Phân loại và giải bài tập nhiệt học đại cương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA SƯ PHẠM BỘ MƠN VẬT LÝ XW LÊ BÁ LỘC LỚP DH5L KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC PHÂN LOẠI VÀ GIẢI BÀI TẬP NHIỆT HỌC ĐẠI CƯƠNG Giáo viên hướng dẫn: LÊ ĐỖ HUY Long Xuyên, tháng 05 năm 2008 LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn: Ban giám hiệu nhà Trường Đại Học An Giang Ban chủ nhiệm Khoa Sư Phạm Trường Đại Học An Giang Hội đồng Khoa Học Đào Tạo Khoa Sư Phạm Trường Đại Học An Giang Thầy Lê Đỗ Huy – Giáo viên hướng dẫn Các thầy cô bạn Đã tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ em hồn thành đề tài nghiên cứu i LỜI NĨI ĐẦU Đề tài “Phân loại giải tập nhiệt học đại cương” có nội dung gồm ba phần: Chương I: Cơ sở lý luận đề tài Chương II: Cơ sở lý thuyết Chương III: Phân loại tập cụ thể Nội dung trình bày chi tiết gồm: lý thuyết bản, phương pháp giải, tập giải mẫu, tập đề nghị tập định tính; lý thuyết bản, phương pháp giải, tập giải mẫu, tập đề nghị (có đưa đáp số) tập định lượng Đề tài viết với mục đích để phân loại giải tập vật lý phần nhiệt học sở tập giải mẫu nhằm mục đích nâng cao kỹ học tập nhận thức thân Hy vọng góp phần giúp sinh viên ơn tập, nắm vững kiến thức bản; rèn luyện kỹ giải tập; rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng lý thuyết vào thực tiễn; phát triển khả tư duy;… Tuy nhiên, trình thực cịn nhiều thiếu sót chưa qua ứng dụng thực tế nên mong thầy, cô bạn góp ý giúp hồn chỉnh đề tài An Giang, ngày tháng năm 2008 Người thực ii MỤC LỤC PHẦN I: MỞ ĐẦU - I Lí chọn đề tài II Mục đích nghiên cứu - III Nhiệm vụ nghiên cứu - IV Đối tượng nghiên cứu - V Phạm vi nghiên cứu - VI Giả thuyết khoa học VII Phương pháp nghiên cứu - VIII Đóng góp đề tài IX Bố cục khóa luận -2 PHẦN II: NỘI DUNG - Chương I: Cơ sở lý luận đề tài I Khái niệm tập vật lý II Vai trò tác dụng tập vật lý - III Phân loại tập vật lý - IV Cơ sở định hướng giải tập vật lý - V Tiểu luận Chương II: Cơ sở lý thuyết - I Thuyết động học chất khí II Sự va chạm phân tử Các tượng truyền chất khí -20 III Những nguyên lý nhiệt động lực học 22 Chương III Phân loại tập cụ thể -35 I Bài tập định tính -35 II Bài tập định lượng 40 PHẦN III: KẾT LUẬN -69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY PHẦN I: MỞ ĐẦU I Lí chọn đề tài Nhiệm vụ người học mơn vật lý phải hiểu vận dụng lý thuyết chung vật lý vào lĩnh vực cụ thể Một lĩnh vực giải tập vật lý Bài tập vật lý nhiều, đa dạng phong phú Một kỹ người học phân loại giải tập liên quan đến nội dung lý thuyết Trong q trình học, em cịn gặp khó khăn giải tập khơng tìm hướng giải vấn đề, không vận dụng lý thuyết vào việc giải tập, không tổng hợp kiến thức thuộc nhiều phần chương trình học để giải vấn đề chung, hay giải tập thường áp dụng cách máy móc công thức mà không hiểu rõ ý nghĩa vật lý chúng Với lí tơi chọn đề tài: “Phân loại giải bàì tập nhiệt học đại cương” II Mục đích nghiên cứu Vận dụng lý thuyết để phân loại giải tập vật lý đại cương phần nhiệt học nhằm mục đích nâng cao kỹ học tập nhận thức thân III Nhiệm vụ nghiên cứu Hệ thống kiến thức phần vật lý phân tử nhiệt học Phân loại tập vật lý đại cương phần vật lý phân tử nhiệt học Nêu số tập đề nghị IV Đối tượng nghiên cứu Lý thuyết phần vật lý phân tử nhiệt học Các loại tập vật lý vật lý đại cương phần vật lý phân tử nhiệt học V Phạm vi nghiên cứu Chỉ nghiên cứu chương: “Thuyết động học phân tử chất khí”, “Sự va chạm phân tử tượng truyền chất khí”, “Những nguyên lý nhiệt động lực học” VI Giả thuyết khoa học Nếu đề tài nghiên cứu thành cơng góp phần tăng thêm kiến thức cho thân phần nghiên cứu Và tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành sư phạm vật lý VII Phương pháp nghiên cứu Phương pháp đọc sách, nghiên cứu tài liệu tham khảo Phương pháp thống kê tốn học Phương pháp phân tích, đánh giá Khóa luận tốt nghiệp Trang SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY VIII Đóng góp đề tài Trong q trình hồn thiện đề tài giúp em rèn thêm kỹ phân loại tập kỹ sử dụng lý thuyết vào việc giải tập cụ thể IX Bố cục khóa luận PHẦN I: MỞ ĐẦU I Lí chọn đề tài II Mục đích nghiên cứu III Nhiệm vụ nghiên cứu IV Đối tượng nghiên cứu V Phạm vi nghiên cứu VI Giả thuyết khoa học VII Phương pháp nghiên cứu VIII Đóng góp đề tài IX Bố cục khóa luận PHẦN II: NỘI DUNG Chương I: Cơ sở lý luận đề tài I Khái niệm tập vật lý II Vai trò tác dụng tập vật lý III Phân loại tập vật lý IV Cơ sở định hướng giải tập vật lý V Tiểu luận Chương II: Cơ sở lý thuyết I Thuyết động học chất khí II Sự va chạm phân tử Các tượng truyền chất khí III Những nguyên lý nhiệt động lực học Chương III: Phân loại tập cụ thể I Bài tập định tính II Bài tập định lượng PHẦN III: KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Khóa luận tốt nghiệp Trang SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY PHẦN II: NỘI DUNG Chương I: Cơ sở lý luận đề tài I Khái niệm tập vật lý Bài tập vật lý yêu cầu đặt cho người học, người học giải dựa sở lập luận lơgic, nhờ phép tính tốn, thí nghiệm, dựa kiến thức khái niệm, định luật thuyết vật lý II Vai trò tác dụng tập vật lý Xét mặt phát triển tính tự lực người học rèn luyện kỹ vận dụng kiến thức lĩnh hội vai trị tập vật lý q trình học tập có giá trị lớn Bài tập vật lý sử dụng nhiều khâu trình dạy học Bài tập phương tiện nghiên cứu tượng vật lý Trong trình dạy học vật lý người học làm quen với chất tượng vật lý nhiều cách khác như: kể chuyện, biểu diễn thí nghiệm, làm thí nghiệm, tiến hành tham quan Ở tính tích cực người học chiều sâu độ vững kiến thức lớn “tình có vấn đề” tạo ra, nhiều trường hợp nhờ tình làm xuất kiểu tập mà trình giải người học phát lại quy luật vật lý tiếp thu quy luật hình thức có sẵn Bài tập phương tiện hình thành khái niệm Bằng cách dựa vào kiến thức có người học, q trình làm tập, ta cho người học phân tích tượng vật lý nghiên cứu, hình thành khái niệm tượng vật lý đại lượng vật lý Bài tập phương tiện phát triển tư vật lý cho người học Việc giải tập làm phát triển tư lơgic, nhanh trí Trong q trình tư có phân tích tổng hợp mối liên hệ tượng, đại lượng vật lý đặc trưng cho chúng Bài tập phương tiện rèn luyện kỹ vận dụng kiến thức người học vào thực tiển Đối với việc giáo dục kỷ thuật tổng hợp tập vật lý có ý nghĩa lớn, tập phương tiện thuận lợi để người học liên hệ lý thuyết với thực hành, học tập với đời sống Nội dung tập phải đảm bảo yêu cầu sau: + Nội dung tập phải gắn với tài liệu thuộc chương trình học + Hiện tượng nghiên cứu phải áp dụng phổ biến thực tiển + Bài tập đưa phải vấn đề gần gũi với thực tế + Khơng nội dung mà hình thức tập phải gắn với điều kiện thường gặp sống Trong tập sẵn kiện mà phải tìm kiện cần thiết sơ đồ, vẽ kỹ thuật, sách báo tra cứu từ thí nghiệm Bài tập tượng vật lý sinh hoạt ngày có ý nghĩa to lớn Chúng giúp cho người học nhìn thấy khoa học vật lý xung quanh chúng ta, giúp cho người học khả quan sát Với tập này, qua trình giải, người học có kỹ năng, kỹ xảo để vận dụng kiến thức vào việc phân tích tượng vật lý khác tự nhiên, kỹ thuật đời sống, đặc biệt có Khóa luận tốt nghiệp Trang SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY tập giải đòi hỏi người học phải sử dụng kinh nghiệm lao động, sinh hoạt sử dụng kết quan sát thực tế ngày Bài tập vật lý phương tiện để giáo dục người học Nhờ tập vật lý ta giới thiệu cho người học biết xuất tư tưởng, quan điểm tiên tiến, đại, phát minh, thành tựu khoa học nước Tác dụng giáo dục tập vật lý thể chỗ: chúng phương tiện hiệu để rèn luyện đức tính kiên trì, vượt khó, ý chí nhân cách người học Việc giải tập vật lý mang đến cho người học niềm phấn khởi sáng tạo, tăng thêm yêu thích môn, tăng cường hứng thú học tập Bài tập vật lý phương tiện kiểm tra mức độ nắm vững kiến thức kỹ năng, kỹ xảo người học Đồng thời cơng cụ giúp người học ôn tập, đào sâu, mở rộng kiến thức III Phân loại tập vật lý Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà ta có nhiều cách phân loại tập vật lý khác nhau: Phân loại theo mục đích, phân loại theo nội dung, phân loại theo cách giải, phân loại theo mức độ khó dễ Phân loại theo nội dung Có thể chia làm hai loại: 1.1 Bài tập có nội dung lịch sử Đó tập, câu hỏi chứa đựng kiến thức có đặc điểm lịch sử, liệu thí nghiệm, phát minh, sáng chế câu chuyện có tính chất lịch sử 1.2 Bài tập có nội dung cụ thể trừu tượng Bài tập có nội dung cụ thể tập liệu đầu cụ thể người học tự giải chúng dựa vào vốn kiến thức có Ưu điểm tập cụ thể tính trực quan cao gắn vào đời sống Bài tập có nội dung trừu tượng tập mà liệu cho không cụ thể, nét bật tập trừu tượng chất vật lý nêu bật lên, tách khơng lẫn lộn với chi tiết khơng 1.3 Bài tập có nội dung theo phân môn Trong vật lý học người ta phân chuyên ngành nhỏ để nghiên cứu tập xếp loại theo phân môn 1.4 Bài tập có nội dung kỹ thuật tổng hợp Đó tập mà số liệu kiện gắn với số liệu thực tế ngành kỹ thuật, cơng nghiệp, tập có ứng dụng thực tế Phân loại theo cách giải Có thể chia thành hai loại: 2.1 Bài tập định tính Khóa luận tốt nghiệp Trang SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Đây loại tập mà việc giải khơng địi hỏi phải làm phép tính phép tính đơn giản nhẩm Muốn giải tập phải dựa vào khái niệm, định luật vật lý học, xây dựng suy luận lôgic, để xác lập mối liên hệ phụ thuộc vào chất đại lượng vật lý.Bài tập định tính có tác dụng lớn việc củng cố kiến thức học, giúp đào sâu chất tượng vật lý, rèn luyện kỹ vận dụng kiến thức vào thực tiễn sống, rèn luyện lực quan sát, bồi dưỡng tư lơgic Vì loại tập có giá trị cao, ngày sử dụng nhiều 2.2 Bài tập định lượng: Là tập mà giải phải thực loạt phép tính thường phân làm hai loại: tập tập dượt tập tổng hợp Bài tập tập dượt loại tập tính tốn đơn giản, muốn giải cần vận dụng vài định luật, vài công thức, loại giúp củng cố kiến thức vừa học đồng thời giúp nắm kỹ kiến thức cách vận dụng Bài tập tổng hợp loại tập tính tốn phức tạp, muốn giải phải vận dụng nhiều khái niệm, nhiều cơng thức, loại có tác dụng đặc biệt việc mở rộng, đào sâu kiến thức phần khác chương trình, đồng thời giúp người học biết tự lựa chọn định luật, cơng thức cần thiết định luật công thức học Tóm lại: Bài tập vật lý đa dạng, vấn đề phân loại tập phân môn cần thiết để học tốt phân mơn Phân loại theo trình độ phát triển tư Có thể phân thành ba bậc trình nhận thức 3.1 Bài tập nhận biết, tái hiện, tái tạo lại Đó tập địi hỏi người học nhận được, nhớ lại kiến thức học, nêu tài liệu Đó câu hỏi khái niệm, định luật, thuyết vật lý ứng dụng vật lý 3.2 Bài tập hiểu, áp dụng Với tập đại lượng cho có mối liên hệ trực tiếp với đại lượng phải tìm thơng qua cơng thức, phương trình mà người học học Bài tập loại đòi hỏi người học nhận lại, nhớ lại mối liên hệ đại lượng cho đại lượng phải tìm Tiến trình luận giải dây đơn giản phương trình ẩn số giải thích tính chất dựa vào đặc điểm, vào tính chất vật lý học Sử dụng giải thích tượng vật lý, rèn luyện kỹ sử dụng thuật ngữ vật lý 3.3 Bài tập vận dụng linh hoạt Loại tập sử dụng sau người học nghiên cứu tài liệu mới, có tác dụng củng cố, khắc sâu kiến thức lãnh hội đồng thời bổ khuyết mà nghiên cứu tài liệu người học mơ hồ, hiểu sai Với tập vận dụng linh hoạt địi hỏi phải có khả vận dụng phối hợp kiến thức học với kiến thức trước Việc giải tập vận dụng linh hoạt phải phát triển người Khóa luận tốt nghiệp Trang SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY học tư logic, tư phân tích tổng hợp, đồng thời thấy mối liên hệ biện chứng kiến thức học Chính tập vận dụng linh hoạt cầu nối kiến thức sách với vấn đề thực tế đời sống kỹ thuật IV Cơ sở định hướng giải tập vật lý Hoạt động giải tập vật lý Mục tiêu cần đạt tới giải tốn vật lý tìm câu trả lời đắn, giải đáp vấn đề đặt cách có khoa học chặt chẽ Q trình giải tốn thực chất tìm hiểu điều kiện toán, xem xét tượng vật lý đề cập dựa kiến thức vật lý, tính tốn để nghĩ tới mối liên hệ cho cần tìm cho thấy phải tìm có mối liên hệ trực tiếp gián tiếp với cho, từ đến rõ mối liên hệ tường minh trực tiếp phải tìm với vơi biết nghĩa tìm lời giải đáp cho toán đặt Hoạt động giải tốn vật lý có hai phần việc quan trọng là: + Việc xác lập mối liên hệ bản, cụ thể dựa vận dụng kiến thức vật lý vào điều kiện cụ thể toán cho + Sự tiếp tục luận giải, tính tốn, từ mối liên hệ xác lập đến kết cuối việc giải đáp vấn đề đặt toán cho Sự nắm vững lời giải toán vật lý phải thể khả trả lời câu hỏi: Việc giải toán cần xác lập mối liên hệ nào? Sự xác lập liên hệ dựa vận dụng kiến thức vật lý nào? Vào điều kiện cụ thể tốn? Đối với tập định tính, ta khơng phải tính tốn phức tạp cần phải có suy luận lơgic bước để đến kết luận cuối Phương pháp giải tập vật lý Xét tính chất thao tác tư giải tập vật lý người ta thường dùng hai phương pháp sau 2.1 Phương pháp phân tích Theo phương pháp điểm xuất phát đại lượng cần tìm Người giải phải tìm xem đại lượng chưa biết có liên quan với đại lượng vật lý khác, biết liên hệ biểu diễn thành cơng thức tương ứng, làm biểu diễn hồn tồn đại lượng cần tìm đại lượng biết tốn giải xong Như phương pháp thực chất phân tích tốn phức tạp thành toán đơn giản dựa vào quy tắc tìm lời giải mà lần lược giải tập này, từ đến lời giải cho toán phức tạp 2.2 Phương pháp tổng hợp Theo phương pháp suy luận không đại lượng cần tìm mà đại lượng biết, có nêu đề Dùng cơng thức liên hệ đại lượng với đại lượng biết, ta dần đến công thức cuối Khóa luận tốt nghiệp Trang SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Từ công thức (1) ta thấy λ phụ thuộc bậc vào T T lớn λ lớn phân tử có đường kính Mở rộng cho tốn dạng sau: nhiệt độ T quãng đường tự trung bình phân tử λ cịn nhiệt độ T’ qng đường tự trung bình phân tử tìm p coi áp suất hai trường hợp Tìm p 2.2.1.2 Các tập đề nghị Bài 1: Tính số va chạm trung bình giây phân tử nitơ nhiệt độ t = 27 C áp suất p = 400mmHg Đường kính phân tử nitơ 3.10 −10 m ĐS: 2,47.10 s −1 Bài 2: Trong bình có dung tích 0,5 lít chứa khí ơxy điều kiện chuẩn (p = 760mmHg, t = 0 C ) Tính tổng số va chạm phân tử ơxy bình giây Đường kính phân tử ơxy 3.10 −10 m ĐS: 3.10 31 va chạm Bài 3: Dựa vào áp kế ion hóa đặt vệ tinh nhân tạo số Liên Xơ, người ta tìm thấy độ cao 300km mặt đất 1cm khí có chừng khoảng 10 phân tử khí Tìm quãng đường tự trung bình phân tử khí độ cao Đường kính phân tử khí quy ước 2.10 −10 m ĐS: λ = 5,6km Bài 4: Tính quãng đường tự trung bình phân tử khơng khí điều kiện chuẩn Đường kính phân tử khơng khí quy ước 3.10 −10 m ĐS: λ = 9,3.10 −8 cm Bài 5: Tính qng đường tự trung bình phân tử hêli điều kiện mà khối lượng riêng hêli ρ = 2,1.10 −2 kg / m ĐS: λ = 1,8.10 −6 m Bài 6: Khí cacbonic bình có khối lượng riêng ρ = 1,7kg / m Quãng đường tự trung bình phân tử cho điều kiện cho 7,9.10 −6 cm Tính đường kính d phân tử khí cacbonic ĐS: d = 3,5.10 −10 m Bài 7:Tính thời gian trung bình hai va chạm liên tiếp phân tử nitơ nhiệt độ 10 C áp suất 1mmHg Đường kính phân tử khí nitơ 3.10 −10 m ĐS: 1,6.10 −7 s Khóa luận tốt nghiệp Trang 56 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Bài 8: Khơng khí bình hút tới áp suất 10 −6 mmHg Đường kính phân tử khơng khí 3.10 −10 m Khối lượng 1kilomol µ = 29kg / kmol Nhiệt độ khơng khí 17 C Tính: a Khối lượng riêng khơng khí bình b Khối lượng riêng cm bình c Quãng đường tự trung bình phân tử ĐS: a 1,6.10 −19 kg / m , b 3,3.1010 cm −3 , c λ = 76m Bài 9: Ở nhiệt độ 0 C áp suất định qng đường tự trung bình phân tử ôxy 9,5 10 −8 m Tính số va chạm trung bình giây phân tử ơxy khí bình hút tới áp suất 0,01 áp suất ban đầu Nhiệt độ coi không đổi ĐS: 4,5 10 s −1 Bài 10: Ở áp suất chiều dài quãng đường tự trung bình phân tử nitơ 1mm, biết khí áp suất thường 6.10 −6 cm ĐS: 4,6.10 −2 mmHg 2.2.2 Các tập liên quan đến “Hiện tượng truyền chất khí” 2.2.2.1 Bài tập giải mẫu Bài 1: Tính hệ số khuếch tán hệ số nội ma sát khơng khí áp suất 760mmHg nhiệt độ 10 C Coi khơng khí khí có µ = 29kg / kmol đường kính phân tử 3.10 −10 m Phân tích tốn: Đây tốn liên quan đến chất khí mà tượng xảy khuếch tán chất khí nên để giải ta vận dụng cơng thức liên quan để tính, : D = vλ Và hệ số nội ma sát là: η = ρvλ Với ρ = pµ ; λ= RT kT 2πd p ;v= 8RT πµ Chỉ cần thay giá trị µ, T, R , k, p, d ta tính λ, v, ρ ta tìm D η Tóm tắt: Khóa luận tốt nghiệp Trang 57 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Đề cho: p = 760mmHg = 760.133,33N / m , µ = 29kg / kmol; T = 10 + 273 = 283K; d = 3.10 −10 m; R= 8,31.10 J / kmol; k= 1,38.10 −23 J / K; Tìm : D ? η? Giải: Hệ số khuếch tán hệ số nội ma sát khơng khí áp suất 760mmHg nhiệt độ 10 C Áp dụng công thức: D = vλ (1) η = ρvλ (2) Với ρ = pµ ; λ= RT kT 2πd p ;v= 8RT (3) πµ Từ (1), (2) (3) ta được: D= kT RT ; 3π d p µπ η= k 3π d µT ; πR Thay p = 760mmHg = 760.133,33N / m , µ = 29kg / kmol; T = 10 + 273 = 283K; d = 3.10 −10 m; R= 8,31.10 J / kmol; k= 1,38.10 −23 J / K; D = 1,48.10 −5 m / s η = 1,85.10 −5 kg / ms Biện luận kiểm tra: Qua kiểm tra thứ nguyên kết thu được, nhận thấy kết chấp nhận 2.2.2.2 Các tập đề nghị Bài 1: Dựa vào công thức hệ số truyền, tính đơn vị hệ số theo hệ SI Bài 2: Tính hệ số khuếch tán hêli điều kiện chuẩn ĐS: 8,4.10 −5 m / s Khóa luận tốt nghiệp Trang 58 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Bài 3: Tính khối lượng nitơ khuếch tán qua tiết diện 100cm thời gian 10s Nếu gradien khối lượng riêng theo hướng vng góc với tiết diện nói 1,26kg / m Nhiệt độ nitơ 24 C , quãng đường tự trung bình phân tử nitơ 10 −5 cm ĐS: 2.10 −6 kg Bài 4:Tính hệ số dẫn nhiệt khơng khí nhiệt độ 10 C áp suất không q thấp Đường kính phân tử khơng khí coi 3.10 −8 cm ĐS: 13,2.10 −3 W mK Bài 5: Tính hệ số nội ma sát ôxy nhiệt độ 0 C Đường kính của phân tử khí ơxy d = 3.10 −10 m ĐS: 18,8.10 −6 Ns m2 Bài 6: Hệ số khuếch tán hệ số nội ma sát hyđrơ điều kiện Ns cm tương ứng K = 1,42 η = 8,5.10 −6 Tính số phân tử hyđrơ m s m điều kiện ĐS: 1,8.10 25 m −3 Bài 7: Hệ số khuếch tán hệ số nội ma sát ôxy tương ứng K = 1,22.10 m2 s η = 1,95.10 −5 kg / ms Tính điều kiện đó: a Khối lượng riêng ơxy b Qng đường tự trung bình phân tử c Vận tốc trung bình số học phân tử ĐS: a 1,6kg / m ; b 8,35.10 −8 m; c 440m/s Bài 8: Máy bay bay với vận tốc 360km/h Cho lớp khơng khí sát cánh máy bay bị kéo theo nội ma sát có chiều dài 4cm Tính lực tiếp tuyến tác dụng vào m mặt cánh Đường kính phân tử khơng khí coi 3.10 −8 cm Nhiệt độ khơng khí 0 C ĐS: 0,045N 2.3 Nguyên lý I nhiệt động lực học 2.3.1 Các tập liên quan đến “Nhiệt dung riêng khí lí tưởng” 2.3.1.1 Bài tập giải mẫu Bài 1: Tính nhiệt dung riêng ơxy Khóa luận tốt nghiệp Trang 59 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY a Khi V = const b Khi p = const Phân tích tốn: Ta biết nhiệt dung riêng nhiệt lượng cần truyền cho khối lượng vật chất để tăng thêm độ Ký hiệu c Đối với q trình đẳng tích ta có cơng thức tính nhiệt dung riêng phân tử đẳng C i i R tích là: C V = R mà c V = V = ; µ 2µ Đối với trình đẳng áp: C V = Cp i + R i+2 R mà c p = = µ µ µ Thay R= 8,31.10 J / kmol; µ = 32kg / kmol; i=5; Ta có: cV=650J/kgK, cp=910J/kgK Tóm tắt: Đề cho: µ = 32kg / kmol; i=5; R= 8,31.10 J / kmol; Tìm cV; cp? Giải: Vận dụng cơng thức tính nhiệt dung riêng: CV = C i i R R mà c V = V = ; µ 2µ CV = Cp i + R i+2 R mà c p = = µ µ µ Với: R= 8,31.10 J / kmol; µ = 32kg / kmol; i=5; Vậy : cV=650J/kgK, cp=910J/kgK Biện luận kiểm tra: Kiểm tra thứ nguyên kết thu ta thấy kết chấp nhận 2.3.1.2 Các tập đề nghị Bài 1: Tính nhiệt dung riêng đẳng áp khí sau đây: a HCl, b Ne, c CO, d Hơi thủy ngân Khóa luận tốt nghiệp Trang 60 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY ĐS: a 0,19 kcal kcal kcal kcal ; b 0,245 ; c 0,248 ; d 0,025 kgK kgK kgK kgK Bài 2: Nhiệt dung riêng đẳng áp chất khí nguyên tử 3,5 kcal Hỏi chất khí kgK khí ? ĐS: µ = 2kg / kmol Bài 3: Biết khối lượng riêng khí nguyên tử điều kiện chuẩn 1,43 kg / m , tính nhiệt dung riêng cv cp khí ĐS: cv=650J/kgK; cp=910J/kgK Bài 4: Tìm nhiệt dung riêng đẳng tích nhiệt dung riêng đẳng áp cuiar hỗn hợp khí gồm m1 = 2gCO m = 3gN Cho biết: CO2: c1P = 0,2025 N2: c P = 0,249 kcal kcal ; c1V = 0,156 kgK kgK kcal kcal ; c V = 0,177 kgK kgK ĐS: c V = 0,169 kcal kcal ; c p = 0,230 kgK kgK Bài 5: Nhiệt dung riêng hỗn hợp khí nổ (H2 + O2) lớn gấp lần nhiệt dung nước (H2O) thu đốt cháy hỗn hợp khí nói trường hợp a V = const b p = const ĐS: a Nhiệt dung riêng hỗn hợp khí lớn gấp 1,25 lần nhiệt dung nước tạo thành b Nhiệt dung riêng hỗn hợp khí lớn gấp 1,31 lần nhiệt dung nước tạo thành Bài 6: Khơng khí phịng có kích thước 90m thay đổi hoàn toàn sau Tonhs nhiệt lượng cần thiết để làm nóng khơng khí phịng suốt 24 nhiệt độ phịng cần giữ 18 C mà khơng khí − C Lấy khối lượng riêng trung bình khơng khí 1,25g/l Khơng khí phịng nung nóng đẳng áp với cp=0,243kcal/kgK ĐS: 7500kcal Bài 7: Một bình chứa khối lượng nitơ nhiệt độ t = 15 C chuyển động với vận tốc v = 100m/s Hỏi nhiệt độ t2 khí bao nhiêu, ta làm cho bình dừng lại đột ngột bỏ qua truyền cho thành bình nhiệt dung riêng đẳng tích nitơ cV=0,177kcal/kgK ĐS: 22 C Khóa luận tốt nghiệp Trang 61 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY 2.3.2 Các tập liên quan đến “Nguyên lý thứ nhiệt động lực học” 2.3.2.1 Bài tập giải mẫu Bài 1: Có 10g khí ơxy áp suất 3.10 N / m nhiệt độ 10 C Sau đun nóng áp suất khơng đổi, khí tích 10l Tính: a Nhiệt lượng mà khí nhận b Cơng mà khí thực giãn nở c Độ biến thiên nội khí Phân tích tốn: Đây toán liên quan đến nguyên lý thứ nhiệt động lực học: a Tìm nhiệt lượng mà khí nhận Ta dùng cơng thức: Q=m.cp(T2-T1) Nhưng V1= m RT1 µ p Vậy A=pV2- m RT1 Thay số vào ta tìm Q µ b.Tìm cơng mà khí thực giãn nở Để tìm công ta dùng công thức: A=p(V2-V1) Và từ phương trình trạng thái khí lí tưởng ta suy ra: V1= Vậy A=pV2- m RT1 µ p m RT1 µ c Tính độ biến thiên nội khí Ta dựa vào nguyên lý I nhiệt động lực học suy ra: ∆U = Q − A Dựa vào kết tính ta tìm kết Tóm tắt: Đề cho: m=10g=10 −2 kg ; p = 3.10 N / m ; T = 10 + 273 = 283K; V2=10l=10 −2 m ; µ = 32kg / kmol; R = 8,31.10 J / kmolK; Tìm: a Q ? b A ? c ∆U ? Giải: a Nhiệt lượng mà khí nhận Khóa luận tốt nghiệp Trang 62 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Q=m.cp(T2-T1) Với T2 = Vậy: Q= pV2 µ i+2 R cp= ; mR µ i+2 m (pV2 − RT1 ) µ Thay số vào ta có: Q=7,92.10 J b Cơng mà khí thực giãn nở A=p(V2-V1) Nhưng V1= m RT1 µ p Vậy A=pV2- m RT1 µ Thay số ta có: A=2,26 10 J c Độ biến thiên nội khí ∆U = Q − A Thay số ta có: ∆U = 5,66.103 J Biện luận kiểm tra: Kiểm tra thứ nguyên kết tìm ta thấy kết chấp nhận 2.3.2.2 Các tập đề nghị Bài 1: Một chất khí ngun tử có áp suất ban đầu p1=120at thể tích ban đầu V1 = 1l Tìm áp suất khí ứng với thể tích: V1=2l; V2=3l; V3=4l; V4=5l a Nếu khí giãn đẳng nhiệt b Nếu khí giãn đoạn nhiệt ĐS: a p1=60at; p2=40at; p3=30at; p4=24at; b p1=45,5at; p2=25,75at; p3=17,25at; p4=12,60at; Bài 2: 10g khí ơxy điều kiện chuẩn nén đến thể tích 1,4l Tìm áp suất nhiệt độ khí sau nén Nếu: a Nén đẳng nhiệt b Nén đoạn nhiệt Bài 3: Một khối lượng khí nitơ nhiệt độ 27 C áp suất 1at nén đoạn nhiệt đến thể tích bé thể tích ban đầu lần Hỏi áp suất nhiệt độ khí sau nén So sánh áp suất với áp suất khí có nén đẳng nhiệt Khóa luận tốt nghiệp Trang 63 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY ĐS: Đoạn nhiệt p2=9,5at; T2=571 K Đẳng nhiệt p’2=5at; p2> p’2 Bài 4: 6,5g hyđrô nhiệt độ 27 C giãn gấp đơi thể tích cũ p=const nhờ nhiệt lượng truyền từ ngồi vào Tính: a Cơng mà khí thực giãn b Độ biến thiên nội khí c Nhiệt lượng truyền cho khí ĐS: a 8,1 10 J ; b ∆U = 20,2.10 J ; c 28,3.10 J Bài 5: 10g nitơ giãn đẳng nhiệt nhiệt độ 17 C thực công 860J Áp suất nitơ giảm lần giãn ĐS: giảm 2,72 lần Bài 6: Trong xy lanh đặt thẳng đứng pit tơng có chứa khơng khí Cần phải thực công để nâng pit tông len độ cao h1=10cm chiều cao ban đầu khơng khí h0=15cm, áp suất khí p0=1at, diện tích pit tơng S=10cm ? Trọng lượng pit tơng bỏ qua Nhiệt độ suốt q trình khơng đổi ĐS: 2,37J Bài 7: Tính tỷ số công nén đoạn nhiệt nén đẳng nhiệt khơng khí từ thể tích 10 −2 m3 đến 2.10-3m3 Cách nén thuận lợi (nghĩa cần tiêu thụ cơng hơn) ĐS: nén đẳng nhiệt thuận lợi Bài 8: Số va chạm trung bình phân tử lên đơn vị diện tích thành bình đơn vị thời gian biến đổi lần tẳng thể tích khí nguyên tử lên lần trường hợp sau đây: a Giãn đẳng áp b Giãn đẳng nhiệt c Giãn đoạn nhiệt ĐS: a 0,7; b 0,5; c 043 Bài 9: Đầu trình đa biến đó, áp suất thể tích khối lượng khí O2 1at 2,3l Ở cuối q trình chúng 0,5at 4,1l Tính: a Chỉ số đa biến b Cơng mà khí thực giãn nở c Nhiệt lượng mà khí nhận từ bên ngồi d Độ biến thiên nội khí ĐS: a n=1,2; b A=127J; c 63,5J; d -63,5J 2.4 Nguyên lý II nhiệt động lực học Khóa luận tốt nghiệp Trang 64 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY 2.4.1 Dạng tập liên quan đến “Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học Entropi” 2.4.1.1 Bài tập giải mẫu Bài 1: Một động nhiệt lý tưởng làm việc theo chu trình cacnơ Nhiệt độ nguồn nóng 400 K, nhiệt độ nguồn lạnh 300 K Nhiệt lượng mà tác nhân nhận nguồn nóng 1chu trình 600cal Tính: a Hiệu suất động b Cơng thực chu trình c Nhiệt lượng truyền cho nguồn lạnh chu trình Phân tích tốn: a Áp dụng cơng thức tính hiệu suất động nhiệt ta có: η= T1 − T2 T1 Thay giá trị T1 T2 vào cơng thức ta tìm η b Cơng thực chu trình Áp dụng cơng thức A= ηQ1 c Nhiệt lượng truyền cho nguồn lạnh chu trình Q2=Q1-A Thay số vào ta tính Q2 Tóm tắt: Đề cho: T1=400K; T2=300K; Q1=600cal=600.4,18J Tìm: a η ?; b A ? c Q2 ? Giải: a Hiệu suất động η= T1 − T2 (1) T1 Thay T1 = 400K; T2 = 300K vào (1) Vậy η = 25% b Công thực chu trình A = η Q1 = 25%.600.4,18 = 627J c Nhiệt lượng truyền cho nguồn lạnh chu trình Q2 = Q1 - A = 600.4,18J - 627J=1881J Khóa luận tốt nghiệp Trang 65 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Biện luận kiểm tra: Bài toán cho thấy hiệu suất động nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh trường hợp hiệu suất ln nhỏ 2.4.1.2 Các tập đề nghị Bài 1: Một động nhiệt lý tưởng làm việc theo chu trình cacnơ, thực cơng chu trình 7,35.10 J Nhiệt độ nguồn nóng 100 C , nhiệt độ nguồn lạnh 0 C Tính: a Hiệu suất động b Nhiệt lượng động nhận nguồn nóng chu trình c Nhiệt lượng truyền cho nguồn lạnh chu trình ĐS: a 26,8%; b 27,4 10 J; c 20.10 J Bài 2: Một động nhiệt lý tưởng làm việc theo chu trình cacnơ, biết nhiệt lượng động nhận nguồn nóng chu trình 1,5kcal 80% nhiệt lượng truyền cho nguồn lạnh, tính: a Hiệu suất chu trình b Cơng thực chu trình ĐS: a 20%; b 1,26.10 J Bài 3: Một động nhiệt làm việc theo chu trình cacnơ có cơng suất 100 mã lực Nhiệt độ nguồn nóng 100 C , hiệu suất động 27%, tính: a Nhiệt độ nguồn lạnh b Nhiệt lượng động nhận giây c Nhiệt lượng động truyền cho nguồn lạnh giây ĐS: a T2=273 K; b 65,7kcal/s c Q2=48kcal/s Bài 4: Một động nhiệt làm việc theo chu trình cacnơ khơng khí đốt nóng có áp suất ban đầu 7at nhiệt độ 127 C Thể tích ban đầu khơng khí 2l Sau giãn nở đẳng nhiệt lần thứ khơng khí chiếm thể tích 5l, sau q trình giãn đoạn nhiệt thể tích khơng khí 8l Tìm: a.Tọa độ giao điểm đường đẳng nhiệt đoạn nhiệt b Cơng phần chu trình c Hiệu suất chu trình d Nhiệt lượng động nhận nguồn nóng chu trình e Nhiệt lượng truyền cho nguồn lạnh chu trình Bậc tự khơng khí i=5 ĐS: a tọa độ giao điểm: A(7at; 2l); B(2,8at; 5l); C(1,45at;8l); D(3,62at; 3,2l) Khóa luận tốt nghiệp Trang 66 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY b A12=12,83lat; A23=6lat; A34=-1063lat; A41=-6lat c 17% d 309,2cal e 256,18cal Bài 5: Ơ tơ “Mơtscơvic” tiêu thụ 5,67kg dầu xăng để qng đường 90km Tính cơng suất động động chạy với vận tốc 90km/h Thì hiệu suất động 22% Biết suất tỏa nhiệt dầu xăng 46200kJ/kg ĐS: 15,5kW Bài 6: Máy bay tiêu thụ 5l dầu xăng sau bay với hiệu suất động 40% Tính cơng suất động Biết suất tỏa nhiệt dầu xăng máy bay 12000kJ/kg ĐS: 3490kW Bài 7: Một máy làm lạnh lý tưởng làm việc theo chu trình cacnơ thuận nghịch tiêu thụ công 3,7.10 J Công chu trình máy lấy nhiệt từ vật lạnh có nhiệt độ − 10 C truyền cho vật lạnh có nhiệt 17 C Tính: a Hiệu suất máy làm lạnh Giải thích ý nghĩa hiệu suất b Nhiệt lượng lấy từ nguồn lạnh chu trình c Nhiệt lượng truyền cho nguồn nóng chu trình ĐS: a 974%; b 360kJ; c Q1=397kJ Bài 8: Một máy làm lạnh lý tưởng làm việc theo chu trình cacnơ thuận nghịch truyền nhiệt từ nguồn lạnh có nhiệt độ 0 C đến nồi có nước nhiệt độ 10 0 C Cần làm làm đông thành nước lượng nước để làm 1kg nước nồi nước biến kcal thành Nhiệt nóng chảy λ = 80 ; nhiệt hóa L= 539kcal/kg kg ĐS: 4,94kg Bài 9: Một động nhiệt làm việc theo chu trình cacnơ hai nguồn nhiệt (t1=400 C ; t2=20 C ) Thời gian để thực chu trình 1s Tính cơng suất động làm việc theo chu trình biết người ta dùng 2kg khơng khí làm tác nhân; áp suất cuối trình giãn đẳng nhiệt áp suất đầu trình nén đoạn nhiệt ĐS: 60kW Bài 10: Một kmol khí lý tưởng thực chu trình gồm hai q trình đẳng tích hai q trình đẳng áp xen kẽ Thể tích biến đổi từ V1=25m3 đến V2=50m3 Còn áp suất biến đổi từ p1=1at đến p2=2at Vậy cơng chu trình nhỏ cơng chu trình cacno có q trình đẳng nhiệt tương ứng với nhiệt độ cực đại cực tiểu chu trình khảo sát lần Biết trình giãn đẳng nhiệt thể tích tăng gấp hai lần Khóa luận tốt nghiệp Trang 67 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY ĐS: nhỏ 2,1 lần Bài 11: Một khối nước đá m=120g nhiệt độ t1=-10 C thả vào phích chứa M=1,5l nước t2=200C Độ biến thiên entropi hệ cân nhiệt thiết lập ? Cho biết nước đá có: nhiệt dung riêng c=2,22kJ/kgK, nhiệt nóng chảy L=333kJ/kg ĐS: 9,56J/K Bài 12: Tìm độ biến thiên entropi chuyển 8g khí O2 từ thể tích 10l nhiệt độ 800C đến thể tích 40l nhiệt độ 3000C Coi O2 khí lí tưởng ĐS: 1,3cal/K Bài 13: Tính độ biến thiên entropi chuyển 6g hyđrơ từ thể tích 20l áp suất 1,5.105Pa đến thể tích 60l áp suất 1.105Pa ĐS: 71J/K Bài 14: Trong nhiệt lượng kế mà nhiệt dung bỏ qua, có 250g nước 230C, người ta bỏ vào 27g nước đá 00C Tính độ biến thiên entropi hệ cân nhiệt độ ĐS: 0,681cal/K Khóa luận tốt nghiệp Trang 68 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY PHẦN III: KẾT LUẬN Bài tập vật lí đại cương phần quan trọng giáo trình vật lý đại cương Nó giúp cho sinh viên nắm phần lý thuyết vững vàng hơn, sâu sắc hơn; rèn luyện phương pháp vận dụng lí thuyết để phân tích, suy luận, tính tốn, để khảo sát nghiên cứu tượng vấn đề vật lí cụ thể thường gặp; rèn luyện phương pháp suy luận khoa học, lôgic, khả độc lập suy nghĩ,…Nhưng điều cần lưu ý muốn làm tốt tập phải nắm vững phần lí thuyết, số điểm lí thuyết (khái niệm, tượng, định nghĩa,…) không nên lao vào tập chưa học kĩ phần lí thuyết Bài tập vật lí phương pháp để giải đa dạng Trong phần nghiên cứu tập vật lí đại cương hai loại tập định tính tập định lượng Trong loại tập có đưa số dạng tập cụ thể tương ứng với phần sở lí thuyết nêu chương II phần nội dung Đây số dạng tập thường gặp Ngồi ra, sinh viên tham khảo thêm loại tài liệu khác để mở rộng kiến thức cá nhân Tóm lại, giải tập cần phải: - Chú ý phần định tính tốn (phải phân tích kĩ ý tốn phải có tổng hợp kiến thức) - Đối với tập tính tốn phải nắm vững công thức thứ nguyên đơn vị đại lượng vật lí có mặt cơng thức vừa viết - Phải đổi đơn vị cho đơn vị sử dụng phải thống hệ đơn vị (thường dùng hệ đơn vị SI) - Trong giải tốn, cần tìm nhiều cách khác để giải tập, sau rút cách giải hay Và cuối nên giải toán dạng tổng quát với công thức chữ, đến cuối thay số vào để tính kết Khóa luận tốt nghiệp Trang 69 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY TÀI LIỆU THAM KHẢO Dương Trọng Bái, Đàm Trung Đồn 2001 Bài tập vật lý phân tử nhiệt học NXB GD Dương Trọng Bái, Cao Ngọc Viễn Bài thi vật lý quốc tế (tập 1) Lương Duyên Bình (chủ biên) 2002 Bài tập vật lý đại cưong (tập 1) – NXB GD Lê Văn Loan.1983 Vật lý phân tử nhiệt học NXB GD David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker 2000 Cơ sở vật lý (tập 3) NXB GD Nguyễn Huy Sinh Giáo Trình nhiệt học NXB GD Trần Thể Lý luận vật lý phổ thông ĐHAG I.E.Irodôp, I.V.Xave Leep, O.I.Damsa Tuyển tập tập vật lý đại cương NXB GD Nguyễn Quang Hậu- Ngô Quốc Quýnh Tuyển tập tập vật lý đại cương NXB GD Vũ Thanh Khiết Các toán chọn lọc vật lí phổ thơng phổ thơng trung học Cơ nhiệt NXB GD Vũ Thanh Khiết 2000 Bài tập vật lí đại cương (tập I) NXB GD Khóa luận tốt nghiệp Trang 70 ... thuyết để phân loại giải tập vật lý đại cương phần nhiệt học nhằm mục đích nâng cao kỹ học tập nhận thức thân III Nhiệm vụ nghiên cứu Hệ thống kiến thức phần vật lý phân tử nhiệt học Phân loại tập. .. lý đại cương phần vật lý phân tử nhiệt học Nêu số tập đề nghị IV Đối tượng nghiên cứu Lý thuyết phần vật lý phân tử nhiệt học Các loại tập vật lý vật lý đại cương phần vật lý phân tử nhiệt học. .. Là tập mà giải phải thực loạt phép tính thường phân làm hai loại: tập tập dượt tập tổng hợp Bài tập tập dượt loại tập tính tốn đơn giản, muốn giải cần vận dụng vài định luật, vài công thức, loại