8. Cấu trúc của luận văn
2.1.3. Các nội dung cơ bản của phần “Nhiệt học” Vật lý lớp 10 THPT
2.1.3.1. Kiến thức cơ bản chương V - “Chất khí”
* Nội dung cơ bản về cấu tạo chất
- Các chất được cấu tạo từ các hạt riêng biệt gọi là phân tử; - Các phân tử chuyển động không ngừng;
- Các phân tử chuyển động càng nhanh thì nhiệt độ của vật càng cao.
Giữa các phân tử có lực tương tác (lực hút và lực đẩy) gọi là lực tương tác phân tử. Độ lớn của những lực này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử. Ở thể rắn, lực tương tác giữa các phân tử rất mạnh, nên giữ được các phân tử dao động quanh một vị trí cân bằng xác định. Nhờ đó các vật rắn có thể tích và hình dạng riêng xác định.
Ở thể khí, lực tương tác giữa các phân tử rất yếu, nên các phân tử chuyển động hoàn toàn hỗn loạn. Do đó chất khí không có hình dạng và thể tích riêng, nó luôn chiếm toàn bộ thể tích bình chứa và có thể nén được dễ dàng.
Ở thể lỏng, lực tương tác giữa các phân tử lớn hơn ở thể khí nhưng nhỏ hơn ở thể rắn, nên các phân tử dao động quanh một vị trí cân bằng có thể di chuyển được. Do đó chất lỏng có thể tích riêng nhưng không có hình dạng riêng mà có thể chảy và luôn có hình dạng của phần bình chứa nó.
* Nội dung cơ bản của thuyết động học phân tử chất khí
- Chất khí được cấu tạo từ những phân tử riêng rẽ, có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng.
- Các phân tử khí chuyển động hỗn loạn không ngừng, chuyển động này càng nhanh thì nhiệt độ chất khí càng cao.
- Khi chuyển động hỗn loạn các phân tử va chạm vào nhau và va chạm vào thành bình và gây áp suất lên thành bình.
* Các khái niệm, định nghĩa
- Khí lý tưởng: Chất khí trong đó các phân tử coi là các chất điểm và chỉ tương tác khi va chạm được gọi là khí lý tưởng.
- Trạng thái của một lượng khí: Trạng thái của một lượng khí được xác định bằng các đại lượng (gọi là thông số trạng thái): áp suất p, thể tích V và nhiệt độ tuyệt đối T.
- Quá trình biến đổi trạng thái: Quá trình biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác gọi là quá trình biến đổi trạng thái.
Quá trình biến đổi trạng thái trong đó giữ một thông số không đổi gọi là đẳng quá trình.
- Quá trình đẳng nhiệt: Quá trình biến đổi trạng thái trong đó nhiệt độ được giữ không đổi gọi là quá trình đẳng nhiệt.
- Quá trình đẳng tích: Quá trình biến đổi trạng thái trong đó thể tích được giữ không đổi gọi là quá trình đẳng tích.
- Quá trình đẳng áp: Quá trình biến đổi trạng thái trong đó áp suất được giữ không đổi gọi là quá trình đẳng áp.
* Các định luật, phương trình trạng thái của khí lý tưởng
- Định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt (Quá trình đẳng nhiệt T = const ):
+ Nội dung: Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích p.V = Const.
Đẳng nhiệt từ trạng thái 1(p1;V1) sang trạng thái 2(p2;V2): p1.V1 = p2.V2 + Đường đẳng nhiệt: Trong hệ tọa độ (p,V) đường đẳng nhiệt là một đường hypebol (Hình 2.2).
Hình 2.2 Họ đường đẳng nhiệt trong hệ tọa độ p-V
p O V T1 T2 T2 > T1
- Định luật Sác-lơ (Quá trình đẳng tích V = const):
+ Nội dung: Trong quá trình đẳng tích của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối p Const
T = .
Đẳng tích từ trạng thái 1(p1;T1) sang trạng thái 2(p2;T2): 1 2 1 2
p p T = T
+ Đường đẳng tích: Trong hệ tọa độ (p,T) đường đẳng tích là một đường thẳng mà khi kéo dài sẽ đi qua gốc tọa độ (Hình 2.3).
- Định luật Gay-luy-xac (Quá trình đẳng áp p = const):
+ Nội dung: Trong quá trình đẳng áp của một lượng khí nhất định, thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối V Const
T = .
Đẳng áp từ trạng thái 1(V1;T1) sang trạng thái 2(V2;T2): 1 2
1 2
V V T =T
+ Đường đẳng áp: Trong hệ tọa độ (V,T) đường đẳng áp là một đường thẳng mà khi kéo dài sẽ đi qua gốc tọa độ (Hình 2.4).
- Phương trình trạng thái của khí lí tưởng: p V. Const T = V O T (K) p1 p2 p2 > p1 p O T (K) V1 V2 V2 > V1 Hình 2.3. Họ đường đẳng tích trong hệ tọa độ p-T Hình 2.4. Họ đường đẳng áp trong hệ tọa độ V-T
Lượng khí chuyển trạng thái từ 1(p1;V1;T1) sang 2(p2;V2;T2): 1 1 2 2
1 2
. .
p V p V T = T
2.1.3.2. Kiến thức cơ bản chương VI - “Cơ sở của nhiệt động lực học”
* Nội năng và sự biến thiên nội năng
- Khái niệm: Trong nhiệt động lực học, nội năng bao gồm tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên hệ và thế năng tương tác giữa các phân tử đó.
Nội năng của một vật phụ thuộc nhiệt độ và thể tích: U = f T V( , )
- Nội năng của khí lý tưởng là tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử có trong khí đó, nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của khí: U = f T( )
- Có thể thay đổi nội năng bằng các quá trình thực hiện công, truyền nhiệt.
+ Quá trình thực hiện công có sự chuyển hóa năng lượng từ cơ năng sang nội năng. Và công chính là số đo phần năng lượng được chuyển hóa trong quá trình đó.
+ Quá trình truyền nhiệt có sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác, không có sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác.
Nhiệt lượng là số đo độ biến thiên nội năng trong quá trình truyền nhiệt
U Q
∆ = .
Nhiệt lượng Q mà vật có khối lượng m thu hay tỏa ra khi nhiệt độ của nó thay đổi một lượng ∆t được tính bằng công thức: Q m c t= . .∆ với c là nhiệt dung riêng của chất cấu tạo nên vật, có đơn vị J/kg.K
* Các nguyên lí của nhiệt động lực học
- Nguyên lí I của nhiệt động lực học
+ Phát biểu: Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được: ∆ = +U Q A
- Quy ước dấu: ∆U > 0: nội năng tăng, ∆U < 0: nội năng giảm Q > 0: hệ nhận nhiệt lượng
Q < 0: hệ truyền nhiệt cho vật khác
A > 0: hệ nhận công, A < 0: hệ sinh công. +Áp dụng nguyên lí I NĐLH cho các quá trình của khí lí tưởng
Quá trình đẳng tích: A = 0 → Q = ∆U. Trong quá trình đẳng tích nhiệt
lượng mà khí nhận được chỉ dùng để làm tăng nội năng của khí.
Quá trình đẳng nhiệt: ∆ =U 0 → Q= −A. Trong quá trình đẳng nhiệt toàn bộ nhiệt lượng mà khí nhận được chuyển hết sang công mà khí sinh ra.
Quá trình đẳng áp: Q= ∆ −U A với A= − ∆p V. . Trong quá trình đẳng áp một phần nhiệt lượng mà khí nhận được dùng để làm tăng nội năng của khí, phần còn lại biến thành công mà khí sinh ra.
Chu trình: là một quá trình mà trạng thái cuối của nó trùng với trạng thái đầu. ∆ =U 0 → A= −Q. Trong một chu trình, tổng đại số nhiệt lượng mà hệ nhận được chuyển hết thành công mà hệ sinh ra trong chu trình đó.
- Quá trình thuận nghịch và quá trình không thuận nghịch
+ Quá trình thuận nghịch: Là quá trình vật tự trở về trạng thái ban đầu mà không cần đến sự can thiệp của vật khác.
+ Quá trình không thuận nghịch: Là quá trình chỉ xẩy ra theo một chiều xác định, muốn xẩy ra theo chiều ngược lại phải có sự can thiệp của vật khác.
- Nguyên lí II nhiệt động lực học
+ Cách phát biểu của Clau-di-ut: Nhiệt không tự truyền từ một vật sang vật nóng hơn.
+ Cách phát biểu của Các-nô: Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học. Hoặc không có động cơ vĩnh cửu loại 2 (là loại động cơ sinh công mà chỉ nhận nhiệt của một nguồn).
+ Động cơ nhiệt: là thiết bị biến đổi nhiệt lượng thành công (có sự chuyển hóa nội năng thành cơ năng).
nguồn nóng có nhiệt độ T1, biến một phần thành công A, tỏa nhiệt còn lại Q2 cho nguồn lạnh có nhiệt độ T2.
Hiệu suất của động cơ nhiệt là: 1 2
1 1 A Q Q H Q Q − = =
Hiệu suất cực đại của động cơ nhiệt lí tưởng - Định lí Các-nô: max 1 2 1 T T H T − =
2.1.3.3. Kiến thức cơ bản chương VII - “Chất rắn và chất lỏng. Sự chuyển thể”
* Chất rắn
- Phân loại chất rắn
Các chất rắn được phân thành hai loại: kết tinh và vô định hình.
+ Chất rắn kết tinh có cấu trúc tinh thể, do đó có dạng hình học và nhiệt độ nóng chảy (hoặc đông đặc) xác định. Tinh thể được cấu trúc bởi các hạt (nguyên tử, phân tử, ion) liên kết chặt với nhau bằng những lực tương tác và sắp xếp theo một trật tự xác định, mỗi hạt luôn dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng của nó.
+ Chất rắn kết tinh có thể là đơn tinh thể hoặc đa tinh thể. Chất rắn đơn tinh thể có tính dị hướng, còn chất rắn đa tinh thể có tính đẳng hướng.
+ Chất rắn vô định hình không có cấu trúc tinh thể, do đó không có dạng hình học xác định, không có nhiệt độ nóng chảy (hoặc đông đặc) xác định và có tính đẳng hướng.
- Biến dạng của vật rắn
+ Biến dạng cơ: là sự thay đổi kích thước và hình dạng của vật rắn do tác dụng của ngoại lực. Tùy thuộc độ lớn của lực tác dụng, biến dạng của vật rắn có thể là đàn hồi hoặc không đàn hồi.
+ Định luật Húc về biến dạng đàn hồi (kéo hoặc nén): Trong giới hạn đàn hồi, độ biến dạng tỉ đối của vật rắn (hình trụ đồng chất) tỉ lệ thuận với ứng suất tác dụng vào vật đó.
0 l l ε = ∆ =ασ với S F =
σ trong đó α là hệ số tỉ lệ phụ thuộc chất liệu của vật rắn.σ là ứng suất, F là lực tác dụng; S là tiết diện ngang của thanh.
+ Lực đàn hồi: Fđh = k.∆l với: o l S E k = trong đó E 1 α
= là suất đàn hồi (hay áp suất Y-âng) đặc trưng cho tính đàn
hồi của thanh rắn, đơn vị đo là Pa; k là độ cứng (hệ số đàn hồi) của thanh rắn phụ thuộc chất liệu và kích thước của thanh. Đơn vị đo là N/m.
+ Giới hạn bền của thanh rắn:
S Fh
b = σ
với S là tiết diện của thanh và Fh là giới hạn của lực kéo làm thanh rắn bị đứt. Đơn vị đo σb cũng là Pa.
Khi chịu tác động của lực F thanh rắn phải có tiết diện ngang S sao cho ứng suất
S F
=
σ nhỏ hơn n lần giới hạn bền σb . n gọi là hệ số an toàn. - Biến dạng nhiệt:
+ Sự nở vì nhiệt của vật rắn là sự tăng kích thước của vật rắn khi nhiệt độ tăng do bị nung nóng.
+ Độ nở dài của thanh rắn tỉ lệ với độ tăng nhiệt độ ∆t và độ dài bề mặt ban đầu lo của thanh đó: ∆ = − =l l l0 αl t0∆
với α là hệ số nở dài, phụ thuộc vào bản chất của chất làm thanh, đơn vị K-1 + Độ nở thể tích (hay độ nở khối) của vật rắn tỉ lệ với độ tăng nhiệt độ ∆t và thể tích ban đầu Vo của vật đó: ΔV = V – V0 = β.V0.Δt
với β = 3α là hệ số nở khối (hệ số nở thể tích), đơn vị là K-1
* Chất lỏng
- Lực căng bề mặt của chất lỏng tác dụng lên một đoạn đường nhỏ bất kỳ trên bề mặt của chất lỏng luôn có phương vuông góc với đoạn đường này và tiếp
tuyến với bề mặt chất lỏng, có chiều làm giảm diện tích bề mặt chất lỏng và có độ lớn f tỉ lệ thuận với độ dài l của đoạn đường đó: f =σ.l
trong đó σ là hệ số căng bề mặt (hay suất căng bề mặt) có độ lớn phụ thuộc bản chất và nhiệt độ của chất lỏng và σ giảm khi nhiệt độ tăng, đơn vị N/m.
- Hiện tượng dính ướt: Là hiện tượng chất lỏng bị loang ra vì lực hút giữa các phân tử chất rắn với các phân tử chất lỏng mạnh hơn lực hút giữa các phân tử chất lỏng với nhau.
- Hiện tượng không dính ướt: là hiện tượng chất lỏng vo lại thành khối vì lực hút giữa các phân tử chất rắn với các phân tử chất lỏng yếu hơn lực hút giữa các phân tử chất lỏng với nhau.
- Hiện tượng mao dẫn: là hiện tượng mực chất lỏng ở bên trong các ống có bán kính nhỏ (trong các vách hẹp, khe hẹp, các vật xốp) luôn dâng lên (hay hạ xuống) so với mực chất lỏng ở ngoài.
* Sự chuyển thể của các chất
- Sự nóng chảy: là quá trình biến đổi từ thể rắn sang thể lỏng của các chất. Nhiệt nóng chảy là nhiệt lượng cần cung cấp cho chất rắn trong quá trình nóng chảy: Q =λ.m Với λ là nhiệt nóng chảy riêng, có đơn vị đo là J/kg.
- Sự đông đặc: là quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể rắn của các chất.
- Sự bay hơi: là quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí (hơi) ở bề mặt chất lỏng
- Sự sôi: là quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí xảy ra ở cả bên trong và trên bề mặt khối chất lỏng.
Dưới áp suất chuẩn, mỗi chất lỏng sôi ở nhiệt độ xác định và không đổi. Nhiệt hóa hơi là nhiệt lượng cung cấp cho khối chất lỏng trong quá trình sôi: Q L m= . Với L là nhiệt hóa hơi riêng, phụ thuộc bản chất của chất lỏng bay hơi, có đơn vị đo là J/kg.
- Hơi khô là hơi phía trên bề mặt chất lỏng khi tốc độ bay hơi lớn hơn tốc độ ngưng tụ. Hơi khô tuân theo định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt.
- Hơi bão hòa là hơi ở trạng thái cân bằng động với chất lỏng của nó (tốc độ bay hơi bằng tốc độ ngưng tụ). Áp suất hơi bão hòa không phụ thuộc thể tích hơi và không tuân theo định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt.
- Độ ẩm tuyệt đối (a) của không khí là đại lượng đo bằng khối lượng hơi nước (tính ra gam) chứa trong 1m3 không khí.
- Độ ẩm cực đại (A) ở một nhiệt độ nào đó là đại lượng có giá trị bằng khối lượng (tính ra gam) hơi nước bão hòa chứa trong 1m3 không khí ở nhiệt độ ấy.
- Độ ẩm tỉ đối (tương đối): Độ ẩm tỉ đối f của không khí là đại lượng đo bằng tỉ số phần trăm giữa độ ẩm tuyệt đối a và độ ẩm cực đại A của không khí ở cùng nhiệt độ: .100% .100% bh a p f A p = ≈
Với p là áp suất riêng phần của hơi nước và pbh là áp suất của hơi nước bão hòa trong không khí ở cùng một nhiệt độ.