Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học nâng cao ứng dụng vào việc dạy học chương cơ sở của nhiệt động lực học vật lý 10 trung học phổ thông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC TRẦN THỊ MINH THẢO NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC NÂNG CAO ỨNG DỤNG VÀO VIỆC DẠY HỌC CHƯƠNG “CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC” VẬT LÝ 10 TRUNG HỌC PHỔ THƠNG KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÍ Hà Nội - 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC NÂNG CAO ỨNG DỤNG VÀO VIỆC DẠY HỌC CHƯƠNG “CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC” VẬT LÝ 10 TRUNG HỌC PHỔ THƠNG KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÍ Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Huy Sinh Sinh viên thực khóa luận: Trần Thị Minh Thảo Hà Nội - 2018 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TÌM HIỂU CHƯƠNG “CƠ SỞ CỦA NĐLH” VẬT LÝ 10 THPT 1.1 Một số khái niệm nhiệt động lực học 1.1.1 Nhiệt động học 1.1.2 Hệ nhiệt động 1.1.3 Trạng thái thông số trạng thái 1.1.4 Nội năng, công nhiệt 1.2 Một số kiến thức học sinh cần biết trước nghiên cứu chương “ Cơ sở NĐLH” 1.2.1 Nhiệt độ 1.2.2 Phương trình trạng thái khí lý tưởng 1.2.3 Phương trình thuyết động học phân tử chất khí 1.3 Tìm hiểu nội dung cần giảng dạy chương: “Cơ sở Nhiệt động lực học” Vật lý 10 THPT 12 1.3.1 Vai trò kiến thức chương “Cơ sở Nhiệt động lực học” 12 1.3.2 Cấu trúc nội dung kiến thức chương “Cơ sở Nhiệt động lực học” 13 1.4 Những kiến thức trọng tâm chương “Cơ sở NĐLH” 16 1.4.1 Nguyên lý thứ NĐLH 16 1.4.2 Hệ Nguyên lý thứ I 17 1.5 Mở rộng việc tính tốn số đại lượng cho trình nhiệt động cần nghiên cứu trường THPT 18 1.5.1 Q trình đẳng tích 18 1.5.2 Quá trình đẳng áp 19 1.5.3 Quá trình đẳng nhiệt 20 1.5.4 Chu trình 21 CHƯƠNG 2: SỰ RA ĐỜI, CÁCH PHÁT BIỂU NGUYÊN LÝ II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ Ý NGHĨA CỦA NÓ 24 2.1 Hạn chế nguyên lý I nhiệt động lực học 24 2.2 Nghiên cứu trình thuận nghịch bất thuận nghịch 25 2.2.1 Khái niệm định nghĩa 25 2.2.2 Hệ 26 2.2.3 Ý nghĩa trình thuận nghịch 26 2.3 Nguyên lý II Nhiệt động lực học 27 2.3.1 Nguyên tắc hoạt động động nhiệt cách phát biểu nguyên lý II Thomson 27 2.3.2 Nguyên tắc hoạt động máy lạnh cách phát biểu nguyên lý II Claussius 29 2.3.3 Nguyên lý tăng Entropy 30 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 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 lòng biết ơn tới thầy cô giáo Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp tạo điều kiện giúp đỡ cho em q trình học tập hồn thành khóa luận Em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Huy Sinh – thầy giáo tận tình dạy dỗ giúp đỡ em nhiều việc học tập q 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, tháng 05 năm 2018 Sinh viên Thảo Trần Thị Minh Thảo DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT NĐLH Nhiệt động lực học THPT Trung học phổ thông MỞ ĐẦU Sự phát triển nhiệt động lực học vấn đề hấp dẫn lịch sử khoa học Nó bắt đầu cách mạng công nghiệp trở thành đối tượng quan trọng để tìm hiểu việc biến nhiệt lượng thành cơng học Nhiệt động học xây dựng thành môn độc lập vào khoảng kỉ XIX, bao gồm bốn định luật thường gọi nguyên lý số không, nguyên lý thứ nhất, nguyên lý thứ hai nguyên lý thứ ba nhiệt động lực học Các định luật biểu thị mơí liên hệ dạng lượng, biến đổi qua lại chúng mối liên hệ lượng đại lượng liên quan đến lượng công học nhiệt lượng,… Các nguyên lý thành lập tổng quát hóa kinh nghiệm, chúng khơng sâu giải thích chất vật lý tượng cần thiết cho kĩ thuật Nguyên lý quan trọng áp dụng rộng rãi vật lý học nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học Nguyên lý liên quan đến tính bất thuận nghịch q trình nhiệt động Biểu thức định lượng nguyên lý thứ hai NĐLH khái niệm định nghĩa entropy nhà Vật lý học người Đức Rudolf Clausius đưa Một số vấn đề chất vật lý khơng thể giải thích thỏa đáng ngun nhân sử dụng nguyên lý I Nguyên lý I cho ta biết hệ nhận nhiệt sinh công làm tăng nội hệ, nhiên ta chiều diễn biến trình nhiệt động Vì vậy, khơng giải vấn đề nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh hay ngược lại? Ở nguyên lý I chiều tiến hóa tự nhiên lượng khơng phân biệt khác cơng nhiệt Do đó, nguyên lý II đời để bổ sung giải vấn đề mà nguyên lý I không giải Nguyên lý II phát biểu entropy hệ kín tăng lên giữ nguyên Từ dẫn đến định luật hệ nhiệt động chuyển từ trang thái trật tự sang trạng thái trật tự khơng có tác động từ bên ngồi Trong chương trình giảng dạy Vật lý 10 trường THPT, nguyên lý thứ II Nhiệt động lực học thuộc chương VIII “Cơ sở NĐLH” phần “Nhiệt học” Nội dung chương đơn giản cung cấp thông tin nguyên tắc hoạt động động nhiệt máy lạnh cách phát biểu nguyên lý thứ II Các đại lượng Nhiệt động học công, nội đơn giản học sinh phải thừa nhận mà không rõ chất vật lý Để nâng cao kiến thức giảng dạy vật lý lớp 10 THPT “Nguyên lý thứ II NĐLH” nhằm làm cho học sinh hiểu biết cách chất sâu sắc sở, ý nghĩa đại lượng nguyên lý II, chúng tơi chọn đề tài cho khóa luận là: “Ngun lý thứ hai nhiệt động lực học nâng cao ứng dụng vào việc dạy học chương “Cơ sở nhiệt động lực học” Vật lý 10 Trung học phổ thông Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo nội dung khóa luận bao gồm : Chương : Những khái niệm NĐLH tìm hiểu chương “Cơ sở NĐLH” vật lý 10 THPT Chương : Sự đời, cách phát biểu nguyên lý II NĐLH ý nghĩa CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TÌM HIỂU CHƯƠNG “CƠ SỞ CỦA NĐLH” VẬT LÝ 10 THPT 1.1 Một số khái niệm nhiệt động lực học 1.1.1 Nhiệt động học Nhiệt động học nghiên cứu nhiệt lĩnh vực vật lý học Nhiệt động học xây dựng từ bốn định đề lớn mà người ta quen gọi nguyên lý nhiệt động lực học, là: Ngun lý số khơng, ngun lý thứ nhất, nguyên lý thứ hai nguyên lý thứ ba Các nguyên lý áp dụng cho nhiều hệ vật lý, cần biết trao đổi lượng với môi trường không phụ thuộc vào chi tiết tương tác hệ Albert Einstein phát biểu: “Nhiệt động học lý thuyết vật lý tổng quát, khả ứng dụng sở lý thuyết mà tơi tin không bị lật đổ” Nguyên lý số không nhiệt động học nghiên cứu nhiệt độ cân nhiệt Nó phát biểu sau: “Nếu hai hệ có cân nhiệt động với hệ thứ ba chúng cân nhiệt động với nhau” Nguyên lý phát biểu muộn ba nguyên lý lại lại quan trọng nên đánh số Nguyên lý thứ nhiệt động lực học đơn giản ngun lý bảo tồn biến hóa lượng áp dụng cho hệ nhiệt động Nguyên lý cho biết lượng vào hệ phải tích trữ hệ Như vậy, lượng không tự nhiên sinh khơng tự đi, ln biến đổi tự nhiên Nguyên lý thứ nguyên lý tổng quát cho tất lý thuyết vật lý Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học Thomson Claussius phát biểu sở hoạt động động nhiệt máy lạnh Nguyên lý chứa phương trình bảo tồn, cho biết máy nhiệt lý tưởng, entropy ln bảo tồn Tất máy nhiệt thực tạo entropy Vì vậy, ngun lý cịn gọi nguyên lý tăng entropy phát biểu: “Một hệ kín khơng trao đổi lượng với mơi trường có entropy ln tăng khơng đổi theo thời gian” Nguyên lý thứ ba cho biết rằng: Có thể tạo nhiệt độ thấp đạt nhiệt độ không tuyệt đối Nguyên lý phát biểu: “Trạng thái hệ không thay đổi nhiệt độ không tuyệt đối (00K)” 1.1.2 Hệ nhiệt động Quá trình nghiên cứu nhiệt động học thường liên quan đến nhiều hệ nhiệt động Hệ nhiệt động phần giới vật chất không gian chứa đầy vật chất Hệ gắn liền với mơi trường Mơi trường khoảng không gian vật chất không chứa hệ Trong trường hợp đặc biệt, theo quy ước – hệ trở thành mơi trường ngược lại Có thể phân chia thành hệ hệ mở, hệ đóng (kín), hệ lập Hệ mở hệ trao đổi khối lượng lượng với mơi trường xung quanh Hệ kín khơng trao đổi khối lượng với môi trường, trao đổi lượng dạng khác Hệ cô lập hệ trao đổi khối lượng lượng dạng với môi trường xung quanh Nó hồn tồn lập với hệ khác A  p(V2  V1 )  Nhiệt lượng mà hệ nhận vào tương tự phương trình (1.22) ta có: Q m C T  p (1.25) Độ biến thiên nội năng: U  Q  A  m C T  p(V2  V1 )  p (1.26) Vậy: Trong trình đẳng áp, phần nhiệt lượng mà nhận vào làm tăng nội khí, phần cịn lại biến thành cơng mà khí sinh 1.5.3 Quá trình đẳng nhiệt Quá trình đẳng nhiệt trình biến đổi trạng thái hệ nhiệt động nhiệt độ không đổi Trong hệ tọa độ p – V, trình biểu diễn đường p hyperbol Đoạn – ứng với trình giãn đẳng P2 nhiệt (Hình 1.6) Trong q trình đẳng nhiệt, nội khí lý P1 A’ tưởng phụ thuộc vào nhiệt độ, nên ∆U = O V1 V2 Hình 1.6 Quá trình đẳng nhiệt Cơng mà khí nhận là: 20 V V V m dV m A   RT   RT ln  V1 V  V2 (1.27a) Hay A p m RT ln  p1 (do ln 𝑉1 𝑉2 = ln 𝑝2 𝑝1 (1.27b) ) Nhiệt lượng mà khí nhận được: QA (1.28) Vậy, Trong q trình đẳng nhiệt tồn nhiệt lượng mà khí nhận chuyển thành cơng mà khí sinh 1.5.4 Chu trình Chu trình bao gồm nhiều trình nhiệt động mà trạng thái cuối trùng với p p2 p1 trạng thái đầu (Hình 1.7) O V1 V2 V Hình 1.7 Chu trình nhiệt động Như theo nguyên lý I NĐLH thì: U  (1.29) Công nhiệt lượng mà hệ nhận chu trình 𝐴 = 𝐴1 + 𝐴2 + 𝐴3 + ⋯ + 𝐴𝑖 𝑄 = 𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 + ⋯ + 𝑄𝑖 21 (1.30) Trong 𝐴𝑖 , 𝑄𝑖 tương ứng công nhiệt lượng mà hệ nhận ứng với trình chu trình Cơng mà hệ nhận chu trình tính phần diện tích giới hạn đường biểu diễn trình biến đổi Áp dụng nguyên lý I NĐLH: ∆U = A + Q; |A| = |Q| (1.31) Vậy, tổng nhiệt lượng mà hệ nhận chu trình cơng mà hệ sinh chu trình Các đại lượng tính từ việc áp dụng nguyên lý I NĐLH cho trình chu trình nhiệt động trình bày bảng 1.2 22 Bảng 1.2 Áp dụng nguyên lý I cho q trình nhiệt động khí lý tưởng Q trình Phương trình Đẳng tích p = const T Đẳng áp Q ∆U = 𝐴 + 𝑄 m CV T U  m V = const T A   p(V2  V1 ) Q  m C T p U  m Đẳng nhiệt pV= const A m Đoạn nhiệt pV = const A p2V2  p1V1  1 Chu trình Trạng thái cuối trùng với trạng thái đầu A A0 Q    RT ln V1 V2 Q m  RT ln Q0 - Tính A Q q trình - Tính A’ theo diện tích giới hạn đường cong kín 23 V1 V2   CV T C p T U  U  p2V2  p1V1  1 U  CHƯƠNG 2: SỰ RA ĐỜI, CÁCH PHÁT BIỂU NGUYÊN LÝ II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ Ý NGHĨA CỦA NÓ 2.1 Hạn chế nguyên lý I nhiệt động lực học Mọi trình tự nhiên tuân theo nguyên lý I nhiệt động lực học có q trình diễn thực tế mà ngun lý I khơng giải thích Ví dụ cho hai vật có nhiệt độ khác tiếp xúc với chúng trao đổi nhiệt Nguyên lý I địi hỏi vật cho vật nhận nhiêu nhiệt mà nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh từ vật lạnh sang vật nóng Nhưng thực tế vật truyền từ vật nóng sang vật lạnh, q trình truyền ngược lại khơng thể tự xảy Hay xét ví dụ khác: Xét hệ lập gồm hai vật có nhiệt độ khác Khi đặt hai vật tiếp xúc với chúng trao đổi nhiệt với Theo nguyên lý I nhiệt lượng mà vật tỏa nhiệt lượng mà vật thu vào Trong hệ xảy q trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh từ vật lạnh sang vật nóng Thực tế hệ xảy trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh Như vậy, nguyên lý I khơng cho biết chiều diễn biến q trình nhiệt động Mặt khác Nguyên lý I không đề cập tới vấn đề chất lượng nguồn nhiệt Thực tế cho thấy nhiệt lượng nhận từ mơi trường có nhiệt độ cao có chất lượng nhiệt lượng nhận mơi trường có nhiệt độ thấp (ví dụ nhiệt lượng thu từ kg than đá khác với nhiệt lượng thu từ kg gỗ) Mặt khác, nguyên lý I chưa nêu lên khác q trình chuyển hóa cơng nhiệt lượng Theo ngun lý I cơng nhiệt tương đương chuyển hóa lẫn Thực tế chứng tỏ cơng có 24 thể chuyển hóa hồn tồn thành nhiệt lượng nhiệt lượng chuyển hóa phần thành cơng Ngun lý II khắc phục hạn chế nguyên lý I, với nguyên lý I tạo thành hệ thống lý luận chặt chẽ làm sở cho việc nghiên cứu nhiệt học Nguyên lý thứ hai đời đòi hỏi tất yếu bổ sung cho hạn chế cho nguyên lý I, có vai trò quan trọng kỹ thuật, đặc biệt việc chế tạo máy nhiệt 2.2 Nghiên cứu trình thuận nghịch bất thuận nghịch 2.2.1 Khái niệm định nghĩa Quá trình thuận nghịch trình biến đổi hệ từ trạng thái sang trạng thái ngược lại từ trạng thái trạng thái qua tất trạng thái trung gian mà trình thuận qua Quy ước thơng thường q trình thuận nghịch: - Chiều thuận chiều quay theo chiều kim đồng hồ - Chiều nghịch chiều quay ngược chiều kim đồng hồ Quá trình thuận nghịch trình cân Vì vậy, trình thuận trình nghịch có: - Đồ thị trùng (đường biểu diễn hai q trình thuận nghịch hồn tồn trùng nhau) - Cơng nhiệt hệ nhận q trình nghịch công nhiệt hệ cấp cho bên ngồi q trình thuận Do hệ trở trạng thái ban đầu mơi trường xung quanh xảy biến đổi 25 Quá trình khơng thuận nghịch (bất thuận nghịch) q trình tiến hành theo chiều nghịch từ trạng thái trạng thái 1, hệ không qua đầy đủ trạng thái trung gian trình thuận Vì q trình khơng thuận nghịch hệ trở trạng thái ban đầu mơi trường xung quanh bị biến đổi - Đường biểu diễn hai trình thuận nghịch không trùng - Công hệ nhận q trình nghịch khác với cơng mà hệ sinh cho bên ngồi q trình thuận 2.2.2 Hệ Nói chung q trình học khơng ma sát trình thuận nghịch Kết thúc qua trình thuận- nghịch hệ trở lại vị trí ban đầu, nghĩa hệ có trạng thái đầu trạng thái cuối trùng nhau, nội hệ khơng thay đổi Vì vậy, nhiệt lượng hệ nhận vào trình thuận nhiệt lượng hệ tỏa trình nghịch Thực tế cho thấy q trình vĩ mơ xảy có trao đổi nhiệt với bên ngồi Do q trình vĩ mơ tự nhiên trình bất thuận nghịch Sau thực trình bất thuận nghịch hệ trở lại vị trí ban đầu nên độ biến thiên nội 0, nhiệt lượng hệ nhận vào trình thuận khác nhiệt lượng mà hệ tỏa trình nghịch 2.2.3 Ý nghĩa trình thuận nghịch Q trình thuận nghịch lý tưởng khơng có thực tế Trong thực tế xảy trình khơng thuận nghịch Chiều biến đổi q trình 26 tự nhiên tiến tới trạng thái cân Khi hệ trạng thái cân khơng thể tự phát xảy q trình đưa hệ tới trạng thái khơng cân Q trình thuận nghịch lợi phương diện cơng nhiệt Vì vậy, việc chế tạo động nhiệt, chế tạo máy để hoạt động theo q trình gần với q trình thuận nghịch có hiệu suất cao 2.3 Nguyên lý II Nhiệt động lực học Nguyên lý II rút từ thực nghiệm nghiên cứu q trình xảy tự nhiên Có nhiều cách phát biểu nguyên lý II có hai cách phát biểu điển hình dựa nguyên lý hoạt động máy nhiệt cách phát biểu Thomson Claussius Nguyên lý thứ II Nhiệt động lực học có nhiều ứng dụng sống, đặc biệt việc chế tạo động nhiệt máy lạnh 2.3.1 Nguyên tắc hoạt động động nhiệt cách phát biểu nguyên lý II Thomson Động nhiệt thiết bị biến đổi nhiệt lượng sang công Động nhiệt tạo thành từ ba phận chính: Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng Bộ phận phát động gồm vật trung gian nhận nhiệt sinh công gọi tác nhân thiết bị phát động Nguồn lạnh để thu nhiệt tác nhân tỏa 27 Nguồn nóng T1 Q1 Tác nhân A Q2 Nguồn lạnh T2 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động động nhiệt Trong động nhiệt làm việc hai nguồn nhiệt, tác nhân nhận nhiệt lượng Q1 từ nguồn nóng T1 (với động nhiệt, tác nhân biến đổi theo chu trình thuận), chuyển phần thành cơng A, phần lại nhiệt lượng Q2 nhường cho nguồn lạnh có nhiệt độ T2 Đại lượng đặc trưng cho khả sinh công động nhiệt gọi hiệu suất động nhiệt tính tỉ số công sinh A nhiệt lượng Q1 nhận vào:  A Q1  Q2 Q   1 Q1 Q1 Q1 (2.1) Giá trị 𝜂 ≤ 1, từ biểu thức tính hiệu suất động nhiệt, muốn tăng 𝜂 cần tăng Q1 giảm Q2, vừa tăng Q1 vừa giảm Q2 Trong thực tế, hiệu suất động nhiệt thường khoảng từ 25% - 45% Như vậy, dựa nguyên tắc hoạt động động nhiệt, William Thomson đưa cách phát biểu nguyên lý II Nhiệt động lực học: 28 “Không thể tồn tự nhiên q trình biến đổi hồn tồn nhiệt thành cơng mà khơng để lại dấu vết cho mơi trường xung quanh” “Không chế tạo động vĩnh cửu loại II” (Tức không 𝜂 = hay 𝑄2 = 2.3.2 Nguyên tắc hoạt động máy lạnh cách phát biểu nguyên lý II Claussius Máy lạnh thiết bị dùng để lấy nhiệt từ vật truyền sang vật khác nóng nhờ nhận cơng từ vật ngồi Nguồn nóng T1 Q1 Tác nhân nhận A Q2 Nguồn lạnh T2 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy lạnh Nguyên tắc hoạt động máy lạnh theo trình ngược lại động nhiệt, trình hoạt động máy lạnh tiêu thụ cơng Khi thực chu trình, tác nhân nhận cơng A từ bên để chuyển nhiệt lượng Q2 từ nguồn lạnh nhiệt độ T2 đến nguồn nóng nhiệt độ T1 Tức là, công A nhiệt lượng Q2 tổng hợp thành nhiệt lượng Q1 để truyền cho nguồn nóng: Q1  Q2  A 29 (2.2) Đại lượng đặc trưng cho khả tải nhiệt lượng từ vật lạnh sang vật nóng máy lạnh hệ số làm lạnh K tính tỉ số nhiệt lượng lấy từ nguồn lạnh Q2 công tiêu thụ A K Q2 Q2  1 A Q1  Q2 (2.3) Dựa sở nguyên lý hoạt động máy lạnh, Claussius đưa cách phát biểu nguyên lý II: “Khơng thể tồn tự nhiên q trình truyền nhiệt lượng từ nguồn lạnh sang nguồn nóng mà khơng để lại dấu vết cho mơi trường xung quanh” “không thể chế tạo máy lạnh vĩnh cửu” (Tức không giá trị 𝐾 = ∞ ↔ 𝐴 = hay khơng có thiết bị không cần tiêu tốn công mà chuyển nhiệt lượng từ nguồn lạnh sang nguồn nóng) 2.3.3 Nguyên lý tăng Entropy Xét hai trạng thái hệ q trình chuyển hệ từ đến 2, có q trình thuận nghịch khơng thuận nghịch Trước hết ta xét hai trình thuận nghịch 1a2 2b1 a b Hình 2.3 Chu trình thuận nghịch Áp dụng bất đẳng thức Claussius cho chu trình thuận nghịch 1a2b1, ta có: 30   hay Q Q T 1a  (2.4) 0 T  Q T 2b1 0 (2.5) Khi đổi cận tích phân đổi dấu: Q Q  T 1b T 2b1 (2.6) Q Q Q Q  0   T 1b T T 1b T 1a 1a (2.7)  Ta có biểu thức (3.1)  Ta thấy tích phân  Q T  theo chu trình thuận nghịch từ trạng thái sang trạng thái không phụ thuộc vào dạng trình mà phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối Bây ta dẫn hàm S phụ thuộc vào trạng thái Sao cho: Q 0 T S  S2  S1   (2.8) Đại lượng S đưa vào gọi entrôpycủa hệ Entrôpy hàm trạng thái hệ, entrơpy đại lượng cộng tính Phương trình (2.8) mơ tả q trình bất thuận nghịch Kết hợp phương trình (2.4) phương trình (2.8) ta được: S   Q (2.9) T Dấu = ứng với trình thuận nghịch; dấu > ứng với q trình bất thuận nghịch Đó cơng thức định lượng nguyên lý II 31 Nếu xét hệ lập Q = 0, ta có ∆S ≥ (2.10), nghĩa trình xảy hệ cô lập làm giảm entrôpy hệ Nếu q trình thuận nghịch entrơpy khơng đổi, cịn q trình bất thuận nghịch entrơpy tăng (∆S ≥ 0) Bởi tất trình tự phát tự nhiên trình bất thuận nghịch, q trình entrơpy luôn tăng hệ cô lập Như ta phát biểu: “các q trình khơng thuận nghịch hệ cô lập xảy theo chiều tăng entrơpi” Đây ngun lý tăng entrơpi, dạng nguyên lý II nhiệt động lực học Trong hệ cô lập trạng thái không cân không ổn định, trạng thái thay đổi liên tục theo thời gian theo chiều tăng Entrôpy đạt tới trạng thái cân bằng, entrơpy đạt đến giá trị cực đại Cho nên thông số xác định trạng thái cân thường xác định từ điều kiện cực đại hàm Entrôpy hệ cô lập Nguyên lý tăng entrôpy (cũng nguyên lý II) với hệ vĩ mô hữu hạn, mở rộng nguyên lý cho hệ vô hạn cho tồn vũ trụ xét hệ kín Thuyết chết nhiệt vũ trụ Clausius thuyết sai lầm ứng dụng ngun lý tăng entrơpy đạt giá trị cực đại cho toàn vũ trụ 32 KẾT LUẬN Khóa luận này, trình bày khái niệm nhiệt động lực học sâu tìm hiểu kiến thức Nhiệt cần trang bị cho học sinh trước giảng dạy cho học sinh chương “Cơ sở Nhiệt động lực học” Vật lý 10 THPT Nghiên cứu tìm hiểu vai trị, vị trí trình bày nội dung kiến thức trọng tâm chương “ Cơ sở nhiệt động lực học” vật lí 10 THPT cần giảng dạy cho học sinh theo quy định chương trình, đặc biệt nội dung có liên quan đến Nguyên lý II NĐLH Nêu lên cần thiết Ngun lý thứ II NĐLH Từ trình bày sở cách phát biểu Nguyên lý thứ II Những kiến thức nhằm mở rộng sâu tìm hiểu Nguyên lý thứ II định tính định lượng phục vụ cho việc bồi dưỡng học sinh giỏi seminar vấn đề nâng cao kiến thức dạy học chương “Cơ sở NĐLH” trường THPT Những vấn đề trình bày khóa luận giúp tơi tập hợp kiến thức cách logic, hiểu biết sâu sắc mặt khoa học chương trình Đại học, đặc biệt phần “Nhiệt học” để áp dụng vào cơng tác giảng dạy sau này, nhằm giúp cho học sinh có thêm hấp dẫn đam mê vào Khoa học 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2006), Vật lí 10 (sách giáo khoa), NXB Giáo dục David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker (2000), Cơ sở Vật lý, tập 3, Nhiệt học (Bản dịch tiếng Việt), NXB Giáo dục Nguyễn Thế Khôi (Chủ biên) (2014), Vật lí 10 nâng cao (sách giáo khoa), Nhà xuất giáo dục Việt Nam (phần Nhiệt học) Nguyễn Huy Sinh (2009), Giáo trình Nhiệt học, NXB Giáo dục Nguyễn Huy Sinh (2015), Giáo trình nhiệt động học vật lí phân tử, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội Nguyễn Huy Sinh (2016), Giáo trình nhiệt động học ứng dụng, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội Phạm Quý Tư (2000), Nhiệt động lực học, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội 34 ...ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC NÂNG CAO ỨNG DỤNG VÀO VIỆC DẠY HỌC CHƯƠNG “CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC” VẬT LÝ 10 TRUNG HỌC PHỔ THƠNG... tài cho khóa luận là: ? ?Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học nâng cao ứng dụng vào việc dạy học chương ? ?Cơ sở nhiệt động lực học? ?? Vật lý 10 Trung học phổ thơng Ngồi phần mở đầu, kết luận tài liệu... với nhiệt độ 11 1.3 Tìm hiểu nội dung cần giảng dạy chương: ? ?Cơ sở Nhiệt động lực học? ?? Vật lý 10 THPT Chương ? ?Cơ sở Nhiệt động lực học? ?? chương thứ VIII chương kết thúc chương trình SGK vật lý