Ngọn lửa trong môi trường hấp dẫn bình thường
Lẽ thường, quá trình cháy tạo ra khí CO2 và hơi nước, đều là những chất không có khả năng duy trì sự cháy. Những chất này sẽ bao bọc lấy ngọn lửa, ngăn không cho nó tiếp xúc với không khí. Như vậy, ngọn lửa phải tắt ngay
từ lúc nó mới bắt đầu hình thành chứ?
Nhưng tại sao việc đó lại không xảy ra? Tại sao khi dự trữ nhiên liệu chưa cháy hết thì quá trình cháy vẫn kéo dài không ngừng? Nguyên nhân duy nhất là, chất khí sau khi nóng lên thì sẽ nở ra và trở nên nhẹ hơn. Chính vì thế, các sản phẩm nóng của sự cháy không ở lại nơi chúng được hình thành (nơi trực tiếp gần ngọn lửa), mà bị không khí
mới lạnh hơn và nặng hơn, đẩy lên phía trên một cách nhanh chóng.
Ở đây, nếu như định luật Acsimet không được áp dụng cho chất khí (hoặc, nếu như không có trọng lực), thì bất kỳ ngọn lửa nào cũng chỉ cháy được trong chốc lát rồi sẽ tự tắt ngay. Còn trong môi trường hấp dẫn yếu, ngọn lửa sẽ có hình thù rất kỳ quặc.
Chúng ta dễ dàng thấy rõ tác dụng tai hại của những sản phẩm cháy đối với ngọn lửa. Chính bạn cũng thường vô tình lợi dụng nó để làm tắt ngọn lửa trong đèn. Bạn
thường thổi tắt ngọn đèn dầu hỏa như thế nào? Bạn thổi từ phía trên xuống, tức là đã dồn xuống dưới, về phía ngọn lửa, những sản phẩm không cháy được (do sự cháy sinh ra), và ngọn lửa tắt vì không có đủ không khí.
2. Phép màu đã được tạo ra như thế nào ?
Nhà cơ học cổ hi lạp Hê rông, người Alecxanddowri, người phát minh ra vòi nước mang tên ông, đã chỉ cho chúng ta hai phương pháp kĩ xão mà các giáo sĩ Ai Cập dùng để lừa bịp nhân dân, làm cho họ tin vào những phép màu. Trên hình, bạn nhìn thấy một cái bàn thờ rỗng bằng kim loại; dưới bàn
thờ này, người ta đặt ngầm ở dưới một hệ thống làm chuyển động cánh cửa bàn thờ.
Bàn thờ thì đặt ở ngoài cửa. Khi đốt lửa, không khí ở dưới bàn thờ nóng lên ép mạnh vào nước đặt trong một cái bình đặt ngầm ở dưới nền
gạch; nước trong bình từ một cái ống chảy vào một cái thùng, thùng này nặng liền hạ xuống, làm cho chuyển động hệ thống mở tung cánh cửa
Những người đứng xem chẳng ai ngờ rằng ngầm ở dưới đất có một hệ thống bố trí đặc biệt, họ hết sức ngạc nhiên về một phép màu; chỉ cần nhóm lửa trên bàn thờ là của đền nghe theo lời khấn hứa của các giáo sĩ mở ra.
Sau khi đốt lửa trên bàn thờ, không khí nở ra và ép vào dầu trong cái thùng đặt ở dưới, làm cho dầu này dồn vào trong ống ngầm đặt ở trong mình hai pho tượng và thế là dầu tự động rót vào lửa... Nhưng chỉ
cần viên giáo sĩ trông coi bàn thờ ấy mở cái nút đậy trên thùng dầu là dầu tự nhiên sẽ không chảy ra nữa (bởi vì không khí thừa từ đó đi ra ngoài) các giáo sĩ thường dùng những thủ đoạn này khi gặp các thiện nam tín nữ quá keo kiệt
Nhận xét:
- Trạng thái khí lý tưởng trong thực tế có nhiều liên hệ với lực cơ học. Các bài tập định tính và câu hỏi thực tế rất quan trọng giúp học sinh nhận dạng các bài toán đã đề cập trong đề tài và cũng nhờ đó mà khi gặp các bài toán khó học sinh sẽ nhanh chóng nhìn ra dạng và có định hướng giải.
- Việc nhìn nhận được sự có mặt của các dạng toán trong cuộc sống và kỹ thuật sẽ giúp học sinh thích thú hơn khi chiếm lĩnh kiến thức mới và giảm tải áp lực trong quá trình nghiên cứu giải các bài tập khó.
- Các bài tập định lượng đưa ra trong đề tài cũng giúp sáng tỏ hơn các vấn đề thực tiễn liên quan.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Hệ thống các bài tập và phương pháp giải các bài toán và câu hỏi thực tế sử dụng phối hợp phương trình trạng thái của khí lý tưởng và các lực cơ học tôi đã đưa ra trên đây đã phần nào đem lại cho học sinh có cách nhìn tổng quát hơn về các dạng bài
lý tưởng và các lực cơ học. Bằng thực tế giảng dạy, khi đưa các bàì tập này cho học sinh rèn luyện đã thu được kết quả khả quan, hầu như các dạng bài này học sinh đều biết vận dụng, giải thích.
Đề tài này đã được vận dụng thành công ở trường THPT nơi tôi công tác, có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các giáo viên vật lí cũng như các em học sinh tham gia bồi dưỡng học sinh giỏi cấp tỉnh và học sinh lớp 10 khi học phần nhiệt học.
Với thời gian hạn chế, năng lực của bản thân có hạn hơn nữa đây là một vấn đề khó đối với học sinh THPT nên chắc không tránh khỏi những thiếu sót, mong được sự góp ý của các đồng nghiệp và các bạn để đề tài hoàn chỉnh hơn.
PHỤ LỤC 1: BÀI TẬP TỰ NGHIÊN CỨU Bài 1. Một xilanh có pittông nằm ngang như hình vẽ. pittông tiết diện S=50xi lanh chứa 500cm3 khối không khí.
3V0
V0V0
3V0
L O a. Tìm áp suất không khí bên trong xilanh khi pittông đứng yên b. Kéo pittông sang phải một đoạn 2cm. Tìm lực cần thiết để giữ pittông ở vị trí này. Biết áp suất khí quyển là
Bài 2. Một pittông nặng đứng cân bằng trong một xilanh. Khối khí ở trên và ở dưới có nhiệt độ bằng nhau. Thể tích khí ở phần trên lớn
gấp 3 lần thể tích khí ở phần dưới. Hỏi thể tích các khí này sẽ thay đổi như thế nào nếu nhiệt độ các phần tăng lên hai lần.
Bài 3. Trong xilanh đặt thẳng đứng có chứa một lượng khí, đậy phía trên là một pittông khối lượng m=1kg, diện tích S=10cm2. Pittông được giữ bằng lò xo L nhẹ, dài, độ cứng k=100N/m, đầu trên của lò xo có thể móc vào một trong những cái đinh cố định có độ cao khác nhau như hình vẽ. Ban đầu, khí trong xilanh có thể tích 0,5 lít và nhiệt độ 27. Lò xo móc vào điểm O, đang bị nén một đoạn 10 cm. Nung nóng khí trong xilanh lên đến nhiệt độ 227.
a. Để vị trí pittông trong xilanh không đổi, cần móc đầu trên của lò xo vào điểm M cách O một đoạn bao nhiêu? Về phía nào?
b. Để pittông nằm ở vị trí phía trên và cách vị trí ban đầu của nó một đoạn 50 cm, phải móc đầu trên của lò xo vào điểm N cách O một đoạn bao nhiêu? Về phía nào?
Biết áp suất khí quyển p0=105N/m2. Lấy g=10m/s2.
S2 S1
H l0
Bài 4. Trong một ống được giữ chặt nằm ngang, có 2 pittông gắn chặt với nhau bằng một thanh cứng và có thể di chuyển không ma sát trong ống. Diện tích pittông lần lượt là S1=15cm2 và S2=30cm2. Pittông nhỏ nối vào một điểm cố định O qua lò xo nằm ngang, có độ cứng k = 200N/m. Ở giữa hai pittông kín có chứa khí, ban đầu nhiệt độ và áp suất của chất khí giữa hai pittông và bên ngoài như nhau, đều bằng 270C và 105N/m2, lò xo chưa biến dạng. Sau đó, chất khí giữa các pittông được nung nóng thêm 600C. Hỏi phải di chuyển điểm O một đoạn bằng bao nhiêu theo chiều nào để vị trí các pittông trong ống không thay đổi?
b. Bình ở vị trí câu (1). Nhiệt độ của không khí bằng bao nhiêu thì không còn chênh lệch nói trên nữa? Áp suất khí quyển p0 = 9,4.104Pa, lấy g = 10m/s2.
Bài 5. Một khí cầu có thể tích V = 336m3 và khối lượng vỏ m = 84 kg được bơm không khí nóng đến áp suất bằng áp suất không khí bên ngoài. Hỏi nhiệt độ của không khí trong khí cầu ít nhất phải bằng bao nhiêu để nó có thể bay lên được ? Không khí bờn ngoài cú nhiệt độ 270C, ỏp suất bằng 1at; àkhụng khớ = 29g/mol.
Bài 6. Một bình hình trụ cao l0= 20cm chứa không khí ở nhiệt độ . Người ta lộn ngược bình và nhúng vào chất lỏng có khối lượng riêng cho đáy
ngang với mặt thoỏng chất lỏng. Khụng khớ bị nộn chiếm ẵ bình.
He H2
l1 l2
V a
h P
A B
C
K a. Nâng bình cao thêm một khoảng l1=12cm thì mực chất lỏng trong bình chênh lêch bao nhiêu so với mặt thoáng ở ngoài?
b. Bình ở vị trí câu (a). Nhiệt độ của không khí bằng bao nhiêu thì không còn chênh lệch nói trên nữa? Áp suất khí quyển
Bài 7. Một bình hình trụ đặt nằm ngang được ngăn làm hai phần nhờ một pittông cách nhiệt có độ dày không đáng kể, có thể chuyển động không
ma sát trong bình như hình vẽ. Ngăn 1 chứa khí He ở nhiệt độ 270C, ngăn 2 chứa khí H2. Biết khối lượng khí ở hai ngăn bằng nhau. Chiều dài các ngăn chứa k hí tương ứng là l1 = 10 cm; l2 = 24 cm. Tính nhiệt độ của khí H2.
Bài 8. Một hình lập phương, cạnh a = 1m, chứa không khí với áp suất khí quyển p0=105 N/m2 và được gắn đôi bằng một pittông mỏng P. Qua vòi nước V ở nửa bên trái, ta giữ pittông và cho nước vào ngăn trái đến mực . Hỏi khi pittông không bị giữ thì nó dịch chuyển một đoạn bao nhiêu? Bỏ qua ma sát giữa pittông và thành ở điều kiện đẳng nhiệt. Biết g=10m/s2, khối lượng riêng của nước D=103kg/m3
Bài 9. Có một xi lanh (Hình vẽ), trong xilanh có một pittông có thể chuyển động không ma sát đồng thời chia xilanh thành 2 phần bằng A và B. Phía
dưới xilanh nối với phần C thông qua một ống nhỏ có khóa K điều khiển. Pittông được nối với thành trên của xilanh bằng một lò xo, khi pittông nằm sát thành dưới của xilanh thì lò xo không biến dạng. Lúc đầu khóa K đóng, trong B có chứa một lượng khí nhất định, trong A và C là chân không, bề cao của phần B là l1=0,1 (m)
thể tích của B và C bằng nhau và lực của lò xo tác dụng lên pittông bằng trọng lượng của pittoong. Sau đó mở khóa K và đồng thời lật ngược hệ lại. Tính chiều cao l2 của phần B khi pttong cân bằng.
Bài 10. Một pittông chuyển động không ma sát trong một xilanh thẳng đứng. Phía trên và phía dưới pittông có hai khối lượng bằng nhau của cùng một mol khí lí tưởng. Toàn thể xi lanh có nhiệt T. Khi đó, tỉ số các thể tích của hai khối khí là Tính tỉ số này khi
l1
V1
V2
h hA B
A
nhiệt độ xilanh có giá trị nhiệt độT’>T. Bỏ qua sự giản nở vì nhiệt của pittông và xilanh.
Bài 11: Trong một bình kim loại trụ tròn có 2 pittông có thể chuyển động không ma sat dọc theo thành bình. Pittông có khối lượng không đáng kể. Tiết diện của một pittông là S=10-3m2. Hai pittông chia thành 2 ngăn A và B như hình vẽ.
Hai ngăn A, B chưa cùng một loại khí lí tưởng ở cùng nhiệt độ. Ở trạng thái cân bằng ở độ cao mỗi ngăn tương ứng là ha=10cm, hb=20cm. Tác dụng lên
pittông a một lực làm nó chuyển động đi lên (hình vẽ). Khi pittông a di chuyển được một đoạn thì hai pittông a và b trở lại trạng thái cân bằng. Nhiệt độ khí trong các ngăn A và B không đổi, áp suất khí quyển p0=105Pa.
Tìm độ lớn của lực và độ dịch chuyển của pittông b.
PHỤ LỤC II: HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
HỆ THỐNG BÀI TẬP SỬ DỤNG PHỐI HỢP PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI, NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CÁC LỰC CƠ HỌC.
Phương pháp giải chung:
- Theo trình tự các bước như các bài toán đã nêu ra trong đề tài.
- Nếu thiếu phương trình so với ẩn số (đề bài cho khuyết 1 số đại lượng: Độ cứng của lò xo; khối lượng, tiết diện pittông...) và cho thêm công thức tính nội năng (đối với khí đơn nguyên tử, lưỡng nguyên tử...), thì cần viết thêm nguyên lý I NĐLH để giải bài toán.
- Có thể phát triển đề tài cho học sinh lớp 12 bằng cách cho xi lanh hoặc pittông dao động điều hòa.
Bài toán: Có lực tác dụng làm thay đổi các thông số trạng thái của khí.
Dạng 1: Phương trình trạng thái, nguyên lý I nhiệt động lực học và lực đàn hồi.
A B
p2 k
T2
Ví dụ 1 : Một xilanh nằm ngang, bên trong có một pittông ngăn xilanh thành hai phần:
Phần bên trái chứa khí lí tưởng đơn nguyên tử, phần bên phải là chân không. Hai lò xo k1, k2 gắn vào hai pittông và đáy xilanh như hình vẽ.
Lúc đầu pittông được giữ ở cả hai vị trí mà lò xo chưa biến dạng, trạng thái khí lúc đó là (p1,V1, T1). Giải
phóng pittông thì khi pittông ở vị trí cân bằng trạng thái khí(p2, V2, T2) với V2=3V1. Bỏ qua các lực ma sát. Xilanh, pittông, các lò xo đều cách nhiệt.
Giải:
Khi pittông ở vị trí cân bằng, độ biến dạng mỗi lò xo là x:
Bài tập 1: Trong một xilanh đặt nằm ngang, phía trên trái của pittông được giữ chặt có chứa 1 mol khí lí tưởng lưỡng nguyên tử có áp suất p0 ,
nhiệt độ T1. Phần bên phải của xilanh là chân không, lò xo nằm giữa pittông và thành xilanh thì ở trạng thái không
biến dạng. Khi thả tự do pittông, thể tích do chất khí chiếm tăng lên gấp đôi. Tìm nhiệt độ T2 và áp suất p2 của chất khí lúc này. Biết xilanh cách nhiệt với môi trường xung quanh. Xilanh, pittông và lò xo có nhiệt dung nhỏ có thể bỏ qua.
Dạng 2: Phương trình trạng thái, nguyên lý I nhiệt động lực học và trọng lực Ví dụ 2: Một xilanh thẳng đứng tiết diện 100cm2 chứa khí ở 27, đậy bởi pittông nhẹ cách đáy 60cm. Trên pittông có đặt một vật khối lượng 100kg. Đốt khí thêm 50 .Tính công do khí thực hiện. Cho áp suất khí quyển 1,01.N/m2; g = 9, 8m/s2
Giải:
Khí tác dụng lực lên pitong làm pittông dịch chuyển lên phía trên và khí thực hiên
lực của vật và áp lực khí quyển ), suy ra áp suất khí trong xilanh vẫn luôn không đổi vẫn là p1. Áp suất này bằng tổng áp suất của p0 của khí quyển và áp suất p’do pittông và vật gây ra cho khí. Quá trình nung nóng khí trong khi lanh là đẳng áp.
Gọi: m là khối lượng của vật; S là tiết diện của xilanh; p1,T1và V1 là áp suất nhiệt độ và thể tích ban đầu của khí trong xilanh; p1,T2 và V2 là áp suất, nhiệt độ và thể tích ban cuối của khí trong xilanh; p0 là áp suất khí quyển
Áp dụng định luật Gay –luytxac cho quá trình đẳng áp:
Công do khí thực hiện (đẳng áp) Mặ khác, ta có :
Bài tập 2: Một pittông nặng có diện tích S khi thả xuống tự do đẩy khí từ một bình hình trụ thể tích V qua một lỗ nhỏ ở đáy vào một bình có cùng thể tích. Các thông số ban đầu của khí trong cả hai bình đều như nhau và đều bằng các giá trị ở điều kiện tiêu chuẩn. Hỏi pittông có khối lượng cực tiểu bằng bao nhiêu để nó có thể đẩy hết khí thoát ra khỏi bình thứ nhất
Bài toán 2: Thay đổi nội năng của khí (thay đổi các thông số trạng thái của khí) gây ra lực tác dụng.
Dạng 1: Phương trình trạng thái khí lí tưởng, nguyên lý I NĐLH và lực đàn hồi.
Ví dụ 3: Trong một xilanh hình trụ dài đặt thẳng đứng có một pittông khối lượng m, pittông được treo bằng một sợi chỉ mảnh và cách đáy xilanh một đoạn.
Pittông và xilanh đều cách nhiệt. Phía dưới pittông có 1 mol khí lí tưởng ở áp suất suất khí quyển p0 và nhiệt độ T0. Hỏi phải cung cấp cho khí một nhiệt lượng bao nhiêu để nâng pittông đến vị trí cách đáy ở khoảng 2h. Biết nội năng của một mol khí U = CT (C là hằng số), gia tốc rơi tự do là g. Bỏ qua mọi ma sát.
Giải:
h
h h
B A Bài tập 3: Một pittông khối lượng m, giảm một mol khí lí tưởng trong
xilanh như hình vẽ. Pittông và xy-lanh đều không giãn nở vì nhiệt.
Pittông được treo bằng sợi dây mảnh nhẹ. Ban đầu khoảng cách pittông đến đáy là xilanh là h. Khí trong xilanh ban đầu có áp suất bằng áp suất khí quyển p0, nhiệt độ là T0.Tìm biểu thức của nhiệt lượng cần phải cung cấp cho khí để nâng pittông đi lên rất chậm tới vị
trí đáy một khoảng 2h. Cho biết nội năng của một mol khí là U = CT(C là hằng số), gia tốc trọng trường là. Bỏ qua mọi ma sát.
Dạng 2: Phương trình trạng thái khí lí tưởng, nguyên lý I NĐLH và lực ma sát Ví dụ 4: Trong một hình trụ thẳng đứng thành xung quanh cách nhiệt
có 2 pittông: A nhẹ và dẫn nhiệt; B nặng và cách nhiệt. Hai pittông tạo thành hai ngăn như hình vẽ mỗi ngăn có chiều cao h=0,5m chứa một mol khí lí tưởng. Ban đầu hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt, làm cho khí trong bình nóng lên thật chậm bằng cách truyền cho khí nhiệt lượng qua đáy dưới một nhiệt lượng 100J. Pittông A ma sát với thành bình và không chuyển động, pittông B chuyển động không ma sát với thành bình. Tính lực ma sát lên pittông A.
Giải
Ban đầu khí trong ngăn có Sau khi truyền nhiệt cho khí:
l0
X0 V1
0 x
h x
Fđh F
Bài toán 3: Bài toán tổng hợp
Ví dụ 5: Một xi lanh cách nhiệt kín hai đầu đặt nằm ngang, bên trong có một pittông khối lượng M, diện tích S, bề dày không đáng kể. Bên trái pittông chứa một mol khí hydrô, bên phải là chân không. Lò xo nhẹ một đầu gắn với pittông, đầu
kia gắn vào thành của xi lanh Lúc đầu giữ pitông để lò xo có chiều dài tự nhiên, khí hydrô có thể tích V1, áp suất p1, nhiệtđộ T1. Thả cho pittông chuyển động tự do và sau một thời gian nó dừng lại, lúc này thể tích của khí hyđrô là V2 =2V1. Bỏ qua ma sát giữa pittông và thành xi lanh.
a. Xác định nhiệt độ T2 và áp suất p2 lúc này. Bỏ qua nhiệt dung riêng của xi lanh và pittông.
b. Giả sử pittông không dừng lại ngay mà dao động quanh vị trí cân bằng. Tính chu kỳ dao động nhỏ của pittông.
Giải
a. Trạng thái khí ban đầu khi pittông bắt đầu CĐ: V1, p1,T1
Trạng thái khí khi pittông dừng lại: V2 = 2V1, p2, T2
Do xi lanh cách nhiệt : Q = A+ ΔU = 0 (1)
Trong đó 2 ( )
. 5 2 5
1
2 T
T R T R
U = ∆ = −
∆ (2)
VTCB, lò xo bị nén một đoạn X0 = h/2 . lực đàn hồi tác dụng lên pittông: F1=k.X0 Áp lực của khí trong xi lanh tác dụng lên pittông: F2 = p2 .S
Phương trình trạng thái cho một mol khí hydrô: p2V2 = R.T2
Với V2 = 2V1 = 2S.X0 Suy ra 0
2 2
2
2 2X
T . S R V
T .
F = R =
Pittông đứng yên : F1= F2 ⇔ k.X0 = R2X.T02 Công khí thực hiện lên pittông bằng công của Fđh (AFdh=A)
⇒ 4 A
T . kX R
2
1 2 2
0 = =
(3). Thay (2) ,(3) vào (1) được: T2 = 10
11 T1 Phương trình cho 2 trạng thái : p1.V1 = R.T1 và p2.V2 = p2.2V1 = RT2 ⇒