CHƯƠNG 2 : Thiết kế tiến trình dạy học dự án

Phát biểu được định nghĩa nội năng trong nhiệt động lực học. Chứng minh được nội năng của một vật phụ thuộc nhiệt độ và thể tích. Nêu được các ví dụ cụ thể về thực hiện công và truyền nhiệt. Viết được công thức tính nhiệt lượng vật thu vào hay tỏa ra, nêu được tên và đơn vị của các đại lượng có mặt trong công thức. Giải thích được một cách định tính một số

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH DẠY HỌC CHƯƠNG “CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC” THEO ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRỂN NĂNG LỰC VẬN

DỤNG KIẾN THỨC KĨ NĂNG VÀO THỰC TIỄN

2.1 Phân tích chương trình, nội dung dạy học chương “Cơ sở Nhiệt động lực học”

2.1.1 Mục tiêu dạy học chương “Cơ sở Nhiệt động lực học”

- Phát biểu được định nghĩa nội năng trong nhiệt động lực học

- Chứng minh được nội năng của một vật phụ thuộc nhiệt độ và thể tích

- Nêu được các ví dụ cụ thể về thực hiện công và truyền nhiệt

- Viết được công thức tính nhiệt lượng vật thu vào hay tỏa ra, nêu được tên và đơn

vị của các đại lượng có mặt trong công thức

- Giải thích được một cách định tính một số hiện tượng đơn giản về sự biến thiên nội năng

- Vận dụng được công thức tính nhiệt lượng để giải các bài tập ra trong bài và các bài tập tương tự

- Phát biểu và viết được hệ thức của nguyên lí I nhiệt động lực học (NĐLH); nêu được tên, đơn vị và quy ước về dấu của các đại lượng trong hệ thức

- Vận dụng được nguyên lí I NĐLH để giải các bài tập ra trong bài học và các bài tập tương tự

- Nêu được ví dụ về quá trình không thuận nghịch

- Phát biểu được nguyên lí II NĐLH

III Bảng nội dung kiến thức chương “Cơ sở Nhiệt động lực học”

Nội năng là 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

02 Nhiệt năng Nhiệt năng là một phần của nội năng Đối với khí lí tưởng, nhiệt năng đồng nhất với nội năng

03 Nhiệt lượng Nhiệt lượng là phần nội năng mất đi hay nhận được trong quá trình truyền nhiệt: ∆𝑈 = 𝑄

04 Các cách làm thay đổi

nội năng

- Thực hiện công: ∆𝑈 = 𝐴

- Truyền nhiệt: ∆𝑈 = 𝑄

05 Nguyên lí I Nhiệt động

lực học

• Nguyên lí I nhiệt động lực học : Độ biến thiên nội năng U của hệ bằng tổng đại số nhiệt

lượng Q và công A mà hệ nhận được

U = A +Q

• Nếu Q > 0, thì hệ nhận nhiệt lượng Nếu Q < 0, thì hệ nhả nhiệt lượng Nếu A > 0, thì hệ nhận công Nếu A < 0, thì hệ sinh công

• Đơn vị của các đại lượng U, A, Q là jun (J)

06

Vận dụng được mối

quan hệ giữa nội năng

với nhiệt độ và thể tích

Giải thích các quá trình trong chu trình của khí lí tưởng

- Quá trình đẳng tích (A = 0) : Q = U

để giải thích một số

hiện tượng có liên

quan

- Quá trình đẳng áp: Q = U + A’

- Quá trình đẳng nhiệt (U=0) : Q = - A = A’

Trong các công thức trên, Q là nhiệt lượng hệ nhận được, U là độ tăng nội năng của hệ, A’

là công mà hệ sinh ra, A là công hệ nhận vào

- Với một chu trình vì U = 0 nên Q = - A =A’ (công sinh ra) : Tổng đại số nhiệt lượng mà

hệ nhận được trong cả chu trình chuyển hết thành công mà hệ sinh ra trong chu trình đó

07

Giải được bài tập vận

dụng nguyên lí I của

Nhiệt động lực học

Biết cách tính công và nhiệt lượng trong các quá trình nhiệt và cả chu trình của chất khí lí tưởng

08 Nguyên lí II Nhiệt

động lực học

Nhiệt không tự nó truyền từ một vật sang vật khác nóng hơn

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

09

- Động cơ nhiệt

- Máy lạnh

- Hiệu suất

- Hiệu năng

- Động cơ nhiệt là thiết bị biến đổi nhiệt lượng sang công

- Máy lạnh là một thiết bị dùng để lấy nhiệt từ một vật này truyền sang vật khác nóng hơn nhờ nhận công từ các vật ngoài

- Hiệu năng của máy lạnh  bằng tỉ số giữa lượng nhiệt nhận từ nguồn lạnh Q2 và công tiêu thụ A

2 Q A

 =

- Hiệu suất của động cơ nhiệt : = = 1 − 2

A ' H

1 2 max

1

H

T

−

Hiệu năng của máy lạnh : 2 2

1 2

2 max

1 2

T

10

Giải thích được sự

chuyển hóa năng

lượng trong động cơ

nhiệt và máy lạnh

Ở động cơ nhiệt, tác nhân nhận nhiệt Q1 từ nguồn nóng, biến một phần thành công A’ và toả phần nhiệt lượng Q2 cho nguồn lạnh

- Ở máy lạnh, tác nhân nhận công A và nhận nhiệt Q2 từ nguồn lạnh, và truyền nhiệt Q1 cho nguồn nóng

2.1.2 Những nội dung khoa học liên quan đến nội dung dạy học

1 Các khái niệm: “nội năng, nhiệt năng, nhiệt lương, nhiệt” vẫn là những khái niệm thường gây tranh cãi vì có những cách hiểu khác nhau

- Nội năng theo nghĩa rộng là toàn bộ năng lượng bên trong của vật bao gồm cả động năng và thế năng của phân tử, động năng và thế năng của các nguyên tử trong phân

tử, năng lượng hạt nhân nguyên tử… Tuy nhiên, trong nhiệt động lực học người ta không quan tâm đến toàn bộ nội năng của vật mà chỉ chú ý tới biến thiên nội năng của vật khi vật chuyển trạng thái này chỉ có động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật thay đổi Do đó, để đơn giản trong nhiệt động lực học có thể coi nội năng là dạng năng lượng chỉ bao gồm động năng của chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật và thế năng tương tác giữa chúng Với định nghĩa trên, nội năng là hàm trạng thái nhiệt của vật, nghĩa là ứng với mỗi trạng thái nhiệt, vật có một nội năng xác định

- Nhiệt năng trong SGK Vật lí 8, cũng như trong nhiều SGK Vật lí THPT trên thế

giới được hiểu là năng lượng của “chuyển động nhiệt”, nghĩa là động năng của

chuyển động của các phân tử cấu tạo nên vật Theo cách hiểu này thì nhiệt năng là một phần của nội năng Đối với khí lí tưởng thì nhiệt năng đồng nhất với nội năng

Có một số SGK Vật lí THCS của một số nước coi nhiệt năng là nội năng hiểu theo nghĩa hẹp đã được trình bày ở trên Cách hiểu này không gặp trở ngại trong việc tìm hiểu một cách định tính các hiện tượng nhiệt ở trình độ THCS như sự truyền nhiệt,

sự biến đổi nhiệt năng thành cơ năng, động cơ nhiệt… Tuy nhiên khi đề cập đến các nguyên lí nhiệt động lực học thì sẽ gặp khó khăn

- Nhiệt lượng vẫn được hiểu là phần nội năng mà vật nhận được hay mất đi trong quá trình truyền nhiệt: ∆𝑈 = 𝑄 Nhiệt lượng chỉ là lượng năng lượng được trao đổi trong quá trình truyền nhiệt, không phải là một dạng năng lượng vì năng lượng luôn luôn tồn tại cùng với vật chất, xác định trạng thái của vật chất, còn nhiệt lượng chỉ xuất hiện khi có sự truyền nhiệt từ vật này sang vật khác, nghĩa là khi có sự chuyển

từ trạng thái này sang trạng thái khác Khi không có sự biến đổi trạng thái của vật thì không có nhiệt lượng

- Các khái niệm nhiệt lượng, nhiệt dung, nhiệt dung riêng đều là những khái niệm của “thuyết chất nhiệt” Tuy nhiên, do thói quen tới nay người ta vẫn sử dụng những khái niệm này mặc dù không công nhận thuyết chất nhiệt

- Xét về cơ chế vi mô thì sự truyền nhiệt thực chất là sự truyền động năng bởi chuyển động hỗn loạn của các hạt Do đó một số SGK Vật lí, nhất là Vật lí THCS cũ đã định

nghĩa nhiệt lượng là lượng nhiệt năng mà vật nhận thêm hay mất đi trong quá trình truyền nhiệt Còn sự truyền nhiệt thì được coi là sự truyền nhiệt năng Tuy nhiên,

với cách định nghĩa này sẽ gặp khó khăn khi chuyển sang nghiên cứu các nguyên lí của nhiệt động lực học với hệ thức ∆𝑈 = 𝑄 Do đó, trong SGK, vẫn giữ lại định nghĩa cũ của nhiệt lượng

- Thực hiện công và truyền nhiệt đều là các hình thức làm biến đổi nội năng Sự khác nhau của hai hình thức truyền năng lượng này không chỉ ở chỗ, thực hiện công là hình thức truyền năng lượng có cơ chế vĩ mô (truyền năng lượng giữa các vật thể vĩ mô), gắn với sự chuyển dời có định hướng của vật, truyền nhiệt là hình thức truyền năng lượng có cơ chế vi mô (truyền năng lượng trực tiếp giữa các nguyên tử, phân

tử chuyển động hỗn loạn) mà còn ở chỗ thực hiện công có thể trực tiếp dẫn đến sự tăng một dạng năng lượng bất kì của hệ, còn truyền nhiệt chỉ dẫn đến sự tăng nội năng rồi sau đó nội năng mới biến đổi sang dạng năng lượng khác Sự khác nhau về

“chất” này của hai hình thức truyền năng lượng có liên quan đến những vấn đề về công nghệ biến đổi năng lượng, về hiệu suất của máy nhiệt…

Các khái niệm nhiệt năng, thực hiện công, truyền nhiệt, nhiệt lượng: công thức tính nhiệt lượng đều đã được học ở lớp 8, nên nội dung này thực chất chỉ là bài ôn tập có

đề cao những khái niệm cơ bản của nhiệt động lực học [3, trang 162-163]

2 Thực ra, nguyên lí I được tìm ra độc lập với định luật bảo toàn năng lượng Tuy nhiên, về bản chất thì nguyên lí I NĐLH là sự vận dụng định luật bảo toàn năng

lượng vào NĐLH Do đó một số SGK gọi nguyên lí này là “Định luật bảo toàn năng lượng trong NĐLH”

Trong NĐLH ta chỉ quan tâm đến các quá trình biến đổi trạng thái do thực hiện công và truyền nhiệt, nghĩa là chỉ liên quan đến cơ năng và nội năng Do đó, độ biến thiên năng lượng toàn phần của hệ bao gồm cơ năng và nội năng khi hệ chuyển

từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 là:

(𝐸2+ 𝑈2) − (𝐸1+ 𝑈1) = 𝐴 + 𝑄 Thường thì trong các quá trình NĐLH, cơ năng của hệ đối với hệ quy chiếu ngoài thay đổi không đáng kể và có thể bỏ qua Do đó, ta có:

𝑈2− 𝑈1 = 𝐴 + 𝑄

Vì nội năng là hàm đơn giá của trạng thái, nên dù hệ chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 bằng bất kì quá trình nào thì độ biến thiên nội năng của hệ ∆𝑈 =

𝑈2− 𝑈1 vẫn chỉ có một giá trị xác định

∆𝑈 = 𝐴 + 𝑄

Đó chính là hệ thức của nguyên lí I NĐLH

Có hai cách phát biểu và viết hệ thức của nguyên lí I NĐLH thường được dùng trong các SGK Vật lí THPT Mỗi cách đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng

- Cách thứ nhất: Nhiệt lượng truyền cho vật làm biến đổi nội năng của vật và biến thành công mà vật thực hiện lên các vật khác:

𝑄 = ∆𝑈 + 𝐴 Với cách phát biểu này thì quy ước về dấu đối với Q và A sẽ ngược nhau (𝑄 >

0 khi hệ nhận nhiệt lượng, còn 𝐴 < 0 khi hệ nhận công), nhưng quy ước về dấu của

A này lại phù hợp với dấu của A trong công thức tính công chất khí thực hiện được:

𝐴 = 𝑝 ∆𝑉 (khi chất khí dãn nở thực hiện công thì 𝑉2 > 𝑉1 và ∆𝑉 > 0 Suy ra: 𝐴 > 0; khi chất khí nhận được công bên ngoài làm nén khí thì 𝑉2 < 𝑉1 và 𝐴 < 0)

- Cách thứ hai: Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt mà hệ nhận được:

∆𝑈 = 𝐴 + 𝑄 Cách phát biểu này gắn với định luật bảo toàn năng lượng hơn, có sự thống nhất giữa quy ước về dấu đối với Q và A, nhưng lại trái với dấu của A trong công thức tính công chất khí thực hiện lên vật khác

Vì cách phát biểu sau gần gũi với định luật bảo toàn năng lượng và dễ nhớ quy ước về dấu hơn, lại phù hợp với cách phát biểu của nhiều giáo trình vật lí ở đại học nên nhiều SGK Vật lí THPT trên thế giới đã chọn cách này

Cũng có thể găp nhiều dạng phát biểu khác của nguyên lí I NĐLH Sau đây là một vài ví dụ thường gặp

- “Nội năng của hệ là một hàm trạng thái” Cách phát biểu này cũng chính là vận dụng định luật bảo toàn năng lượng vào NĐLH Thực vậy, nếu mỗi trạng thái của hệ có thể có nhiều giá trị khác nhau của nội năng thì có thể khai thác phần nội năng khác nhau này mà hệ vẫn không thay đổi, nghĩa là có thể thu năng lượng từ hư

vô Điều này vi pham định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng Nếu công nhận định luật bảo toàn thì cũng phải công nhận nội năng là hàm trạng thái

- “Không thể thực hiện được động cơ vĩnh cửu loại 1” Động cơ vĩnh cửu loại

1 là động cơ có thể sinh công mà không cần tiêu thụ năng lượng hoặc tiêu thụ năng lượng ít hơn công sinh ra Trong động cơ, hệ thực hiện các chu trình, nên ∆𝑈 = 0

Hệ thức:

∆𝑈 = 𝑄 + 𝐴 cho thấy nếu ∆𝑈 = 0 thì 𝑄 = −𝐴, nghĩa là công thực hiện được phải bằng năng lượng tiêu thụ và không thể có động cơ vĩnh cửu loại 1 Hai cách phát biểu nguyên lí I là hoàn toàn phù hợp nhau

- Nguyên lí I NĐLH còn giúp ta thấy rõ mối quan hệ giữa công và năng lượng Nếu công nhận nguyên lí này, nghĩa là công nhận “Công” chỉ là số đo độ biến thiên

của “năng lượng” thì về mặt logic không thể dùng khái niệm công để định nghĩa

khái niệm năng lượng như đôi khi người ta vẫn làm

- Có rất nhiều cách phát biểu nguyên lí II NĐLH Trong SGK chỉ đưa ra hai cách phát biểu đơn giản nguyên lí này Cách phát biểu thứ hai trong SGK dẫn đến công thức 𝐻 =|𝐴|

𝑄 =𝑄1 −𝑄2

𝑄1 < 1 Theo nguyên lí Các - nô (Carnot) thì: 𝑄1 −𝑄2

𝑇1−𝑇2

𝑇1 = 1 − 𝑇2

𝑇1 Vì 𝐻 < 1 nên 1 − 𝑇2

𝑇1 < 1 , nghĩa là không có trường hợp 𝑇2 ≤ 0: Không thể thực hiện được nhiệt độ bằng hoặc thấp hơn 0 K Đây là một trong nhiều cách phát biểu của nguyên lí II NĐLH [3, trang 165 - 167]

2.1.3 Sơ đồ logic nội dung dạy học chương “Cơ sở Nhiệt động lực học”

CƠ SỞ NHIỆT

ĐỘNG LỰC HỌC

NHIỆT LƯỢNG KHÁI NIỆM

NGUYÊN LÝ

NỘI NĂNG

ỨNG DỤNG

ĐỘNG CƠ NHIỆT MÁY LẠNH MÁY NHIỆT

NGUYÊN LÝ 1 NGUYÊN LÝ 2 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

VẬN DỤNG NGUYÊN LÝ 1

Sơ đồ 2.1

2.1.4 Những nội dung của chương “Cơ sở Nhiệt động lực học” có thể thiết kế hoạt động dạy học nhằm phát triển năng lực vận dụng kiến thức vào thực tiễn cho học sinh

Nội dung kiến thức Nội dung cần vận dụng vào thực tiễn

1 Nội năng

- Các hiện tượng trong đời sống hằng ngày có liên quan đến sự thay đổi nội năng: nắp nước đẩy lên khi đun sôi, cọ xát đồng xu, đóng đinh vào

gỗ, bơm xe đạp,…

- Các cách làm thay đổi nội năng; liên hệ với các đẳng quá trình đã học ở chương V

- Áp dụng công thức tính nhiệt lượng để tính được lượng nước sôi ở thực tế

2 Các nguyên lí Nhiệt động

lực học

- Vận dụng quy ước về dấu của nguyên lí I để tính toán được công, nhiệt lượng

- Chỉ rõ được 3 bộ phận cơ bản của các loại động

cơ nhiệt gần gũi: xe máy, ô tô, máy gặt

- Ảnh hưởng của động cơ nhiệt đối với môi trường

2.1.5 Thiết kế hệ thống CH - BT, dạy học dự án vận dụng kiến thức liên hệ thực tiễn để dạy học chương “Cơ sở Nhiệt động lực học”

2.1.5.1 Nguyên tắc thiết kế CH - BT, dạy học dự án vận dụng kiến thức vào thực tiễn

- Đảm bảo cho học sinh nắm vững kiến thức, kĩ năng Vật lí để có thể vận dụng vào thực tiễn

- Các CH - BT được sắp xếp theo nguyên tắc đảm bảo tính hệ thống, theo một logic chặt chẽ, phù hợp với mục đích lí luận dạy học

- Các CH - BT phải đảm bảo tỉ lệ phù hợp giữa cái đã biết với cái chưa biết về đối tượng nhận thức và phù hợp với chủ đề nhận thức nhất định

- Ngôn ngữ của CH và các lệnh trong BT phải rõ ràng để tránh việc hiểu CH theo những cách khác nhau, đảm bảo tính đơn trị của CH

- CH - BT phải hạn chế phạm vi tìm tòi các dữ liệu phù hợp với điều kiện trang thiết

bị dạy học ở trường phổ thông

- Hệ thống CH - BT phải phù hợp với tiến trình dạy - học với các khâu của quá trình dạy học

- Chú trọng đến các kiến thức liên hệ được với thực tiễn

2.1.5.2 Một số CH - BT phát triển năng lực vận dụng kiến thức liên hệ thực tiễn cho HS trong dạy học chương “Cơ sở Nhiệt động lực học”

Qua nghiên cứu các tài liệu, tôi đã xây dựng một số câu hỏi trong chương này như sau:

a Nội năng:

CH1: Khi đang đóng đinh vào gỗ, mũ đinh có nóng lên nhưng rất ít Khi đinh đã đóng chắc vào gỗ rồi (không lún thêm được nữa), chỉ cần đóng thêm vào vài nhát búa là mũ đinh đã nóng lên rất nhiều Hãy giải thích?

CH2: Khi đun nước, ta thấy có hiện tượng nắp ấm bị đẩy lên khi ấm nước sôi Hãy giải thích?

CH3: Tại sao các vật nóng khi bỏ vào nước sẽ nguội nhanh hơn khi bỏ ngoài không khí?

CH4: Khi dùng bơm tay để bơm xe đạp, thân chiếc bơm lại bị nóng lên và nó nóng lên càng nhanh khi lốp xe đã gần căng hơi? Tại sao?

CH5: Thả một con cá nhỏ còn sống vào một ống nghiệm thuỷ tinh đựng đầy nước Dùng ngọn đèn cồn đun nóng phần trên gần miệng ống cho đến khi nước ở trên miệng ống sôi, ta vẫn thấy con cá bơi lội ở dưới Tại sao?

CH6: Vì sao ngọn lửa bao giờ cũng hướng lên phía trên?