Giáo án 10 nâng cao

Nguyên lý I nhiệt động lực học và sự vận dụng nguyên lý vào các quá trình của khí lý tưởng, vào một số hiện tượng nhiệt.. Bài 58 : NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC MỤC TIÊU Kiến thức Hiểu

Trang 1

CHƯƠNG VIII : CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

NỘI DUNG CỦA CHƯƠNG

Nội năng và hai cách biến đổi nội năng

Nguyên lý I nhiệt động lực học và sự vận dụng nguyên lý vào các quá trình của khí lý tưởng, vào một số hiện tượng nhiệt

Nguyên tắc hoạt động và cấu tạo của động cơ nhiệ và máy lạnh

Nguyên lý II nhiệt động lực học (phát biểu và ý nghĩa)

Bài 58 : NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

MỤC TIÊU

Kiến thức

Hiểu được khái niệm nội năng, nghĩa là biết được:

Hệ đứng yên vẫn có khả năng sinh công do có nội năng

Nội năng bao gồm các dạng năng lượng nào bên trong hệ

Nội năng phụ thuộc vào các thông số trạng thái nào của hệ?

Hiểu được nguyên lý I nhiệt động lực học, biết cách phát biểu nguyên lý thứ nhất, biết cách sử dụng phương trình của nguyên lý

Kỹ năng

Giải thích được khi nào nội năng biến đổi, biết cách biến đổi nội năng

Sử dụng được nguyên lý thứ nhất để giải một số bài tập

CHUẨN BỊ

Giáo viên

Một số thí nghiệm làm biến đổi nội năng

Một số bài tập sau bài và SBT

Học sinh

Ôn lại các khái niệm về công, nhiệt lượng, năng lượng

TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC

Hoạt động 1 (………phút) : KIỂM TRA BÀI CŨ

năng, sự biến đổi cơ năng

- Nhận xét câu trả lời

- Cơ năng là gì? Phát biểu định luật bảo toàn

cơ năng

- Nhận xét câu trả lời của bạn

Trang 2

Hoạt động 2 (………phút) : NỘI NĂNG VÀ CÁCH LÀM BIẾN ĐỔI NỘI NĂNG.

- Hãy mô tả thí nghiệm

đun nước, nắp ấm bật ra

và yêu cầu HS nhận xét

nội năng (Gợi ý cho HS)

- NĐLH không quan tâm

đến bản chất của nội năng

cũng như giá trị tuyệt đối

của nội năng mà chỉ quan

tâm đến sự biến thiên của

nội năng trong quá trình

biến đổi của hệ

- Yêu cầu HS tìm cách

làm biến đổi nội năng của

hệ và cho ví dụ

- Tìm quan hệ giữa nhiệt

lượng và công

- quan sát và rút ra nhận xét

- Nêu được sự phụ thuộc của nội năng vào nhiệt độ và thể tích

- Nêu hai cách và cho ví dụ

- Nhắc lại 1J = 0,24cal 1cal = 4,19J

1 Nội năng

- Nội năng là một dạng năng lượng bên trong của hệ, nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ Nội năng bao gồm tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên hệ

và thế năng tương tác giữa các phân

tử đó

- Kí hiệu : U, đơn vị Jun (J)

- Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của hệ U = f(T, V)

2 Hai cách làm biến đổi nội năng

a) Thực hiện công:

- Trong quá trình thực hiện công có

sự chuyển hóa từ một dạng năng lượng khác sang nội năng

VD : + cọ xát một miếng kim loại trên mặt bàn, miếng kim loại nóng lên, nội năng của vật tăng

+ Nén khí hay cho khí dãn nở, thể tích khí thay đổi, nội năng khí biến thiên

Thực hiện công

b) Truyền nhiệt lượng

- Trong quá trình truyền nhiệt có sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác

- Số đo sự biến thiên nội năng trong quá trình truyền nhiệt là nhiệt lượng

Q = U

- Công thức tính nhiệt lượng

Q = mct

Q : nhiệt lượng thu vào hay tỏa ra (J)

m : khối lượng chất

Trang 3

c : nhiệt dung riêng của chất (J/kg.K)

t : độ biến thiên nhiệt độ (oC hay K)

c) Sự tương đương giữa công và nhiệt lượng

Hoạt động 3 (………phút) : NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

của HS

Nội dung chính của bài

Thông báo : đó là sự vận

dụng định luật bảo toàn và

chuyển hóa năng lượng vào

các hiện tượng nhiệt

Cho HS đọc SGK phần 3,

tìm hiểu nguyên lý I

Hướng dẫn HS tìm ra biểu

thức của nguyên lý và phát

biểu, chú ý phần quy ước

dấu.

- Đọc phần 3 trong SGK, tìm hiểu nguyên

lý I nhiệt động lực học

Ghi nhận công thức (58.2)

- Phát biểu nguyên lý I

3 Nguyên lý I nhiệt động lực học

Nguyên lý I nhiệt động lực học là

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

a) Phát biểu – công thức

Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng đại số nhiệt lượng và công mà hệ nhận được.

U = Q + A

trong đó :

U : độ biến thiên nội năng của hệ

Q, A : các giá trị đại số

b) Quy ước về dấu

Q > 0 : hệ nhận nhiệt lượng

Q < 0 : hệ nhả nhiệt lượng Q

A > 0 : hệ nhận công

A < 0 : hệ sinh công A

c) Phát biểu khác của nguyên lý I NĐLH

Q = U – A

Nhiệt lượng truyền cho hệ làm tăng nội năng của hệ và biến thành công mà hệ sinh ra.

“– A” là công mà hệ sinh ra cho bên ngoài

CỦNG CỐ :

HỆ

Q < 0

Q > 0

Trang 4

Trả lời các câu hỏi từ 1 – 3 trong SGK trang 291.

Làm bài tập 1 – 3 SGK trang 291

Yêu cầu HS đọc thêm “Thí nghiệm của Joule về sự tương đương giữa công và nhiệt lượng” ở trang 292 SGK

- -Bài 59 : ÁP DỤNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

(2 tiết)

MỤC TIÊU

Kiến thức

Hiểu được nội năng của khí lý tưởng chỉ bao gồm tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử trong khí đó Như vậy nội năng của khí lý tưởng chỉ còn phụ thuộc vào nhiệt độ

Biết được công thức tính công của khí lý tưởng

Biết cách vận dụng nguyên lý I vào các quá trình của khí lý tưởng

Kỹ năng

Đoán biết công mà khí thực hiện trong một quá trình qua diện tích trên độ thị (p,V) ứng với quá trình đó

Biết tính cộng mà khí thực hiện, tính nhiệt lượng trao đổi và tính độ biến thiên nội năng trong một số quá trình của khí lý tưởng

CHUẨN BỊ

Giáo viên

Bảng tổng hợp các hệ thức tính công, nhiệt lượng và biến thiên nội năng trong một số quá trình của khí lý tưởng (SGV) Chú ý: Nhiệt dung riêng của chất có giá trị khác nhau tùy theo quá trình đẳng tích hay đẳng áp

Một số bài tập sau bài và trong SBT

Học sinh

Ôn lại các công thức tính công và nhiệt lượng

Nội năng là gì? Các cách làm biến đổi nội năng của hệ

Phát biểu nguyên lý I nhiệt động lực hoc

Giải một bài tập nhỏ

Hoạt động 2 (………phút) : NỘI NĂNG CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

HS

Trang 5

lý tưởng?

tưởng phụ thuộc vào yếu

tố nào?

- Yêu cầu HS đọc phần

1b) để tìm công của khí lý

tưởng

- Yêu cầu HS đọc phần

1c) để tìm công và biểu

thị công đó trên đồ thị

(p,V)

- trả lời : chỉ còn phụ thuộc vào nhiệt độ

- Đọc SGK và tìm ra công thức

- tìm và phân tích

tưởng

a) Nội năng của khí lý tưởng Nội năng của khí lý tưởng chỉ bao gồm tổng động năng của chuyển động hỗn loạn của các phân tử khí, nên nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của khí : U = f(T)

b) Công thức tính công của khí lý tưởng

Khi dãn nở đẳng áp, khí đã thực hiện một công:

A’ = p.V = p(V2 –

V1) Một cách khác, có thể nói khí nhận được một công : – A = A’

c) Biểu thị công trên hệ tọa độ p-V Khi cho khí dãn nở từ thể tích V1

đến V2, áp suất giảm từ p1 đến p2 (từ M N) thì công do khí sinh ra được biểu thị bằng diện tích hình thang cong MNV2V1M

A = SMNV2V1M

Hoạt động 3 (……phút) : ÁP DỤNG NGUYÊN LÝ I NĐLH CHO CÁC QUÁ

TRÌNH.

- yêu cầu HS đọc SGK

phần 2 và rút ra các kết

luận cho từng quá trình - Quá trình đẳng tích :

V = 0  A = 0

 Q = U

- Quá trình đẳng áp

A = pV (V2 > V1)

2 Áp dụng nguyên lý I cho các quá trình của khí lý tưởng

a) Quá trình đẳng tích (V = const) V = 0  A = 0

 Q = U Vậy, trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng

mà khí nhận được chỉ dùng để làm tăng nội năng của khí.

b) Quá trình đẳng áp (p = const)

A = –A’

p1

p2

p

N

M

A’

O

p1

p2

p

O

(2)

(1)

p1

p

O

(2) (1)

V2

A’

Trang 6

Q = U + A’

- Quá trình đẳng nhiệt

T = const  U = 0

 Q = –A = A’

- Chu trình U = 0

 Q = (–A) = A’

= – p(V2 – V1) (V2 > V1) A’ : công mà khí sinh ra

Q = U + A’

Trong quá trình đẳng áp, một phần nhiệt lượng mà khí nhận được dùng để làm tăng nội năng của khí, phần còn lại chuyển thành công mà khí sinh ra.

c) Quá trình đẳng nhiệt (T = const)

T = const  U = 0

 Q = –A = A’

Trong quá trình đẳng nhiệt, toàn

bộ nhiệt lượng mà khí nhận được chuyển hết sang công mà khí sinh ra.

d) Chu trình Chu trình là một quá trình mà trạng thái cuối của nó trùng với trạng thái đầu

U = 0

 Q = (–A) = A’

Tổng đại số nhiệt lượng mà hệ nhận được trong cả chu trình chuyển hết sang công mà hệ sinh ra

p1

p2

p

(2)

(1)

A’

O

p

(2) (1)

O

A’

a

b

Trang 7

trong chu trình đó.

Chiều diễn biến chu trình cùng chiều kim đồng hồ thì khí thực hiện công và ngược lại

Hoạt động 4 (……phút) : BÀI TẬP VẬN DỤNG

- Yêu cầu HS đọc đề bài

SGK trang 297 và tóm tắt

bài toán

- Hướng dẫn HS dựa vào

các kiến thức đã học :

phương trình trạng thái

khí lý tưởng, áp dụng

nguyên lý I NĐLH vào

các quá trình

- Đọc bài và tóm tắt

* Tóm tắt

n = 1,4 mol (1) : T1 = 300K

p1 , V1

(2) : T2 = 350K

p 1 = p 2, V2

Q = 1000J (3) : T3 = T1

p3 , V3 = V2

(4)  (1) a) Vẽ đồ thị p-V b) Tính công khí thực hiện trong qt p = const c) Tính U trong mỗi qt

d) Tính Q trong qt đẳng tích

3 Bài tập vận dụng

a) (1)(2) : quá trình đẳng áp, (2)(3) : quá trình đẳng tích, (3)(1) : quá trình đẳng nhiệt

b) Công khí thực hiện trong quá trình đẳng áp

Ta có A’ = p1.V = p1(V2 – V1) Mặt khác từ phương trình trạng thái

p1.V1 = nRT1

p2.V2 = nRT2

Suy ra A’ = nR(T1 – T2)

= 1,4  8,31  (350 – 300)

= 581,7 (J)

c) Tính độ biến thiên nội năng của mỗi quá trình

- Quá trình đẳng áp (1)(2)

p1

p2

p

(2) (1)

O

(3)

300K

300K 350K

Trang 8

U = Q + A = Q – A’

U = 1000 – 581,7 = 418,3 (J)

- Quá trình đẳng tích (2)(3)

V2 = V3  V = 0  A = 0 Nhiệt độ giảm nên nội năng giảm

U = – 418,3 (J)

- Quá trình đẳng nhiệt (3)(1)

U = 0

d) Áp dụng nguyên lý I NĐLH cho quá trình đẳng tích (2)(3)

U = Q + A

Ta có A = 0 và U = – 418,3 J Vậy Q = – 418,3 J

Như vậy khí nhả ra nhiệt lượng 418,3 J

CỦNG CỐ

- Trả lời các câu hỏi 1, 2, 3 trang 254 SGK

- Giải bài tập 1,2,3,4

Trang 9

- -Bài 59 : NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG

CƠ NHIỆT

MỤC TIÊU

Kiến thức

Biết được nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh; biết được nguồn nóng, nguồn lạnh, tác nhân cùng bộ phận phát động, sinh công ra hay nhận vào ở một số máy hay gặp trong thực tế

Có khái niệm về nguyên lý II nhiệt động lực học, nó liên quan đến chiều diễn biến các quá trình trong tự nhiên, bổ sung cho nguyên I nhiệt động lực học HS cần phát biểu được nguyên lý II NĐLH

Kỹ năng

Nhận biết và phân biệt được nguồn nóng, nguồn lạnh, tác nhân cùng bộ phận phát động, sinh công hay nhận công ở một số máy lạnh thường gặp trong thực tế

CHUẨN BỊ

Giáo viên

Một số hình vẽ trong SGK

Một số máy nhiệt trong thực tế

Học sinh

Ôn lại kiến thức về động cơ nhiệt ở lớp 8

Áp dụng nguyên lý I nhiệt động lực học cho các quá trình

Hoạt động 2 (………phút) : ĐỘNG CƠ NHIỆT

HS

 Thế nào là động cơ

nhiệt?

- Hướng dẫn HS đọc SGK

tìm hiểu cấu tạo của động

cơ nhiệt qua ví dụ

- Đọc SGK và đưa ra định nghĩa

- Đọc SGK và tìm hiểu cấu tạo của động cơ nhiệt và so sánh lại với

ví dụ

Nguồn nóng : nguồn đốt nóng khí

Nguồn lạnh : nguồn nước phun vào đáy xi lanh

Tác nhân : khí + xi

1 Động cơ nhiệt

a) Định nghĩa – Cấu tạo động cơ nhiệt Động cơ nhiệt là thiết bị biến đổi nhiệt lượng sang công

Mỗi động cơ nhiệt đều có 3 bộ phận cơ bản

Nguồn nóng : cung cấp nhiệt lượng (Q1)

Tác nhân và các thiết bị phát động nhận nhiệt, sinh công và tỏa nhiệt Nguồn lạnh : thu nhiệt do tác nhân tỏa

ra (Q2)

Q 1

Q 2

A

Tác nhân và

cơ cấu của

động cơ nhi t nhi t ệt ệt

Trang 10

- Yêu cầu HS tìm hiểu

nguyên tắc hoạt động của

động cơ nhiệt

lanh + pittông

- Qua việc tìm hiểu cấu tạo của động cơ nhiệt để rút ra nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt

- Nêu công thức tính hiệu suất của động cơ nhiệt

b) Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt

Tác nhân nhận nhiệt lượng Q 1 từ nguồn nóng biến một phần thành công A và tỏa phần nhiệt lượng còn lại Q 2 cho nguồn lạnh.

c) Hiệu suất của động cơ nhiệt Hiệu suất của động cơ nhiệt được xác định bằng tỉ số giữa công A sinh

ra với nhiệt lượng Q1 nh n t ngu n nh n t ngu nận từ nguồnận từ nguồn ừ nguồnừ nguồn ồnồn nóng

1

2 1

Q Q Q

A

Hoạt động 3 (………phút) : MÁY LẠNH

HS

 Thế nào là máy lạnh?

- Hướng dẫn HS đọc SGK

tìm hiểu cấu tạo và

nguyên tắc hoạt động của

máy lạnh

3 Máy lạnh

a) Định nghĩa – Nguyên tắc hoạt động Máy lạnh là thiết bị dùng để lấy nhiệt từ một vật và truyền sang vật khác nóng hơn nhờ công từ các vật ngoài

Vật cung cấp nhiệt là nguồn lạnh, vật nhận nhiệt là nguồn nóng, và vật trung gian được gọi là tác nhân, nó nhận công từ vật ngoài

b) Hiệu năng của máy lạnh

- Là tỉ số giữa nhiệt lượng Q2 nhận từ nguồn lạnh với công tiêu thụ A

Q Q

Q A

Q H

2 1

2 2





- Hiệu năng của máy lạnh thường có giá trị lớn hơn 1

Hoạt động 4 (………phút) : NGUYÊN LÝ II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Nguyên lý II bổ sung cho

nguyên lý I Nó đề cập 3 Nguyên lý II nhiệt động lực học“Nhiệt không tự nó truyền từ một

Q 1

Q 2

Tác nhân và

cơ cấu của máy lạnh

A

Trang 11

đến chiều diễn biến của

quá trình, điều mà nguyên

lý I chưa đề cập đến

- Hướng dẫn HS tìm hiểu

động cơ nhiệt loại II

cật sang vật nóng hơn”

hay

“Không thể thực hiện được động

cơ vĩnh cửu loại hai (nói cách khác, động cơ nhiệt không thể biến đổi toàn bộ nhiệt lượng nhận được thành ra công)”

Hoạt động 5 (………phút) : HIỆU SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MÁY NHIỆT

4 Hiệu suất cực đại của máy nhiệt

a) Hiệu suất cực đại của động cơ nhiệt

T

T T H

1

2 1 max





T1 : nhiệt độ nguồn nóng

T2 : nhiệt độ nguồn lạnh

Để nâng cao hiệu suất của động cơ nhiệt, người ta nâng cao nhiệt độ của nguồn nóng hay hạ thấp nhiệt độ nguồn lạnh hoặc thực hiện cả hai b) Hiệu năng cực đại của máy lạnh

T T

T

2 1

2 max







CỦNG CỐ :

Trả lời câu hỏi 1, 2, 3 SGK

Làm các bài tập

- -Tiết bài tập : CHƯƠNG VIII

MỤC TIÊU

Kiến thức

Củng cố lại các kiến thức về Nhiệt động lực học

Vận dụng để giải quyết các hiện tượng nhiệt, bài toán nhiệt

Kỹ năng

Vận dụng được nguyên lý I NĐLH, công thức tính hiệu suất động cơ nhiệt, hiệu năng của máy thu

Áp dụng thành thạo các phương trình trạng thái trong các quá trình

CHUẨN BỊ

Trang 12

Giáo viên

Chuẩn bị một số bài tập SGK và SBT

Học sinh

- Ôn lại toàn bộ kiến thức chương VIII và phương trình trạng thái của khí lý tưởng

Ho t đ ng 1 (………phút) : BÀI T P 1 (BÀI 2/291, SGK)ạt động 1 (………phút) : BÀI TẬP 1 (BÀI 2/291, SGK) ộng 1 (………phút) : BÀI TẬP 1 (BÀI 2/291, SGK) ẬP 1 (BÀI 2/291, SGK)

Hoạt động của GV Hoạt động dự kiến của

- Yêu cầu HS nêu công

thức tính nhiệt lượng nhận

vào hay tỏa ra

- Yêu cầu HS tóm tắt bài

toán

Q = mct

* Tóm tắt

m1 = 100g = 0,1kg

m2 = 300g = 0,3kg

t1 = 20oC

m3 = 75g = 0,075kg

t2 = 100oC

c1 = 880 J/kg.K

c2 = 380 J/kg.K

c3 = 4,19.103 J/kg.K Tìm nhiệt độ cân bằng của cốc nước tcb

Gọi tcb là nhiệt độ khi hệ đạt trạng thái cân bằng nhiệt

- Nhiệt lượng chiếc thìa đồng đã tỏa ra

Qtỏa = m3.c3.(t2 – tcb)

- Nhiệt lượng cốc nhôm và nước đã thu vào

Qthu = (m1.c1 + m2.c2).(tcb – t1) Khi có sự cân bằng nhiệt thì

Qthu = Qtỏa

(m1.c1 + m2.c2).(tcb – t1) = m3.c3.(t2 –

tcb) Thay số vào và giải ra kết quả

tcb = 22oC

Hoạt động 2 (………phút) : BÀI TẬP 2 (BÀI 4/299, SGK)

Hoạt động của GV Hoạt động dự kiến của

- Gọi HS lên bảng tự tóm

tắt và giải bài toán

* Tóm tắt

n = 2,5 mol

T1 = 300K, p1 , V1

T2 , p2 = p1 , V2 = 1,5.V1

Q = 11,04kJ = 11040J Tìm công mà khí thực hiện và độ tăng nội năng

- Công mà khí đã thực hiện trong quá trình đẳng áp

A’ = p.V = p(V2 – V1) = p.0,5V1

Mặt khác p1.V1 = n.R.T1

Do đó công mà khí thực hiện là

A’ = 0,5.n.R.T1

A’ = 0,5.2,5.8,31.300 = 3116,25 J Nói cách khác khí đã nhận công –A = A’

- Áp dụng nguyên lý I NĐLH

U = Q + A = Q – A’

U = 11040 – 3116,25 = 7923,75 J

Hoạt động 3 (………phút) : BÀI TẬP 3 (BÀI 5/307, SGK)

Tiêu đề	Giáo án 10 nâng cao
Trường học	Trường THPT Vũng Tàu
Chuyên ngành	Vật lý
Thể loại	Giáo án
Thành phố	Vũng Tàu

Định dạng
Số trang	13
Dung lượng	199 KB