Nâng cao kiến thức trong giảng dạy các quá trình nhiệt động lực học ở trường thpt vật lý 10 nâng cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC VŨ THỊ HƯƠNG NÂNG CAO KIẾN THỨC TRONG GIẢNG DẠY CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Ở TRƯỜNG THPT (VẬT LÝ 10 NÂNG CAO): KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ Hà Nội - 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC NÂNG CAO KIẾN THỨC TRONG GIẢNG DẠY CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Ở TRƯỜNG THPT (VẬT LÝ 10 NÂNG CAO): KHẢO SÁT Q TRÌNH ĐA BIẾN KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Huy Sinh Sinh viên thực khóa luận: Vũ Thị Hương Hà Nội - 2018 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Khoa Vật Lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Khoa Sư phạm trường Đại học Giáo dục dạy dỗ, trang bị cho em kiến thức chuyên môn kinh nghiệm sống Em bày tỏ lịng biết ơn tới thầy giáo Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp tạo điều kiện giúp đỡ cho em trình học tập hồn thành khóa luận Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Huy Sinh – thầy giáo tận tình dạy dỗ giúp đỡ em nhiều việc học tập trình thực hiện, hồn thành khóa luận tốt nghiệp Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình bạn bè, người ủng hộ động viên em vượt qua khó khăn để hồn thành tốt khóa luận Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Sinh viên Vũ Thị Hương DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT NXB : Nhà xuất THCS: Trung học sở THPT: Trung học phổ thông MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG TÌM HIỂU VỊ TRÍ VÀ NỘI DUNG KIẾN THỨC KHOA HỌC PHẦN “ NHIỆT HỌC ” CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 10 THPT NÂNG CAO 1.1 Tóm tắt nội dung phần “ Nhiệt học ” 1.2 Tóm tắt nội dung chương “Chất khí ” 1.3 Một số nội dung chi tiết kiến thức cần giảng dạy chương “Chất khí ” 1.3.1 Thuyết động học phân tử chất khí Cấu tạo chất 1.3.2 Định luật Bôi - lơ – Ma - ri - ốt .8 1.3.3 Định luật Sác-lơ Nhiệt độ tuyệt đối .9 1.3.4 Phương trình trạng thái khí lí tưởng Định luật Gay Luy-xác 10 1.3.5 Phương trình Cla-pê-rơn – Men-đê-lê-ep .11 1.3.6 Một số tập vận dụng cho chương “Chất khí” 11 CHƯƠNG MỘT SỐ KIẾN THỨC NÂNG CAO VỀ QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG TRONG PHẦN NHIỆT HỌC VẬT LÍ 10 THPT 17 2.1 Quá trình đoạn nhiệt 17 2.2 Quá trình đa biến 18 2.2.1 Thiết lập phương trình trình đa biến 18 2.2.2 Nhận dạng trình đặc biệt từ trình đa biến 21 2.3 Tính đại lượng A, Q, ∆𝑼 trình đa biến 23 KẾT LUẬN .25 TÀI LIỆU THAM KHẢO .26 MỞ ĐẦU Trong năm qua ngành giáo dục thực giải pháp đồng đổi chương trình, nội dung, phương pháp dạy học, nhằm nâng cao chất lượng giáo dục, hướng tới phát triển toàn diện người học Vật lý môn khoa học tự nhiên mà học sinh tiếp cận nhiều từ trung học sở (THCS) đến trung học phổ thông (THPT) Vật lý có nhiều ứng dụng vơ quan trọng đời sống đồng thời có vai trị vơ qua trọng tìm hiểu nghiên cứu tượng tự nhiên Giảng dạy vật lý rèn luyện cho học sinh óc tư sáng tạo, khả trực quan nhanh nhạy để giải thích tượng thiên nhiên thực tế Hơn vật lý cịn mơn có tính tương tác cao, ứng dụng hầu hết lĩnh vực đời sống xã hội sản xuất, kinh doanh, môi trường, y học Vì việc dạy học mơn vật lý trường trung học phổ thông cần phải đáp ứng xu thời đại Trong phần “ Nhiệt học” vật lý 10 THPT nâng cao cung cấp cho học sinh kiến thức nhiệt động lực học Chương “ Chất khí” phần quan trọng yêu cầu học sinh tiếp cận làm quen với định luật chất khí lý tưởng nội dung tương đối trừu tượng đòi hỏi phương pháp tư nhận thức có tính sáng tạo cao Đặc biệt việc giải tập phần “ Nhiệt học ” tiến hành luyện thi học sinh giỏi học sinh giáo viên đánh giá phần khó chương trình Do đó, để mở rộng nâng cao kiến thức trình dạy học chương “ Chất khí ” với q trình nhiệt động như: đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp nhằm làm cho học học sinh hiểu biết sâu sắc tổng quát trình nhiệt động Đặc biệt việc bồi dưỡng học sinh giỏi môn Vật lý Trên sở chúng tơi chọn đề tài cho khóa luận : “Nâng cao kiến thức giảng dạy trình nhiệt động lực học trường THPT (Vật lý 10 nâng cao) : Khảo sát q trình đa biến” Ngồi phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, khóa luận bao gồm nội dung: Chương Tìm hiểu vị trí nội dung kiến thức khoa học phần “ Nhiệt học” chương trình Vật lý 10 nâng cao THPT Chương Một số kiến thức nâng cao trình nhiệt động phần Nhiệt học Vật lý 10 THPT CHƯƠNG TÌM HIỂU VỊ TRÍ VÀ NỘI DUNG KIẾN THỨC KHOA HỌC PHẦN “ NHIỆT HỌC ” CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ 10 THPT NÂNG CAO 1.1 Tóm tắt nội dung phần “ Nhiệt học ” Trong phần Nhiệt học Vật lý lớp 10 nâng cao bao gồm chương: Chương Chất khí, chương Chất rắn Chất lỏng Sự chuyển thể chương Cơ sở nhiệt động lực học Hình 1.1 sơ đồ cấu trúc chương trình phần “ Nhiệt học” NHIỆT HỌC Chương IV Chất khí Chương VII Chương VIII Chất rắn chất lỏng Cơ sở nhiêt động lực học Sự chuyển thể - Thuyết động học phân tử chất khí - Các q trình nhiệt động khí lý tưởng - Chất rắn kết tinh chất rắn vô định hình - Biến dạng vật rắn - Sự nở nhiệt vật rắn - Phương trình trạng thái khí lý tưởng - Chất lỏng Các tượng căng bề mặt chất lỏng, dính ướt, mao dẫn - Phương trình Clapê-rơn–Men-đê-lê-ep - Sự chuyển thể, nóng chảy, đơng đặc, hóa hơi, ngưng tụ - Nội biến đổi nội - Các nguyên lí nhiệt động lực học - Độ ẩm khơng khí Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc chương trình phần nhiệt học Bảng 1.2 Phân bố chương trình nội dung kiến thức phần “ Nhiệt học ” Vật lý 10 nâng cao Số STT Bài Bài 44 Thuyết động học phân tử Cấu tạo chất Bài 45 Định luật Bôi - lơ – Ma – ri - ốt Bài 46 Định luật Sác-lơ Nhiệt độ tuyệt đối tiết Tên Phương trình trạng thái khí lý tưởng Bài 47 Định luật Gay Luy-xác Bài tập Bài 48 Phương trình Cla-pê-rơn – Men-đê-lê-ép Bài 49 Bài tập chất khí Bài 50 Chất rắn Bài 51 Biến dạng vật rắn 10 Bài 52 Sự nở nhiệt vật rắn 11 Bài 53 Chất lỏng Các tượng căng bề mặt chất lỏng 12 Bài 54 13 Bài 55 Sự chuyển thể Sự nóng chảy đơng đặc 14 Bài 56 Sự hóa ngưng tụ Hiện tượng dính ướt khơng dính ướt Hiện tượng mao dẫn 15 Bài tập 16 Bài 57 Thực hành xác định hệ số căng bề mặt chất lỏng 17 Bài 58 Nguyên lí I nhiệt động lực học 18 Bài 59 19 Bài 60 20 Áp dụng nguyên lí I nhiệt động lực học cho khí lý tưởng Nguyên tắc hoạt động động nhiệt máy lạnh Nguyên lí II nhiệt động lực học Bài tập Theo chương trình hành Bộ giáo dục đào tạo, phần "Nhiệt học" Vật lý 10 nâng cao gồm chương ( chương VI, VII,VII), 17 (từ 44 đến 60) dạy 25 tiết (từ tiết 62 đến tiết 86, 22 tiết lí thuyết, 04 tiết tập 02 tiết thực hành) Số tiết tập chiếm tỉ lệ 16% 1.2 Tóm tắt nội dung chương “Chất khí ” Chất khí chương mở đầu cho phần nhiệt học Các kiến thức khoa học cần nghiên cứu trình nhiệt động lực học nằm chương Kiến thức có liên qua chương “ Cơ sở nhiệt động học”, chương nghiên cứu nguyên lí thứ thứ hai nhiệt động lực học Nội dung chương “ Chất khí ” bao gồm thuyết động học phân tử chất khí, đặc điểm khí lý tưởng, q trình đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp khí lý tưởng, định luật thực nghiệm tương ứng phương trình trạng thái khí lý tưởng Giới hạn chương trình THPT lớp 10 nâng cao đưa câu hỏi, yêu cầu giải thích định tính định luật chất khí thuyết động học phân tử Những tính chất chất khí lý tưởng khảo sát thực nghiệm định luật chất khí: Bơi – lơ – Ma – ri - ốt, Gay – Luy - xac, Sác - lơ Đối với học sinh cần Áp dụng công thức định luật Bôi – lơ – Ma – ri - ốt: P1V1 = P2V2 𝑃2 = 𝑃1 𝑉1 150 = 105 = 105 𝑃𝑎 𝑉2 100 Bài Một bóng có dung tích 2,5 lít Người ta bơm khơng khí áp suất 105 Pa vào bóng Mỗi lần bơm 125 cm3 khơng khí Tính áp suất khơng khí bóng sau 45 lần bơm Coi bóng trước bơm khơng có khơng khí bơm nhiệt độ khơng khí khơng thay đổi Lời giải: 45 lần bơm đưa vào bóng lượng khí bên ngồi tích áp suất tương ứng là: V1 = 45 125 cm3 = 5625 cm3 P1 = 105 Pa Khi bơm hết lượng khí vào bóng tích thể tích bóng: V2= 2,5 lít = 2500 cm3 áp suất P2 Quá trình đẳng nhiệt, áp dụng công thức định luật Bôi – lơ – Ma – ri - ốt: P1V1 = P2V2 𝑃1 𝑉1 105 5625 𝑃2 = = = 2,25 105 𝑃𝑎 𝑉2 2500 Bài tập áp dụng định luật Sác- lơ cho q trình đẳng tích Bài Một bình chứa lượng khí nhiệt độ 300 C áp suất bar (1 bar = 105 Pa) Hỏi phải tăng nhiệt độ lên tới độ để áp suất tăng gấp đôi? Lời giải: Trạng thái 1: T1 = t1 + 273 = 303 K; P1 = bar Trạng thái 2: P2 = bar; T2 = ? Áp dụng định luật Sác - lơ cho trình biến đổi đẳng tích, ta có: 𝑃1 𝑃2 = 𝑇1 𝑇2 𝑇2 = 𝑇1 𝑃2 = 303 = 6060 𝐾 𝑃1 Bài Một lốp ô tô chứa khơng khí có áp suất bar nhiệt độ 250 C Khi xe chạy nhanh lốp xe nóng lên làm cho nhiệt độ khơng khí lốp tăng lên tới 500 C Tính áp suất khơng khí lốp xe lúc Lời giải: Trạng thái 1: T1 = 273 + 25 = 298 K; P1 = bar Trạng thái 2: T2 = 273 + 50 = 323 K; P2 = ? Áp dụng định luật Sác - lơ cho q trình biến đổi đẳng tích, ta có: 𝑃1 𝑃2 = 𝑇1 𝑇2 𝑃2 = 𝑃1 𝑇2 323 = = 5,42 𝑏𝑎𝑟 = 5,42 105 𝑃𝑎 𝑇1 298 Bài tập áp dụng định luật Gay- Luy xác cho trình đẳng áp Bài Một bình thép dung tích 50 lít chứa khí hidro áp suất MPa nhiệt độ 370 C Dùng bình bơm bóng bay, dung tích 10 lít, áp suất 1,05.105 Pa? Nhiệt độ khí bóng bay 120 C Lời giải Ở nhiệt độ 120 C áp suất 1,05.105 Pa thể tích lượng khí hidro chứa bình là: 𝑝1 𝑉1 𝑝2 𝑉2 = 𝑇1 𝑇2 𝑇2 𝑝1 𝑉1 106 50.285 𝑉2 = = = 2189 𝑙í𝑡 𝑇1 𝑝2 310.1,05 105 Số bóng bơm là: (2189 – 50) : 10 = 214 Bài Một lượng khí biến đổi theo chu trình – – - biểu diễn hình b Từ O kẻ đường thẳng qua trạng thái (1) cắt đường - trang thái (3) Biết p1 = p3, V1 = 1m2, V2 = 3m2, T1 = 100K, T4 = 300K Hãy tìm V3 Hình b Lời giải: • Xét q trình (2) - (4) có dạng đường thẳng hệ tọa độ (OVT) nên có quy luật tuân theo hàm số bậc có dạng: V = aT + b + Ở trạng thái (2) : = 100a +b + Ở trạng thái (4): = 300a +b Giải hai phương trình ta được: a = - 0,015 b = 5,5 Vậy: V = - 0,015T + 5,5 • Xét q trình (1) – (3) trình đẳng áp: 𝑉3 𝑉1 = = 𝑇3 𝑇1 100 T3 = 100V3 Mà (3) thuộc đường - nên ta có: T3 = 2200 K V3 = 2,2 m3 Bài tập hỗn hợp khí Bài Hai bình cầu nối với ống có khóa chứa hai chất khí khơng có tác dụng hóa học với nhau, nhiệt độ Áp suất khí hai bình p1 = 2.105 N/m p2 = 106 N/m Mở nhẹ khóa để hai bình thơng cho nhiệt độ không đổi Khi cân xảy áp suất chung khối khí p = 4.105 N/m Tính tỉ số thể tích hai bình cầu Lời giải Gọi V1 V2, p1 p2, m1 m2, μ1 μ2 thể tích, áp suất, khối lượng, khối lượng mol khí bình cầu chưa mở khóa Theo định luật Cla - pê – rôn – Men - đê - lê –ep, ta có: + Với khí bình cầu 1: 𝑝1 𝑉1 𝑚1 = T 𝜇1 + Với khí bình 2: 𝑝2 𝑉2 𝑚2 = 𝑅 T 𝜇2 Khi mở khóa K chất khí bình cầu ban đầu tràn sang phân bố tồn thể tích hai bình cầu Áp suất riêng phần chất khí tạo nên là: 𝑝1′ = 𝑚1 𝑇 𝑅 𝜇1 𝑉1 + 𝑉2 𝑝2′ = 𝑚2 𝑇 𝑅 𝜇2 𝑉1 + 𝑉2 Theo định luật Đan tôn, áp suất hỗn hợp khí tác dụng lên thành bình là: P = 𝑝1′ + 𝑝2′ Kết hợp phương trình sau ta suy được: p= 𝑝1 Thay số được: 𝑉1 𝑉2 = 𝑅𝑇 𝑉1 +𝑉2 𝑝1 𝑉1 𝑅𝑇 ( 𝑝1 𝑉1 𝑅𝑇 + 𝑝2 + 𝑝2 𝑉2 𝑅𝑇 𝑝2 𝑉2 𝑅𝑇 =p ) CHƯƠNG MỘT SỐ KIẾN THỨC NÂNG CAO VỀ QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG TRONG PHẦN NHIỆT HỌC VẬT LÍ 10 THPT Nhiệt học nội dung quan trọng Trong chương trình Vật lý Trường THPT Phần Nhiệt học tập trung lớp 10, lớp đầu cấp Nội dung chương trình phần Nhiệt học có chênh lệch lớn kiến thức kiến thức nâng cao, đòi hỏi em phải nắm số kiến thức toán học kiến thức vật lý Để góp phần giúp học sinh tiếp cận hướng dẫn em hiểu biết sâu sắc trình nhiệt động bản, chương cung cấp cho học sinh số kiến thức mở rộng nâng cao trình nhiệt động lực học Nhằm làm cho học sinh có cách nhìn tổng qt trình nhiệt động học Mở rộng kiến thức phần cung cấp thông tin với tư sáng tạo để học sinh nhận thức rằng: Các trình nhiệt động học chương trình Phổ thơng Đại học trường hợp đặc biệt trình đa biến 2.1 Quá trình đoạn nhiệt Để mở rộng nâng cao thêm kiến thức nhiệt động lực học, cần nghiên cứu thêm trình đặc biệt nhiệt động lực học, trình nằm chương trình Đại học q trình đoạn nhiệt Q trình đoạn nhiệt định nghĩa q trình khơng cung cấp nhiệt lượng cho hệ cô lập Theo định nghĩa q trình đoạn nhiệt có dQ = 0, xuất phát từ biểu thức nguyên lý thứ I nhiệt động lực học ta có: Hay dQ = CV mdT + PdV = (2.1) dQ = CP mdT – VdP = (2.2) CP mdT = VdP (2.3) CV mdT = - PdV (2.4) Chia hai phương trình cho ta được: 𝐶𝑃 𝐶𝑉 Đặt 𝛾 = 𝐶𝑃 𝐶𝑉 =− 𝑉𝑑𝑃 𝑃𝑑𝑉 (2.5) = const, gọi số đoạn nhiệt thì: 𝛾=− 𝑉𝑑𝑃 𝑃𝑑𝑉 𝛾𝑃𝑑𝑉 + 𝑉𝑑𝑃 = Hay (2.6) (2.7a) Biểu thức viết dạng: 𝛾 𝑑𝑉 𝑉 + 𝑑𝑃 𝑃 =0 (2.7b) Lấy tích phân hai vế ta được: PVγ = const (2.8) Đây phương trình mơ tả q trình đoạn nhiệt chất khí lý tưởng Để nghiên cứu trình nhiệt động tổng quát ta xây dựng khảo sát trình đa biến Nhiệt động lực học Đây trình mà hệ chuyển từ trạng thái đầu sang trạng thái cuối ba thơng số trạng thái (P, V, T) thay đổi 2.2 Quá trình đa biến 2.2.1 Thiết lập phương trình trình đa biến Các trình nhiệt động có đặc tính chung là: - Trong q trình thay đổi trạng thái có thơng số trạng thái không thay đổi ( P, V T) Các trình nhiệt động nghiên cứu chương đẳng tích, đẳng áp, đẳng nhiệt chương đoạn nhiệt Nhiệt dung ứng với q trình là: - Đẳng tích: CV = const Đẳng nhiệt: CT = ∞ Đẳng áp: Cp = const Đoạn nhiệt: CQ=0 = Quá trình nhiệt động lực học tổng qt q trình đa biến Quá trình trình xảy với điều kiện nhiệt dung q trình khơng đổi: Cn = const, tất thơng số trạng thái thay đổi hệ trao đổi nhiệt với môi trường Xuất phát từ dạng phương trình ngun lý I ta tìm phương trình mơ tả q trình đa biến nhiệt dung riêng trình theo phương trình: dQ = ∆𝑈 + 𝐴 Kết hợp với biểu thức ∆𝑈 A ta có: dQ = CpdT – VdP = Cn dT dQ = CvdT – PdV = Cn d (2.9) (2.10) Với Cn nhiệt dung riêng q trình đa biến Các phương trình mơ tả cho đơn vị khối lượng Các phương trình (2.9) (2.10) viết dạng: ( CP – Cn )dT = VdP (2.11) ( CV – Cn )dT = - PdV (2.12) Chia hai vế phương trình (2.11) (2.12) cho nhau, ta được: 𝐶𝑝 − 𝐶𝑛 𝐶𝑉 − 𝐶𝑛 = − 𝐶𝑝 − 𝐶𝑛 Đặt 𝑉𝑑𝑃 𝑃𝑑𝑉 (2.13) =𝑛 (2.14) =𝑛 (2.15) 𝑛𝑃𝑑𝑉 + 𝑉𝑑𝑃 = (2.16) 𝐶𝑉 − 𝐶𝑛 Ta có: − 𝑉𝑑𝑃 𝑃𝑑𝑉 Hay Phương trình (2.16) viết: n 𝑑𝑉 𝑑𝑃 + 𝑉 𝑃 =0 (2.17) Tích phân hai vế phương trình ta được: lnVn + lnP = const (2.18) Vậy phương trình mơ tả q trình đa biến có dạng: PVn = const (2.19) Nhiệt dung trình đa biến: Từ phương trình 𝐶𝑝 − 𝐶𝑛 𝐶𝑉 − 𝐶𝑛 = 𝑛, ta có: CP – Cn = nCV – nCn CP – nCv = Cn – nCn = Cn(1 – n ) 𝐶𝑃 𝐶𝑉 Biết 𝐶𝑃 𝐶𝑉 − 𝑛 = 𝐶𝑛 (1 − 𝑛) = 𝛾 nên phương trình (2.22) có dạng: (2.20) (2.21) (2.22) 𝛾 − 𝑛 = 𝐶 𝑛 ( − 𝑛) Hay 𝐶𝑛 = 𝛾−𝑛 𝐶𝑛 = 𝑛−𝛾 (2.23) (2.24) 1−𝑛 (2.25) 𝑛−1 Nhận xét chung: Từ phương trình đa biến (2.19) PVn = const phương trình nhiệt dung (2.25) Cn = CV 𝑛−𝛾 𝑛−1 cho thấy phương trình đẳng nhiệt , đẳng tích, đẳng áp đoạn nhiệt trường hợp riêng phương trình đa biến Hãy chứng tỏ nhận xét qua nhận dạng phương trình đa biến với biến đổi giá trị n Cn 2.2.2 Nhận dạng trình đặc biệt từ trình đa biến Từ phương trình trình đa biến (2.19) với định nghĩa nhiệt dung (2.25) chứng minh nhận xét cách cho n giá trị đặc biệt như: n = 0; n = 1; = 𝛾; 𝑛 = ±∞ : a Nếu n = phương trình đa biến PVn có dạng P = const Cn = 𝛾𝐶𝑉 = 𝐶𝑃 𝐶𝑉 𝐶𝑉 = 𝐶𝑃 Đây phương trình đẳng áp b Nếu n = phương trình đa biến PVn có dạng PVn = const Cn = ∞ = 𝐶𝑇 Đây phương trình đẳng nhiệt c Nếu n = 𝛾 phương trình đa biến PVn có dạng PVn = const Cn= = CQ=0 Đây phương trình đoạn nhiệt d Nếu n = ±∞ phương trình đa biến PVn viết sau: 𝑛 √P𝑉 𝑛 𝑛 𝑛 = 𝑃 𝑉 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 𝐾ℎ𝑖 𝑛 → ±∞, 𝑃 = 𝑃 ∞ ± = 𝑃0 = Khi ta phương trình V = const biểu thức nhiệt dung là: 𝐶𝑛 = lim 𝐶𝑉 𝑛→±∞ 𝑛−𝛾 𝑛−1 = 𝐶𝑉 Đây trình đẳng tích Có thể mơ tả kết trên giản đồ PV: Hình 2.1 Giản đồ PV mô tả trường hợp riêng trình đa biến Từ đồ thị ta có: • n = ứng với trình biến đổi đẳng nhiệt Q trình cơng hệ trao đổi với mơi trường phải tính phương trình: dA = - PdV phải áp dụng phương trình (2.16) nguyên lý thứ để tính Q • n = γ ứng với biến đổi đoạn nhiệt • n = ứng với q trình biến đổi đẳng áp • n → ∞ ứng với q trình đẳng tích Như vậy, với khảo sát phương trình trình đa biến minh chứng cho thấy trình đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp đoạn nhiệt trường hợp đặc biệt trình đa biến 2.3 Tính đại lượng A, Q, ∆𝑼 q trình đa biến Cho khối khí (m) biến đổi từ trạng thái thứ (1) đến trạng thái thứ (2) theo trình Polytropic ( đa biến) Khảo sát độ biến thiên nội năng, nhiệt lượng trao đổi cơng q trình Áp dụng phương trình nguyên lý thứ nhiệt động lực học cho q trình biến đổi khối khí từ trạng thái (1) sang trạng thái (2) Ta có độ biến thiên nội hệ là: ∆𝑈 = 𝑈2 − 𝑈1 = 𝐴 + 𝑄 (2.26) ∆𝑈 = 𝑚CV∆𝑇 = 𝑚𝐶𝑉 (𝑇2 − 𝑇1 ) Mà (2.27) Thay hệ thức Mayer, nhiệt dung khí lý tưởng bằng: CV = CP – R 1= CP CV − R = γ− CV 𝑅 𝛾−1= 𝐶𝑉 (2.28) → 𝐶𝑉 = R CV 𝑅 𝛾−1 (2.29) (2.30) Ta được: ∆𝑈 = 𝑚𝑅 𝛾−1 (𝑇2 − 𝑇1 ) (2.31) Trong trình đa biến, ta tính cơng hệ trao đổi với mơi trường là: A= Hay 𝑃1 𝑉1 𝑛−1 𝐴= 𝑃2 𝑛−1 𝑛 [1 − (𝑃 ) ] (2.32a) (𝑇2 − 𝑇1 ) (2.32b) 𝑚𝑅 𝑛−1 Từ phương trình trên, ta suy nhiệt lượng trao đổi ( Q ) hệ: 𝑛−𝛾 Q = ∆𝑈 − 𝐴 = 𝑚𝑅 (𝛾−1)(𝑛−1) (𝑇2 − 𝑇1 ) (2.33) Biết rằng: γ > Vì vậy: + Nếu < n < γ độ biến thiên nhiệt độ chất khí ∆ 𝑇 = 𝑇2 − 𝑇1 nhiệt lượng trao đổi Q hệ trái dấu + Nếu n < n > γ ∆𝑇 Q dấu + Hãy xem xét dấu ∆𝑇 theo n phương trình (2.32b) Theo phương trình khí lý tưởng: 𝑃 𝑛 𝑃2 ( 1) 𝑉1 𝑃2 𝑚𝑅𝑇2 = 𝑃2 𝑉2 = 𝑃1 1−𝑛 𝑛 = 𝑃1 𝑉1 ( ) 𝑃 𝑃1 1−𝑛 𝑛 = 𝑚𝑅𝑇1 ( ) 𝑃 (2.34) Trong phương trình (2.34) dãn nở khí, áp suất giảm ( P2 < P1 ) từ suy ra: 𝑃1 1−𝑛 𝑛 +Với n > 1; ( ) 𝑃 𝑃1 1−𝑛 𝑛 + Với n < 1; ( ) 𝑃 < 𝑣à 𝑇1 > 𝑇2 𝑉ậ𝑦 ∆𝑇 < > 𝑣à 𝑇1 < 𝑇2 𝑉ậ𝑦 ∆𝑇 > Nhận xét chung trao đổi nhiệt lượng (Q) thay đổi nhiệt độ hệ trình đa biến: Với n < nhiệt lượng trao đổi Q hệ dương ( Q > 0: chất khí thu nhiệt) ∆𝑇 dương (∆𝑇 > 0), chất khí nóng lên Với < n < γ nhiệt lượng trao đổi Q dương ( Q > 0) ∆𝑇 âm (< 0), chất khí lạnh Với n > γ nhiệt lượng trao đổi Q âm ( Q < 0), chất khí tỏa nhiệt lượng cho môi trường ∆𝑇 âm ( < 0) KẾT LUẬN Khóa luận tìm hiểu trình bày cách tổng quát kiến thức phần “ Nhiệt học” Vật lý 10 THPT để phục vụ cho việc dạy học q trình nhiệt động học chương “ Chất khí ” q trình đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp định luật có liên quan đến trình Để phục vụ cho việc nâng cao kiến thức dạy học trình nhiệt động học, sâu nghiên cứu để dựng trình đa biến với phương trình tổng quát PVn = const Quá trình cung cấp cho học sinh kiến thức tổng quát nghiên cứu trình nhiệt động Từ phương trình trình đa biến chứng minh trình đẳng nhiệt, đẳng tích, đẳng áp đoạn nhiệt nhiệt động lực học trường hợp đặc biệt trình đa biến Những kiến thức trình bày khóa luận khơng giúp tơi tích lũy hiểu biết sâu sắc chuyên môn mà cịn giúp tơi nâng cao kiến thức cho q trình công tác giảng dạy vật lý sau tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]: Lương Duyên Bình (chủ biên) tác giả khác, Bộ giáo dục đào tạo, Vật lý 10, NXB Giáo dục (2007) [2]: Nguyên Thế Khôi, Phạm Quý Tư (chủ biên), Bộ giáo dục đào tạo, Vật lý 10 nâng cao, NXB Giáo dục (2006) [3]: Nguyễn Quang Báu, Nguyễn Huy Sinh (chủ biên) tác giả khác, Một số chuyên đề vật lý nâng cao THPT (tập 2), NXB Giáo dục (2008) [4]: Một số vấn đề phát triển vật lý phổ thông (nhiều tác giả) (Tài liệu dùng cho lớp bồi dưỡng giáo viên THPT chuyên), Trường Đại học Khoa học tự nhiên (2007) [5]: Nguyễn Huy Sinh, Giáo trình nhiệt động học ứng dụng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội (2016) [6]: Nguyễn Huy Sinh, Giáo trình nhiệt động học vật lý phân tử, NXB Giáo dục (2015) [7]: DavidHalliday, Robert Resnick, Jeal walker (2000), Cơ sở vật lý (tập 3) Nhiệt học: Bản dịch tiếng việt, NXB Giáo dục (1998) ...ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC NÂNG CAO KIẾN THỨC TRONG GIẢNG DẠY CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Ở TRƯỜNG THPT (VẬT LÝ 10 NÂNG CAO) : KHẢO SÁT Q TRÌNH ĐA BIẾN KHĨA... hiểu vị trí nội dung kiến thức khoa học phần “ Nhiệt học? ?? chương trình Vật lý 10 nâng cao THPT Chương Một số kiến thức nâng cao trình nhiệt động phần Nhiệt học Vật lý 10 THPT CHƯƠNG TÌM HIỂU... mơi trường, y học Vì việc dạy học môn vật lý trường trung học phổ thông cần phải đáp ứng xu thời đại Trong phần “ Nhiệt học? ?? vật lý 10 THPT nâng cao cung cấp cho học sinh kiến thức nhiệt động lực