể tích V = 100 l; m1 = 5g khí hidrơ m2 =12g khí ơxi nhiệt độ to = 293oC Sau H2 kết hợp với O2 thành nước nhiệt lượng sinh ứng với mol nước tạo thành Q o = 2,4.105 J Tính áp suất nhiệt độ sau phản ứng Cho biết nhiệt dung mol đẳng tích hidrô C H = 14,3kJ/kgK nước Cn = 2,1kJ/kgK Giải Phương trình phản ứng : 2H2 + O2 2H2O Số lượng mol Ôxi trước phản ứng: Số lượng mol hidrô trước phản ứng: Số mol nước sinh ra: n1 = 2no = 0,75mol Số mol hidrơ cịn thừa: n2 = nH – n1 = 2,5 – 0,75 = 1,75mol Nguyên li thứ nhất: U = Q – A’ Hệ gồm hai chất khí khơng thực công A’ = Hệ sinh nhiệt Q = U Độ biến thiên nội năng: U = U2 – U1 = n1Cn (T – To) + n2CH (T – To) Thay số: Phương trình trạng thái khí lí tưởng: p.V = (n1 + n2)RT p = (n1 + n2)RT/V p = (0,75 + 1,75)8,31.573/ 0,1 = 119041Pa 2.2.12 Trong bình dung tích V1 có khí lí tưởng đơn nguyên tử áp suất P nhiệt độ T1, bình khác dung tích V2 chứa loại khí áp suất P2 nhiệt độ T2 Mở khóa thơng hai bình, tính nhiệt độ T áp suất P cân thiết lập Hai bình ống nối cách nhiệt Giải 13 Cách nhiệt (Q = 0) không thực công ( A’ = ) nên nội hệ bảo toàn Nội lúc đầu : ( Cv nhiệt dung mol đẳng tích ) Nội lúc sau : Us = Ud 2.2.13 Hai bình cách nhiệt, nối với ống nhỏ có khố Bình thứ tích V1 = 500 l, chứa m1 = 16,8 kg Nitơ áp suất p1 = 3.106 Pa Bình thứ hai tích V2 = 250 l chứa m2 = 1,2 kg Argon áp suất p = 5.105 Pa Hỏi sau mở khóa cho hai bình thơng nhau, nhiệt độ áp suất khí bao nhiêu? Cho biết nhiệt dung mol đẳng tích Nitơ C = 5R/2, Argon C2 = 3R/2 ; khối lượng mol nitơ 28 g/mol, argon 40 g/mol ; R = 8,31 J/molK Giải Cách nhiệt (Q = 0) không thực công (A = 0) nên nội hệ bảo toàn Nội lúc đầu : ( C1, C2 nhiệt dung mol đẳng tích hai khối khí ban đầu ) Nội lúc sau : 14 Us = Uđ  Áp suất cân thiết lập :  Thay số : n1 = m1/ = 16800/28 = 600; n2 = m2/ = 1200/40 = 30 C1 = 2,5R ; C2 = 1,5R; 2.2.14 Một píttơng dịch chuyển không ma sát xi lanh nằm ngang, đóng kín hai đầu Ban đầu píttơng chia xi lanh thành hai ngăn nhau, ngăn tích Vo, hai ngăn chứa khí lí tưởng áp suất P o, với tỉ số Xi lanh píttơng làm chất cách nhiệt.Tính cơng A cần thực để làm cho píttơng dịch chuyển chậm từ vị trí ban đầu đến vị trí mà thể tích ngăn V0/2 Giải Quá trình xảy chậm xem trình đoạn nhiệt thuận nghịch Cơng khí nhận ngăn bị nén từ Vo đến : Cơng khí nhận ngăn mà khí giãn từ Vo đến : Cơng tổng cộng mà khí nhận :A = A1 + A2 Cơng ngoại lực tác dụng lên píttơng tổng cơng khối khí nhận : 15 >0 2.2.15 Một xi lanh cách nhiệt, nằm ngang, thể tích Vo = V1 + V2 = 80l, chia làm hai phần không thông với pit V1 tông cách nhiệt, pit tơng chuyển động khơng ma sát Mỗi V phần xi lanh chứa mol khí lý tưởng đơn nguyên tử Ban đầu pit tông đứng yên, nhiệt độ hai phần khác Cho dòng điện chạy qua điện trở để truyền cho khí bên trái nhiệt lượng Q = 120J a) Nhiệt độ phần bên phải tăng, ? b) Khi có cân bằng, áp suất xi lanh lớn áp suất ban đầu ? Giải a) Khi cung cấp nhiệt lượng cho phần khí ngăn bên trái, khí ngăn nóng lên áp suất tăng Lúc nàu áp suất ngăn bên trái lớn ngăn bên phải đẩy pit-tông chuyển động sang phải Pit-tơng chuyển động sang phải, khối khí ngăn bên phải nhận cơng xilanh pít-tơng cách nhiệt nên tồn phần cơng làm tăng nội khối khí làm nhiệt độ khối khí tăng lên b) * Xét ngăn bên trái: Áp dụng nguyên lí I NĐLH: Q = U1 + A’ (2) * Xét ngăn bên phải: Quá trình đoạn nhiệt nên độ biến thiên nội cơng mà khối khí nhận cơng khối khí ngăn bên trái sinh (bỏ qua ma sát): hay 16 Thế (2), (3) vào (1) ta có: 17 III HIỆU QUẢ CỦA ĐỀ TÀI Tác giả sử dụng đề tài trình giảng dạy cho học sinh lớp 10 chuyên lí bồi dưỡng học sinh giỏi Qua q trình sử dụng thu kết định IV ĐỀ XUẤT, KHUYẾN NGHỊ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG Đề tài sử dụng tài liệu tập dùng để tham khảo cho giáo viên học sinh chuyên Giúp cho giáo viên học sinh có thêm kiến thức rộng sâu Ngồi sử dụng đề tài trình bồi dưỡng học sinh giỏi TÀI LIỆU THAM KHẢO V [1] Bồi dưỡng Học sinh giỏi Vật lí Trung học phổ thơng: Nhiệt học Vật lí phân tử - Phạm Quý Tư – Nhà xuất giáo dục Việt Nam – 2010 [2] Bài tập Vật lí đại cương – Lương Dun Bình, Nguyễn Hữu Hồ, Lê Văn Nghĩa, Nguyễn Tung - Nhà xuất giáo dục – 1997 [3] Bài tập Vật Vật lí phân tử Nhiệt học – Dương Trọng Bái, Đàm Trung Đồn - Nhà xuất giáo dục – 2001 NGƯỜI THỰC HIỆN (Ký tên ghi rõ họ tên) 18 PHIẾU NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM Năm học: ––––––––––––––––– Tên sáng kiến kinh nghiệm: Họ tên tác giả: Chức vụ: Đơn vị: Lĩnh vực: (Đánh dấu X vào ô tương ứng, ghi rõ tên môn lĩnh vực khác) - Quản lý giáo dục - Phương pháp giáo dục Sáng kiến kinh nghiệm triển khai áp dụng: Tại đơn vị  Tính (Đánh dấu X vào đây) - Có giải pháp hồn tồn - Có giải pháp cải tiến, đổi từ giải pháp có   Hiệu (Đánh dấu X vào ô đây) - Hoàn toàn triển khai áp dụng tồn ngành có hiệu cao  Có tính cải tiến đổi từ giải pháp có triển khai áp dụng tồn ngành có hiệu cao  - Hồn tồn triển khai áp dụng đơn vị có hiệu cao  - Có tính cải tiến đổi từ giải pháp có triển khai áp dụng đơn vị có hiệu  Khả áp dụng (Đánh dấu X vào dịng đây) - - Cung cấp luận khoa học cho việc hoạch định đường lối, sách: Tốt  Khá  Đạt  - Đưa giải pháp khuyến nghị có khả ứng dụng thực tiễn, dễ thực dễ vào sống: Tốt  Khá  Đạt  - Đã áp dụng thực tế đạt hiệu có khả áp dụng đạt hiệu phạm vi rộng: Tốt  Khá  Đạt  Phiếu đánh dấu X đầy đủ tương ứng, có ký tên xác nhận người có thẩm quyền, đóng dấu đơn vị đóng kèm vào cuối sáng kiến kinh nghiệm XÁC NHẬN CỦA TỔ CHUYÊN MÔN THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ (Ký tên, ghi rõ họ tên đóng dấu) (Ký tên ghi rõ họ tên) 19 ... đề t? ?i hệ thống l? ?i tập nguyên lí I Nhiệt Động Lực Học N? ?i dung, biện pháp thực gi? ?i pháp đề t? ?i 2.1 Lí thuyết 2.1.1 Nguyên lí I NĐLH: đó: U: độ biến thiên n? ?i hệ A: công mà hệ nhận Q: nhiệt lượng... sâu Nhiệt học Vì t? ?i sưu tầm, gi? ?i hệ thống l? ?i tập Nhiệt học Thông qua đề t? ?i tác giả hi vọng giúp ích cho giáo viên học sinh tìm hiểu sâu thêm tốn AI TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ T? ?I Cơ sở lý luận N? ?i. .. b? ?i dưỡng học sinh gi? ?i T? ?I LIỆU THAM KHẢO V [1] B? ?i dưỡng Học sinh gi? ?i Vật lí Trung học phổ thơng: Nhiệt học Vật lí phân tử - Phạm Quý Tư – Nhà xuất giáo dục Việt Nam – 2010 [2] B? ?i tập Vật lí