động cơ nhiệt.
- Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng Q1;
- Bộ phận phát động gồm vật trung gian nhận nhiệt sinh công gọi là tác nhân và các thiết bị phát động
A = Q1 – Q2;
- Nguồn lạnh để thu nhiệt do tác nhân tỏa ra Q2.
Hiệu suất của động cơ nhiệt là:
𝐻 = |𝑄|𝐴| 1|= |𝑄1| − |𝑄2| |𝑄1| = 1 −|𝑄|𝑄2| 1| Bộ phận phát động Nguồn lạnh Nguồn nóng Q1 A= Q1-Q2
2.2.2. Nội dung chương “Cơ sở của nhiệt động lực học”
2.2.2.1. Nội năng là gì?
Trong một hệ nhiệt động có một đại lượng năng lượng tồn tại, gọi là nội năng. Nội năng bao gồm tổng động năng và tổng thế năng của các phân tử cấu tạo nên hệ.
Ở mỗi trạng thái, hệ có một nội năng xác định. Khi trạng thái của hệ thay đổi thì nội năng của hệ thay đổi và độ biến thiên nội năng của hệ trong quá trình biến đổi chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào quá trình biến đổi cho nên nội năng chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ.
Khi nhiệt độ thay đổi thì động năng của các phân tử cấu tạo nên hệ thay đổi, do đó nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ.
Khi thể tích thay đổi thì khoảng cách giữa các phân tử cấu tạo nên hệ thay đổi, làm cho thế năng tương tác giữa chúng thay đổi, do đó nội năng phụ thuộc vào thể tích của vật.
Vậy, nội năng của một hệ phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của hệ. Nội năng là hàm số của nhiệt độ và thể tích :
U = f(T, V).
Đối với khí lí tưởng người ta bỏ qua tương tác giữa các phân tử lúc không va chạm, nên cũng bỏ qua tương tác giữa chúng. Do đó nội năng của khí lí tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của khí, tức nội năng là hàm số của nhiệt độ
U = f(T).
2.2.2.2. Các cách làm thay đổi nội năng của hệ
Trong nhiệt động lực học vấn đề cần quan tâm và có nhiều ứng dụng trong đời sống và trong kỹ thuật chí là sự biến đổi nội năng của hệ. Từ khái niệm nội năng ta nhận thấy có thể làm biến đổi nội năng bằng cách thay đổi
thể tích hoặc thay đổi nhiệt độ của hệ. Vậy có hai cách để làm biến đổi nội năng của hệ: Thực hiện công và truyền nhiệt.
2.2.2.3. Các nguyên lý của Nhiệt động lực học
a) Nguyên lý 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.
Biểu thức:
ΔU = A + Q
Quy ước về dấu:
Q > 0: Hệ nhận nhiệt lượng, Q < 0: Hệ truyền nhiệt lượng, A > 0: Hệ nhận công,
A < 0: Hệ thực hiện công.
Hệ quả của nguyên lý I Đối với hệ cô lập
Hệ cô lập thì khơng trao đổi nhiệt và cơng với bên ngồi. A = Q = 0
=> ΔU = 0 hay U = const. Vậy nội năng của hệ cơ lập được bảo tồn.
Nếu hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt với nhau và giả sử Q
1 , Q2 là nhiệt lượng mà hai vật đã trao đổi cho nhau thì:
Q1 + Q2 = 0 hay Q1 = - Q2
Vậy, trong một hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt, nhiệt lượng mà vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng mà vật kia đã thu vào.
Đối với hệ biến đổi theo các q trình của khí lí tưởng:
+ Q trình đẳng tích:
Trong q trình đẳng tích, nhiệt lượng mà khí nhận được chỉ để làm tăng nội năng của hệ.
+ Quá trình đẳng áp:
∆U = A + Q.
Trong quá trình đẳng áp, một phần nhiệt lượng mà khí nhận được dùng làm tăng nội năng của khí, phần cịn lại biến thành cơng mà khí sinh ra.
* Cơng của chất khí khi giãn nở:
A = - p(V2 – V1) = - p∆V + Quá trình đẳng nhiệt:
∆U = 0 hay Q = - A = A’
Trong qúa trình đẳng nhiệt tồn bộ nhiệt lượng mà khí nhận được chuyển thành cơng mà khí sinh ra.
Ý nghĩa của nguyên lý I Nhiệt động lực học
Nguyên lý I có một vai trò quan trọng trong việc nhận thức tự nhiên cũng như trong khoa học và kĩ thuật.
Độ tăng hay giảm nội năng của hệ sẽ bằng độ giảm hay tăng năng lượng của hệ khác đang trao đổi năng lượng với hệ. Nếu hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác theo những quá trình khác nhau, nhiệt lượng và công hệ nhận được trong mỗi q trình đó là khác nhau nhưng tổng đại số nhiệt lượng và công mà hệ nhận được trong các quá trình lại như nhau và bằng độ biến thiên nội năng của hệ. Nguyên lý I là sự vận dụng dịnh luật bảo tồn và chuyển hóa năng lượng vào các hiện tượng nhiệt.
Khơng thể có một máy nào làm việc tuần hồn sinh cơng mà lại không nhận thêm năng lượng từ bên ngoài hoặc sinh công lớn hơn năng lượng truyền cho nó.
Nguyên lý I biểu diễn mối quan hệ giữa độ biến thiên nội năng, công và
Những hạn chế của nguyên lý I Nhiệt động lực học: Bản chất của nguyên
lí I chính là định luật bảo tồn và chuyển hóa năng lượng áp dụng cho các hệ nhiệt động. Mọi quy trình vi mơ đều phải tn theo ngun lý I. Ngược lại, một quá trình vĩ mơ phù hợp với ngun lý I vẫn có thể khơng xảy ra trong thực tế. Nguyên lý I không cho biết chiều diễn biến của một quá trình nhiệt động mà trong thực tế, nhiều quá trình chỉ diễn ra theo 1 chiều duy nhất mà thôi. Nguyên lý I cho biết công và và nhiệt là tương đương và có thể chuyển hóa lẫn nhau, nhưng thực tế cơng có thể biến hồn tồn thành nhiệt, nhưng nhiệt khơng thể biến hồn tồn thành cơng. Vì vậy nếu chỉ dựa vào ngun lý I thì rất nhiều vấn đề trong thực tế không giải quyết được.
b) Nguyên lý II của Nhiệt động lực học
Nguyên lý II của NĐLH khắc phục những hạn chế của nguyên lý I và đóng một vai trò rất quan trọng trong việc chế tạo các động cơ nhiệt và máy lạnh.
Phát biểu nguyên lý II
Phát biểu của Clau- đi- út (Clausiut): Nhiệt không thể tự truyền từ một vật
sang vật nóng hơn.
Phát biểu của Các-nơ: Động cơ nhiệt khơng thể chuyển hóa tất cả nhiệt
lượng nhận được thành công cơ học.
Phát biểu của Thomson: Không thể tồn tại trong tự nhiên một q
trình biến đổi hồn tồn nhiệt thành cơng mà khơng để lại dấu vết gì cho mơi trường xung quanh. Hoặc: Không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu.
Các phát biểu trên tương đương với nhau.
Ý nghĩa của nguyên lý II nhiệt động lực học
Nguyên lý II chỉ rõ chiều diễn biến của các quá trình. Khác với nguyên
lý I được thực hiện một cách tuyệt đối, nguyên lý II mang tính thống kê và được thực hiện ở độ chính xác đến các thăng giáng (sai lệch nhỏ).
Nguyên lý II bổ sung cho nguyên lý I và đóng vai trò rất quan trọng
trong việc chế tạo động cơ nhiệt và máy lạnh.
Nguyên lý II của NĐLH khẳng định rằng: “Không thể nào chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai” (động cơ vĩnh cửu loại hai là động cơ biến
đổi hoàn toàn nhiệt lượng nhận được thành công (động cơ nhiệt vĩnh cửu) hoặc truyền nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng mà khơng cần nhận công (máy lạnh vĩnh cửu).
2.3. Xây dựng hệ thống bài tập thực tiễn “Cơ sở của nhiệt động lực học” lớp 10 cơ bản nhằm phát huy năng lực giải quyết vấn đề của học sinh lớp 10 cơ bản nhằm phát huy năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học phổ thông
Qua thực tế giảng dạy ở trường THPT và nghiên cứu các tài liệu, chúng tôi chia bài tập thuộc chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” theo các chủ đề sau đây:
Sơ đồ 2.2. Phân loại bài tập “Cơ sở của nhiệt động lực học”
BÀI TẬP “CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC” ↓
Chủ đề 1 Chủ đề 2 Chủ đề 3 Chủ đề 4
Bài tập áp dụng khái niệm nội năng và sự biến thiên nội năng
Bài tập áp dụng nguyên lý I nhiệt động lực học Bài tập áp dụng nguyên lý II nhiệt động lực học Bài tập áp dụng kiến thức tổng hợp của chương
Vận dụng các nguyên tắc và quy trình xây dựng hệ thống bài tập thực tiễn đã trình bày trong nội dung chương I, chúng tôi xây dựng hệ thống bài tập thực tiễn “Cơ sở của Nhiệt động lực học” gồm 23 bài tập cho 4 chủ đề đã phân chia. Do khuôn khổ của luận văn nên chúng tôi chỉ hướng đẫn giải chi
tiết mỗi chủ đề một số bài tập theo các bước giải đã được trình bày trong chương I để minh họa, các bài tập cịn lại chúng tơi hướng dẫn ở phần phụ lục.
2.3.1. Bài tập áp dụng Chủ đề 1
Bài 1.1. Lấy một đồng tiền xu cọ sát lên mặt bàn ta thấy đồng xu bị
nóng lên. Bỏ đồng xu vào một cốc nước ấm ta cũng thấy đồng xu nóng lên. Hãy giải thích vì sao? Trong trường hợp nào đồng xu đã nhận một nhiệt lượng?
Mục tiêu bài tập:
- Học sinh khắc sâu kiến thức là có hai cách thường gặp để làm biến thiên nội năng của một vật.
- HS vận dụng thơng tin để giải thích vấn đề trong thực tiễn hàng ngày. - HS phát hiện và nhận ra rằng có hai cách thức khác nhau để làm cho nhiệt độ của đồng xu tăng lên. Từ đây HS có thể vận dụng kiến thức để giải thích về sự biến thiên nội năng của vật, đó là:
+ Tác dụng của ngoại lực lên vật làm cho nhiệt độ của vật thay đổi đó là cách thực hiện cơng, tức là có sự chuyển hóa từ dạng năng lượng khác thành nội năng.
+ Truyền nhiệt lượng cho vật cũng làm biến đổi nội năng của vật.
Gợi ý sử dụng bài tập: Có thể sử dụng bài tập này như một bài tập thí
nghiệm để hình thành kiến thức về hai cách làm biến đổi nội năng của một vật.
Bài 1.2. Sau khi pha một cốc sữa
nóng, để sữa nhanh nguội người ta thường đưa vào cốc sữa một cái thìa sạch và đang có nhiệt độ của mơi trường (Hình 2.2). Vì sao lại làm như vậy?
Mục tiêu của bài tập:
- HS nhận ra vấn đề là sau khi đưa cái thìa vào cốc sữa nóng thì nhiệt độ của sữa giảm đi. Đồng thời HS nhận ra rằng nhiệt độ của cái thìa tăng lên. Vì sao lại có hiện tượng đó?
- HS vận dụng kiến thức về sự trao đổi nhiệt để giải tích hiện tượng: + Thứ nhất là, cái thìa được dùng để đảo cho sữa tan đều trong nước nóng (khơng phải là vấn đề chính);
+ Thứ hai là, thìa thép có nhiệt dung riêng lớn, khi đưa chiếc thìa vào trong cốc sữa nóng, nó sẽ thu nhiệt làm cho thìa nóng lên đồng thời khi đó cốc sữa nóng tỏa nhiệt lượng làm cho sữa nguội đi.
Gợi ý sử dụng bài tập: Bài tập sử dụng để minh họa sau khi hình thành
kiến thức các cách làm thay đổi nội năng bằng quá trình truyền nhiệt.
Bài 1.3. Một cốc thủy tinh có khối lượng 120g chứa 150g nước ở nhiệt
đô ̣ 90°C. Người ta thả vào cốc nước một thìa Inox có khối lượng 80g ở nhiêṭ đô ̣ 160 C. Xác định nhiệt độ của nước trong cốc khi có sự cân bằng nhiệt. Biết nhiêṭ dung riêng của thủy tinh là 840 J/Kg.K, của Inox là 500 J/Kg.K và của nước là 4,18.103. J/Kg.K.
Hướng dẫn:
Gọi t là nhiệt độ lúc cân bằng.
Nhiệt lượng do thủy tinh tỏa ra là là:
Q1= m1 c1 (t1 – t). Nhiệt lượng do nước tỏa ra là:
Q2= m2 c2 (t2 – t ). Nhiệt lượng do thìa Inox thu vào là:
Q3= m3 c3 (t- t3). Theo phương trình cân bằng nhiệt:
Q3= Q1 + Q2.
Vậy: 1 1 1 2 2 2 3 3 3 1 1 2 2 3 3 m c t m c t m c t t m c m c m c = 860C
Bài 1.4. Khi dùng bơm tay để
bơm xe đạp, ta cảm nhận thấy thân chiếc bơm bị nóng lên và nó nóng lên càng nhanh khi lốp xe đã gần căng hơi. Tại sao?
Hình 2.3. Hình ảnh minh hoa cho
nội dung bài 1.4.
Mục tiêu của bài tập:
- HS phát hiện ra là khi thực hiện cơng lên chất khí, nhưng thân của bơm lại bị nóng lên. Vậy giữa lực tác dụng lên piton của bơm và sự tăng nhiệt độ của thân bơm có mối liên hệ với nhau không?
- Từ vấn đề đặt ra ở trên, HS tìm được mối liên hệ:
+ Khi thực hiện cơng để nén khí chứa trong bơm, nội năng của khí tăng lên, làm cho nhiệt độ của chất khí tăng lên. Sự chênh lệch nhiệt độ làm cho nhiệt lượng được truyền một phần từ khí sang thân bơm, phần nội năng chính sinh cơng làm cho khí qua đường dẫn đi vào trong săm của bánh xe.
+ Khi lốp xe đạp đã gần căng, do áp suất hơi ở trong lốp lớn vì vậy ta phải truyền cho pitton những lực lớn hơn, độ biến thiên nội năng của khí nén lớn. Nội năng của khí sinh cơng để khí lọt vào trong lốp xe với tốc độ chậm hơn, vì vậy nội năng chuyển thành nhiệt lượng chuyền qua thân bơm lớn hơn, do đó nhiệt độ của thân bơm tăng lên cao hơn.
Gợi ý sử dụng bài tập: Bài tập này có thể được sử dụng để làm bài tập
Bài 1.5. Khi đang đóng đinh
vào gỗ, mũ đinh có nóng lên nhưng rất ít. Khi đinh đã đóng chắc vào gỗ rồi (không lún thêm nữa), chỉ cần đóng thêm vào vài nhát búa là mũ đinh nóng lên rất nhiều. Hãy giải thích?
Hình 2.4. Hình minh họa cho
nội dung bài 1.5.
Mục tiêu của bài tập:
- HS phát hiện ra vấn đề cần được giải thích là khi búa đập vào mũ đinh sẽ làm cho đinh nóng lên, gỗ càng chắc, đinh càng nóng.
- Bài tập cho thấy công do búa thực hiện được biến thành động năng của đinh và nội năng của đinh và búa. Nhưng khi đinh đã được đóng chặt vào gỗ, công thực hiện của búa chủ yếu chuyển thành nội năng của đinh và búa do đó làm cho đinh nóng lên nhanh hơn.
Gợi ý sử dụng bài tập:
+ Bài tập này có thể vận dụng để củng cố kiến thức về hai cách làm thay đổi nội năng.
+ Bài tập này cũng có thể sử dụng làm bài tập đặt vấn đề để HS tìm hiểu Ngun lí I của nhiệt động lực học.
Bài 1.6. Tại sao kim loại và gỗ cũng ở nhiệt độ bằng nhau và thấp hơn
370 C (nhiệt độ bình thường của cơ thể người) nhưng khi ta đặt tay lên sẽ cảm thấy kim loại lạnh hơn gỗ. Ngược lại nếu chúng cũng cùng nhiệt độ nhưng cao hơn 370 C thì ta cảm thấy kim loại nóng hơn gỗ?
- HS vận dụng kiến thức về sự truyền nhiệt lượng để giải thích các hiện tượng thường gặp trong cuộc sống. Thông qua bài tập nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh.
- Kiến thức cần vận dụng về tính chất dẫn nhiệt của các vật, về nhiệt dung riêng để giải thích hiện tượng. Cụ thể là:
Việc cảm thấy nóng hay lạnh khi tay ta tiếp xúc với bất cứ vật nào là tùy thuộc vào nhiệt lượng mà vật đó trao đổi với tay trong một đơn vị thời gian. Độ dẫn nhiệt của kim loại tốt hơn độ dẫn nhiệt của gỗ. Vì vậy khi nhiệt độ của chúng thấp thì nhiệt lượng truyền từ tay ta sang các vật. Trong một đơn vị thời gian kim loại nhận nhiệt từ tay nhiều hơn gỗ, do đó ta cảm thấy kim loại lạnh hơn. Giải thích tương tự với trường hợp ngược lại.
Gợi ý sử dụng bài tập: Bài tập được sử dụng trong phần vận dụng kiến
thức bài nội năng và sự biến thiên nội năng.
Bài 1.7. Một thùng bằng gỗ chứa 20 kg nước ở 100 C, phải pha thêm