Giáo án Vật lý 10 bài 33: Các nguyên lí của nhiệt động lực học

Giáo án Vật lý 10 bài 33: Các nguyên lí của nhiệt động lực học tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án,...

Bài 33: CÁC NGUYÊN LÍ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

I MỤC TIÊU

- Kiến thức cơ bản:

+ Phát biểu và viết được nguyên lí I nhiệt động lực học Nêu được tên, đơn vị và qui ước về dấu của các đại lượng trong hệ thức

+ Phát biểu được nguyên lí II Nhiệt động lực học

- Kỹ năng: Vận dụng được nguyên lí Inhiệt động lực học cho các quá trình biến đổi trạng thái chất khí, viết cho quá trình đẳng tích Giải các bài tập đơn giản

II PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN DẠY HỌC

1 Phương pháp: Diễn giảng, đọc sách, thảo luận nhóm, vấn đáp.

2 Phương tiện: Sách giáo khoa, sách giáo viên, sách thiết bài giảng.

III NỘI DUNG VÀ TIẾN TRÌNH LÊN LỚP

1 Kiểm tra bài cũ

- Nội năng là gì?

- Làm thế nào để thay đổi năng?

- Hãy chứng tỏ nội năng của lượng khí lí tưởng phỉ phụ thuộc nhiệt độ

Câu hỏi phụ: Nhiệt lượng là gì? Viết biểu thức, giải thích các đại lượng trong biểu thức

2 Giới thiệu bài mới

Đồng thời với việc tìm hiểu cơ chế vi mô của các hiện tượng nhiệt, người ta tiến hành nghiên cứu các hiện tượng này ở cấp độ vĩ mô, dựa trên ba khái niệm cơ bản là nội năng, công và nhiệt lượng và đã vận dụng thành công những kết quả nghiên cứu này vào khoa học, công nghệ và đời sống Một trong những thành tựu nghiên cứu quan trọng nhất trong lĩnh vực này là việc tìm ra các nguyên lí của nhiệt động lực học

3 Dạy bài mới

Nội dung lưu bảng Thời

gian Hoạt động của thầy Hoạt động của trò

I Nguyên lí I nhiệt

động lực học (NĐLH)

1 Phát biểu nguyên lí

25 phút

- Bây giờ thầy có một khối khí xác định, thầy cho khối khí này chuyển từ trạng thái

I sang trạng thái II bằng cách thầy đem nung hoặc là nén khối khí lại Một em cho thầy biết ở trạng thái thứ II khối khí đã thay đổi cái gì?

- Nguyên nhân nào đã làm nội năng của khối khí thay đổi?

- Vậy chúng ta thấy giữa nội năng, công và nhiệt lượng có mối liên hệ với nhau Mối liên hệ giửa các đại lượng làm biến đổi nội năng gọi là nguyên lí I của NĐLH

- Một em cho thầy biết chúng ta đã được học những định luật bảo toàn nào rồi?

- Chúng ta thấy định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng đã được vận dụng thành công trong cơ học, nguyên lí I của NĐLH chính

là sự vận dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vào cá hiện tượng nhiệt

- Xét trường hợp đơn giản.Thầy có khối khí đựng trong xi lanh có pít tông di chuyển được, thầy truyền

- Nội năng của khối khí

đã thay đổi (Có thể học sinh nói V, p, T của khối khí thay đổi, thay đổi V,

T chính là thay đổi nội năng)

- Nén => thực hiện công

- Nung => truyền nhiệt

- Bảo toàn động lượng và bảo toàn cơ năng

- Nghe và tiếp thu

nhiệt cho khối khí này bằng

cách đôt nó lên Các em hãy

dự đoán xem chuyện gì sẻ

xãy ra?

- Nếu thầy gọi Q là nhiệt

lượng truyền cho chất khí,

U

 là độ tăng nội năng của

chất khí và A là công chất

khí thực hiên lên pít tông thì

theo định luật bảo toàn và

chuyển hóa năng lượng ta có

được mối liên hệ giữa 3 đại

lượng này như thế nào?

- Bây giờ cũng khối khí đó,

thầy không truyền nhiệt nửa

mà thầy ấn pít tông xuống

để nén khối khí lại Các em

hãy suy nghỉ và cho thầy

biết những đại lượng nào

của khối khí đã thay đổi?

- Theo định luật bảo toàn,

công mà thầy truyền cho

khối khí đã chuyển hóa

thành gì rồi? Và mối liên hệ

giữa các đại lượng được thể

hiện như thế nào?

- Cũng khối khí đó thầy vừa

nén và nung khối khí, áp

dụng định luật bảo toàn các

em hãy viết biểu thức thể

hiện mối liên hệ giữa các đại

lượng cho thầy?

- Từ công thức này các em

hãy phát biểu thành lời?

- Đây chính là nội dung của

nguyên lí I NĐLH

- Chất khí nóng lên, nở

ra, đẩy pít tông lên, thực hiện công

- Q U A

hay U  AQ

- V khối khí giảm, U

tăng, T tăng tức là Q tăng

- A U Q

hay U QA

- U  AQ

Độ biến thiên nội năng

của vật bằng tổng công

và nhiệt lượng mà vật

nhận được

Q

A



 Qui ước về dấu A và

Q:

+Q>0: Hệ nhận nhiệt

lượng

+ Q<0: Hệ truyền nhiệt

lượng

+ A>0: Hệ nhận công

+A<0: Hệ thực hiện

công

* Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được

Q A



- Với quy ước về dấu thích hợp, hệ thức trên có thể diễn đạt các quá trình biến đổi trạng thái như 2 ví dụ mà chúng ta đã xét Từ đây chúng ta có quy ước về dấu

- Ở ví dụ thứ nhất, một em hãy cho thầy biết khối khi của chúng ta nhận nhiệt hay tỏa nhiệt? Khối khí đã nhận công hay thực hiện công?

Dấu của Q và A như thế nào?

- Tương tự ở ví dụ thứ 2?

* Quy ước về dấu của nhiệt lượng và công:

+ Q>0: Vật nhận nhiệt lượng;

+ Q<0: Vật truyền nhiệt lượng;

+ A>0: Vật nhận công + A<0: Vật thực hiên công

- Các em hoàn thành câu hỏi C1 trong SGK cho thầy?

- Một em hãy nhận xét câu trả lời của bạn

- Hai em một nhóm hãy hoàn thành câu hỏi C2 trong vòng 1 phút?

- Nhận xét câu phần trả lời của học sinh

- Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công

và nhiệt lượng mà vật nhận được

- Khối khí nhận nhiệt, Q>0

- Khối khí thực hiện công, A<0

- Khối khí nhận công, A>0

- Khối khí tỏa nhiệt, Q<0

- Q>0; A<0; U>0

2 Vận dụng

- Vận dụng nguyên lí I

NĐLH vào quá trình

đẳng tích

- Trong quá trình đẳng

tích nhiệt lượng mà chất

khí nhận được chỉ dùng

làm tăng nội năng Quá

trình đẳng tích là quá

trình truyền nhiệt

Q



Bài tập vận dụng

15 phút

- Sau đây chúng ta vận dụng nguyên lí I NĐLH vào các quá trình biến đổi trạng thái của chất khí

- Xét quá trình đẳng tích của một lượng khí nhất định

- Một em hãy nhắc lại cho thầy, thế nào là quá trình đẳng tích? Cho thầy 1 ví dụ?

- Thầy xét khối khí nung nóng trong một một xi lanh

có pít tông bị khóa chặt Vậy đây là quá trình gì? Một em cho thầy biết khối khí có thực hiên công không? Vì sao?

- Viết biểu thức nguyên lí I NĐLH cho quá trình này?

- Nêu ý nghĩa vật lí của biểu thức vừa thu được?

* Trong quá trình đẳng tích nhiệt lượng mà chất khí nhận được chỉ dùng làm tăng nội năng Quá trình đẳng tích là quá trình truyền nhiệt

- Bài tập vận dụng: Như ví

dụ trong SGK với các đại lượng như sau: Q = 8 J; S = 6cm; F = 50N

- Thảo luận nhóm

- Cá nhân trả lời

- Quá trình đẳng tích; khối khí không thực hiện công, vì pít tông đã bị khóa chặt

- U Q

- Trong quá trình đẳng tích nhiệt lượng mà chất khí nhận được chỉ dùng làm tăng nội năng Quá trình đẳng tích là quá trình truyền nhiệt

- Cá nhân làm sau đó lên

bảng trình bài.

II Nguyên lí II nhiệt

động lực học

1 Nguyên lí II nhiệt

động lực học phút15

- Trong tự nhiên có nhiều quá trình chỉ có thể tự xảy ra theo một chiều xác định, không thể tự xảy ra theo chiều ngược lại mặc dù điều này không vi phạm nguyên

lí I NĐLH

- Thầy ví dụ, thầy thả viên phấn rơi, lúc này cơ năng của viên phấn chuyển hóa thành nội năng của viên

- Học sinh tiếp nhận vấn đề

a Cách phát biểu của

Clau-di-út

Nhiệt không thể truyền

từ một vật sang vật nóng

hơn

b Cách phát biểu của

Các-nô

Động cơ nhiệt không thể

phấn và không khí xung quanh Trong quá trình này năng lượng được bảo toàn

Tuy nhiên lúc này viên phân

có thể tự lấy nội năng của mình và không khí xung quanh để trở lại độ cao mà thầy vừa thả không?

- Xét trường hợp thầy có một chậu nước ở nhiệt độ bình thường, thầy thả một miến kim loại đang nóng ở

1000C Một em cho thầy biết điều gì sẽ xảy ra?

- Vậy có khi nào miếng kim loại nóng thêm còn nhiệt độ của nước giảm thêm không?

- Từ đây một em cho thầy nhận xét

* Nhiệt không thể truyền từ một vật sang vật nóng hơn

Đây cũng là một trong các cách phát biểu của nguyên lí

II NĐLH

- Các em hãy cho thầy một vài ví dụ khác trong quá trình tuyền nhiệt

- Hai em một nhóm hoàn thành câu hỏi C3 trong SGK cho thầy

- Nhóm khác hãy nhận xét câu trả lời của nhóm bạn?

- Ngoài cách phát biểu của Clau-di-ut chúng ta còn có cách phát biểu của Các-nô

về nguyên lí II NĐLH

* Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt

- Nước nóng lên, miếng kim loại nguội đi

- Không thể

- Nhiệt không thể truyền

từ một vật sang vật nóng hơn

- Cá nhân tiếp thu, ghi nhớ

- Cá nhân cho ví dụ

- Hai em một nhóm thảo luận và trả lời

chuyển hóa tất cả nhiệt

lượng nhận được thành

công cơ học

2 Vận dụng

Cấu tạo cơ bản của động

cơ nhiệt:

- Nguồn nóng: để cung

cấp nhiệt lượng

- Bộ phận phát động:

nhận nhiệt sinh công

- Nguồn lạnh: thu nhiệt

do tác nhân tỏa ra

15 phút

lượng nhận được thành công

cơ học

- Hai em một nhóm hoàn thành câu hỏi C4 trong SGK

- Nhóm nào có thể chứng minh được, cách phát biểu trên không vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng?

- Nhóm khác hãy nhận xét phần trả lời của nhóm bạn đã đúng chưa? Bạn giải thích như vậy đã hợp lí chưa?

- Nhận xét câu trả lời của học sinh

- Bây giờ chúng ta vận dụng nguyên lí II để giải thích cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt

Hình dung một động cơ nhiệt đơn giản như sau:

Trong một xilanh có một lượng khí xác định (được gọi là tác nhân sinh công), đang ở trạng thái 1 Muốn cho khí trong xilanh giãn nở sinh công cần cho khí tiếp xúc với một nguồn nhiệt có nhiệt độ cao hơn nó (nguồn nóng) Khí thu nhiệt lượng Q1 và thực hiện công A1 và chuyển sang trạng thái 2 Để cho động cơ nhiệt tiếp tục hoạt động ta phải đưa khí về lại trạng thái ban đầu Muốn vậy, ta phải nhờ ngoại lực nén píttông về vị trí đầu và

- Nhóm khác nhận xét

- Học sinh thừa nhận và ghi nhớ

- Một em đại diện trả lời câu hỏi của nhóm mình thảo luận

- Nhóm khác nhận xét

- Hiệu suất:

1 1

2 1

Q

A Q

Q Q

- Trong đó:

+ Q1(J): Nhiệt lượng lấy

từ nguồn nóng

+ Q2 (J): Nhiệt lượng

nhườn cho nguồn lạnh

+ A Q1Q2(J) : Công

có ích của động cơ

Củng cố và vận dụng: phút10

tốn công A2 Để được lợi về công thì A2 < A1 Muốn thực hiện được điều này phải cho khí trong xilanh khi nén tiếp xúc với nguồn có nhiệt

độ thấp hơn nó, trong quá trình này chất khí nhường nhiệt lượng Q2 cho nguồn lạnh và nhận công A2

- Cấu tạo của động cơ nhiệt phải gồm những bộ phận nào?

- Chúng ta có công thức tính hiệu suất của động cơ nhiệt:

1 1

2 1

Q

A Q

Q Q

- Nêu tên đơn vị các đại lượng có mặt trong biểu thức

- Củng cố và vận dụng:

- Một em hãy nhắc lại nguyên lí I và II NĐLH cho thầy?

- Các em hãy đọc và làm bài tập 8 trong SGK Sau 5 phút

em nào có thể lên bảng giải được thầy sẽ cho điểm, nếu làm không được thầy sẽ gợi ý

- Thầy gợi ý: một em hãy viết cho thầy công thức tính công?

- Trong quá trình này khối

+ Q1(J): Nhiệt lượng lấy

từ nguồn nóng

+ Q2(J): Nhiệt lượng nhườn cho nguồn lạnh + A Q1 Q2(J): Công

có ích của động cơ

- A=Fs=pV

Q>0,A<0

khí của chún ta nhận nhiệt hay tỏa nhiệt? Nhận công hay sinh công? Vậy dấu của

Q và A như thế nào?

4 Củng cố kiến thức:

- Bài học hôm nay các em cần nắm được những nội dung chính sau:

+ Phát biểu và viết được nguyên lí I nhiệt động lực học Nêu được tên, đơn vị và qui ước về dấu của các đại lượng trong hệ thức

+Vận dụng được nguyên lí I nhiệt động lực học cho các quá trình biến đổi trạng thái chất khí, viết cho quá trình đẳng tích Giải các bài tập đơn giản

+ Phát biểu được nguyên lí II Nhiệt động lực học

5 Bài tập về nhà:

+ Về làm các bài tập trong SGK