6. Phương pháp nghiên cứu
2.1. Phân tích nội dung kiến thức phần Nhiệt học – Vật lí 10
Thuyết động học phân tử chất khí
- Chất khí được cấu tạo từ các 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 khí va chạm vào nhau và va chạm vào thành bình. Mỗi phân tử va chạm vào thành bình tác dụng lên thành bình một lực khơng đáng kể, nhưng vơ sớ phân tử khí va chạm vào thành bình tác dụng lên thành bình một lực đáng kể. Lực này gây áp suất của chất khí lên thành bình.
Q trình đẳng nhiệt. Định luật Boyle – Mariotte
- Trạng thái và quá trình biến đổi trạng thái:
+ Trạng thái của một lượng khí được biểu diễn bằng các thơng sớ trạng thái: áp suất p, thể tích V và nhiệt độ tuyệt đới T.
+ Lượng khí có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác bằng các quá trình biến đổi trạng thái (gọi tắt là quá trình).
- Quá trình đẳng nhiệt:
+ Là q trình biến đổi trạng thái mà trong đó nhiệt độ khơng thay đổi.
- Định luật Boyle – Mariotte
+ Phát biểu: Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích.
+ Biểu thức: pV = hằng số. + Hệ quả:
● Gọi p1, V1 là áp suất và thể tích của chất khí ở trạng thái 1. ● p2, V2 là áp suất và thể tích của chất khí ở trạng thái 2.
Trong q trình đẳng nhiệt, ta có: p1V1 = p2V2
- Đường đẳng nhiệt:
+ Khái niệm: Đường đẳng nhiệt là đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo thể tích khi nhiệt độ khơng đổi.
+ Đờ thị đường đẳng nhiệt:
Q trình đẳng tích. Định luật Charles
- Q trình đẳng tích: Q trình biến đổi trạng thái khi thể tích khơng đổi gọi là
q trình đẳng tích.
- Định luật Charles:
+ Phát biểu: Trong q trình đẳng tích của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.
+ Biểu thức: 𝑝
𝑇 = hằng số. + Hệ quả:
● Gọi p1, T1 là áp suất và nhiệt độ của chất khí ở trạng thái 1 ● p2, T2 là áp suất và nhiệt độ của chất khí ở trạng thái 2 Trong q trình đẳng tích, ta có: 𝑝1 𝑇1 = 𝑝2 𝑇2 - Đường đẳng tích:
+ Khái niệm: Đường đẳng tích là đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo nhiệt độ khi thể tích khơng đổi.
+ Đờ thị đường đẳng tích:
Phương trình trạng thái khí lí tưởng – Định luật Gay-lussac
- Khí thực và khí lí tưởng:
+ Khí lí tưởng
Khái niệm: Chất khí trong đó các phân tử được coi là các chất điểm và chỉ tương tác khi va chạm được gọi là khí lí tưởng.
Đặc điểm của khí lí tưởng:
Kích thước các phân tử khơng đáng kể, có thể bỏ qua.
Khi chưa va chạm với nhau thì lực tương tác giữa các phân tử rất yếu có thể bỏ qua.
Các phân tử chuyển động hỗn loạn, chỉ tương tác khi va chạm với nhau và va chạm với thành bình.
Là khí tuân theo đúng các định luật về chất khí đã học.
+ Khí thực (chất khí tờn tại trong thực tế): chỉ tuân theo gần đúng các định luật Boyle - Mariotte và Charles. Giá trị của tích p.V và thương 𝑝
𝑇 thay đổi theo bản chất, nhiệt độ và áp suất của chất khí.
+ Trong điều kiện áp suất và nhiệt độ không lớn lắm và khơng địi hỏi độ chính xác cao, có thể xem khí thực là khí lí tưởng.
- Phương trình trạng thái khí lí tưởng: Xét một lượng khí nhất định.
Gọi:
+ p1, V1, T1 là áp suất, thể tích và nhiệt độ tuyệt đới của lượng khí ở trạng thái 1. + p2, V2, T2 là áp suất, thể tích và nhiệt độ tuyệt đới của lượng khí ở trạng thái 2.
Khi đó ta có: Phương trình trạng thái của khí lí tưởng: 𝑝1𝑉1
𝑇1 = 𝑝2𝑉2 𝑇2 => 𝑝𝑉
𝑇 = hằng sớ.
- Q trình đẳng áp: Q trình biến đổi trạng thái khi áp suất khơng đổi gọi là quá
trình đẳng áp.
- Định luật Gay – lussac:
+ Phát biểu: Trong q trình đẳng áp của một lượng khí nhất định, thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.
+ Biểu thức: 𝑉
𝑇 = hằng số. => 𝑉1 𝑇1 = 𝑉2
𝑇2
- Đường đẳng áp:
+ Khái niệm: Đường đẳng áp là đường biểu diễn sự biến thiên của thể tích theo nhiệt độ khi áp suất không đổi.
+ Đồ thị đường đẳng áp:
Nội năng và sự biến thiên nội năng
- Nội năng và sự biến thiên nội năng: Trong nhiệt động lực học, nội năng của một
vật là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật. Nội năng của một vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật.
- Cách làm thay đổi nội năng: +Thực hiện công:
Ta cọ xát một miếng kim loại lên mặt bàn. Sau một thời gian, ta thấy miếng kim loại nóng lên. Nội năng lại phụ thuộc vào nhiệt độ của vật, nhiệt độ vật tăng lên, điều đó chứng tỏ nội năng của miếng kim loại đã tăng lên do thực hiện công.
Ta ấn xuống mạnh và nhanh pittong của xi lanh chứa khí, thì thể tích khí trong xi lanh giảm x́ng đờng thời nhiệt độ khí cũng tăng lên. Nội năng lại phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ khí trong xi lanh tăng lên điều đó chứng tỏ nội năng của khí đã thay đổi do thực hiện cơng. Trong q trình thực hiện cơng có sự chuyển hóa từ một dạng năng lượng khác sang nội năng. Ở 2 ví dụ này, cơng chuyển hóa thành nội năng.
+ Truyền nhiệt:
Ta bỏ miếng kim loại vào một bình chứa nước nóng. Khi đó nhiệt độ của miếng kim loại tăng lên dẫn đến nội năng của vật thay đổi.
Ta có một xi lanh chứa đầy khơng khí được bịt kín bởi một pittong. Đem xi lanh đặt trên một ngọn đèn cờn thì nhiệt độ của khới khí bên trong tăng lên dẫn đến nội năng thay đổi. Quá trình làm thay đổi nội năng mà khơng có sự thực hiện cơng lên vật như vậy gọi là q trình truyền nhiệt. Trong q trình truyền nhiệt khơng có sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác, chỉ có truyền nội năng từ vật này sang vật khác, phần nội năng mà vật tăng thêm hay mất đi gọi là nhiệt lượng (còn gọi tắt là nhiệt).
Các nguyên lí của nhiệt động lực học
- Nguyên lí I nhiệt động lực học: “Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng công
và nhiệt lượng mà hệ nhận được”.
∆U=A
Để hệ có thể thực hiện cơng thì cần phải cung cấp cho nó một nhiệt lượng từ bên ngoài làm thay đổi nội năng của hệ. Vậy ḿn động cơ hoạt động thì cần phải cung cấp nhiệt lượng cho nó.
∆U = A + Q
- Nguyên lí II nhiệt động lực học:
∆ Cách phát biểu của Rudolf clausius: “Nhiệt khơng thể tự truyền từ một vật sang vật nóng hơn”.
∆ Cách phát biểu của Sadi Carnot: “Động cơ nhiệt khơng thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học”
Trong thực tế, các động cơ nhiệt khơng sử dụng tồn bộ các nhiệt lượng mà nó nhận được biến thành cơng cơ học mà bao giờ cũng truyền cho nguồn nhiệt thứ hai một phần nhiệt lượng mà nó đã nhận được từ ng̀n thứ nhất.
- Cấu tạo của động cơ nhiệt:
+ Ng̀n nóng cung cấp nhiệt lượng Q1.
+ Bộ phận phát động bao gồm tác nhân là vật trung gian, nhận nhiệt lượng từ ng̀n nóng để sinh cơng. Ngồi ra, cịn có các thiết bị phát động.
Nhiệt lượng do ng̀n nóng truyền cho tác nhân khơng hồn tồn chuyển hóa thành cơng mà được ng̀n lạnh hấp thu.
Sơ đồ 2.1: Ngun lí hoạt động của động cơ