Khai thác kiến thức vật lý, ứng dụng vào kỹ thuật ngành Ô tô trong quá trình dạy học vật lý đại cương ở trường Đại học Trần Đại Nghĩa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN NGỌC DŨNG KHAI THÁC KIẾN THỨC VẬT LÝ, ỨNG DỤNG VÀO KỸ THUẬT NGÀNH Ô TÔ TRONG QUÁ TRÌNH DẠY HỌC VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Ở TRƯỜNG ĐẠI HỌC... Dạy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH



TRẦN NGỌC DŨNG

KHAI THÁC KIẾN THỨC VẬT LÝ, ỨNG DỤNG VÀO

KỸ THUẬT NGÀNH Ô TÔ TRONG QUÁ TRÌNH DẠY HỌC VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Ở TRƯỜNG ĐẠI HỌC

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến:

Thầy hướng dẫn luận văn, PGS.TS Nguyễn Đình Thước, Thầy đã tận

tình chỉ bảo, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoànthành luận văn này

Khoa Vật lý, tổ bộ môn phương pháp dạy học Vật lý - Trường Đại họcVinh

Ban giám hiệu, giảng viên bộ môn Lý - Hóa, Trường Đại học Trần ĐạiNghĩa đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian tiến hành thực nghiệm

sư phạm

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với gia đình, quý bạnhữu và đồng nghiệp đã hết lòng giúp đỡ, động viên tôi hoàn thành luận vănnày

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2013

Tác giả

Trần Ngọc Dũng

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

4 Giả thuyết khoa học 2

5 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

6 Các phương pháp nghiên cứu 3

7 Đóng góp mới của luận văn 3

8 Cấu trúc của luận văn 3

Chương 1 Cơ sở lý luận 4

1.1 Quá trình dạy học đại học 4

1.2 Các nhiệm vụ của dạy học đại học 7

1.3 Bản chất của quá trình dạy học đại học 7

1.4 Một số vấn đề về đổi mới dạy học đại học 8

1.5 Mối quan hệ kiến thức vật lý đại cương với kỹ thuật 9

1.6 Mối quan hệ biện chứng giữa tư duy vật lý và tư duy kĩ thuật 10

1.7 Thực trạng dạy học vật lý đại cương ở trường đại học kĩ thuật 11

1.8 Nguyên tắc giáo dục kĩ thuật tổng hợp trong dạy học vật lý đại cương 13

1.9 Dạy học theo hướng khai thác kiến thức vật lý đại cương phần Nhiệt học ứng dụng trong kỹ thuật ngành ô tô 15

1.9.1 Tiến trình dạy học theo tính ứng dụng vật lý đại cương vào trong kỹ thuật ngành ô tô 15

1.9.2 Phương pháp dạy học theo hướng khai thác kiến thức vật lý đại cương phần Nhiệt học ứng dụng vào kĩ thuật ngành ôtô 15

Kết luận chương 1 20

Chương 2 Khai thác kiến thức vật lý đại cương phần Nhiệt học 21

vào kĩ thuật ngành ô tô 21

2.1 Phân tích chương trình vật lý đại cương phần Nhiệt học 21

2.1.1 Phân tích chương trình vật lý đại cương phần Nhiệt học 21

2.1.2 Mục tiêu dạy học phần Nhiệt học 21

2.2 Kiến thức về Nhiệt học ứng dụng vào kĩ thuật ngành ôtô 22

2.3 Hướng dẫn cho sinh viên tự học 58

2.4 Thiết kế một số tiến trình dạy học 59

2.5 Bài tập lớn 71

Kết luận chương 2 72

Chương 3 Thực nghiệm sư phạm 73

3.1 Mục đích của thực nghiệm sư phạm 73

3.2 Nhiệm vụ của thực nghiệm sư phạm 73

3.3 Đối tượng thực nghiệm sư phạm 73

3.4 Phương pháp tiến hành thực nghiệm sư phạm 73

3.5 Nội dung thực nghiệm sư phạm 74

3.5.1 Lựa chọn lớp đối chứng và lớp thực nghiệm 74

3.5.2 Tiến hành thực nghiệm 74

3.6 Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm 74

3.6.1.Về kết quả kiểm tra đánh giá hai bài sau thực nghiệm sư phạm 74

3.6.2.Phân tích kết quả thực nghiệm 81

3.6.3 Kiểm định giả thiết ngẫu nhiên 81

Kết luận chương 3 84

Kết luận chung 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 Các phụ lục

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài.

Đất nước ta đang bước vào một thời kỳ mới, thời kỳ công nghiệp hoá - hiệnđại hoá Mọi ngành nghề đều có những bước thay đổi đáng kể, ngành Giáo dụccũng đang có những bước đổi mới mạnh mẽ về mọi mặt nhằm đào tạo ra nhữngcon người có đủ kiến thức, năng lực sáng tạo, trí tuệ và phẩm chất đạo đức tốt đápứng được yêu cầu của công nghệ và nền kinh tế tri thức

Kho tàng tri thức là vô hạn, mỗi ngày lại có những thành tựu mới đượcphát minh Do đó dạy học theo phương pháp tiên tiến và hiện đại không chỉ làdạy cho SV nắm được kiến thức mà cần phải dạy cho SV cách tự lực chiếmlĩnh kiến thức, có tư duy sáng tạo và tích cực trong hoạt động nhận thức đểphù hợp với yêu cầu của thời đại

Giáo dục đang đứng trước yêu cầu và thách thức lớn lao của xã hội hiệnđại Trong trường đại học, việc học tập của SV không thể là thụ động tiếp thubài giảng của GV mà phải là sự tham gia tích cực vào các hoạt động học tập,độc lập sáng tạo Việc dạy của GV không chỉ là cung cấp kiến thức mà phảitạo cho SV có cơ hội tham gia khám phá thế giới thực, phân tích và giải quyếtvấn đề Kết quả cần rèn luyện cho SV là tính năng động cá nhân, tư duy sángtạo, năng lực thực hành giỏi, khả năng hợp tác, khả năng giải quyết vấn đề màthực tiễn đặt ra

Giáo dục nước ta đã và đang thực hiện những thay đổi trong toàn bộ quátrình dạy học, theo quan điểm: “học đi đôi với hành, lý luận gắn liền với thựctiễn”

Giáo dục đại học của nước ta vẫn chậm đổi mới so với các nước trongkhu vực và Thế giới Đối với các môn học đại cương, chương trình dạy cho

SV các trường Đại học kỹ thuật, có thể nhận thấy:

- Về nội dung giáo trình giảng dạy: Các giáo trình cũ được chỉnh sửa,cập nhật các kiến thức mới song vẫn còn hạn chế

- Về phương pháp dạy học: Chủ yếu vẫn là cách dạy học truyền thống;

SV tự nghiên cứu, tự học còn hạn chế, thực hiện các nhiệm vụ học tập gắnliền với thực tiễn còn khoảng cách lớn

Với những lý do trên, tôi chọn đề tài luận văn cao học thạc sĩ để nghiên

cứu: “Khai thác kiến thức vật lý, ứng dụng vào kỹ thuật ngành Ô tô trong

quá trình dạy học vật lý đại cương ở trường Đại học Trần Đại Nghĩa”.

2 Mục đích nghiên cứu.

Nghiên cứu khai thác kiến thức vật lý, ứng dụng vào ngành kĩ thuật ôtôtrong dạy học phần Nhiệt học, nhằm góp phần nâng cao chất lượng dạy họcvật lý đại cương ở trường Đại học Trần Đại Nghĩa

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu:

Hoạt động dạy học vật lý đại cương ở trường Đại học Trần Đại Nghĩa.3.2 Phạm vi nghiên cứu:

Kiến thức vật lý đại cương phần Nhiệt học ứng dụng vào kĩ thuật ngành

ô tô

4 Giả thuyết khoa học

Nếu khai thác được kiến thức vật lý đại cương trong dạy học phầnNhiệt học ứng dụng vào kĩ thuật ôtô thì có thể nâng cao được chất lượng họctập vật lý của SV, góp phần nâng cao chất lượng đào tạo đội ngũ cán bộ kĩthuật ngành ô tô ở trường Đại học Trần Đại Nghĩa

5 Nhiệm vụ nghiên cứu.

5.1 Nghiên cứu cơ sở lý luận của đề tài

5.2 Nghiên cứu chương trình, nội dung giáo trình môn vật lý đại cương vàthực trạng dạy học vật lý đại cương ở trường Đại học Trần Đại Nghĩa

5.3 Thiết kế một số tiến trình dạy học và một số hình thức tổ chức dạy họcphần Nhiệt học theo định hướng khai thác kiến thức vật lý, ứng dụng vào kĩthuật ngành ô tô

5.4 Thực nghiệm sư phạm

6 Các phương pháp nghiên cứu.

6.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài, phân tích lựa chọn nộidung để xây dựng cơ sở lý luận

6.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Điều tra thực trạng dạy học vật lý đại cương ở trường Đại học kĩthuật

- Thực nghiệm sư phạm

6.3 Phương pháp thống kê toán học

Xử lý số liệu điều tra và kết quả TNSP bằng công cụ toán học thống kê

7 Đóng góp mới của luận văn.

- Về mặt lý luận: Góp phần xây dựng nguyên tắc giáo dục kĩ thuật tổnghợp trong quá trình dạy học vật lý đại cương ở trường Đại học kĩ thuật

- Về ứng dụng: Xây dựng một số tiến trình dạy học cụ thể, khai tháckiến thức về Nhiệt học ứng dụng vào kĩ thuật ngành ôtô Biên soạn được 100câu hỏi cho SV tự học, thiết kế được 04 giáo án theo định hướng vận dụngkiến thức vật lý liên quan đến kỹ thuật ngành ô tô

8 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần Mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn có 3chương

Chương 1 Cơ sở lý luận Chương 2 Khai thác kiến thức vật lý đại cương phần Nhiệt học

vào kĩ thuật ngành ô tô

Chương 3 Thực nghiệm sư phạm Kết luận chung

Chương 1 Cơ sở lý luận 1.1 Quá trình dạy học đại học [3], [6]

Hoạt động dạy học đại học tồn tại như một hoạt động xã hội nó gắn liềnvới các hoạt động của con người, hoạt động dạy của GV và hoạt động học của

SV nhằm đạt tới mục đích nhất định trên cơ sở thực hiện các nhiệm vụ Hoạtđộng DHĐH được tiến hành theo một quá trình có tính hệ thống Các thành tốcấu trúc của quá trình DHĐH được xác định bao gồm: Mục đích, nhiệm vụ,nội dung dạy học, các phương pháp và phương tiện dạy học, hoạt động dạy –hoạt động học, kết quả dạy học

1.1.1 Mục đích và nhiệm vụ dạy học ở đại học.

Mục đích dạy học ở đại học phản ánh tập trung nhất những yêu cầu của

xã hội đối với quá trình DHĐH Nó gắn liền với mục đích giáo dục nói chung

và mục đích giáo dục đào tạo đại học nói riêng, gắn liền với mục tiêu đào tạo

cụ thể của từng trường, từng ngành, nó cũng là cái đích mà quá trình DHĐHphải đạt tới

Nhiệm vụ DHĐH có tính cụ thể của từng trường Nhiệm vụ DHĐH quyđịnh những yêu cầu về bồi dưỡng hệ thống tri thức, kỹ năng, kỹ xảo gắn vớinghề nghiệp tương lai của người SV; phát triển năng lực và phẩm chất trí tuệ,đặc biệt là trong tư duy nghề nghiệp Trên cơ sở đó hình thành thế giới quankhoa học, lý tưởng, mơ ước hoài bão nghề nghiệp và những phẩm chất đạođức, tác phong của người cán bộ khoa học kỹ thuật, người cán bộ quản lýkinh tế, quản lý xã hội, cán bộ nghiệp vụ, hành chính…

1.1.2 Nội dung dạy học đại học.

Nội dung dạy học ở các trường đại học quy định hệ thống những trithức cơ bản, cơ sở và chuyên ngành; quy định hệ thống những kỹ năng, kỹxảo tương ứng gắn với nghề nghiệp tương lai của SV Quá trình giáo dục vàđào tạo ở các trường đại học, nội dung dạy học tạo nên nội dung cơ bản chohoạt động giảng dạy của GV và các hoạt động học tập, nghiên cứu của SV

1.1.3 Các phương pháp và phương tiện dạy học ở đại học.

Các phương pháp DHĐH là hệ thống những con đường, cách thức dạy

và học

Các phương tiện DHĐH bao gồm các phương tiện truyền thống và cácphương tiện hiện đại

Phương tiện dạy học truyền thống bao gồm: ngôn ngữ, các vật thật,

hiện tượng thực tế trong đời sống kỹ thuật, các thiết bị thí nghiệm, các môhình vật chất, bảng viết tranh ảnh, các bản vẽ sẵn, các tài liệu in như giáotrình, sách bài tập, sách hướng dẫn thí nghiệm, các tài liệu tham khảo…

Phương tiện dạy học hiện đại bao gồm: phim học tập, đèn chiếu,

băng hình, dao động kí điện tử, flash, máy vi tính, Website dạy học,Internet…

Cùng với phương tiện dạy học các phương pháp dạy học có chức năngxác định những phương thức hoạt động dạy và học theo nội dung nhất địnhnhằm thực hiện mục đích, nhiệm vụ và nội dung đề ra trong quá trình DHĐH

1.1.4 Hoạt động dạy – hoạt động học.

- Hoạt động dạy: Trong quá trình dạy học, GV là chủ thể của hoạt

động giảng dạy, chủ đạo trong quá trình tổ chức, điều khiển, lãnh đạo hoạtđộng học của SV; đảm bảo cho SV tiếp thu tri thức, nghiên cứu khoa học cóchất lượng cao, đạt được những yêu cầu được quy định trong chương trìnhđào tạo

Hình 1.1 Sơ đồ sự phối hợp hoạt động dạy và hoạt động học trong quá trình

DHĐH

- Hoạt động học của SV: SV là đối tượng của hoạt động dạy vừa là

chủ thể của hoạt động nhận thức có tính chất nghiên cứu Nói cách khác: SV

là khách thể của hoạt động dạy vừa là chủ thể của hoạt động tích cực độc lậpsáng tạo để chiếm lĩnh tri thức, kỹ năng, kỹ xảo liên quan đến nghề nghiệptương lai của bản thân

1.1.5 Kết quả dạy học.

Kết quả của quá trình DHĐH phản ánh kết quả vận động và phát triểntổng hợp của các nhân tố, đặc biệt là nhân tố SV với hoạt động học tập Nócho thông tin ngược trong và ngoài của quá trình dạy học ở đại học Kết quảdạy học quyết định chất lượng sản phẩm đào tạo của trường đại học

Quá trình DHĐH có những nhân tố cấu trúc được sắp xếp theo thứ tựxác định như đã nêu ở trên Nhân tố mục đích dạy học là nhân tố quyết địnhtoàn bộ quá trình Nó được cụ thể hóa ở nội dung dạy học, là một nhân tốcũng mang tính chất quyết định, nếu không nói là trực tiếp hơn mục đích dạyhọc, nhất là trong trường hợp mà mục đích không được cụ thể hóa đầy đủ.Nhân tố phương pháp dạy học chịu sự chi phối của chính nội dung dạy học,cũng là các nhân tố phản ánh rõ nhất tính chất của quá trình dạy học Thôngqua các nhân tố này mới diễn sự tác động qua lại của hai mặt thống nhất trongcùng một quá trình dạy học

Điều đáng chú ý là môi trường kinh tế – xã hội và cách mạng khoa học

– công nghệ một mặt chúng đòi hỏi ở quá trình DHĐH không ngừng hoànthiện, mặt khác chúng lại tạo điều kiện góp phần nâng cao chất lượng và hiệuquả của quá trình DHĐH

Trên cơ sở đó, quá trình DHĐH không ngừng phát huy tính tích cực vaitrò, chức năng của một trường đại học là trung tâm đào tạo đội ngũ cán bộ cótrình độ đại học, trung tâm nghiên cứu khoa học, làm dịch vụ chuyển giaokhoa học – công nghệ theo yêu cầu của xã hội

Có thể tóm tắt mối liên hệ giữa các thành tố của quá trình DHĐH theo

sơ đồ logic sau:

Hình 1.2 Sơ đồ mối liên hệ giữa các thành tố của quá trình DHĐH

1.2 Các nhiệm vụ của dạy học đại học [3]

- Nhiệm vụ 1: Trang bị cho SV hệ thống những tri thức khoa học hiệnđại, hệ thống các kĩ năng kĩ xảo tương ứng về một khoa học nhất định, bướcđầu trang bị cho SV phương pháp luận khoa học, các phương pháp nghiêncứu và phương pháp tự học liên quan đến nghề nghiệp tương lai của họ

- Nhiệm vụ 2: Phát triển năng lực hoạt động trí tuệ của SV

- Nhiệm vụ 3: Quá trình dạy học phải hình thành thế giới quan khoahọc, nhân sinh quan và phẩm chất đạo đức tốt đẹp của người cán bộ khoa học

kĩ thuật, có trí thức có tay nghề, có năng lực thực hành, năng động và sáng tạo

có khả năng thích ứng với những thay đổi nghề nghiệp trong nền kinh tế thịtrường có bản lĩnh tự tạo được việc làm, có ý thức thực hiện nghĩa vụ côngdân…

1.3 Bản chất của quá trình dạy học đại học [3]

- Quá trình dạy học đại học là quá trình điều khiển hoạt động nhận thứcđộc đáo có tính chất nghiên cứu của SV dưới sự tổ chức, điều khiển của GV

- Quá trình DHĐH là quá tình cộng tác giữa các chủ thể (Thầy - Trò)

- Quá trình DHĐH có bản chất xã hội.

1.4 Một số vấn đề về đổi mới dạy học đại học [3]

Cách mạng xã hội và cách mạng khoa học công nghệ đang phát triểnvới tốc độ vũ bão đòi hỏi nội dung dạy học không ngừng đổi mới và hoànthiện theo các hướng cơ bản sau:

- Nội dung dạy học phải phù hợp với mục đích dạy học và đào tạo, cácnhiệm vụ dạy học ở trường đại học

- Nội dung dạy học phải bảo đảm tính toàn diện tính hệ thống, cân đốigiữa lý thuyết và thực hành, thống nhất giữa tính khoa học và tính giáo dục,cập nhật những thành tựu khoa học, kỹ thuật công nghệ trên lĩnh vực kinh tế

xã hội của thế giới và trong nước đối với ngành nghề đào tạo đó chính là phảihiện đại hóa nội dung dạy học

- Nội dung giảng dạy phải thể hiện mối quan hệ tương tác giữa mụcđích – nội dung – môi trường và quy trình đào tạo nghề

- Nội dung dạy học phải góp phần tích cực vào quá trình đào tạo nghềcho SV và làm cơ sở cho họ có khả năng tự học suốt đời

Bên cạnh đổi mới nội dung dạy học, việc đổi mới phương pháp giảngdạy đang là một vấn đề cần phải coi trọng Có thể thấy hệ thống các phươngpháp dạy học truyền thống sử dụng trong các trường ĐH – CĐ: Thuyết trình,diễn giải, đàm thoại thì hệ thống các phương pháp dạy hiện đại đã và đanghình thành, phát triển Những phương pháp dạy học tích cực là một thuật ngữrút gọn, hàm ý chỉ những phương pháp dạy học tiếp cận theo hướng tích cựcchủ động sáng tạo cuả người học cụ thể là hướng tới hoạt động học, tích cựchóa hoạt động nhận thức với bốn dấu hiệu cơ bản, đó là:

- Dạy học thông qua tổ chức các hoạt động của người học

- Dạy học chú trọng rèn luyện phương pháp tự học

- Tăng cường học tập cá thể phối hợp với học tập hợp tác

- Kết hợp đánh giá của Thầy và tự đánh giá của người học

Mỗi dấu hiệu này lại đưa ra các phương pháp cụ thể để vận dụng như:

Phương pháp động não, phương pháp đóng vai, phương pháp nghiêncứu tình huống, phương pháp thảo luận nhóm…Những năm gần đây trongphong trào đổi mới phương pháp dạy học ĐH – CĐ ở Việt Nam nhữngphương pháp dạy học tích cực đang được áp dụng Về mặt lý luận và thực tiễndạy học thì không có phương pháp nào là độc tôn, mỗi phương pháp đều cóđiểm mạnh và điểm yếu Áp dụng các phương pháp dạy học tích cực (hay còngọi là phương pháp dạy học hiện đại) không có nghĩa là gạt bỏ các phươngpháp dạy học truyền thống Các phương pháp dạy học truyền thống vẫn cónhững khía cạnh tích cực của chúng mà không thể thay thế được.

Tùy thuộc vào nội dung của môn học và hình thức tổ chức dạy học màngười thầy lựa chọn, sử dụng phương pháp dạy học tích cực để dạy có hiệuquả

1.5 Mối quan hệ kiến thức vật lý đại cương với kỹ thuật [7]

Vật lý đại cương là học phần cơ bản được giảng dạy trong các trường

kỹ thuật Nó cung cấp những kiến thức cơ bản nhất về: Cơ học, nhiệt học,điện trường …Và các thí nghiệm về các hiện tượng, định luật, định lý làm cơ

sở cho SV tiếp thu thuận lợi các môn học kỹ thuật cơ sở và chuyên ngành.Trong đó nhấn mạnh các kiến thức vật lý thiết thực cho việc học nghề của

SV, nhất là các ngành ô tô, cơ khí Đó chính là một khâu rất quan trọng trongmục tiêu đào tạo chất lượng cao

Vật lý – kĩ thuật dựa nhiều vào cơ sở vật lý học Ví dụ; cơ học vật rắn,

cơ học đất và cơ học kết cấu Là lý thuyết nền tảng cho các kĩ sư thiết kếcông trình xây dựng Bộ môn vật lý kiến trúc bao gồm lý thuyết về âm học,ánh sáng, nhiệt Giúp thiết kế công trình một cách tối ưu, chống tiếng ồn,nâng cao khả năng cách nhiệt và bố trí đèn chiếu sáng hiệu quả Ngành khíđộng lực học giúp các kĩ sư hàng không thiết kế máy bay tốt hơn cũng nhưthực hiện các mô phỏng trước khi cho sản xuất hàng loạt Trong lĩnh vực giảitrí, hình ảnh ti vi và máy tính đạt chuẩn nét cao là nhờ công nghệ Nano vàĐiện tử học

1.6 Mối quan hệ biện chứng giữa tư duy vật lý và tư duy kĩ thuật.[7]

- Tư duy vật lý là sự quan sát các hiện tượng vật lý, phân tích một hiệntượng phức tạp thành những bộ phận đơn giản và xác lập giữa chúng mốiquan hệ định tính và định lượng của các hiện tượng với các đại lượng vật lý,

dự đoán các hệ quả từ các thuyết và vận dụng sáng tạo kết quả thu được vàothực tiễn Kết quả tư duy vật lý là những phát minh khoa học vật lý Hoạtđộng tư duy sáng tạo trong nghiên cứu vật lý theo chu trình nhận thức, chutrình sáng tạo khoa học:

Sự kiện khởi đầu giả thiết khoa học hệ quả logic thí nghiệmkiểm tra

- Tư duy kỹ thuật là từ nhu cầu thực tiễn cuộc sống và kỹ thuật đưa ra ýtưởng thiết kế mô hình thiết bị và sản xuất thiết bị đó Kết quả của tư duy kỹthuật đó là những sáng chế kỹ thuật Hoạt động tư duy kỹ thuật theo chutrình:

Nhu cầu đề xuất ý tưởng – thiết kế mô hình sản xuất sản phẩm ýtưởng – thiết kế mô hình là giai đoạn hoạt động tư duy sáng tạo Trên cơ sởtài nguyên tri thức vật lý và các khoa học khác của nhân loại, con người biếtlựa chọn và khai thác tri thức vào ý tưởng của mình để thiết kế mô hình thiết

bị kỹ thuật đó là hoạt động tư duy sáng tạo ở đỉnh cao

Sản phẩm sản xuất ra đáp ứng nhu cầu đó là kết tinh sáng tạo trongsáng chế Nếu sản phẩm sản xuất chưa đáp ứng nhu cầu thì phải điều chỉnh lại

mô hình thiết kế

Trên cơ sở về tư duy vật lý và tư duy kỹ thuật, sản phẩm tư duy đó lànhững phát minh và sáng chế Đặc điểm chung đó là sự sáng tạo của conngười Tư duy vật lý và tư duy kỹ thuật có mối quan hệ mật thiết, tương hỗlẫn nhau Có thể nói: Vật lý học phát triển thì kỹ thuật phát triển Trong thờiđại ngày nay những phát minh mới của vật lý học được đưa vào ứng dụngtrong khoảng thời gian rất ngắn so với trước đây Ngược lại khi kỹ thuật pháttriển tạo điều kiện về phương tiện hiện đại trong nghiên cứu vật lý sẽ cho

những phát minh có giá trị.

Khoa học vật lý và kỹ thuật đồng hành phát triển là điều kiện để conngười khám phá được tự nhiên, khai thác sử dụng tiềm năng của tự nhiênphục vụ lợi ích cuộc sống con người Mối quan hệ biện chứng giữa tư duy vật

lý và tư duy kỹ thuật là ở chỗ đó

1.7 Thực trạng dạy học vật lý đại cương ở trường đại học kĩ thuật.

Qua tìm hiểu một số giáo trình của các trường đại học ĐH Bách Khoa,

ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, ĐH Trần Đại Nghĩa bằng cách:

- Trao đổi với GV dạy vật lý đại cương

- Dự giờ các tiết dạy lý thuyết trong phần Nhiệt học

- Trao đổi với SV

- Dùng phiếu điều tra lấy ý kiến của GV (xem phụ lục 7 trang P46 –P49)

Qua việc tìm hiểu đó, chúng tôi rút ra được một số nhận xét như sau:

- Về giáo trình dạy học vật lý đại cương.

Các giáo trình cũ được chỉnh sửa, tái bản cập nhật các kiến thức mớisong các giáo trình này đều thuần túy là lý thuyết, không có phần vật lý ứngdụng vào các chuyên ngành, hoặc nếu có cũng chỉ nói sơ qua

- Về số lượng bài tập.

Trong chương trình khung, tổng số bài tập được GV sử dụng trongphần này 45 bài tập trong đó:

+ Bài tập định tính: khoảng 1– 8 bài.

+ Bài tập định lượng chiếm đa số

+ Do đó các SV sau khi học không thể nắm sâu hơn về mặt kiến thức,khi học chuyên ngành thì không vận dụng được những kiến thức đã học đểtiếp thu các môn học chuyên ngành

+ Tạo nhàm chán khi SV học tập, nghiên cứu vật lý đại cương, SV chorằng phần này là khó và không giúp ích gì sau khi SV vào học chuyên ngành

- Về nhận thức và phương pháp giảng dạy của giảng viên.

+ Hầu hết các GV đều cho rằng kiến thức phần Nhiệt học rất quantrọng trong chương trình vật lý đại cương Phần này bao gồm những tri thứcđược ứng dụng nhiều trong thực tế, gần gũi với SV và có nhiều tài liệu thamkhảo

+ Đa số các GV chú trọng giảng dạy lý thuyết thuần túy, chưa chútrọng đến mối liên hệ, hay khai thác kiến thức ấy vào chuyên ngành SV sẽhọc

+ Giờ học trên lớp, hầu hết GV chỉ giảng dạy lý thuyết mà không có sựkhai thác sâu vào tính ứng dụng trong thực tiễn Chưa xây dựng được cho SV

hệ thống kiến thức cơ bản để SV có thể tự học tập và nghiên cứu một cáchhiệu quả

+ Các bài tập phục vụ cho việc dạy học, hầu hết các GV đều lấy ở cácSGT Nếu có GV tự soạn thì thường thay đổi số liệu các bài tập trong tài liệu

+ Chỉ có một ít GV yêu cầu SV làm BTL để khai thác các kiến thức đãđược học Tuy nhiên việc này không thường xuyên

+ Hầu hết các SV không có kỹ năng giải BT vật lý, kể cả các SV khágiỏi Đặc biệt kĩ năng diễn đạt ngôn ngữ nói và viết của SV còn kém

Để khắc phục tình trạng trên, chúng tôi xây dựng một hệ thống kiếnthức trong phần Nhiệt học và ứng dụng nó vào các chuyên ngành Sử dụngdạy học tích cực cho SV

1.8 Nguyên tắc giáo dục kĩ thuật tổng hợp trong dạy học vật lý đại cương [5], [7]

Vật lý học là cơ sở cho các ngành kỹ thuật Những ứng dụng kỹ thậtkhác nhau của vật lý học có thể được nghiên cứu ở các phần riêng biệt về cơhọc, nhiệt học, điện học, quang học, vật lý hạt nhân…Dạy kỹ thuật tổng hợptrong môn vật lý đại cương đòi hỏi phân tích những kiến thức liên quan đến

kỹ thuật Đặc biệt làm sáng tỏ nguyên tắc vật lý trong hoạt động của các thiết

bị, máy móc khác nhau

Ví dụ: Kiến thức nhiệt động học trong quá trình hoạt động của động cơđốt trong, nhiệt năng được biến đổi thành cơ năng đối với nguyên lý làm việc,đối với động cơ đốt trong 2 kỳ và 4 kỳ Ở đây nên sử dụng mô hình để giảnggiải với ngôn ngữ kỹ thuật

Cùng với việc nghiên cứu những sơ đồ cụ thể, mô hình cụ thể thì nhiệm

vụ dạy học kỹ thuật tổng hợp còn phải làm cho SV lĩnh hội những vấn đề kinh

tế – xã hội của kỹ thuật.

Ví dụ: Động cơ đốt trong nhiên liệu dùng xăng hoặc dùng nhiên liệuDiesel có cùng số Xylanh, cùng kích thước đường kính Xylanh, cùng một chu

kỳ công tác, cùng tốc độ vòng quay trục khuỷu thì:

- Động cơ Diesel có công suất lớn hơn vì có tỷ số nén lớn hơn

- Nhiên liệu Diesel rẻ tiền hơn, tiêu hao ít hơn, ít độc hại hơn

- Suất tiêu hao nhiên liệu riêng của động cơ Diesel thấp hơn động cơxăng

- Cùng một công suất thì động cơ Diesel có khối lượng nặng hơn động

cơ xăng

- Tiếng ồn của động cơ Diesel cao hơn động cơ xăng và tăng tốc chậmhơn

- Giá thành chế tạo động cơ Diesel cao hơn động cơ xăng

- Sửa chữa hệ thống nhiên liệu cần phải có máy chuyên dùng, dụng cụđắt tiền và thợ chuyên môn cao

Giáo dục kỹ thuật tổng hợp, giáo dục cho SV nhận thức đầy đủ mốiquan hệ hai chiều giữa vật lý và kỹ thuật: Không chỉ vật lý là nền tảng của kỹthuật, mà kỹ thuật cũng thúc đẩy những nghiên cứu khoa học, thực hiện côngnghiệp hóa khoa học vật lý, tạo ra những phương tiện kỹ thuật mới để nghiêncứu vật lý.

Trong các trường đại học, các thiết bị hiện đại với các máy móc thínghiệm tân tiến hỗ trợ nghiên cứu vật lý và kỹ thuật đạt hiệu quả

Như vậy mối liên hệ hai chiều của vật lý và kỹ thuật là một hệ quả quantrọng cuộc cách mạng khoa học – kỹ thuật Chỉ ra mối liên hệ này là mộttrong những nhiệm vụ của dạy học kỹ thuật tổng hợp

Nguyên tắc kỹ thuật tổng hợp đòi hỏi chỗ dựa là thí nghiệm vật lý.Trong sự đa dạng của thí nghiệm vật lý, thì các thí nghiệm nào minh họa đượcnhững nguyên tắc hoạt động còn các thiết bị kỹ thuật hiện đại hoặc các bộphận của chúng sẽ đóng vai trò quan trọng Chúng ta có thể sử dụng các môhình kỹ thuật, các thiết bị kỹ thuật để biểu diễn cho SV quan sát, nghiên cứutại lớp Ngày nay nhờ công nghệ thông tin với các phần mềm mô phỏng thínghiệm các mô hình, hình mẫu của các thiết bị, các đoạn băng Video Clip,Flash mô phỏng về hoạt động của chúng…Là những phương tiện hữu hiệu đểdạy kỹ thuật tổng hợp trong môn vật lý đại cương

Thực hiện nguyên tắc giáo dục kỹ thuật trong dạy học vật lý đại cươngbao gồm việc SV nắm được một loạt kỹ năng, kỹ xảo thực hành, điều này giữvai trò quan trọng trong việc việc chuẩn bị cho SV bước vào học các môn cơ

sở và chuyên ngành

Ví dụ: Kỹ năng sử dụng các dụng cụ đo, kỹ thuật đo lường các đạilượng vật lý – thông số kỹ thuật, vận dụng tri thức vật lý kỹ thuật giải quyếtcác bài toán thực tiễn…

Thông qua hoạt động làm thí nghiệm, thực hành thí nghiệm, giải cácbài tập có nội dung kỹ thuật, làm việc với các mô hình kỹ thuật,…Đó lànhững hình thức hình thành, phát triển kỹ năng – kỹ xảo của SV

Như vậy quan điểm giáo dục kỹ thuật tổng hợp trong dạy học vật lý đạicương là con đường vận dụng những kiến thức vật lý, ứng dụng vào kỹ thuậtchuyên ngành đào tạo ở các trường đại học kỹ thuật có hiệu quả cao nhất.

1.9 Dạy học theo hướng khai thác kiến thức vật lý đại cương phần Nhiệt học ứng dụng trong kỹ thuật ngành ô tô [3], [5], [7]

1.9.1 Tiến trình dạy học theo tính ứng dụng vật lý đại cương vào trong

kỹ thuật ngành ô tô.

Việc SV thông hiểu, áp dụng sáng tạo các kiến thức vào tình huốngmới, phụ thuộc trước hết là nội dung của chính môn học Cấu trúc tài liệu giáotrình và phương pháp trình bày tài liệu có một ý nghĩa to lớn Vấn đề lựa chọnnội dung tài liệu giáo trình, cấu trúc của tài liệu đó và phương pháp trình bàyphải tùy theo mục đích dạy học

Nếu chúng ta chỉ đơn thuần cho SV làm quen với những nguyên lýmới, những định luật mới thì ta chỉ thông báo cho SV những kết luận lýthuyết có sẵn mà SV sẽ phải sử dụng Còn nếu chúng ta đặt vấn đề khôngnhững thông báo mà giúp SV bồi dưỡng phẩm chất đặc trưng của năng lựcsáng tạo là thông hiểu kiến thức và áp dụng kiến thức vào tình huống mới, tức

là phát triển trí tuệ của SV trong quá trình dạy học thì không phải bắt đầu việctrình bày tài liệu giáo trình từ những lý thuyết có sẵn mà không giải thíchchúng được rút ra từ những sự việc ban đầu nào và tính chất đúng đắn của lýthuyết được khẳng định bằng những thực nghiệm nào

Chúng tôi cho rằng cần trình bày những nội dung theo chu trình sau

“Những sự kiện khởi đầu lý thuyết khoa học những hệ quả được rút ramột cách lôgic kiểm tra bằng thực nghiệm các kết quả” sẽ có tác dụng tốttrong việc phát huy năng lực tư duy sáng tạo của SV

1.9.2 Phương pháp dạy học theo hướng khai thác kiến thức vật lý đại cương phần Nhiệt học ứng dụng vào kĩ thuật ngành ôtô.

- Phương pháp nêu vấn đề.

Trên cơ sở lý thuyết mà SV đã được học ta nêu vấn đề các kiến thức đó

có liên hệ trong thực tế như thế nào

- Phương pháp mô hình.

Là phương pháp sử dụng những mô hình có thật trong thực tế, các thiết

bị sử dụng hàng ngày xung quanh chúng ta để cho SV thấy được cấu trúc,nguyên lý hoạt động của nó

Hệ thống những ký hiệu dùng với tư cách làm mô hình: Hình vẽ, sơ đồ,

đồ thị, chữ cái, các công thức, phương trình toán học Chú ý đặc biệt đến 2loại mô hình ký hiệu là mô hình toán học và mô hình đồ thị

Mô hình toán học: Là mô hình có bản chất khác vật gốc, chúng diễn tảnhững đặc tính của vật gốc bằng một hệ thức toán học

Chẳng hạn như tất cả những địa lượng q biến thiên thỏa mãn phươngtrình: q” + ω2q = 0 đều biến thiên theo một quy luật dao động điều hòa Bởivậy có thể dùng công thức đó là mô hình của mọi dao động điều hòa khôngphụ thuộc vào bản chất của dao động

Mục đích của mô hình hóa là thay thế đối tượng nghiên cứu bằngphương trình sao cho có thể thu được những thông tin cần thiết một cách dễdàng nhất Bởi vậy có thể ở giai đoạn đầu của quá trình nhận thức xuất phát từnhững yếu tố quan sát được (lực đàn hồi) để xây dựng mô hình dao động cơhọc, sau đó dùng mô hình để nghiên cứu dao động điện không quan sát trựctiếp được

Tuy mô hình toán có ưu điểm về sự chặt chẽ của toán học, có thể xéttới những yếu tố ảnh hưởng nhỏ nhất tham dự vào quá trình thực nghiệm,song sự chặt chẽ này đồng thời lại là nhược điểm của mô hình toán, vì nó cókhoảng cách khá xa với tính linh hoạt của các quá trình thực

Mô hình đồ thị: Là một loại mô hình rất thông dụng trong nghiên cứuvật lý, đặc biệt là trong nghiên cứu thực nghiệm Vai trò của đồ thị thể hiệnrõ: mối quan hệ hàm số, đồ thị biểu diễn một mối quan hệ giữa 2 hoặc 3 đạilượng vật lý mô tả hiện tượng tự nhiên Nếu chỉ dừng lại ở việc giải thích hiện

tượng theo quan điểm vĩ mô (theo hiện tương luận) thì trong nhiều trườnghợp, có thể dựa vào đồ thị để giải thích sự diễn biến của hiện tượng

Ví dụ, người ta thường dựa vào đặc tuyến Vôn Ampe của Tranzito đểchọn điểm làm việc của nó Ngược lại với một điểm làm việc nhất định, thìdựa vào đặc tuyến Vôn Ampe ta có thể biết Tranzito hoạt động ở chế độ tuyếntính hay không tuyến tính

Mỗi đồ thị không những chỉ phản ánh đơn thuần mối liên hệ hàm sốgiữa hai đại lượng vật lý, mà nó mang nhiều thông tin quý báu ngoài mối liên

hệ đó Đó chính là chức năng tiên đoán của đồ thị Ví dụ: Đồ thị của đườngđẳng tích và đường đẳng áp đã cho ta tiên đoán sự tồn tại của độ không tuyệtđối

Nếu một đồ thị có một cực đại (hay một cực tiểu) thì nó sẽ cho ta thấyhai yếu tố trái ngược nhau chi phối hiện tượng mà ta xét Đó chẳng hạn làtrường hợp đồ thị thực nghiệm của sự phụ thuộc năng suất phát xạ đơn sắccủa vật đen tuyệt đối và bước sóng Như vậy đồ thị vật lý hoàn toàn có đủ tưcách là một mô hình lý thuyết của một hiện tượng vật lý

Để cho đồ thị có ý nghĩa như một mô hình độc lập chứ không phải chỉ

là một dạng để biểu diễn một công thức toán học, cần nói rõ cách xây dựng và

sử dụng riêng của đồ thị

Mô hình lôgic – Toán: Mô hình này dựa trên ngôn ngữ toán học Môhình này được sử dụng rộng rãi trên các máy tính điện tử Có thể coi mô hìnhdùng trong máy tính điện tử là mô hình kí hiệu đã được vật chất hóa

Những hiện tượng hoặc quá trình cần nghiên cứu mô hình hóa dướidạng chương trình của máy tính, nghĩa là hệ thống quy luật đã được mã hóatheo ngôn ngữ của máy, chương trình này có thể coi như Algorit của các hành

vi của đối tượng nghiên cứu Trong vật lý học những mô hình lý thuyết có tácdụng to lớn đối với quá trình nhận thức nên chúng giữ một vị trí quan trọng

Mô hình kí hiệu và mô hình biểu tượng trong sáng tạo khoa học vật lýliên quan mật thiết với nhau và có ảnh hưởng đến sự phát triển của nhau

Tóm lại, chúng ta có thể xây dụng sơ đồ dạy kiến thức vật lý sau đây:

Hình 1.3 Xây dựng sơ đồ dạy kiến thức vật lý

- Phương pháp nhận thức tính ứng dụng trong vật lý học.

+ Dạy học theo hướng ứng dụng kiến thức vật lý.

Những kiến thức vật lý được các nhà khoa học phát minh từ những sựvật từ những sự vật hiện tượng rồi tổng hợp và khái quát hóa thành nhữngđịnh luật những khái niệm, những quy luật chung nhất,…

SV nghiên cứu vật lý là hoạt động khám phá ứng dụng vào thực tế cuộcsống kĩ thuật và công nghệ

+ Cơ sở phương pháp nhận thức theo tính ứng dụng vật lý.

Rõ ràng sự suy luận một giả thuyết là những kiến thức mà con ngườithường gặp trong cuộc sống Những giả thuyết đó chỉ trở thành nhận thứckhoa học khi chúng được kiểm tra và xác nhận bằng thực nghiệm và trongthực tiễn

Sở dĩ sự suy luận bằng phép tương tự đạt được những kết quả đáng tincậy trở thanh một phương pháp có hiệu lực trong khoa học vì theo Kedrop:

“Sự tương tự có nguyên nhân sâu xa và sự thống nhất bản chất bên trong củanhững hiện tượng khác nhau, sự thống nhất có tính tổng quát của các định luậtchung chi phối những định luật riêng”

Thực tiễn

Xây dựng lý thuyết

Giải thích vấn đề

Áp dụng vào thực tiễn

Trước hết chúng tương tự với nhau vì chúng tuân theo những mối quan

hệ nhân quả

Dựa trên sự tương tác giữa các hệ quả mà người ta có thể đưa ra sựtương tác giữa các nguyên nhân và ngược lại

D.Didorot đã viết “Trong vật lý học, tất cả những hiểu biết của chúng

ta đều dựa vào sự tương tự nếu sự giống nhau về hệ quả mà không cho phép

ta kết luận về sự giống nhau về nguyên nhân thì khoa học vật lý sẽ ra sao? Cócần phải đi tìm nguyên nhân của tất cả các hiện tượng tương tự không loại trừ

gì hết? Liệu điều đó có thực hiện được không? Y học và những lĩnh vực thựcnghiệm của vật lý sẽ như thế nào nếu không có nguyên lý tương tự đó…Cóthể rút ra được kết luận gì từ rất nhiều sự việc, thực nghiệm và quan sát?”

Trong lịch sử khoa học nhiều phát minh vĩ đại tất cả đều được ứngdụng vào trong cuộc sống con người đa số những giả thiết khoa học ngày nayđều được đề xuất dựa trên những vấn đề con người thường gặp trong tự nhiên

và cuộc sống

Ngoài những vấn đề trên, vật lý học ngày nay không chỉ đơn thuầnnghiên cứu vật lý, mà vật lý học có mối liên hệ mật thiết với các nghành khoahọc khác vật lý – hóa học, vật lý – thiên văn, vật lý – sinh học, vật lý – y học,vật lý – nông học, vật lý – kĩ thuật và công nghệ …Vì thế trong lý luận -phương pháp dạy học vật lý hình thành quan điểm dạy học tích hợp, tư tưởnggiáo dục kĩ thuật tổng hợp

Kết luận chương 1

Nội dung chương 1 làm cơ sở lý luận của đề tài Chúng tôi đã hệ thống

cơ sở lý luận về dạy học vật lý đại cương theo hướng khai thác những kiếnthức vật lý, ứng dụng vào kỹ thuật

Với những nội dung chính: Mối quan hệ giữa nghiên cứu vật lý và dạyhọc vật lý, nội dung dạy học vật lý đại cương theo hướng khai thác nhữngkiến thức vật lý vào quá trình đào tạo nghề ở trường ĐH – CĐ chuyên nghiệp,những vấn đề về nhận thức tính ứng dụng của vật lý trong quá trình dạy họcvật lý đại cương

Cơ sở lý luận của chương 1 là nền tảng để có thể cấu trúc lại nội dungcủa giáo trình vật lý đại cương hiện hành theo hướng dạy học vận dụng nhữngkiến thức vật lý vào đào tạo nghề ở bậc ĐH – CĐ

Chương 2 Khai thác kiến thức vật lý đại cương phần Nhiệt học vào kĩ thuật ngành ô tô

2.1 Phân tích chương trình vật lý đại cương phần Nhiệt học.

2.1.1 Phân tích chương trình vật lý đại cương phần Nhiệt học.

Phần Nhiệt học là phần thứ hai trong chương trình khung của Bộ Giáo

Dục và Đào tạo, tiếp nối phát triển kiến thức về nhiệt học trung học phổthông

Phần Nhiệt học gồm có hai chương: Chương ‘‘Chất khí’’ và chương

‘‘Các nguyên lý của nhiệt động lực học’’ trang bị các khái niệm nền tảng làm

cơ sở nghiên cứu các hiện tượng xảy ra bên trong vật như: Vật nóng chảy, vậtbay hơi, vật nóng lên khi có ma sát Sự sắp xếp này có tính kế thừa, phù hợpvới lôgíc nội dung của chương trình khung Do đó phần Nhiệt học có vị tríquan trọng trong chương trình vật lý đại cương nói riêng và vật lý nói chung

Phân bố thời lượng dạy học phần này có 24 tiết, trong đó có 18 tiết lýthuyết, 05 tiết bài tập, 1 tiết kiểm tra

2.1.2 Mục tiêu dạy học phần Nhiệt học.

- Sinh viên phải nắm vững các khái niệm: Hệ nhiệt động, nội năng, cácđịnh luật thực nghiệm về chất khí Phương trình trạng thái khí lý tưởng, công

và nhiệt, nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học Dùng nguyên lý thứ nhấtcủa nhiệt động lực học để khảo sát các quá trình cân bằng, hạn chế củanguyên lý thứ nhất Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch Nguyên lýthứ hai của nhiệt động lực học, chu trình Carnot, định lý Carnot HàmEntropy và nguyên lý tăng Entropy

- Sinh viên thông qua học tập kiến thức vật lý đại cương có khả năngvận dụng vào kỹ thuật ngành ô tô

- Sinh viên phải hiểu, có kỹ năng vận dụng các kiến thức trên để giải

thích các hiện tượng vật lý, các bài tập định tính, bài tập định lượng trongphần Nhiệt học làm cơ sở tiếp thu các môn học chuyên ngành

- Vận dụng được những kiến thức trên để lý giải được một số hiệntượng trong nhiệt học và giải được một số bài toán về khảo sát các quá trìnhcân bằng.

- Biết vận dụng nguyên lý 2 trong việc đánh giá hiệu suất của các loạiđộng cơ nhiệt Giải được các bài toán về tính toán công, nhiệt, hiệu suất củađộng cơ nhiệt

- Rèn luyện tác phong làm việc khoa học, tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác, có

ý thức vận dụng những hiểu biết vật lý vào đời sống

- Bồi dưỡng lòng yêu khoa học kĩ thuật, kỹ năng làm việc theo nhóm

- Bồi dưỡng tư duy linh hoạt sáng tạo thông qua giải BTL bằng một sốphương pháp khác nhau, giải được bài tập có nội dung thực tế

2.2 Kiến thức về Nhiệt học ứng dụng vào kĩ thuật ngành ôtô.

2.2.1 Công, nhiệt, nội năng của hệ nhiệt động.[1], [4], [12]

- Khái niệm hệ nhiệt động.

Một tập hợp các vật được xác định hoàn toàn bởi một số các thông số

vĩ mô, độc lập với nhau, được gọi là hệ vĩ mô hay hệ nhiệt động (còn gọi làhệ)

Tất cả các vật còn lại, ngoài hệ là ngoại vật đối với hệ hay môi trườngxung quanh hệ

+ Khái niệm nội năng.

Mỗi trạng thái của một hệ nhiệt động tương ứng với một giá trị xácđịnh của năng lượng hệ Năng lượng này được biểu hiện ở hai mặt đó là ngoạinăng và nội năng

Ngoại năng là phần năng lượng tương ứng với những chuyển động,những tương tác bên ngoài của hệ như động năng trong chuyển động cóhướng của toàn bộ hệ, thế năng tương tác của hệ với bên ngoài (như thế năngtrọng trường ) Phần năng lượng này được giả thiết là không thay đổi.

Nội năng là phần năng lượng tương ứng với những chuyển động hỗnloạn bên trong của các phân tử, nguyên tử Bao gồm động năng của các phân

tử vi mô, thế năng tương tác của các phân tử đó

Như vậy, nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật:

U = f(T,V)Nội năng kí hiệu là U, đơn vị là J

Đối với khí lý tưởng người ta bỏ qua tương tác giữa các phân tử lúckhông va chạm, nên có thể bỏ qua thế năng tương tác giữa chúng

Nội năng là một hàm của trạng thái

+ Độ biến thiên nội năng.

Là phần nội năng tăng lên hay giảm bớt đi trong một quá trình

- Công.

Công là dạng truyền năng lượng làm tăng mức độ chuyển động có trật

tự của một vật, xảy ra khi có tương tác giữa các vật vĩ mô

Công kí hiệu là A, đơn vị là J

Quy ước: A > 0: Công nhận vào

A < 0: Công sinh ra

Khi nhận công từ bên ngoài hay sinh công ra môi trường xung quanh,năng lượng (nội năng của hệ thay đổi) Bản thân công không phải là nănglượng vì ở mỗi trạng thái năng lượng là xác định, còn công không có nghĩa,công chỉ xuất hiện trong quá trình biến đổi, công là hàm của quá trình

- Nhiệt lượng (hay nhiệt).

Nhiệt là một đại lượng đặc trưng mức độ trao đổi năng lượng thông quachuyển động hỗn loạn của các phân tử

Nhiệt kí hiệu là Q, đơn vị là J.

Quy ước: Q > 0: Nhiệt do hệ nhận vào

Q < 0: Nhiệt do hệ sinh ra ( tỏa nhiệt)

Nhiệt là hình thức trao đổi năng lượng nhưng nhiệt không phải nănglượng

Nhiệt chỉ xuất hiện trong một quá trình biến đổi Nhiệt là hàm của quátrình

- Mối liên hệ giữa công và nhiệt.

Nhiệt lượng là phần năng lượng trao đổi liên quan đến chuyển độngnhiệt của các phân tử

Công là phần năng lượng trao đổi giữa các vật thông qua chuyển độngđịnh hướng của các phân tử

Công và nhiệt có thể chuyển hóa cho nhau Công có thể chuyển hóahoàn toàn thành nhiệt nhưng nhiệt không thể chuyển hoàn toàn thành công

Sự tương đương giữa công và nhiệt

W = A + Q Theo giả thiết cơ năng của hệ không đổi Wđ + Wt = const, hệ đứng yên

và không đặt trong trường lực nào, thì năng lượng chính là nội năng

Nếu A < 0, Q < 0 thì U <0, nghĩa là hệ thực sự sinh công và toả nhiệt

ra bên ngoài thì nội năng của hệ giảm

- Hệ quả

Đối với hệ cô lập, tức là hệ không trao đổi công và nhiệt với bên ngoài

A = Q = 0 thì U = 0 => U = const Nội năng của một hệ cô lập được bảo toàn

Nếu một hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau và Q1 và Q2

là nhiệt mà chúng nhận được thì Q = Q1 + Q2 = 0 hay Q1 = - Q2

Nếu Q1 < 0 ( vật 1 toả nhiệt ) thì Q2 > 0 ( vật 2 thu nhiệt ) và ngược lại.Vậy: Trong một hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt, nhiệt lượng dovật này toả ra bằng nhiệt lượng do vật kia thu vào

Hệ là một máy làm việc tuần hoàn, nghĩa là nó biến đổi theo một quátrình kín hay chu trình Sau một dãy các biến đổi, hệ lại trở về trạng thái banđầu Như vậy sau một chu trình thì U = 0 nên A = - Q

Nếu A > 0 thì Q <0 và ngược lại A < 0 thì Q >0, còn về giá trị tuyệt đối

A Q Vậy: Trong một chu trình, công mà hệ nhận được có giá trị bằngnhiệt do hệ toả ra bên ngoài hay công do hệ sinh ra có giá trị bằng nhiệt mà hệnhận vào từ bên ngoài

Khi hệ thực hiện một quá trình biến đổi vô cùng nhỏ thì :

dUA Q

Với dU là vi phân toàn phần (do U là hàm trạng thái độ biến thiên của

nó không phụ thuộc quá trình), còn A, Q là vi phân không toàn phần (do

A, Q là hàm của quá trình)

- Ý nghĩa của nguyên lý 1.

Nguyên lý thứ 1 là định luật bảo toàn và biến đổi năng lượng

Năng lượng không tự sinh ra cũng không tự mất đi mà nó chỉ chuyển từdạng này sang dạng khác

Không một máy nào làm việc tuần hoàn sinh công mà lại không nhậnthêm năng lượng từ bên ngoài hoặc sinh công lớn hơn năng lượng truyền cho

nó

Như vậy nguyên lý 1 khẳng định “ Không thể nào chế tạo được động

cơ vĩnh cữu loại một’’

- Khảo sát các quá trình cân bằng của khí lý tưởng.

+ Trạng thái cân bằng.

Trạng thái cân bằng của hệ là trạng thái không biến đổi theo thời gian

và tính bất biến đó không phụ thuộc các quá trình của ngoại vật

Hình 2.1.Khí nén trong Xylanh chịu nén

Khi Piston chuyển động xuống dưới do tác dụng của ngoại lực thì ápsuất tại các điểm khác nhau sẽ khác nhau Như vậy ở sát Piston áp suất sẽtăng nhanh hơn chỗ khác Trạng thái đó là trạng thái không cân bằng vì nókhông tồn tại lâu khi Piston dừng lại Vậy quá trình nén khí trong thực tế làquá trình không cân bằng

+ Công trong quá trình cân bằng.

Xét một khối khí đựng trong bình kín Giả sử khối khí nhận nhiệt Q và

làm Piston di chuyển một đoạn s

Công do khối khi thực hiện lên Piston là A:

Hình 2.2 Công mà khí nhận được trong quá trình nén có giá trị dương

Quá trình biến đổi vô cùng bé, công do khối khí nhận được: δApdVApdV

+ Nhiệt trong quá trình cân bằng.

m

Q C T

Quá trình biến đổi vô cùng bé, nhiệt trong quá trình cân bằng là:

 

 Với C: Nhiệt dung mol của một chất

C = M.c với c: Nhiệt dung riêng của một chất.

+ Nội năng khí lý tưởng

Đối với một khối khí lý tưởng có khối lượng m, nội năng của khối khí

lý tưởng ấy là:

U = m i RT

2

 Với i là số bậc tự do của phân tử, một đại lượng liên quan đến cấu tạocủa phân tử

Phân tử một nguyên tử i = 3, phân tử hai nguyên tử i = 5, phân tử từ 3nguyên tử trở lên i = 6

Độ biến thiên nội năng của một khối khí lý tưởng:

Vì V = const, suy ra dV = 0 nên:

CV: nhiệt dung mol đẳng tích của chất khí

Độ biến thiên nội năng: U= A + Q = Q

Mặt khác: U m i .R T

2

Vậy nhiệt dung mol đẳng tích của khí lý tưởng: CV i R

Hình 2.4 Biểu diễn quá trình đẳng áp.

Nhiệt lượng khối khí nhận được trong quá trình đẳng áp là:

Trong đó Cp: Nhiệt dung mol đẳng áp của khối khí.

Độ biên thiên nội năng của khối khí là:

Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng pV = m.R.T

 đối với quá trìnhđẳng áp ta có:

C  i . Hệ số Poisson hay chỉ số đoạn nhiệt

NHIỆT DUNG PHÂN TỬ CỦA CÁC CHẤT KHÍ ( tính bằng cal

+ Quá trình đẳng nhiệt T = const.

Ta có phương trình đẳng nhiệt: pV = const

Công khối khí nhận được là:

2

1

V

1 2 V

Hình 2.5 Biểu diễn quá trình đẳng nhiệt.

Nội năng của khối khí: U 0 Theo nguyên lý 1: U A Q 

Vậy nhiệt khối khí nhân được là:

+ Quá trình đoạn nhiệt Q = 0.

Ta có phương trình đoạn nhiệt:

pV =constγ

 ta được:

2 2 1 1

p V p VA

- Quá trình đa biến: Là quá trình trong đó nhiệt dung không đổi.

Phương trình của quá trình:

Theo nguyên lý 1:

dUQ AMặt khác:

m

pV RT

 ( p,V đều thay đổi )

Vi phân 2 vế phương trình trên ta được:

* n = 0,V = 1, p = Const Đây là quá trình đẳng áp.

* n = 0,V = V, pV = Const Đây là quá trình đẳng nhiệt

* n , pV =const Đây là quá trình đoạn nhiệt.γ

có thể vẫn không xảy ra trong thực tế Ta hãy xét một vài ví dụ:

Xét một hệ cô lập gồm hai vật có nhiệt độ khác nhau Khi đặt hai vậttiếp xúc nhau thì chúng sẽ trao đổi nhiệt với nhau Theo nguyên lý 1 nhiệtlượng tỏa ra từ vật này bằng nhiệt từ vật kia thu vào; còn trong hệ xảy ra quátrình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh hoặc từ vật lạnh sang vật nóng thìnguyên lý 1 đều không bị vi phạm, tuy nhiên, thực tế cho biết rằng trong hệ

cô lập, quá trình truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng sẽ không xảy ra mà chỉxảy ra quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh

Một hòn đá có khối lượng m được nâng lên độ cao Z trong chân không,thế năng của nó là mgZ Nếu nó rơi xuống đất, thế năng giảm, còn động năngtăng dần Lúc va chạm với đất động năng của nó đạt giá trị mgZ Sau khi vachạm động năng này biến đi nhưng làm đất nóng lên Hiện tượng xảy ra theođúng nguyên lý 1 Nếu ta hình dung hiện tượng ngược lại: Hòn đá đang nằmtrên mặt đất lấy một hiện tượng đúng bằng hiện tượng ở trên, đưa nó lên đượcmột độ cao Z Trong quá trình này, nguyên lý 1 không bị vi phạm Tuy nhiên,trong thực tế không xảy ra quá trình đó.

Qua hai ví dụ trên ta thấy nguyên lý 1 không cho ta biết chiều diễn biếncủa quá trình thực tế xảy ra

Trong vấn đề này, nguyên lý 1 cũng nêu lên sự khác nhau trong quátrình chuyển hóa giữa công và nhiệt Theo nguyên lý 1, công và nhiệt tươngđương nhau và có thể chuyển hóa lẫn nhau; nhưng thực tế chỉ rõ rằng công cóthể chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt nhưng ngược lại nhiệt chỉ có thể biếnmột phần mà không thể biến hoàn toàn thành công được

Nguyên lý 1 cũng không đề cập đến tới vấn đề chất lượng của nhiệt.Trong thực tế nhiệt lượng Q lấy ở môi trường có nhiệt độ cao có chất lượngcao hơn nhiệt lượng đó lấy ở môi trường có nhiệt độ thấp hơn

Như vậy nếu chỉ dựa vào nguyên lý 1 thì sẽ có nhiều vấn đề thực tếkhông giải quyết được Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học sẽ khắcphục những hạn chế trên đây của nguyên lý 1 và cùng với nó tạo thành một hệthống lý luận chặt chẽ làm cơ sở cho việc nghiên cứu các hiện tượng nhiệt

Về mặt kỹ thuật nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học đóng một vaitrò rất quan trọng trong việc chế tạo các động cơ nhiệt

2.2.3 Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học (nguyên lý 2).[1], [4], [12]

- Phát biểu của Claudius.

Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng hơn

Như vậy, quá trình truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng hơn không tựphát xảy ra, nó bắt buộc phải có tác dụng của bên ngoài nghĩa là môi trường