Bài giảng môn học Vật lý lớp 10 - Bài 58 : Nguyên lý I nhiệt động lực học

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 Hoạt động của GV Hoạt động dự kiến của HS Nội dung chính của bài © Nêu câu hỏi về cơ 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. Hoạt động 2 (phút) : NỘI NĂNG VÀ CÁCH LÀM BIẾN ĐỔI NỘI NĂNG. Hoạt động của GV Hoạt động dự kiến của HS Nội dung chính của bài - Hãy mô tả thí nghiệm đun nước, nắp ấm bật ra và yêu cầu HS nhận xét. © Tìm sự phụ thuộc của 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 Cơ năng Nội năng 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 = DU - Công thức tính nhiệt lượng Q = mcDt Q : nhiệt lượng thu vào hay tỏa ra. (J) m : khối lượng chất (kg) c : nhiệt dung riêng của chất (J/kg.K) Dt : 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 Hoạt động của GV Hoạt động dự kiến 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. HỆ Q < 0 Q > 0 A > 0 A < 0 - 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. DU = Q + A trong đó : DU : 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 = DU – 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 : 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. --------ÉJÊ-------- 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. TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC Hoạt động 1 (phút) : KIỂM TRA BÀI CŨ 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 Hoạt động của GV Hoạt động dự kiến của HS Nội dung chính của bài © Nêu khái niệm của khí lý tưởng? © Vậy nội năng của khí lý tưởng phụ thuộc vào yếu tố nào? V1 V2 V p1 p2 p N M A’ O - 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) - Nêu khái niệm. - trả lời : chỉ còn phụ thuộc vào nhiệt độ. - Đọc SGK và tìm ra công thức. - tìm và phân tích. 1. Nội năng và công của khí lý 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.DV = 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. Hoạt động của GV Hoạt động dự kiến của HS Nội dung chính của bài - yêu cầu HS đọc SGK phần 2 và rút ra các kết luận cho từng quá trình. Va Vb V p (2) (1) O A’ a b - Quá trình đẳng tích : V1 V p1 p2 p O (2) (1) DV = 0 Þ A = 0 Þ Q = DU V1 V p1 p O (2) (1) V2 A’ - Quá trình đẳng áp A = pDV (V2 > V1) Q = DU + A’ V1 V2 V p1 p2 p (2) (1) A’ O - Quá trình đẳng nhiệt T = const Þ DU = 0 Þ Q = –A = A’ - Chu trình DU = 0 Þ SQ = S(–A) = SA’ 2. Áp dụng nguyên lý I cho các quá trình của khí lý tưởng a) Quá trình đẳng tích (V = const) DV = 0 Þ A = 0 Þ Q = DU 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’ = – p(V2 – V1) (V2 > V1) A’ : công mà khí sinh ra Q = DU + 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 Þ DU = 0 Þ 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. DU = 0 Þ SQ = S(–A) = SA’ Tổng đại số nhiệt lượng mà hệ nhận được trong cả chu trình chuyển hết sang công mà hệ sinh ra 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 Hoạt động của GV Hoạt động dự kiến của HS Nội dung chính của bài - 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 p1 = p2 , V2 Q = 1000J (3) : T3 = T1 p3 , V3 = V2 (4) º (1) a) Vẽ đồ thị p-V b) Tính công khí thực hiện trong qt p = const c) Tính DU 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, V1 V2 V p1 p2 p (2) (1) O (3) 300K 300K 350K (3)®(1) : quá trình đẳng nhiệt. b) Công khí thực hiện trong quá trình đẳng áp Ta có A’ = p1.DV = 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) DU = Q + A = Q – A’ DU = 1000 – 581,7 = 418,3 (J) - Quá trình đẳng tích (2)®(3) V2 = V3 Þ DV = 0 Þ A = 0 Nhiệt độ giảm nên nội năng giảm DU = – 418,3 (J) - Quá trình đẳng nhiệt (3)®(1) DU = 0 d) Áp dụng nguyên lý I NĐLH cho quá trình đẳng tích (2)®(3) DU = Q + A Ta có A = 0 và DU = – 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. --------ÉJÊ-------- 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. TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC Hoạt động 1 (phút) : KIỂM TRA BÀI CŨ Áp dụng nguyên lý I nhiệt động lực học cho các quá trình. Hoạt động 2 (phút) : ĐỘNG CƠ NHIỆT Hoạt động của GV Hoạt động dự kiến của HS Nội dung chính của bài Ó Thế nào là động cơ nhiệt? - Hướng dẫn HS đọc SGK tìm hiểu cấu tạo của động cơ nhiệt qua ví dụ. Nguồn nóng T1 Nguồn lạnh T2 Q1 Q2 A Tác nhân và cơ cấu của động cơ nhiệt - Yêu cầu HS tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt - 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 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. 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). b) Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt Tác nhân nhận nhiệt lượng Q1 từ nguồn nóng biến một phần thành công A và tỏa phần nhiệt lượng còn lại Q2 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 nhận từ nguồn nóng. Hoạt động 3 (phút) : MÁY LẠNH Hoạt động của GV Hoạt động dự kiến của HS Nội dung chính của bài Ó Thế nào là máy lạnh? Nguồn nóng T1 Nguồn lạnh T2 Q1 Q2 Tác nhân và cơ cấu của máy lạnh A - 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 - Hiệu năng của máy lạnh thường có giá trị lớn hơn 1. Hoạt động 4 (phút) : NGUYÊN LÝ II NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Hoạt động của GV Hoạt động dự kiến của HS Nội dung chính của bài Nguyên lý II bổ sung cho nguyên lý I. Nó đề cập 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. 3. Nguyên lý II nhiệt động lực học “Nhiệt không tự nó truyền từ một 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 Hoạt động của GV Hoạt động dự kiến của HS Nội dung chính của bài 4. Hiệu suất cực đại của máy nhiệt a) Hiệu suất cực đại của động cơ nhiệt 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 CỦNG CỐ : Trả lời câu hỏi 1, 2, 3 SGK Làm các bài tập. --------ÉJÊ-------- 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 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. TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC Hoạt động 1 (phút) : BÀI TẬP 1 (BÀI 2/291, SGK) Hoạt động của GV Hoạt động dự kiến của HS Nội dung chính của bài - Yêu cầu HS nêu công thức tính nhiệt lượng nhận vào hay tỏa ra. - Yêu cầu HS tóm tắt bài toán Q = mcDt * 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 HS Nội dung chính của bài - 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.DV = 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 DU = Q + A = Q – A’ DU = 11040 – 3116,25 = 7923,75 J Hoạt động 3 (phút) : BÀI TẬP 3 (BÀI 5/307, SGK) Hoạt động của GV Hoạt động dự kiến của HS Nội dung chính của bài - Gọi HS lên bảng tự tóm tắt và giải bài toán. * Tóm tắt H = ½ Hmax T1 = 227 + 273 = 500K T2 = 77 + 273 = 350K t = 1h = 3600s m = 700 kg q = 31.106 J/kg Tính công suất của máy hơi nước. Ta có Công mà máy hơi nước đã thực hiện trong 1h là Þ A = A = A = 3255´106 (J) Công suất của máy hơi nước P = CỦNG CỐ : Làm các bài tập SBT. --------ÉJÊ--------