7. Các đóng góp của luận văn
2.4.2. Giáo án tiết thứ hai
Các nguyên lí của nhiệt động lực học
I. Mục tiêu dạy học
1. Kiến thức cần xây dựng
- Hai nguyên lí cơ bản cơ bản của nhiệt động lực học. - Cấu tạo của động cơ nhiệt.
- Hiệu suất của động cơ nhiệt. 2. Mục tiêu trong quá trình học
- Học sinh nâng cao kĩ năng làm việc nhóm hiệu quả. - Học sinh rèn luyện tư duy giải quyết vấn đề.
3. Mục tiêu đối với kết quả học
- Phát biểu được nguyên lí I nhiệt động lực học. Nêu được tên, đơn vị và quy ước về dấu của các đại lượng trong công thức.
- Phát biểu được nguyên lí II nhiệt động lực học.
- Vận dụng được nguyên lí I cho các quá trình trao đổi năng lượng. - Hiểu được cấu tạo cơ bản của một động cơ nhiệt.
75
- Biết được hiệu suất của động cơ nhiệt và ý nghĩa của hiệu suất đối với động cơ nhiệt.
II.Tiến trình dạy học
Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Hoạt động 1: Thảo luận kết quả học tập ở nhà (5 phút)
Cho học sinh làm việc nhóm thảo luận về những câu hỏi đã trả lời ở nhà.
Thảo luận nhóm.
Hoạt động 2: Nguyên lí I Nhiệt động lực học (10 phút)
Trong tiết trước chúng ta đang tìm hiểu về quá trình chuyển hoá năng lượng trong động cơ nhiệt, và đã tìm hiểu được cơ chế cơ bản để chuyển hoá nhiệt lượng nhận được từ nhiên liệu thành công cơ học. Vấn đề tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu là cơ chế chuyển hoá năng lượng trong động cơ nhiệt có tuân theo những nguyên lí cơ bản nào không?
Dẫn dắt giúp học sinh hình thành nguyên lí I nhiệt động lực học.
? Nếu ta thực hiện công lên một hệ (cụ thể như khối khí xác định) mà không có sự tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh thì nội năng của hệ sẽ biến thiên thế nào?
? Nếu ta chỉ cung cấp nhiệt lượng cho một hệ mà thể tích hệ không đổi (tức không có thực hiện công), thì nội năng của hệ biến thiên ra sao?
? Nếu ta vừa thực hiện công vừa truyền nhiệt cho hệ thì ∆U xác định như thế nào?
Giáo viên thông báo: Đây là biểu thức của nguyên lí I Nhiệt động lực học. Ta có thể phát biểu như sau: “Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được”.
Bất kì một quá trình chuyển hóa năng lượng nào thông qua nội năng của một hệ đề phải thỏa mãn hệ
Lắng nghe.
Trả lời theo nhóm.
Nội năng của hệ tăng: ∆U > 0 và ∆U = A với A là công thực hiện lên hệ
Nội năng của hệ tăng: ∆U > 0 và ∆U = Q với Q là
76 thức trên.
? Nếu hệ không nhận công mà bản thân hệ thực hiện công thì nội năng của hệ sẽ thay đổi thế nào?
? Nếu hệ bị mất nhiệt lượng do truyền ra môi trường bên ngoài thì ∆U ra sao?
Cả hai trường hợp hệ phải thực hiện công hoặc mất nhiệt ra môi trường bên ngoài cũng thỏa nguyên lí I Nhiệt động lực học. Do đó chúng ta có quy ước dấu như sau:
Q > 0: vật nhận nhiệt lượng. Q < 0: vật truyền nhiệt lượng. A > 0: vật nhận công từ vật khác. A < 0: vật thực hiện công.
? Theo các em, nguyên lí I Nhiệt động lực học có là hệ quả của nguyên lí cơ bản nào trong vật lí hay không?
Theo cơ chế làm việc của một động cơ nhiệt thì ta đã biết rằng, một khối khí xác định khi nhận nhiệt lượng có thể sinh công (làm quay trục bánh xe).
? Như vậy, trong động cơ nhiệt, quá trình chuyển hóa năng lượng này thỏa mãn nguyên lí I Nhiệt động lực học như thế nào?
Trong động cơ nhiệt, một tác nhân nhận nhiệt lượng từ nguồn nóng sẽ sinh công. Đó là quá trình cần thiết phải diễn ra trong động cơ nhiệt để chuyển hóa nhiệt lượng thành công cơ học.
Giáo viên đặt vấn đề: Muốn động cơ nhiệt sinh công liên tục thì quá trình nhận nhiệt – sinh côngphải diễn
Nội năng của hệ giảm: ∆U < 0 và độ giảm nội năng sẽ đúng bằng công mà hệ thực hiện.
Nội năng của hệ giảm: ∆U < 0 và độ giảm nội năng sẽ đúng bằng nhiệt lượng hệ truyền ra môi trường ngoài.
+ Học sinh có thể lúng túng.
+ Khối khí nhận nhiệt lượng và sinh công ra bên ngoài: Q > 0 và A < 0.
77
ra liên tục. Như vậy, ta phải không ngừng cung cấp nhiệt lượng cho khối khí để khí đẩy pít-tông dịch chuyển mãi. Ta phải có 1 xi-lanh dài đến vô cùng để duy trì chuyển động của pít-tông. Điều này là không khả thi vì không thể nào thiết kế một thiết bị quá lớn nhưng chỉ có thể duy trì chuyển động trên một quãng đường nhất định.
? Như vậy làm thế nào để thiết kế được một động cơ nhiệt vẫn liên tục sinh công nhưng đảm bảo được yếu tố kĩ thuật?
Hoạt động 3: Nguyên lí II nhiệt động lực học (15 phút)
Yêu cầu học sinh làm việc nhóm theo phiếu học tập nhóm số 2.
Ta phải có tác động để pít-tông sau khi giãn ra một đoạn nhất định nào đó sinh công sẽ trở lại vị trí cũ. Sau đó ta lại truyền nhiệt để khối khí sinh công, pít- tông lại về vị trí cũ, khối khí lại nhận nhiệt rồi sinh công. Pít-tông cứ chuyển động theo một quá trình tuần hoàn. Như vậy, khối khí không chỉ nhận nhiệt lượng liên tục để sinh công mà phải biến đổi trạng thái (giãn nở rồi co lại) theo một quá trình tuần hoàn để động cơ nhiệt có thể sinh công liên tục nhưng vẫn đảm bảo yếu tố kĩ thuật về mặt thiết kế.
Khối khí biến đổi trạng thái theo một quá trình tuần hoàn (ta gọi là chu trình).
Dựa vào tính chất giãn nở vì nhiệt của chất khí, ta thấy rằng nếu sau khi thực hiện công, khối khí bị làm lạnh đi thì nó sẽ co lại và dần dần trở lại trở lại trạng thái ban đầu. Để quá trình này diễn ra nhanh thì sau khi khối khí thực hiện công, ta cho nó tiếp xúc với một nguồn lạnh để làm giảm nhiệt độ, tức làm giảm
Thảo luận nhóm và dại diện trình bày ý kiến. Lắng nghe, so sánh với câu trả lời của nhóm.
78 nội năng của khối khí.
Từ đó ta đưa đến nguyên lí cấu tạo cơ bản của động cơ nhiệt là phải có một tác nhân là một khối khí xác định hoạt động theo chu trình giữa hai nguồn, nguồn nóng và nguồn lạnh. Từng loại động cơ nhiệt khác nhau thì chu trình hoạt động của khối khí sẽ khác nhau.
Giáo viên yêu cầu học sinh hoàn chỉnh sơ đồ cấu tạo của động cơ nhiệt. Sự biến đổi trạng thái của khối khí để hoạt động theo một chu trình phải như sau: khối khí nhận nhiệt lượng Q1 từ nguồn nóng khối khí giãn nở để sinh công A đồng thời khối khí truyền một phần nhiệt lượng Q2 cho nguồn lạnh để giảm nhiệt độ và co lại khối khí tiếp tục nhận nhiệt lượng và thực hiện tiếp chu trình.
Dựa vào sơ đồ đã hoàn thành về cấu tạo và quá trình chuyển hóa năng lượng của động cơ nhiệt.
? Phải cung cấp nhiệt lượng như thế nào để khối khí liên tục sinh ra một công xác định theo ý muốn?
Nguyên lí 2 nhiệt động lực học: Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học.
? Có mối liên hệ nào giữa nhiệt lượng khối khí nhận được với công sinh ra và nhiệt lượng khối khí truyền cho nguồn lạnh?
Giáo viên giới thiệu thêm cách phát biểu khác của nguyên lí II Nhiệt động lực học.
+ Học sinh hoàn thành sơ đồ mô tả cấu tạo và hoạt động của động cơ nhiệt.
Thảo luận nhóm.
Nhiệt lượng truyền cho động cơ nhiệt phải đủ để động cơ vừa sinh công vừa truyền một phần nhiệt lượng cho nguồn lạnh để trở lại trạng thái cũ.
79
PHIẾU HỌC TẬP NHÓM SỐ 2
Nhóm:………. Lớp:…………
Nhiệm vụ Kết quả làm việc nhóm
1. Khi ta cung cấp nhiệt lượng cho khối khí trong xi-lanh thì khối khí giãn nở đẩy pít-tông dịch chuyển 1 đoạn. Làm thế nào để ta lại có thể tiếp tục cung cấp nhiệt, và pít-tông lại dịch chuyển nhưng không vượt ra khỏi xi- lanh?
2. Làm thế nào để đưa pít-tông trở lại vị trí ban đầu?
3. Nếu không dùng tay để đẩy pít-tông thì ta có thể làm cách nào khác không?
4. Như vậy, để động cơ nhiệt có thể liên tục sinh công thì khối khí làm tác nhân phải biến đổi trạng thái như thế nào?
5. Muốn khối khí biến đổi trạng thái theo ý muốn như vậy thì động cơ nhiệt phải cần có thêm bộ phận nào?
80
Hoạt động 4: Hiệu suất của động cơ nhiệt ( 10 phút)
Giáo viên đặt vấn đề: Hiện nay, nhu cầu sử dụng tiết kiệm năng lượng là rất quan trọng. Điều này không chỉ giúp duy trì nguồn nhiên liệu lâu dài mà còn hạn chế mức độ ô nhiễm môi trường đang ngày càng tăng cao.
Theo nguyên lí II NĐLH, các em đã biết rằng “Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học.” Do đó, một động cơ nhiệt luôn luôn có phần năng lượng hao phí. Để thể hiện mức độ hiệu quả của một động cơ nhiệt, người ta đã đưa ra khái niệm hiệu suất.
? Theo các em, hiệu suất của động cơ nhiệt sẽ thể hiện điều gì?
? Hiệu suất liên quan đến sự chuyển hoá năng lượng trong động cơ nhiệt. Vậy theo các em,
Lắng nghe.
+ Hiệu suất của động cơ thể hiện khả năng sinh công của một động cơ. + Trả lời dưới sự hướng dẫn của giáo viên.
ĐỘNG CƠ NHIỆT Nguồn nóng Tác nhân (khối khí) ………… Sinh công
81
hiệu suất của động cơ nhiệt được xác định như thế nào?
Giáo viên giới thiệu về hiệu suất của động cơ nhiệt. 𝑯 =|𝑸𝑨|
𝟏 luôn nhỏ hơn 1.
? Nhu cầu của nhà sản xuất trong việc cải tiến động cơ nhiệt là gì?
? Dựa vào biểu thức của hiệu suất, theo các em, để nâng cao hiệu suất của động cơ thì nhà sản xuất nên làm gì?
? Quá trình hoạt động bên trong của các động cơ khác nhau ở chỗ nào?
+ Phải nâng cao hiệu suất của động cơ nhiệt.
+ Nhà sản xuất sẽ nâng cao giá trị nhiệt lượng nhận được từ nhiên liệu, đồng thời cải tiến quá trình hoạt động của động cơ để tăng giá trị công có ích sinh ra. + Học sinh suy nghĩ.
Hoạt động 5: Giới thiệu mẫu động cơ Stirling đơn giản từ ống nghiệm (5 phút)
Mô tả và thực hiện cho học sinh quan sát động cơ Stirling đơn giản được chế tạo từ một ống nghiệm tạo thành cái bập bênh.
Yêu cầu học sinh thảo luận nhóm về các bộ phận của động cơ này, tại sao cấu tạo của thiết bị vô cùng đơn giản nhưng chỉ cần một ngọn lửa đèn cồn là thiết bị có thể thành cái bập bênh.
Cho học sinh xem thêm video về các động cơ Stirling làm bằng vỏ lon, chai lọ.
+ Lắng nghe và quan sát.
82
Hình 1.12. 0BĐộng cơ Stirling bằng vỏ lon
Hoạt động 6: Củng cố, giao nhiệm vụ về nhà (5 phút)
Giao nhiệm vụ cho học sinh thông qua phiếu học tập ở nhà số 2.
Nhận nhiệm vụ học tập ở nhà.
PHIẾU HỌC TẬP Ở NHÀ SỐ 2
Tên:………..Nhóm:……… Lớp:………
Dựa vào kiến thức vừa được học ở lớp cùng với việc tìm hiểu kiến thức ở nhà, các em hãy suy nghĩ và trả lời các câu hỏi sau:
1. Theo em, chúng ta có thể chế tạo được loại động cơ nhiệt không cần tiêu thụ năng lượng mà vẫn có thể sinh công liên tục hay không? Nếu chế tạo được, em hãy cho ví dụ một một động cơ cụ thể; nếu không được, em hãy giải thích vì sao?
... ...
2. Về mùa hè, người ta có thể dùng máy điều hòa nhiệt độ để truyền nhiệt từ trong phòng ra ngoài trời, mặc dù nhiệt độ ngoài trời cao hơn trong phòng. Như vậy, điều này có vi phạm nguyên lí II nhiệt động lực học không? Giải thích.
... ...
3. Em hãy truy cập vào trang
webhttp://www.youtube.com/watch?v=WTmmvs3uIv0để xem một ví dụ về động cơ nhiệt đơn giản đã xem trên lớp. Từ đó, em hãy xác định:
- nguồn nóng: ... - tác nhân: ... - nguồn lạnh: ...
83
... ...
4. Em hãy tìm hiểu về cấu tạo và hoạt động của động cơ xăng 4 kì. Trong động cơ xăng 4 kì, em hãy xác định:
- nguồn nóng: ... - tác nhân: ... - nguồn lạnh: ...
Nêu tên gọi các kì trong một chu trình hoạt động của động cơ xăng 4 kì.
... Trong 4 kì đó, em hãy cho biết:
- kì tác nhân nhận nhiệt: ... - kì tác nhân sinh công: ... - kì tác nhân truyền nhiệt: ...
Lưu ý: Từ khóa tìm tài liệu: động cơ đốt trong 4 kì, động cơ xăng 4 kì;
four stroke engine, gasoline engine.