Nội dung và phương pháp giảng dạy Nhiệt học

1
Phân tích nội dung và phương pháp giảng dạy
Nhiệt học
2
I. Caùc nguyeân taéc, ñaëc ñieåm vaø caáu truùc cuûa chöông trình:
1. Nhöõng nguyeân taéc vaät lyù vaø sö phaïm cuûa vieäc nghieân cöùu vaät lyù phaân töû vaø nhieät hoïc
Vieäc chuyeån töø nghieân cöùu cô hoïc sang nghieân cöùu vaät lyù phaân töû vaø nhieät hoïc laø moät giai ñoaïn môùi coù tính chaát nguyeân taéc trong hoaït ñoäng nhaän thöùc, trong söï hình thaønh vaø phaùt trieån theá giôùi quan vaät lyù, theá giôùi quan khoa hoïc cuûa HS.
Chaát löôïng môùi cuûa caùc hieän töôïng nhieät so vôùi caùc hieän töôïng cô hoïc ñöôïc giaûi thích baèng 2 söï kieän: Caáu truùc giaùn ñoaïn cuûa chaát vaø soá lôùn caùc haït töông taùc ( Phaân töû, nguyeân töû, ion).
Vieäc giaûi thích caùc hieän töôïng nhieät ñoøi hoûi phaûi ñöa ra nhöõng khaùi nieäm vaät lyù môùi: nhieät ñoä, noäi naêng, caân baèng nhieät, tính coù höôùng cuûa caùc chuyeån ñoäng nhieät vaø ñònh luaät baûo toaøn vaø chuyeån hoaù naêng löôïng.
3
Giáo trình vật lý ở bậc THPT được đặc trưng bởi 3 đặc điểm nổi bật:
+ Sự bao quát rộng hơn của các khái niệm và các hiện tượng khoa học được đưa ra trong mối liên hệ logic, chặt chẽ.
+ Sự mô tả định lượng các khái niệm và các hiện tượng, trong số đó có các tính chất của phân tử.
+ Sự giải thích và áp dụng các phương pháp vật lý như: Phương pháp nhiệt động lực học và phương pháp thống kê.
4
Sự áp dụng các phương pháp: Phương pháp nhiệt động lực học và phương pháp thống kê có ý nghĩa sư phạm và phương pháp luậ�n sâu sắc, bởi vì :
*Trên cơ sở các nguyên lý nhiệt động lực học, người ta khảo sát tấ�t cả các hiện tượng nhiệt, không có sự phân tích các quá trình vật lý vi mô.
* Trên cơ sở phương pháp thống kê xuất phát từ cấu trúc gián đoạn của chất( cấu trúc phân tử, nguyên tử) và các thông số của các hạt, người ta rút ra các định luật chung có ý nghĩa thống kê về trạng thái của các vật vĩ mô.
Trong giảng dạy các phương pháp nhiệt động lực học và thống kê được áp dụng một cách tổng hợp.
5
Bước tiến mới trong hoạt động nhận thức của học sinh khi học các kiến thức về nhiệt đó là chuyển từ việc lĩnh hội các quy luật mang tính động học ( các mối liên hệ nhân quả, đơn trị của các hiện tượng), đặc biệt là các định luật của cơ học cổ điển, sang sự hiểu biết các qui luật mang tính thống kê mà các trường hợp riêng là các định luật của thuyết động học phân tử chất khí với các khái niệm về giá trị trung bình của các đại lượng vật lý và khái niệm xác suất.
Một trong những nhiệm vụ cơ bản của việc giảng dạy các hiện tượng nhiệt và vật lý phân tử ở bậc THPT là làm sáng tỏ bản chất của các phương pháp thống kê và nhiệt động lực học và chỉ rõ các phương pháp này được dùng phổ biến đối với vật lý chứ không phải chỉ là đối với việc tiếp thu với các hiện tượng nhiêt.
6

2. Đặc điểm:
+ Chương trình trình bày các hiện tượng và các quá trình nhiệt một cách đơn giản nhất, trình bày sự biến đổi trạng thái của các chất dựa trên mô hình cấu trúc vật chất xây dựng khái niệm nội năng, sự bi?�n đổi nội năng, xây dựng phương trình trạng thái từ các định luật Bôilơ- Mariôt, S � c l� .
+ Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học được biểu diễn ở dạng tổng quát và chính là định luật định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng áp dụng cho các quá trình nhiệt.
+ Những tính chất của chất khí mặc dù được phát hiện bằng thực nghiệm, nhưng sách giáo khoa chỉ trình bày 2 trong số 3 định luật là: định luật Bôilơ- Mariôt và định luật Saclơ và trên cơ sở 2 định luật này hình thành cho học sinh Phương trình trạng thái của khí lý tưởng, đây chính là cơ hội để tập cho học sinh làm quen với phương pháp suy diễn.
7


3. Các kiến thức cơ bản của phần nhiệt học
+ Các khái niệm về cấu trúc.
+ Các tính chất của mỗi trạng thái khí, rắn, lỏng, nội năng, nhiệt lượng.
Các hiện tượng cơ bản:
+ Hiện tượng căng mặt ngoài,
+ Hiện tượng mao dẫn.
Thuyết cơ bản: Thuyết động học phân tử về chất khí.
Nguyên lý cơ bản:
+ Nguyên lý I,
+ Nguyên lý II.
8
4. Cấu trúc:
Các kiến thức về nhiệt học được trình bày ở 3 chương: Chương 5, chương 6, chương 7.

Chương 5: Chất khí.
Chương này trình bày các vấn đề về chất khí qua đó cho học sinh nhận thức được những kiến thức ban đầu về thuyết động học phân tử của vật chất.

Chương 6: Cơ sở của nhiệt động lực học.
Chương này trình bày cả 2 nguyên lý: Nguyên lý I và nguyên lý II NĐLH và các ứng dụng thực tế.

Chương 7:Chất rắn chất lỏng và sự chuyển thể
Đề cấp đến những vấn đề cơ bản của trạng thái rắn và trạng thái khí, làm cho học sinh nhận thức được những hiện tượng liên quan đến sự chuyển trạng thái.

9
5. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC LOGIC
10
6. Phương pháp tiếp cận
Quan điểm vĩ mô
Quan điểm vi mô
Quan điểm năng lượng
11
+ Quan điểm vĩ mô:
Xuất phát từ các quan sát hay các thí nghiệm để truyền đạt kiến thức (ví dụ: ba định luật Bôilơ-Mriôt; Saclơ, Gay Luytxac trong đó phương trình menđêleep-Clapêron là kết quả của thực nghiệm, tổng hợp từ 3 sự kiện thực nghiệm).
+ Quan điểm vi mô:
Chỉ dùng ở một số chỗ cần thiết, ví dụ: khi nghiên cứu về chất rắn, về cấu trúc của chất lỏng, về sự dính ướt và không dính ướt. . . hoặc từ thuyết động học phân tử và vận dụng các định luật cơ học suy ra phương trình cơ bản , từ phương trình cơ bản và định nghĩa nhiệt độ suy ra phương trình cơ bản P = nKT đây là một dạng khác của phương trình menđêleep-Clapêron. Lúc này 3 định luật của ch�t khí lý tưởng trở thành hệ quả suy ra từ phương trình menđêleep-Clapêron và thí nghiệm lúc này chỉ đóng vai trò kiểm chứng sự đúng đắn của 3 định luật này .
+ Quan điểm năng lượng.
Các vấn đề của chương 6 được trình bày theo quan điểm năng lượng.
12
7. Các kỹ năng cơ bản.
Vận dụng
Sử dụng
Biểu diễn
Nhận biết
Vận dụng thuyết động học phân tử để giải thích các định luật chất khí
Sử dụng các định luật chất khí và phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng, Phương trình menđêlêep - Clapêron để giải bài tập.
+ Biểu diễn bằ�ng đồ thị + Biết dùng đồ thị để giải các bài toán về nguyên lý I Nhiệt động lực học.
Các loại động cơ nhiệt và máy nhiệt trong thực tế.
13
8. Các điểm cần lưu ý:
a.Về cấu trúc phân tử của chất khí
+ Cấu trúc phân tử của chất khí đơn giản hơn nhiều so với cấu trúc phân tử của chất lỏng và chất rắn.
+ Tương tác phân tử trong chất khí khác rất xa so với trong chất lỏng và chất rắn, bởi vì phân tử khí hầu như không tương tác ngoài lúc va chạm, còn các phân tử ở trạng thái ngưng kết ( rắn, hoặc lỏng) có mối liên kết khá mạnh với nhau, giữa chúng có lực tương tác làm cho phân tử không thể chuyển động tự do mà được sắp xếp có trật tự (xa hoặc gần) trong một cấu trúc. Khó có thể bỏ qua thế năng tương tác để chỉ quan tâm động năng của các phân tử khi giải thích các hiện tượng liên quan đến quá trình biến đổi trạng thái.
+ Các chất khí có cấu trúc phân tử đơn giản và cùng chiều, trong khi các chất rắn hoặc lỏng có cấu trúc phức tạp và đa dạng, mỗi chất có cấu trúc tinh thể khác nhau. Chính vì vậy các chất khí tuân theo một cách gần đúng những đinh luật giống nhau như Bôilơ-Mriôt; Saclơ, Gay Luytxac và phương trình trạng thái.
14
+ Các định luật về chất khí được thiết lập bằng con đường quy nạp trong điều kiện áp suất và nhiệt độ của phòng thí nghiệm. Trong thực tế các định luật này sẽ kém chính xác nếu áp suất càng lớn và nhiệt độ càng thấp. Vì vậy để đơn giản việc khảo sát các trạng thái nhiệt, người ta đưa ra mô hình khí lý tưởng.
Khí lý tưởng là khí mà trong đó các phân tử được coi là các chất điểm và chỉ tương tác khi va chạm.
Có những định nghĩa khác nhau về khí lý tưởng mà về nội dung thì tương đương nhau:
* Một chất khí được gọi là khí lý tưởng nếu đối với nó phương trình Menđelev - Clapeyron (hoặc các hệ quả của phương trình đó - các định luật chất khí) nghiệm đúng:


M là khối lượng khí tính theo đơn vị kg; còn ? là khối lượng của 1 mol khí tính theo đơn vị kg/mol

15
* Hoặc có thể định nghĩa: Một chất khí được gọi là khí lý tưởng Nếu trong chất khí vận tốc của các phân tử khí tuân theo phân bố Maxwell.



víi m l� kh�i l�ỵng cđa 1 ph�n tư , v là vậ�n tốc của các phân tử khí

Các cách định nghĩa như vậy nói chung là hình thức , vì khi sử dụng chúng đòi hỏi phải hiểu mô hình vật lý của khí lý tưởng, nhưng những định nghĩa mang tính hình thức này thay thế được cho những sự mô tả định tính dài dòng và chính vì thế chúng rất cần cho việc giảng dạy ở trường phổ thông.
Với những khí thực rất loãng, tương tác giữa các phân tử khí không biểu lộ rõ, và tổng thể tích của các phân tử nhỏ hơn rất nhiều so với thể tích mà khí chiếm chỗ thì có thể coi nó như khí lý tưởng và áp dụng được phương trình Menđelev - Clapeyron
16
+ Trong các đồ thị diễn tả các quá trình nhiệt cần lưu ý các chỉ số trên các trục toạ độ để làm rõ quá trình biến đổi khi hệ chuyển từ trạng thái này đến trạng thái khác.

b. Kh�i niƯm n�i n�ng:
+ N�i n�ng theo quan �iĨm nhiƯt ��ng l�c h�c
- N�i n�ng l� h�m tr�ng th�i nhiƯt cđa v�t ngh�a l� m�t h�m cđa nhiƯt ��, �p su�t v� c�c th�ng s� kh�c cđa hƯ. N�i n�ng l� ��i l�ỵng x�c ��nh tr�ng th�i b�n trong cđa hƯ - N�i n�ng l� h�m s� ��n gi� cđa tr�ng th�i b�n trong cđa hƯ. Ngh�a l� � m�i tr�ng th�i hƯ ch� c� m�t gi� tr� x�c ��nh cđa n�i n�ng.
17
Có thể chứng minh điều này nhử sau:
Giả sử hệ ở một trạng thái nào đó có nội năng là U và cũng ở trạng thái này hệ có nội năng U1 . Như vậy từ hệ có thể lấy đi một năng lượng ?U = U -U1 mà trạng thái khi đó của hệ không hề thay đổi. Một hệ như vậy có thể được dùng làm nguồn cung cấp năng lượng mà không gây ra sự biến đổi năng lượng nào. Điều này mâu thuaón với định luật bảo toàn năng lượng (năng lượng không tự sinh ra, không tự maỏt đi,.). Vậy ở một trạng thái hệ chỉ có một giá trị xác định của năng lượng, năng lượng là hàm số đơn giá của trạng thái của hệ.
+ Nội năng theo quan điểm động học phân tử:
* Theo quan điểm động học phân tử nội năng gồm:
- Động năng của chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của các phân tử.
- Thế năng tương tác của các phân tử.
- Động năng và thế năng của chuyển động dao động của các nguyên tử trong phân tử.
- Năng lượng của vỏ điện tử của các nguyên tử và năng lượng của hạt nhân nguyên tử.
18
+ Định nghĩa nội năng của sách giáo khoa:
"Nội năng của vật là dạng năng lượng bao gồm động năng của chuyển động hỗn độn của các phân tử cấu tạo nên vật và thế năng tương tác giữa chúng.
Hay : " Trong nhieọt ủoọng lửùc hoùc ngửụứi ta goùi toồng ủoọng naờng vaứ theỏ naờng cuỷa caực phaõn tửỷ caỏu taùo neõn vaọt laứ noọi naờng cuỷa vaọt"
Nhận xét:
So với định nghĩa treõn. thì định nghĩa của sách giáo khoa không vi phạm tính chính xác của một định nghĩa về một khái niệm vì:
+ Các hiện tưượng nhiệt được nghiên cứu ở các giáo trình phân tử chỉ xảy ra ở những nhiệt độ không vượt quá vài nghìn độ, và tương ứng với nhiệt độ này chỉ có động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật là biến thiên những thành phần còn lại của nội năng là không đổi.
19
- Trong các bài toán nhiệt động lực học, người ta không quan tâm đến nội năng mà chỉ quan tâm đến sự biến thiên nội năng. Vì vậy định nghĩa của sách giáo khoa chỉ làm giá trị của nội năng sai khác đi một hằng số còn biến thiên nội năng thì không đổi.
Ví dụ: Nếu ký hiệu nội năng là U, động năng của các phân tử là Wđ , thế naờng tửơng tác của các phân tử là Wt , các dạng năng lượng khác là E0 thì đối với hai trạng thái nào đó của hệ ta có:



20
c. Nhiệt năng - Nhiệt lượng - Sự truyền nhiệt:
* Nhiệt năng: là năng lượng của chuyển động nhiệt nghĩa là động năng của chuyển động hỗn độn của các phân tử.
Đối với khí lý tưởng thì nhiệt năng đồng nhất với nội năng vì thế năng tương tác giữa các phân tử được bỏ qua.
Nhiệt năng là hàm của nhiệt độ và phụ thuộc vào trạng thái nhiệt của vật.
* Nhiệt lượng:
Là đại lượng có mặt trong biểu thức của NLI NĐLH


Nhiệt lượng đặc trưng cho quá trình biến đổi trạng thái và được xác định bằng những dữ kiện của quá trình chuyển từ một trạng thái này sang một trạng thái khác.
Khi chuyển từ trạng thái A sang trạng thái B hệ có thể thu được những nhiệt lượng khác nhau. Do đó không thể nói hệ có nhiệt lượng bằng bao nhiêu ở một trạng thái xác định. Khi đó chỉ có thể nói hệ có nội năng có giá trị xác định bằng bao nhiêu mà thôi.
21
Nhiệt lượng là hàm của quá trình, nhiệt lượng là quá trình "Vi mô" của sự biến đổi nội năng.

Như vậy có thể định nghĩa:
Nhiệt lượng là phần năng lượng mà vật nhận được hay mất đi trong sự truyền nhiệt, hay Nhiệt lượng là số đo độ biến đổi nội năng của vật trong một quá trình nhiệt.

Cần lưu ý cho học sinh: Nhiệt lượng không phải là một dạng năng lượng vì:
- Năng lượng luôn tồn tại với vật chất.
- Nhiệt lượng chỉ xuất hiện khi có sự truyền nhiệt từ vật này sang vật khác. Nó đặc trưng định lượng cho quá trình vi mô của sự biến đổi.

22
* Sự truyền nhiệt:
Là sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác không bằng cách thực hiện công.
Xét về mặt cơ chế thì sự truyền nhiệt là sự truyền động năng của các phân tử nghĩa là sự truyền nhiệt năng. Về bản chất truyền nhiệt là thực hiện công "Vi mô" được thực hiện trên các phần tử riêng biệt.
23
d. Nguyên lý I Nhiệt động lực học:
Khi chuyển sang nghiên cứu Nguyên lý I Nhiệt động lực học, trước hết cần giải thích cho học sinh 2 cách làm biến đổi nội năng mà học sinh đã biết đó là thực hiệ�n công và truyền nhiệt là tương đương nhau, nghĩa là nếu tốn 1 công nào đó lên vật là 1J, thì nội năng của vật cũng biến đổi giống như khi truyền cho nó 1 nhiệt lượng bằ�ng 1J và ngược lại.
Nhận xét trên cho phép phát biểu định luật Bảo toàn và chuyển hoá năng lượng cho cả quá trình nhiệt.
+ Trong trường hợp mà quá trình duy nhất biến đổi nội năng là quá trình truyền nhiệt, thì dựa vào định luật BT&CHNL có thể khẳng định rằng nhiệt lượng Q thu được hay toả ra trong quá trình này bằ�ng độ biến thiên nội năng của vật.Tức là ta có:
Q = ?U
24
Trong công thức này đại lượng Q mang một dấu xác định chỉ hướng truyền nhiệt:
* Nếu vật nhận nhiệt lượng ? Q > 0 ? ?U > 0 ? Nội năng của vật tăng.
* Nếu vật truyền nhiệt lượng? Q < 0 ? ?U < 0 ? Nội năng của vật giảm.
+ Nếu sự biến đổi nội năng của vật chỉ do quá trình thực hiện công thì độ lớn của công cũng bằng độ biến thiên nội năng, tức là:
A = ?U
* Nếu A > 0 ? ngoại vật thực hiện công lên vật ?U > 0 ? Nội năng của vật tăng.
* Nếu A < 0 ? Vật thực hiện công ? ?U < 0 ? Nội năng của hệ giảm.
25
+ Từ đó suy ra rằng: trong trường hợp có cả thực hiện công và truyền nhiệt thì dộ biến thiên toàn phần của nội năng bằng tổng độ biến thiên nội năng đối với từng quá trình riêng biệt, nghĩa là ta có:
?U = A + Q
Biểu thức thiết lập được chính là nội dung nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học. Đây là một định luật có tính tổng quát và được áp dụng cho bất kỳ hiện tượng tự nhiên nào, không có ngoại lệ
26
e. Nguyên lý II Nhiệt động lực học
- Đây là lần đầu tiên chương trình vật lý phổ thông đưa nguyên lý II vào với 2 cách phát biểu của Claudiut ( nhà VL người Đức) và của Cácnô (nhà VL người pháp) :
+ Cách phát biểu của Claudiut:
Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang vật nóng hơn.
+ Cách phát biểu của Cácno :
"Động cơ nhiệt không thể chuyển hoá tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học".
Vì Nguyên lý II là sự khái quát các kết quả thực nghiệm và có thể coi như một tiên đề, để học sinh dễ tiếp thu cần thông qua một ví dụ đơn giản về mô hình một động cơ nhiệt để học sinh thấy được một động cơ nhiệt muốn sinh công thì cần phải có 2 nguồn nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau.
27
Từ cách phát biểu của Tômxơn "Không thể chế tạo được một máy hoạt động tuần hoàn biến đổi liên tục nhiệt thành công nhờ làm lạnh một vật mà xung quanh khôngchịu một sự thay đổi đồng thời nào" thông báo cho học sinh những máy này gọi là động cơ vĩnh cửu loại II, nghĩa là "không thể có động cơ vĩnh cửu loại II"� . Đây chính là sự bổ sung cho nguyên lý I
28
g. Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo
- Biến dạng đàn hồi
+ Nếu kéo từ từ theo trục một thanh kim loại tròn, dài và vẽ biểu đồ "lực kéo" biến dạng (biểu đồ tải trọng), sẽ thu được đường biểu diễn như hình vẽ
Trong biểu đồ trục tung biểu diễn lực kéo F vuông góc với tiết diện của thanh, trục hoành biểu diễn độ biến dạng ?l.
*Khi lực kéo còn nằm trong giới hạn đàn hồi Fkéo < Fdh thì độ biến dạng tỷ lệ với lực kéo, khi bỏ lực kéo thì biến dạng mất đi ? đó là biến dạng đàn hồi, đoạn ob.
29
- Biến dạng dẻo
* Khi vượt quá giới hạn đàn hồi, Fkéo >Fdh ? sự biến dạng không còn tính chất đàn hồi nữa, nghĩa là biến dạng không hoàn toàn mất đi khi lực ngừng tác dụng thì bắt đầu xảy ra biến dạng dẻo (đoạn bcd),
* Sau khi đạt đến điểm C nào đó trong miền biến dạng dẻo, bắt đầu giảm lực kéo đến giá trị bằng 0, vật không trở lại kích thước ban đầu theo đường cbao mà theo đường CG ta có biến dạng còn dư
* Nếu tiếp tục tăng lực kéo cho đến khi bằng và vượt quá giới hạn đàn bền Fe thì thanh kim loại sẽ đứt, gãy.
30
II. Giảng dạy một số nội dung:
1. Giảng dạy định luật Bôilơ - Mariôt
1.1. Nội dung:
Định luật:
Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất định, áp suất tỷ lệ nghịch với thể tích.

p ? hay P.V = hằng số
b. Đường đẳng nhiệt
Trong hệ trục toạ độ POT với nhiệt độ T không đổi, sự biến thiên của áp suất và thể tích của một khối lượng khí xác định được biểu diễn bằng đường hypecbol nằm ở góc � thứ nhất gọi là đường đẳng nhiệt. Ư�ng với các nhiệt độ khác nhau, ta thu được các đường đẳng nhiệt khác nhau. NhiƯt độ càng cao, các đường đă�ng nhiệt càng nằm xa gốc. Tập hợp các đường đẳng nhiệt gọi là họ đường đẳng nhiệt.
31
c. Giới hạn áp dụng:
Định luật Bôilơ - Mariôt chỉ đúng ở nhiệt độ không qua thấp và áp suất không quá cao. Ở những áp suất cỡ 1000at trở lên có sự sai lê�ch rất lớn của tích P.V ( sai lệh gần gấp đôi).
Nguyên nhân của sự sai lệ�ch này là do Định luật Bôilơ - Mariôt được thành lập trên cơ sở tính toán định lượng theo thuyết động học phân tử của khí lý tưởng, nghĩa là không xét đến sự tương tác của các phân tử, nhưng ở các áp suất cao thì không thể không chú ý đến các ảnh hưởng của sự tương tác này. Còn ở nhiệt độ quá thấp (gần 00 K), các phân tử khí hoàn toàn ngừng chuyển động nhiệt, áp suất chất khí bằng O.
Với nhiệt độ thấp và áp suất thường hầu hết các chất khí đều hoá lỏng ? không áp dụng được định luật Bôilơ - Mariôt.
32
1.2. Giảng dạy
Có 2 con đường để hình thành cho học sinh định luật Bôilơ - Mariôt, đó là con đường suy diễn và con đường quy nạp.
a/ Hình thành bằng con đường suy diễn
+ Cần quan niệm rằng áp suất chất khí phải do nhiều va đập của các phân tử khí lên thành bình tạo ra. Cơ chế này được coi là nguồn gốc (duy nhất) để tạo thành áp suất chất khí.
+ Để đi đến định luật Bôilơ - Mariôt, có thể tính áp suất trung bình của 1 phân tử khí có khối lượng m khi nó va chạm vào thành bình. Để đơn giản ta chọn bình chứa là hình lập phương có kích thước là l, diện tích của các mặt là A = l2 .
* Giả sử thành phần vận tốc theo phương OX là Vx , va chạm của phân tử khí với thành bình là tuyệt đối đàn hồi, 2 mặt A1 và A2 của bình lập phương ? với trục OX.
33

* Gọi ?t là thời gian giữa 2 va chạm liên tiếp:

* Giả sử xét bình ở trạng thái có nhiệt độ t = hằng số.
* Tại thời điểm xét phân tử khí đến va chạm vào thành bình với vận tốc V1X = VX và bật ngược trở lại với vận tốc V2X = - VX.
* Độ biến thiên động lượng của phân tử trước và sau va chạm là:
?PX = m(-VX) - mVX = -2mVX (1).
* Gọi f/ là lực mà thành bình tác dụng lên phân tử khí trong thời gian va chạm, f là lực phân tử khí tác dụng lên thành bình, theo định luật III Newton ta có :
fX = - fX/
34
35
Trong ñoù laø giaù trò trung bình cuûa V2X ñoái vôùi N phaân töû theo phöông OX.
Maët khaùc ta coù laø vaän toác toaøn phöông trung bình vaø caùc phaân töû khí tham gia chuyeån ñoäng nhieät hoãn loaïn khoâng coù phöông öu tieân, do ñoù:
Từ (3) và (4) ta có:

Nếu xét cùng một lượng khí (N phân tử)
ở 2 trạng thái khác nhau, ta có:

36
Theo định luật phân bố đều năng lượng, bất kỳ 2 chất khí nào ở cùng 1 nhiệt độ, sau nhiều va chạm giá trị trung bình của động năng của chuyển động tịnh tiến của các phân tử khí đều bằng nhau, tức là:
Ta có thể phát biểu:
Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất định, áp suất tỷ lệ nghịch với thể tích.
Hay có thể phát biểu:
Ơ� nhiệt độ không đổi tích của áp suất P và thể tích V của 1 lượng khí xác định là một hằng số.
37
b/ Hình thaønh baèng con ñöôøng quy naïp
b.1. Muïc tieâu:
+ Kieán thöùc
Hoïc sinh naém ñöôïc:
* Noäi dung ñònh luaät Boâilô – Marioât vaän duïng ñònh luaät ñeå giaûi thích moät soá hieän töôïng thöïc teá.
* Bieåu dieãn moái quan heä giöõa aùp suaát vaø theå tích khi nhieät ñoä khoâng ñoåi baèng ñoà thò.

+ Kyõ naêng:
* Phöông phaùp nghieân cöùu vaät lyù baèng thöïc nghieäm.
* Bieåu thò caùc quaù trình vaät lyù baèng ñoà thò.
* Phöông phaùp chung ñeå giaûi baøi taäp ñoái vôùi quaù trình ñaúng nhieät.
+ Giaùo duïc tö töôûng

38
b.2. Giảng dạy:
I. Trạng thái và quá trình biến đổi trạng thái
Trạng thái và thông số trạng thái
a.Trạng thái :
+ Một lượng khí không có thể tích V xác định như khối lỏng hoặc vật rắn, nó luôn choán cả thể tích giới hạn bởi bình đựng. Cùng với xu hướng này chất khí còn gây áp suất (P) lên thành bình chứa.
? A�p suất này do các phân tử chất khí khi chuyển động va chạm vào bình chứa gây ra.

39
* Trạng thái 1: Khí nhốt trong xi lanh có thể tích V1, áp suất P1.
* Trạng thái 2: Pít tông chuyển động đi xuống, khí nhốt trong xi
lanh có thể tích V2 ? Có mối quan hệ giữa áp suất (P)và thể tích (V).
+ Đi xe đạp lúc trời nắng, thấy bánh xe căng hơn lúc trời mát ? có mối liên hệ giữa áp suất (P) và nhiệt độ (t).
40
Như vậy 3 đại lượng áp suất P, thể tích V và nhiệt độ t xác định trạng thái của một lượng khí xác định.
b. Thông số trạng thái
Các đại lượng đại lượng áp suất P, thể tích V và nhiệt độ t được gọi là các thông số trạng thái.
2. Các đẳng quá trình
+ Trong những điều kiện nhất định các thông số trạng thái sẽ thay đổi, hay nói cách khác một lượng khí xác định có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác. Quá trình này gọi là quá trình biến đổi trạng thái.
+ Thực nghiệm đã chứng tỏ có những quá trình biến đổi làm cho cả 3 thông số trạng thái cùng thay đổi, tuy nhiên cũ�ng có những quá trình chỉ có sự thay đổi của 2 trong 3 thông số , thông số thứ 3 sẽ là một đại lượng không đổi. Những quá trình này gọi là các đẳng quá trình.
41
Từ những nhận xét trên hãy
cho biết có thể có những đẳng quá trình nào ?
II. Quá trình đẳng nhiệt: T = hằng số
Quá trình biến đổi trạng thái trong đó nhiệt độ được giữ không đổi gọi là quá trình đẳng nhiệt.
42
III. Định luật Bôilơ- Ma ri ôt
1. Nhận xét:




T = hằng số ? P ? V?
2. Thí nghiệm:
a. Dụng cụ
+ �ng xilanh c� ch�a m�t l�ỵng kh� x�c ��nh,
pitt�ng b�ng thủ tinh
+ �p k� kh� 0,5 x105 ? 2,0x105 Pa
+ Gi� �ì xilanh c� th�íc �o thĨ t�ch kh� .
+ Nĩt cao su d�ng b�t k�n ��u d�íi cđa xilanh
b. Tiến hành


1. Mở nút cao su ở đầu dưới của xi lanh để lượng khí trong xi lanh có áp suất bằng áp suất khí quyển.
Khi giữ nhiệt độ không đổi, áp suất và
thể tích sẽ quan hệ với nhau
theo qui luật nào ?
43
Quan sát thí nghiệm sau đây
và cho nhận xét ?
44
2. Nới vít hãm ở phía sau giá đỡ và kéo từ từ pittông lên tới vị trí sao cho khối khí xác định chứa trong xilanh có thể tích bất kỳ được đo trên thước đo của giá đỡ xilanh. Vặn nhẹ vít hãm để giữ pittông ở đúng vị trí này. áp suất khí trong xilanh bây giờ bằng áp suất khí quyển p = 1.105 Pa ? 1at và được đọc trực tiếp trên thang đo của áp kế . Dùng nút cao su nút kín đầu dưới của xilanh lại để nhốt trong đó một lượng khí xác định. Ghi thể tích V và áp suất p của khối khí vào bảng 1.
Bảng 1
45
Có thể có hệ thống câu hỏi sau:
Khi kéo (nén) pít tông lên (xuống) để tăng (giảm)
thể tích của lượng khí nghiên cứu, thì áp suất
của lượng khí này sẽ thay đổi thế nào?
Khi thể tích khí thay đổi, thì áp suất
sẽ thay đổi theo, có thể biểu diễn quan hệ
này như thế nào ? vì sao?
46
c/ Kết luận: P1V1 = P2V2 = P3V3

2. Định luật Bôilơ - Mariôt:
Trong quá trình đẳng nhiệt của một lượng khí nhất định, áp suất tỷ lệ nghịch với thể tích.


IV. Đường đẳng nhiệt
Nhận xét
Từ kết quả thí nghiệm hãy vẽ đồ thị trên hệ trục toạ
Độ POV và cho nhận xét về dạng của đồ thị ?
47
Đồ thị là một đường cong
Từ công thức của định luật và từ đồ thị vẽ được có thể
Nhận xét gì về đường cong này ?
48
Từ công thức của định luật Bôilơ - Mariốt : PV = hằng số
Đặt hằng số này là a, ta có thể viết P.V = a, từ đó

Biểu thức trên có dạng giống biểu thức
của hàm số nào trong toán học, và hàm
Số này có dạng đồ thị như thế nào ?
Trong toán học ta có hàm số: ? Đồ thị của nó trong hệ toạ độ 0XY là đường hypebol
Hàm số này có dạng giống biểu thức:
Vì vậy có thể suy ra đồ thị của đường trong hệ toạ độ P0V cũng là đường hypebol

Vì V luôn > 0 ? do đó đường hypebol biểu diễn quá trình trên chỉ nằ�m ở góc � thứ nhất.
49
2. Định nghĩa :
+ Đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo thể tích khi nhiệt độ không đổi gọi là đường đẳng nhiệt.
+ Trong hệ toạ độ (P0V), đường đẳng nhiệt là đường hypecbol.
+ Ứng với các nhiệt độ khác nhau của cùng một lượng khí, vẽ được các đường đẳng nhiệt khác nhau.
Hãy so sánh các nhiệt độ T1, T2, T3
của các đườngĐẳng nhiệt
trong đồ thị bên ?
+ Đường đẳng nhiệt ở trên ứng với nhiệt độ cao hơn đường
đẳng nhiệt ở dưới ? T3 > T2 > T1 .
50
Cũng có thể dạy Định luật Bôi lơ- Mariôt bằng thiết bị dưới đây
51
2. Giảng dạy phương trình trạng thái của khí lý tưởng
2.1. Mục tiêu:
+ Kiến thức
Học sinh nắm được:
* Khí thực chỉ tuân theo gần đúng các định luật Bôilơ-Mariôt và Saclơ.
* Phương trình trạng thái của khí lý tưởng (phương trình Cla-pê- rôn:


* Quá trình đẳng áp:
* Độ không tuyệt đối và nhiệt giai Ken-vin
+ Kỹ năng:
* Phương pháp nghiên cứu vật lý bằng đồ thị.
* Vận dụng các định luật chất khí và PTTT của KLT để suy ra các định luật khác về chất khí.
* Phương pháp chung để giải bài tập đối với quá trình đẳng nhiệt.
+ Giáo dục tư tưởng
52
2.2. Các đơn vị kiến thức cơ bản:
Khí thực chỉ tuân theo gần đúng các định luật Bôi lơ - Mariốt và Sáclơ.
Phương trình trạng thái của Khí lý tưởng:

Quá trình đẳng áp: Trong quá trình đẳng áp của một lượng khí xác định, thể tích tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối.


4. Nhiệt độ tuyệt đối.
Nhiệt độ đo trong nhiệt giai Ken - vin được gọi là nhiệt độ tuyệt đối: T = t + 273
53
Sơ đồ cấu trúc logic
Các thí nghiệm xây dựng các định luật Bôilơ-Mariôt và Saclơ đều được tiến hành trên khí thực ở điều kiện thường. Vậy ở những điều kiện khác về áp suất và nhiệt độ 2 định luật trên còn đúng nữa không?
Chỉ có khí lý tưởng tuân theo đúng các định luật Bôilơ-Mariôt và Saclơ
Phương trình trạng thái của khí lý tưởng:

Quá trình đẳng áp
Trong quá trình đẳng áp của một lượng khí xac� định, thể tích tỷ lệ với nhiệt đội tuyệt đối:
Nhiệt độ đo theo thang nhiệt giai Ken - vin được gọi là nhiệt độ tuyệt đối:
T = t + 273
? 0 (k) là "độ không tuyệt đối"
Khi cả 3 thông số của một trạng thái khí bị thay đổi thì các thông số này quan hệ với nhau theo qui luật nào ?
Khi áp suất của một khối lượng khí xác định không đổi, thì quan hệ giữa 2 đại lượng còn lại tuân theo qui luật nào ?
54
Phương trình trạng thái của khí lý tưởng
Bài 31
55
Một quả bóng bàn bị bẹp được thả
vào nước nóng, hãy cho nhận xét
về mối quan hệ giữa áp suất P, thể tích V và
nhiệt độ T của khối khí xác định bị nhốt
Trong bóng?
56
Khí thực và khí lý tưởng
Thí nghiệm:
+ Kết quả
Quả bóng khi thả vào nước nóng (T )? đã phồng lên (V )
+ Nhận xét
* Cả áp suất, thể tích, và nhiệt độ của lượng khí nhốt trong bóng đều bị thay đổi.
* Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm các định luật Bôi- Mariot và Sac lơ áp dụng cho khí thực cũngcho kết quả giống như đối với khí lý tưởng.
2. Kết luận:
+ Khí thực chỉ tuân theo gần đúng các định luật Bôilơ-Mariôt và Saclơ.
+ Chỉ có khí lý tưởng là tuân theo đúng các định luật Bôilơ-Mariôt và Saclơ.

57
Thí nghiệm đã cho thấy cả áp suất, thể tích và nhiệt độ
Của lượng khí xác định đều thay đổi. Vậy 3 thông số này
sẽ quan hệ với nhau theo quy luật nào ?
58
Các định luật Bôi-Mariot và Sáclơ cho biết mối
quan hệ giữa các thông số trạng thái nào và
các mối quan hệ này thể hiện bằng các
công thức nào ?
+ Với định luật Bôilơ- Mariot, ta có:
+ Với định luật Sáclơ, ta có:
Trên hệ trục toạ độ POV hãy vẽ đồ thị của
các đường đẳng nhiệt ứng với các nhiệt độ
T1 và T2 sao cho T2 > T1
II. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng
1. Nhận xét
59

Trên các đường đồ thị, hãy xác định 2
trạng thái nhiệt ứng với các thông số trạng thái:
Trạng thái 1: P1; V1; T1
Trạng thái 2: P2 ; V2 ; T2 ?
60
61

Để tìm được quan hệ giữa các thông số của 2
trạng thái 1 và 2, ta xét sự chuyển từ trạng thái 2 sang
trạng thái trung gian 2/ ứng với quá trình
đẳng tích (V = hằng số )trước, sau đó xét tiếp sự chuyển
trạng thái 2/ sang 2 khi T = hằng số
+ Chọn trạng thái 1 ứng với các giá trị: V1; T1; P1 trên đồ thị.
+ Từ điểm 1 kẻ đường // với trục tung ? cắt đường hypepol T2 tại 2/
+ 2/ Là trạng thái trung gian, trạng thái 1 và 2/ ứng với quá trình đẳng tích ? V1=V2/
62
Đối với quá trình đẳng tích 1 và 2/, ta có: (1)
+ Tiếp tục chuyển hệ từ trạng thái 2/ đến trong thái 2 trong điều kiện T = hằng số:


+ Từ (1) và (2):

+ Nếu có trạng thái thứ 3 ứng với các thông số trạng thái V3, T3, P3 nào đó, thì áp dụng cách làm tương tự ta cũng sẽ thu được:

63
Từ Phương trình (3), ta có thể viết:
(4) Được gọi là phương trình trạng thái của khí lý tưởng, hay còn gọi là phương trình Cla-pê-rôn
2. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng:


III. Quá trình đẳng áp:
1. Quá trình đẳng áp:
Từ định nghĩa về quá trình đẳng nhiệt, hãy
định nghĩa quá trình đẳng áp ?
Quá trình biến đổi trạng thái khi áp suất không đổi gọi là quá trình đẳng áp? P = hằng số
64
Từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng,
hãy xác lập quan hệ giữa thể tích và nhiệt độ
của một khối lượng khí xác định khi P = hằng số
2. Liên hệ giữa thể tích và nhiệt độ tuyệt đối trong quá trình đẳng áp:
Biểu thức thiết lập được diễn tả mối quan hệ giữa thể tích và nhiệt độ tuyệt đối trong quá trình đẳng áp
65
3. Đường đẳng áp:
+ Từ công thức: , ta đặt a = hằng số, ? ta có phương trình V = a.T
+ Trên hệ trục toạ độ V0T, Đồ thị của đường V = a.T là một đường thẳng đi qua gốc toạ độ và được gọi là đường đẳng áp
66
+ Ư�ng với các áp suất khác nhau của cùng một lượng khí, sẽ thu được các đường đẳng áp khác nhau.
67
Hãy cho nhận xét vì sao trên đồ thị đường
đẳng tích, phần gần gốc toạ độ 0 lại
được vẽ không liền nét ?
IV. "Độ không tuyệt đối"
1. Nhận xét
+ Ở đồ thị đường đẳng áp: Khi T = 0 (k)? V = 0
+ Ở đồ thị đường đẳng tích: Khi T = 0 (K) ? P= 0
+ Ở các nhiệt độ < 0 (k)? cả P < 0 và V < 0 ? đây là điều không thể thực hiện được, do đó các đường đồ thị của các quá trình đẳng áp và đẳng tích đều có phần không liền nét ở gần gốc toạ độ.
68
2. "Độ không tuyệt đối"
a. Nhiệt giai Ken -vin
+ Là nhiệt giai được bắt đầu bằng nhiệt độ 0 (K)? ứng với -2730 c của nhiệt giai Xen-xi-út, một độ chia của nhiệt giai Ken-vin đúng bằng 1 độ chia của nhiệt giai Xen-xi-út.
b. "Độ không tuyêt đối:
Nhiệt độ 0 (K) được gọi là "độ không tuyệt đối"
69
Củng cố
70
III. Giảng dạy bài: "Nội năng và sự biến đổi nội năng"
Coự theồ ủặt vấn đề:
Cơ năng của vật hay hệ vật gồm động năng và thế năng của nó.
Ví dụ: Một viên đạn đang bay có cả động năng và thế năng đối với mặt đất.
Nhưng ngoài cơ năng ra viên đạn viên đạn xét riêng hay một vật nào đó xét chung, còn có dạng năng lượng nào khác không? Nói cách khác các vật có khả năng sinh công mà không sử dụng cơ năng của vật không?
Để trả lời câu hỏi này ta xét một vài ví dụ sau:
Ví dụ 1: Khi mài dao, ta tốn 1 công, công này chuyển hóa thành dạng năng lượng nào? Ta thấy cả lưỡi dao và đá mài đều nóng lên tức là động năng trung bình của các phân tử ở cả hai vật đều tăng.
Ví dụ 2: Một thỏi nước đá ở chảy thành nước ở không khí xung quanh bị lạnh đi và do đó thế năng tương tác giữa các phân tử thay đổi.
71
Ví dụ 3: Hơi nửụực ở xúp de thực hiện một công làm chạy píttông trong xi lanh của động cơ hơi nước. Sau khi thực hiện công, hơi nước nguội đi tức động năng trung bình của các phân tử giảm.
Những ví dụ trên chứng tỏ một vật ngoài cơ năng ra còn có một dạng năng lượng khác đặc trưng cho trạng thái bên trong của vật, năng lượng này phụ thuộc vào động năng của các phaõn tử cấu tạo nên vật và thế năng tương tác giữa chúng. Năng lượng này được gọi là nội năng.
72
Bài 32
Nội năng và sự biến đổi nội năng
73
Nội năng
1. Nội năng là gì ?
a. Nh�n x�t
+ C�c ph�n tư chuyĨn ��ng kh�ng ng�ng ? chĩng c� ��ng n�ng phân tử.


+ Gi�a c�c ph�n tư c� l�c t��ng t�c ? gi�a chĩng c� th� n�ng tương tác phân tử Wt ? Wt phơ thu�c v�o s� ph�n b� c�c ph�n tư.

b. ��nh ngh�a n�i n�ng:
+ N�i n�ng cđa v�t l� tỉng ��ng n�ng v� th� n�ng cđa c�c ph�n tư c�u t�o n�n v�t
+ N�i n�ng phơ thu�c v�o tr�ng th�i cđa v�t.
c. K� hiƯu v� ��n v�:
+ K� hiƯu: U
+ ��n v�: jun (J)
74
2. Độ biến thiên nội năng
+ Độ biến thiên nội năng của vật là phần nội năng tăng thêm hay
giảm đi trong một quá trình.
+ Ký hiệu độ biến thiên nội năng là ?U:
?U = U2 - U1

II. C�c c�ch bi�n �ỉi n�i n�ng:

Có những cách nào làm biến đổi nội năng của vật?
(Tức là làm biến đổi động năng và thế năng
tương tác của các phân tử cấu tạo nên vật).
75
1. Thực hiện công
a. Thí nghiệm 1
Cọ sát miếng kim loại lên bàn
76





? Miếng kim loại nóng lên ? động năng trung bình của chuyển động hỗn loạn của các phần tử ? nội năng của miếng kim loại tăng.





? Bằng cách thực hiện công ? Tốn công chà miếng kim loại ? làm xuất hiện những biến đổi liên quan đến sự chuyển dời của vật dưới tác dụng của lực.

Hiện tượng sẽ xảy ra thế nào. Nội năng của
miếng kim loại thay đổi thế nào ?

Nội năng trong trường hợp này
tăng bằng cách nào?
77
b.Thí nghiệm 2
+ Một xi lanh cách nhiệt, trong xi lanh chứa một lượng khí.
Tác dụng 1 lực ấn pít tông đi xuống ? V khí giảm đi ? khí trong xi lanh nóng lên ? vận tốc khí tăng lên ? N�