Bài tập lớn khái niệm nhiệt độ

Trang 1

Khái niệm nhiệt độ

Sinh viên: Lê Thị Cúc - Lớp K1 - ĐHSP Lý - Hóa 1

Trường đại học Hồng Đức Khoa khoa học tự nhiên

Bài tập lớn Tên đề tài: Khái niệm nhiệt độ

Giảng viên: TS Nguyễn Văn Khiêm Sinh viên: Lê Thị Cúc

Lớp: K1 - ĐHSP Lý Hoá

Thanh Hoá, năm 2009

Trang 2

Khỏi niệm nhiệt độ

Sinh viờn: Lờ Thị Cỳc - Lớp K1 - ĐHSP Lý - Húa 2

LờI CảM ƠN

Lời đầu tiờn, tụi xin trõn trọng cảm ơn thầy Nguyễn Văn Khiờm đó tạo điều kiện, giỳp đỡ, hướng dẫn tận tỡnh để tụi tiến hành nghiờn cứu và hoàn thành tốt đề tài

Tụi xin bày tỏ lòng cảm ơn chõn thành đến cô cụ Trịnh Thị Mai – Giảng viờn mụn Vật lớ Khoa Khoa Học Tự Nhiờn trong quỏ trỡnh giảng dạy đó giỳp tụi cú những kiến thức cơ bản làm nền tảng cho tụi khi nghiờn cứu đề tài

Cảm ơn sự đúng gúp ý kiến, giỳp đỡ về tài liệu, tinh thần, luụn động viờn, khớch lệ của cỏc bạn sinh viờn lớp K1 ĐHSP Lớ – Húa đó tạo mụi trường tốt cho tụi vừa học tập, vừa nghiờn cứu đề tài

Chỳc thầy cụ và cỏc bạn mạnh khỏe, cụng tỏc tốt

Xin chõn thành cảm ơn!

Thanh Hoá, tháng 11 năm 2009

Mục lục

Trang 3

1 Lí do chọn đề tài 4

2 Mục đích nghiên cứu 4

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 4

4 Đối tượng và khách thể nghiên cứu , 4

5 Phương pháp nghiên cứu 4

B Nội dung Phần 1: Lịch sử phát triển của khái niệm nhiệt độ 6

1.1 Cấp 1 6

1.2 Cấp 2, cấp 3 7

1.2.1 Nhiệt độ là đại lượng vật lí đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử của các vật 7

1.2.2 Nhiệt độ là hàm của trạng thái 9

1.3 Đại học 10

1.3.1.Vật lí đại cương 10

1.3.2.Vật lí thống kê 12

Phần 2: ứng dụng của khái niệm nhiệt độ trong chương trình vật lí phổ thông 16

C Kết luận 20

A Mở đầu

Trang 4

1 Lí do chọn đề tài

Nhiệt độ là một khái niệm phổ biến, được sử dụng xuyên suốt các cấp học từ phổ thông đến đại học ở mỗi cấp học đều đưa ra khái niệm nhiệt độ với những cách tiếp cận khác nhau, dưới những khía cạnh khác nhau Chính vì vậy, khái niệm nhiệt độ được hiểu một cách rất nôm na và chung chung Và để có một cái nhìn tổng quát về khái niệm này thì cần xem xét sự phát triển tường minh của nó qua các cấp học, từ khái niệm chỉ mang tính chất định tính dần dần được định lượng và tổng quát hoá Việc nghiên cứu khái niệm nhiệt độ giúp cho chúng ta có một cái nhìn khái quát, nắm được bản chất của nó sẽ giúp ích cho chúng ta truyền đạt kiến thức đến học sinh một cách tường minh

Với những lí do trên, tôi đã chọn đề tài :"Khái niệm nhiệt độ" làm đề tài nghiên cứu của mình

2 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu khái niệm nhiệt độ

- ứng dụng vào bài soạn "Nguyên tử, phân tử chuyển động hay đứng yên"

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu sự phát triển khái niệm nhiệt độ qua các cấp học

- ứng dụng soạn bài: "Nguyên tử, phân tử chuyển động hay đứng yên"

4 Đối tượng, khách thể nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

4.2 Khách thể nghiên cứu

Sách giáo trình và các tài liệu liên quan

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lí thuyết là chủ yếu Nghiên cứu sách giáo trình, sách tham khảo, các tài liệu có liên quan đến nội dung đề tài nghiên cứu

Trang 5

- Tham khảo ý kiến của giáo viên hướng dẫn, giáo viên bộ môn, giáo viên giảng dạy vật lớp phổ thông

- Tổng kết kinh nghiệm

B Nội dung

Trang 6

Phần 1: Lịch sử phát triển của khái niệm nhiệt độ

Xem xét khái niệm nhiệt độ dựa trên 4 yếu tố:

1 Nhiệt độ đặc trưng cho tính chất vật lí gì?

2 Đo nhiệt độ như thế nào?

3 Các thang đo nhiệt độ?

4 Giới hạn nhiệt độ đo

1.1 Cấp 1

Khái niệm nhiệt độ được định nghĩa như sau:

“- Vật nóng có nhiệt độ cao, vật lạnh có nhiệt độ thấp

- Để đo nhiệt độ của vật, ta sử dụng nhiệt kế

- Có nhiều loại nhiệt kế khác nhau: nhiệt kế đo nhiệt độ cơ thể, nhiệt kế đo nhiệt

độ không khí” ( Vật lí 8 - SGK)

Như vậy, khái niệm nhiệt độ được đề cập đến thông qua việc quan sát các sự vật, hiện tượng xảy ra trong cuộc sống xung quanh Khái niệm nhiệt độ được đưa vào khoa học thông qua cảm giác của con người Bằng xúc giác, con người phân biệt được một cách thô sơ “độ nóng” của các vật xung quanh ở các mức độ: nóng, ấm, lạnh Bởi vì các tính chất của vật thông thường phụ thuộc nhiệt độ nên con người cũng dễ dàng nhận ra các tính chất đó Ví dụ: khi nhiệt độ tăng, thanh ray (đường sắt) nóng lên và dài ra, tháp Eiffel trong vòng 6 tháng cao thêm 10cm Khi nhiệt độ của vật thay đổi thì bản chất của vật cũng thay đổi theo

Tuy nhiên, cảm giác về nhiệt độ của con người là mang tính chủ quan không chính xác Nhiệt độ độc lập với các giác quan nhạy cảm của chúng ta Ví dụ: trước khi nhúng tay vào chậu nước bình thường, tay ta vừa cầm một cục đá thì ta cảm thấy nước trong chậu là “nóng”, còn nếu trước đó tay ta vừa hơ trên lửa thì ta cảm thấy nước trong chậu là “lạnh”

Trang 7

Một tính chất chủ quan khác nữa là cảm giác của tay ta còn phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của các vật Ví dụ: về mùa đông, ta sờ tay vào các vật trong phòng thì ta cảm thấy các vật bằng kim loại( đồng, sắt ) lạnh hơn các vật bằng gỗ, nhựa Đó là vì các vật bằng kim loại dẫn nhiệt nhanh hơn các vật bằng gỗ, nhựa

Do đó, cảm giác nóng, lạnh chỉ mang tính tương đối và chỉ dựa vào cảm giác thì không phân biệt được nhiệt độ thực của vật Cần nghiên cứu nhiệt độ một cách định tính và định lượng

Như vậy, ở cấp 1 mới chỉ giới thiệu khái niệm nhiệt độ một cách định tính, đặc trưng cho độ nóng lạnh

(Vật lí 8 – SGK), (Vật lí 10 – SGK) Chuyển động hỗn loạn của các phân tử chính là chuyển động Brown

- Mô tả chuyển động:

Trang 8

Năm 1827, nhà thực vật học người Anh

Robert Brown trong khi quan sát các hạt

phấn hoa trong nước bằng kính hiển vi đã

phát hiện ra rằng các hạt phấn hoa chuyển

động không ngừng và chuyển động này

được gọi là chuyển động Brown Đây là hiện

tượng phổ biến với các hạt nhỏ bé nằm lơ

lửng trong chất lỏng hay trong chất khí Các

hạt nhỏ bé này được gọi là các hạt Brown

Quỹ đạo chuyển động của hạt Brown

Trang 9

Theo dừi và đỏnh dấu vị trớ của cỏc hạt Brown sau những khoảng thời gian bằng nhau và nối liền cỏc vị trớ đú lại, ta được quỹ đạo chuyển động của nú Quỹ đạo này là một đường góy khỳc khụng theo một quy luật nào cả

- Giải thớch chuyển động:

Tại sao cỏc hạt Brown chuyển động hỗn loạn khụng ngừng?

Người ta giải thớch chuyển động Brown trờn cơ sở cỏc va chạm của phõn tử (hay nguyờn tử) cấu tạo nờn chất lỏng hay chất khớ vào hạt Brown trong khi chỳng chuyển động hỗn loạn khụng ngừng

Vỡ cỏc hạt Brown cú kớch thước rất bộ (cỡ 1 m) nờn những va chạm của cỏc

phõn tử (nguyờn tử) của mụi trường vào một hạt Brown nào đú từ mọi phớa và trong cựng khoảng thời gian là khụng cõn bằng lẫn nhau Kết quả là tổng xung lượng của cỏc va chạm khỏc khụng ở đõy, xung lượng của lực là đại lượng vectơ đặc trưng cho tỏc dụng của lực trong khụng gian Nú được đo bằng tớch của lực với khoảng thời gian mà lực đú tỏc dụng Xung lượng của lực tỏc dụng lờn vật bằng biến thiờn động lượng của vật

Dưới tỏc dụng của tổng xung lượng này, hạt Brown dịch chuyển theo một hướng nào đú Vỡ cỏc phõn tử chuyển động hỗn loạn, nờn tổng xung lượng này luụn thay đổi về hướng và độ lớn, do đú, quỹ đạo của hạt Brown là đường góy khỳc

Túm lại, nguyờn nhõn của chuyển động Brown là chuyển động nhiệt của phõn tử của mụi trường Chuyển động Brown là một sự kiện thực nghiệm chứng tỏ sự tồn tại chuyển động nhiệt của cỏc hạt cấu tạo nờn mụi trường

Như vậy, đối với cấp 2, 3:

- Nhiệt độ đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn của phõn tử, nguyờn tử chớnh là chuyển động nhiệt

- Đo nhiệt độ bằng nhiệt kế Cỏc loại nhiệt kế: nhiệt kế rượu, nhiệt kế thủy ngõn, nhiệt kế

y tế

- Đo nhiệt độ thụng qua nhiệt giai:

Trang 10

Cú 3 loại nhiệt giai:

+ Nhiệt giai Celsius(C) +Nhiệt giai Fahrenheti(F)

+ Nhiệt giai Kelvil(K)

- Giới hạn nhiệt độ tựy thuộc nhiệt giai tương ứng Đối với nhiệt giai Celsius thỡ nhiệt độ

nằm trong khoảng từ 00C đến 1000C Đối với nhiệt giai Fahrenheti thỡ nhiệt độ nằm trong

khoảng từ 320F đến 2120F ( Sgk -

Vật lớ lớp 6)

1.2.2 Nhiệt độ là hàm của trạng thỏi

Nhiệt độ là thụng số xỏc định trạng thỏi của một lượng khớ, cú mối liờn hệ với cỏc

thụng số khỏc:

- ở một nhiệt độ khụng đổi, tớch của ỏp suất p và thể tớch V của một lượng khớ xỏc

định là một hằng số: pV = const ( Định luật Boyle – Mariotte)

- Với một lượng khớ khụng đổi thỡ ỏp suất p phụ thuộc nhiệt độ của khớ:

Trang 11

Điều này là vụ lớ

Do đú: t = -2730C được gọi là nhiệt độ tuyệt đối

Như vậy đối với chương trỡnh cấp 2,3 đó cú giới hạn của khỏi niệm nhiệt độ xột trong

nhiệt giai Kelvil: từ 0 0 K đến 273 0 K

1.3 Đại học

1.3.1.Vật lớ đại cương

Nhiệt độ là đại lượng cú liờn quan chặt chẽ với mức độ nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn của cỏc phõn tử Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho tớnh chất vĩ mụ của vật, cho sự nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn của cỏc phõn

tử cấu tạo nờn vật đú

Khỏi niệm nhiệt độ được xõy dựng một cỏch định tớnh

Nếu ta gọi độ lớn vận tốc là tốc độ, thỡ v 2 là trung bỡnh của bỡnh phương tốc độ của cỏc phõn tử khớ

Kớ hiệu:

2

0v m

E d  là động năng trung bỡnh của chuyển động tịnh tiến của một phõn tử khớ

Ta cú phương trỡnh cơ bản của hệ động học chất khớ: p n0Ed

d A

E N pV

E V

N p

3232

Trang 12

Kết hợp phương trỡnh trạng thỏi:

T kT

N

R E

RT pV

A

d

2

32

33

10.38,110

.02,6

31,

R k

A

J/độ Vậy: động năng trung bỡnh của chuyển động tịnh tiến của phõn tử tỉ lệ với nhiệt

độ tuyệt đối của khớ, hay núi cỏch khỏc thỡ nhiệt độ tuyệt đối của khớ được xỏc định qua động năng trung bỡnh của chuyển động tịnh tiến của phõn tử khớ Đõy là một ý nghĩa quan trọng của nhiệt độ

Tốc độ của cỏc phõn tử khớ ở một nhiệt độ xỏc định là xỏc định:

1.3.2.Vật lớ thống kờ

Dựa vào cỏc định luật động lực học đưa ra định nghĩa chớnh xỏc về nhiệt độ

- Nguyờn lớ khụng phỏt biểu rằng:

“Với mỗi hệ nhiệt động bất kỡ, tồn tại một đại lượng gọi là nhiệt độ Giỏ trị như nhau của đại lượng này là điều kiện cần và đủ để cú sự cõn bằng nhiệt động giữa hai hệ hay hai phần của cựng một hệ”

Như vậy, nếu hai hệ ở trạng thỏi cõn bằng nhiệt động với nhau thỡ chỳng cú cựng nhiệt độ và ngược lại

Thế nào là cõn bằng nhiệt động?

Trang 13

Giả sử cú hai hệ A và B Hệ A núng và B lạnh Cho hai hệ tiếp xỳc với nhau, ta thấy rằng hệ A sẽ lạnh đi cũn hệ B núng lờn Khi hai hệ này tương tỏc với nhau như vậy, trong mỗi hệ đều cú sự thay đổi về tớnh chất Cụ thể là khi hệ B núng lờn,

ta thấy thể tớch nú nở ra; ngược lại khi hệ A lạnh đi thể tớch nú co lại Tuy nhiờn, cỏc thay đổi này khụng diễn ra mói Đến một lỳc nào đú trong cả hai hệ A và B khụng cũn bất cứ sự thay đổi nào nữa thỡ người ta núi hai hệ đạt tới trạng thỏi cõn bằng nhiệt động Khi hai hệ đó cõn bằng nhiệt động với nhau, ta cảm thấy cần cú cỏi gỡ đú là như nhau trong cả hai hệ Cỏi như nhau đú chớnh là nhiệt độ

- Dựa vào định luật 1 nhiệt động lực học:

“ Nếu hai hệ nhiệt động lực A và B, ở trạng thỏi cõn bằng nhiệt động với hệ nhiệt động lực thứ ba, C, thỡ A và B cũng ở trạng thỏi cõn bằng nhiệt động với nhau” Định luật này rỳt ra từ thực nghiệm, khụng cú cơ sở lớ thuyết Cả ba hệ A, B, C đều ở cựng trạng thỏi cõn bằng nhiệt động, nờn ta cú thể đặt một tớnh chất chung cho trạng thỏi đú gọi là nhiệt độ

Vậy, nhiệt độ là đặc tớnh xỏc định trạng thỏi cõn bằng của hệ nhiệt động lực học

- Dựa vào định luật II nhiệt động lực học:

Xuất phỏt từ định nghĩa Entropy: “Entropy là một hàm trạng thỏi của hệ nhiệt động lực học mà độ biến thiờn khi hệ chuyển từ trạng thỏi I sang trạng thỏi F bằng nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quỏ trỡnh chuyển hệ từ I tới F

Định nghĩa khỏi niệm nhiệt độ dựa trờn khỏi niệm Entropy:

Trang 14

1 2

2

T

Q T

Q dS

T

Q T

Q

- Dựa vào định luật III:

“ Nguyờn lớ độ khụng tuyệt đối gắn liền với sự tụt xuống một trạng thỏi lượng tử

cơ bản khi nhiệt độ của một hệ tiến đến giới hạn của độ khụng tuyệt đối Trạng thỏi của mọi hệ khụng thay đổi tại độ khụng tuyệt đối”

Vậy nguyờn lớ III khẳng định rằng khụng thể đạt được độ khụng tuyệt đối

Núi một cỏch dễ hiểu thỡ vật chất luụn vận động, vận động là thuộc tớnh cố hữu của vật chất, khụng cú vận động nào nằm ngoài vật chất và cũng khụng cú vật chất nào khụng vận động Năng lượng chớnh là đại lượng đỏnh giỏ sự vận

Vật lớ thống kờ cũng đưa ra khỏi niệm nhiệt độ thống kờ là mođun của phõn bố chớnh tắc và được dựng để xỏc định sự phõn bố năng lượng trong tập hợp hệ

Giả sử cú hai hệ đẳng nhiệt cú cỏc hàm phõn bố cú dạng:

,exp

Trang 15

năng lượng thực tế vẫn giữ khụng đổi, và khi ghộp hai hệ, hàm phõn bố cú dạng sau đõy:

1 1 2

2 1

1 2

1



H H

 cần phải giữ khụng đổi( như

trước khi ghộp hai hệ), điều đú chỉ cú thể xảy ra khi1 2, bởi vỡ tổng H1 + H2

giữ khụng đổi Như vậy, khi cú tiếp xỳc nhiệt giữa hai hệ tương tỏc yếu cú mođun

 như nhau và nằm trong trạng thỏi cõn bằng thỡ hệ mới được tạo thành vẫn nằm trong trạng thỏi cõn bằng với suất phõn bố là  Cũn trong trường hợp hai hệ cú mođun  khỏc nhau, thỡ khi cho tiếp xỳc nhiệt giữa hai hệ, sẽ bắt đầu cú sự trao đổi năng lượng giữa hai hệ đú (H1 và H2 thay đổi), và hệ mới tạo thành sẽ khụng nằm trong trạng thỏi cõn bằng, khi đú phõn bố của hệ mới khụng cũn là phõn bố chớnh tắc nữa

Như vậy, mođun  của phõn bố chớnh tắc cú tất cả cỏc tớnh chất căn bản của nhiệt độ tuyệt đối:

a) Khi cho tiếp xỳc nhiệt cỏc hệ cú mođun  giống nhau và trước đú đó ở trạng thỏi cõn bằng nhiệt , thỡ sau khi tiếp xỳc trạng thỏi cõn bằng này vẫn được duy trỡ b) Khi cho tiếp xỳc nhiệt cỏc hệ cú mođun  khỏc nhau và ở trạng thỏi cõn bằng thỡ bắt đầu cú sự chuyển năng lượng từ hệ nọ sang hệ kia và hệ mới tạo thành khụng cũn ở trạng thỏi cõn bằng

c) Mođun  luụn luụn dương giống như nhiệt độ tuyệt đối

Do đú, ta cú thể coi  là đại lượng tương tự của nhiệt độ tuyệt đối, và vỡ vậy, 

được gọi là nhiệt độ thống kờ

Tiêu đề	Khỏi Niệm Nhiệt Độ
Tác giả	Lờ Thị Cỳc
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Văn Khiờm
Trường học	Trường Đại Học Hồng Đức
Chuyên ngành	Khoa Học Tự Nhiên
Thể loại	Bài Tập Lớn
Năm xuất bản	2009
Thành phố	Thanh Hoá

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	275,95 KB