Bài soạn Vật lý lớp 10 - Chương VIII: Cơ sở của nhiệt động lực học

Chương VIII. Cơ sở của nhiệt động lực học Bài 58 Nguyên lí i nhiệt động lực học I – Mục tiêu 1. Về kiến thức – Xây dựng được khái niệm nội năng và phải trả lời được câu hỏi nội năng là gì ? – Tìm được độ lớn của nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật. – Học sinh phải trả lời được câu hỏi nội năng phụ thuộc vào các đại lượng nào ? – Học sinh hiểu được năng lượng chuyển hoá từ cơ năng sang nội năng, và thu được nhiệt lượng. Nếu Q = A thì năng lượng của hệ được bảo toàn. – Học sinh hiểu được định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng trong nhiệt học, một lần nữa được nghiệm đúng và được ôn lại. 2. Về kĩ năng – Vận dụng nguyên lí I nhiệt động lực học để giải thích các hiện tượng vật lí và giải các bài tập liên quan. II – Chuẩn bị Giáo viên – Bốn bộ cái xilanh, bốn cốc nước nóng. – Bảng cấu tạo phân tử. Học sinh – Ôn lại khái niệm công, nhiệt lượng, năng lượng, thuyết động học phân tử về chất khí, ... đã được học ở THCS. III – thiết kế hoạt động dạy học Hoạt động của học sinh Trợ giúp của giáo viên Hoạt động 1. Kiểm tra, chuẩn bị điều kiện xuất phát. Đề xuất vấn đề Cá nhân trả lời. Câu trả lời có thể là : cơ năng, điện năng, nhiệt năng, ... Cá nhân nhận thức được vấn đề cần nghiên cứu. – Hãy kể tên các dạng năng lượng đã được học ? Nếu để ý đến bên trong vật còn một dạng năng lượng khác, đó chính là nội năng. Vậy nội năng là gì ? Nó phụ thuộc những thông số nào ? Có thể biến đổi nội năng được không ? Hoạt động 2. Xây dựng khái niệm nội năng – Cơ năng bằng không, vì động năng bằng không và thế năng bằng không. – Vì các phân tử chuyển động hỗn độn và không ngừng nên có động năng. Cá nhân tiếp thu, ghi nhớ. – Ta xét một vật nằm yên trên mặt đất. Nếu chọn mặt đất làm gốc thế năng. Khi đó cơ năng của vật có độ lớn bằng bao nhiêu ? Một vật nằm yên trên mặt đất thì cơ năng bằng không. Nhưng nếu để ý các phân tử cấu tạo nên vật thì liệu vật có dạng năng lượng nào khác không ? Nếu có thì độ lớn của nó phụ thuộc vào các yếu tố nào ? Định hướng của GV : – Quan sát bảng vẽ về cấu tạo phân tử các chất và cho biết các phân tử cấu tạo nên vật có tính chất gì ? – Nếu chú ý tới các phân tử cấu tạo nên vật thì chúng có những dạng năng lượng nào ? Thông báo : Nếu chọn phân tử này làm gốc thế năng, thì giữa hai phân tử có thế năng gọi là thế năng tương tác giữa chúng. Cá nhân tiếp thu, ghi nhớ. – Các phân tử chuyển động vì nhiệt nên có động năng. Nếu thay đổi nhiệt độ thì động năng của các phân tử thay đổi. – Thế năng tương tác giữa các phân tử thay đổi khi ta thay đổi khoảng cách giữa các phân tử đó. – Nếu thay đổi thể tích của vật thì khoảng cách các phân tử thay đổi, dẫn đến thế năng cũng thay đổi. Qua nghiên cứu cho thấy, các khối chất có năng lượng bên trong. Dạng năng lượng này được gọi là nội năng. GV thông báo khái niệm nội năng. – Độ lớn của nội năng phụ thuộc vào những yếu tố nào ? Định hướng của GV : – Muốn biết nội năng phụ thuộc vào những yếu tố nào ta tìm hiểu xem động năng của các phân tử và thế năng của các phân tử phụ thuộc vào những yếu tố nào ? – Do đâu mà các phân tử có động năng ? Khi nào thì động năng của các phân tử thay đổi ? – Khi nào thì thế năng tương tác giữa các phân tử thay đổi ? – Nếu thay đổi thể tích của vật thì khoảng cách các phân tử có thay đổi không ? Kết luận : Nội năng của vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của vật U = f(T,V) – Vậy ta có kết luận gì về độ lớn của nội năng ? Hoạt động 3. Nghiên cứu các cách làm biến đổi nội năng – Từ phương trình U = f(T,V), muốn thay đổi U thì có thể thay đổi T hoặc V của vật. – Thực hiện công nén pit-tông để thay đổi thể tích khối khí. Nếu nút cao su của xilanh bị bật ra tức là nội năng của khối khí tăng và sinh công làm cho nút cao su bật ra. – Truyền nhiệt cho khối khí bằng cách ngâm xilanh vào nước nóng. Nếu pit-tông bị dịch chuyển tức là nội năng của khối khí tăng. – Kết quả thí nghiệm phù hợp với suy diễn lí thuyết. ở trên ta đã biết nội năng là gì và nội năng phụ thuộc vào những yếu tố nào. Bây giờ chúng ta nghiên cứu xem có cách nào làm thay đổi nội năng của một vật ? Định hướng của giáo viên : – Nội năng của vật phụ thuộc vào yếu tố nào ? – Muốn thay đổi nội năng của vật phải làm thế nào ? Thông báo : Như vậy theo suy diễn lí thuyết cần phải thực hiện công hay truyền nhiệt cho vật thì sẽ làm biến đổi nội năng của khối khí. Cho HS xem một khối khí được nhốt trong một xilanh. Yêu cầu HS đề xuất cách tiến hành thí nghiệm để kiểm tra suy diễn lí thuyết ở trên ? GV phát dụng cụ thí nghiệm cho HS. Yêu cầu tiến hành thí nghiệm và báo cáo kết quả. Hoạt động 4. Xây dựng nguyên lí I nhiệt động lực học – áp dụng định luật bảo toàn năng lượng, ta có : Độ năng nội năng của hệ bằng tổng đại số nhiệt lượng và công mà hệ nhận được. – Nhiệt lượng truyền cho hệ làm tăng nội năng của hệ và biến thành công mà hệ sinh ra. Cá nhân tiếp thu, ghi nhớ. Thông báo : Từ thí nghiệm ở trên ta thấy : Khi cung cấp nhiệt lượng cho khối khí thì nội năng của khối khí tăng và khối khí sinh công làm chuyển động nắp pit-tông. – Nếu như ta vừa cung cấp nhiệt lượng cho khối khí và vừa thực hiện công để ấn nắp pit-tông xuống thì nội năng của khối khí được xác định bằng biểu thức toán học cụ thể nào ? Thông báo : Kết quả chúng ta vừa tính được chính là biểu thức của nguyên lí I nhiệt động lực học. Biểu thức được biến đổi tương đương : – Phát biểu thành lời biểu thức trên ? Để áp dụng biểu thức này cho các quá trình truyền nhiệt khác với quy ước về dấu như sau : A > 0 A < 0 Q < 0 Q > 0 Vật Trong đó : Q > 0 : Hệ nhận nhiệt lượng. Q < 0 : Hệ nhả nhiệt lượng . A < 0 : Hệ sinh công . A > 0 : Hệ nhận công. > 0 : Nội năng của hệ tăng. < 0 : Nội năng của hệ giảm. Hoạt động 5. Củng cố bài học và định hướng nhiệm vụ học tập tiếp theo Cá nhân nhận nhiệm vụ học tập. – Khái niệm nội năng ? Các cách làm thay đổi nội năng ? – Phát biểu nguyên lí I nhiệt động lực học. – Làm bài tập củng cố : GV phát phiếu học tập cho HS. Yêu cầu HS làm việc cá nhân sau đó báo cáo kết quả. Phiếu học tập Câu 1. Câu nào sau đây là không đúng khi nói về nội năng ? A. Nội năng là một dạng năng lượng. B. Nội năng có thể chuyển hoá thành các dạng năng lượng khác. C. Nội năng là nhiệt lượng của vật. D. Nội năng của một vật có thể tăng lên hay giảm đi. Câu 2. Chỉ ra phát biểu đúng của nguyên lí I nhiệt động lực học ? A. Độ tăng nội năng bằng tổng nhiệt lượng cung cấp cho hệ và công thực hiện lên hệ đó. B. Độ tăng nội năng bằng tổng nhiệt lượng cung cấp cho hệ và công thực hiện bởi hệ đó. C. Nhiệt lượng cung cấp cho hệ bằng tổng độ tăng nội năng của hệ và công thực hiện lên hệ. D. Công thực hiện bởi hệ bằng tổng độ tăng nội năng của hệ và nhiệt lượng cung cấp cho hệ. E. Công thực hiện bởi hệ bằng tổng độ tăng nội năng của hệ và nhiệt lượng mà hệ mất đi. Câu 3. Câu nào sau đây là không đúng khi nói về nhiệt năng ? A. Nhiệt năng là một phần của nội năng. B. Nhiệt năng là một dạng năng lượng. C. Nhiệt năng là phần năng lượng vật nhận được hay mất đi trong quá trình truyền nhiệt. D. Đối với khí lí tưởng, nhiệt năng đồng nhất với nội năng. Câu 4. Câu nào sau đây là không đúng khi nói về nhiệt lượng ? A. Nhiệt lượng là phần nội năng vật tăng thêm lên khi nhận được nội năng từ vật khác. B. Một vật lúc nào cũng có nội năng do đó lúc nào cũng có nhiệt lượng C. Đơn vị của nhiệt lượng cũng là đơn vị của nội năng. D. Nhiệt lượng không phải là nội năng. Bài 59 áp dụng nguyên lí I nhiệt động học cho khí lí tưởng I – Mục tiêu 1. Về kiến thức – Hiểu được nội năng của khí lí tưởng chỉ bao gồm tổng động năng chuyển động nhiệt của các phần tử có trong khí đó và như vậy nội năng của khí lí tưởng chỉ còn phụ thuộc vào nhiệt độ. – Xây dựng được công thức tính công của khí lí tưởng. – Đoán biết công mà khí thực hiện trong một quá trình qua phần diện tích trên đồ thị p – V ứng với quá trình đó. – Tính được công mà khí thực hiện, tính nhiệt lượng mà khí trao đổi và tính độ biến thiên nội năng trong một số quá trình của khí lí tưởng. Biểu diễn được công của khí trên đồ thị p –V trong các quá trình của khí lí tưởng. 2. Về kĩ năng – Vận dụng nguyên lí I nhiệt động lực học khi giải các bài tập về khí lí tưởng. II – Chuẩn bị Giáo viên – Chuẩn bị bảng tổng hợp các hệ thức tính công, nhiệt lượng và biến thiên nội năng trong một số quá trình của khí lí tưởng dưới đây Quá trình Dữ kiện Phương trình nguyên lí I Tính U Tính A Tính Q Đẳng tích V= const A = 0 U = Q U = Q (do truyền nhiệt) A = 0 Q = cmt* Q = U Đẳng áp P = const A 0 Q 0 U = A + Q U = A + Q – A = A' = p(V2 – V1) Q = cmt* Q = mL Q = U – A Đẳng nhiệt T = const U = const A 0 Q 0 Q = A U = 0 Chưa học công thức.Đoán biết qua diện tích ở đồ thị p - V Q = – A (nếu cho biết A) Chu trình Trạng thái cuối trùng với trạng thái đầu Q = A (của cả chu trình) U = 0 – áp dụng cách tính A và Q của mỗi quá trình trên. – Tính A theo diện tích giới hạn bởi đường cong kín vẽ chu trình. Học sinh – Ôn lại các công thức tính công và tính nhiệt lượng. III – thiết kế hoạt động dạy học Hoạt động của học sinh Trợ giúp của giáo viên Hoạt động 1. Kiểm tra, chuẩn bị điều kiện xuất phát. Đề xuất vấn đề Cá nhân nhận thức được vấn đề cần nghiên cứu. – Phát biểu nguyên lí I nhiệt động lực học ? – Viết biểu thức tính công cơ học ? Bài trước chúng ta đã xây dựng được nguyên lí I nhiệt động lực học. Nguyên lí này có thể áp dụng cho các quá trình của khí lí tưởng được không ? Hoạt động 2. Tìm hiểu nội năng của khí lí tưởng – Nội năng của hệ phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của hệ. – Nội năng của khối khí lí tưởng bao gồm tổng động năng của chuyển động hỗn loạn của các phân tử có trong khối khí đó – Nội năng của hệ phụ thuộc vào những yếu tố nào ? Nếu hệ là khối khí lí tưởng thì nội năng của nó phụ thuộc vào những yếu tố nào ? Hoạt động 3. Xây dựng biểu thức tính công của khí lí tưởng Dự kiến phương án trả lời của học sinh : Phương án 1 : = F. Phương án 2 : = F.= pS.=p. (nhưng chưa hiểu được tại sao p không đổi xảy ra khi khí giãn nở). Xét một khối khí lí tưởng được chứa trong một xilanh, bên trên là một pit-tông diện tích S. Người ta làm nóng khí để lượng khí dãn, đẩy pit-tông lên một đoạn . Công của khối khí được xác định như thế nào ? – Khi khí nở ra tạo áp lực F lên diện tích S của pit-tông làm cho pit-tông chuyển động lên trên. – Khi áp suất bên trong cân bằng với áp suất khí quyển và áp suất gây ra bởi trọng lực thì pit-tông dừng lại. – áp suất suất này bằng với áp suất ban đầu. Cá nhân tiếp thu, ghi nhớ. Định hướng của GV : – Tại sao khi khối khí nở ra pittông lại chuyển động lên trên ? – Khi nào pit-tông dừng lại ? – So sánh với áp suất ban đầu của khối khí ? Thông báo : Vậy công mà khối khí thực hiện được tính theo biểu thức : = p. Nếu > 0 thì khối khí sinh công. Nếu < 0 thì khối khí nhận công. Hoạt động 4. Biểu thị công của khối khí lí tưởng trong các trường hợp trên hệ toạ độ p – V Dự kiến phương án trả lời của HS : Vì quá trình biến đổi là nhỏ nên coi áp suất là không đổi. (Học sinh không biểu diễn được công của chất khí trên đồ thị). Trong chương VI chúng ta đã biểu diễn các quá trình của khí lí tưởng trên hệ toạ độ p – V, bây giờ ta xét xem công được biểu thị trên hệ toạ độ đó như thế nào ? GV phát phiếu học tập I cho HS. Yêu cầu HS hoạt động cá nhân, sau đó trao đổi nhóm và đại diện nhóm lên báo cáo kết quả câu 1 của phiếu học tập I. Công được biểu diễn trên đồ thị là diện tích hình thang 12V’ V’’. Trong đó đoạn chéo 12 gần như trùng với đoạn cong 12. Cá nhân tiếp thu, ghi nhớ. N M V1 V' V" V2 V 1 2 O p2 p' p" p1 p Sau khi cho HS báo cáo kết quả và thảo luận mà không rút ra kết luận, GV cần phải có định hướng : – Nếu coi áp suất khí không đổi , với giá trị p’ lúc đầu thì công được xác định như thế nào ? – Nếu coi áp suất khí không đổi , với giá trị p’’ lúc sau thì công được xác định như thế nào ? – Muốn tính công một cách chính xác thì ta phải lấy trung bình cộng của cả hai công trên. – Từ biểu thức tính công của chất khí, ta có thể biểu diễn công đó trên đồ thị p – V như thế nào ? Thông báo : Từ suy luận ở trên ta có thể tính công cho cả quá trình: bằng diện tích hình thang cong MNV1V2 vì diện tích hình thang này bằng tổng các diện tích hình thang nhỏ mà ta vừa tính ở trên. Tuy nhiên để chứng minh một cách chặt chẽ bằng toán học thì ta phải cần đến một số kiến thức toán học ở lớp 12. Hoạt động 5. áp dụng nguyên lí I nhiệt động lực học cho các quá trình của khí lí tưởng a) Quá trình đẳng tích. Vì do đó biểu thức của nguyên lí I nhiệt động lực học : Kết luận : Trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng mà khí nhận được chỉ dùng để làm tăng nội năng của khí. GV phát phiếu học tập II cho HS. Yêu cầu HS hoạt động cá nhân, sau đó trao đổi nhóm và đại diện nhóm lên báo cáo kết quả của câu 1 trong phiếu học tập II. b) Quá trình đẳng áp. Quá trình đẳng áp biểu diễn trên đồ thị p – V là một đoạn thẳng song song với trục OV. Vì và Biểu thức nguyên lí I nhiệt động lực học là : Kết luận : Trong quá trình đẳng áp một phần nhiệt lượng mà khí nhận được dùng để làm tăng nội năng của khí, phần còn lại biến thành công mà khí sinh ra. 1 2 V1 V2 V p1 p Công A được biểu diễn trên đồ thị bằng phần gạch chéo. c) Quá trình đẳng nhiệt. Vì nội năng của khí phụ thuộc nhiệt độ, mà nhiệt độ không đổi nên Mặt khác . Khi đó biểu thức của nguyên lí I nhiệt động lực học được cho quá trình đẳng nhiệt là : Q = – A Kết luận : Trong quá trình đẳng nhiệt, toàn bộ nhiệt lượng mà khí nhận được chuyển thành công mà khí sinh ra. Công A được biểu diễn trên đồ thị bằng phần gạch chéo. t (không đổi) 1 2 V1 V2 V p p1 p2 HS báo cáo kết quả câu 1. Cá nhân tiếp thu, ghi nhớ. GV thông báo khái niệm một chu trình. 1 2 a b p V1 V2 HS hoạt động cá nhân, sau đó trao đổi nhóm và đại diện nhóm lên báo cáo kết quả. Ví dụ ta xét chu trình của lượng khí được biểu diễn như đồ thị ở trên : gồm một quá trình dãn khí a1b và tiếp theo là một quá trình nén khí b2a. Bây giờ chúng ta đi tính công của khối khí khi thực hiện hiện xong một chu trình. Khi đó biểu thức của nguyên lí I nhiệt động lực học được viết như thế nào ? GV yêu cầu HS làm câu 2 trong phiếu học tập II. Quá trình dãn khí thực hiện công âm A1 = – S1 : là diện tích hình thang cong a1VbVaa. Quá trình nén khí nhận công dương A = S2 là diện tích hình thang cong b2VbVab. Công A của cả chu trình là tổng đại số hai công của hai quá trình dãn và nén khí : A = A1 + A2 = - S1 + S2 < 0 vì S1 > S2 Định hướng của GV : - Để tính công của cả chu trình ta phải chia chu trình thành hai quá trình: quá trình dãn khí a1b và quá trình nén khí b2a. Công của hai quá trình này được xác định thế nào ? Có giá trị âm hay dương ? Tại sao ? Biểu diễn công trên đồ thị ? - Muốn tính công của cả chu trình ta phải làm thế nào ? Biểu diễn công trên đồ thị ? - Nhận xét công của cả chu trình ? Sau khi thực hiện chu trình, khí trở về trạng thái ban đầu nên Biểu thức của nguyên lí I nhiệt động lực học là : Q = - A = S Kết luận : Tổng đại số nhiệt lượng nhận được trong cả chu trình chuyển hết thành công mà hệ sinh ra trong chu trình đó. a b 1 2 A p O V V2 V1 - Sau khi thực hiện chu trình, chất khí trở về trạng thái ban đầu. Khi đó nội năng của chất khí biến thiên một lượng bằng bao nhiêu ? - Vậy biểu thức của nguyên lí I nhiệt động lực học được viết cho chu trình như thế nào ? Rút ra kết luận. Hoạt động 6. áp dụng nguyên lí I nhiệt động lực học làm một số bài tập Hoạt động cá nhân, sau đó trao đổi nhóm và đại diện nhóm lên báo cáo kết quả. a) Xem hình dưới AB là quá trình đẳng áp, BC là quá trình đẳng tích, CA là quá trình đẳng nhiệt b) Tính công thực hiện trong quá trình đẳng áp. áp dụng công thức tính công ta được : Phương trình trạng thái cho trạng thái A và B : Trừ vế với vế của hai phương trình trên (chú ý là pA = pB), ta được : vậy : A = vR() Thay các trị số vào ta được : A = 1,4.8,31.(350 - 300) = 581,7 J. Yêu cầu HS làm câu 2 của phiếu học tập I. Định hướng của GV : B A C p pA pC O VA VB V - áp dụng công thức nào để tính công trong quá trình đẳng áp ? - Muốn tính DV ta phải viết được phương trình nào ? c) áp dụng nguyên lí thứ nhất cho quá trình đẳng áp : U = Q + A = 1000 – 587,7 = 418,3 J. Đối với quá trình đẳng tích BC thì ta có nội năng ở trạng thái C bằng nội năng ở trạng thái A, do nhiệt độ của chúng bằng nhau và do nội năng của khí lí tưởng chỉ phụ thuộc nhiệt độ. Vì khí lạnh nên nội năng giảm, mặt khác A = 0 (do quá trình là đẳng tích). Vậy độ biến thiên nội năng trong quá trình đẳng tích là: U = - 418,3 J. Quá trình đẳng nhiệt có U = 0. d) áp dụng nguyên lí I cho quá trình đẳng tích BC ta viết : U = Q + A ; ở đây A = 0 còn U = - 418,3J. Vậy nhiệt lượng toả ra trong quá trình đẳng tích là : Q = - 418,3J. - Đối với quá trình đẳng áp AB thì công có giá trị âm hay dương ? - Đối với quá trình đẳng tích thì công A băng bao nhiêu ? Tại sao ? - Quá trình làm lạnh đẳng tích đến nhiệt độ ban đầu thì nội năng biến thiên như thế nào ? Hoạt động 7. Củng cố bài học và định hướng nhiệm vụ học tập tiếp theo Cá nhân nhận nhiệm vụ học tập. - Giáo viên đưa bảng tổng hợp các hệ thức tính công, nhiệt lượng và biến thiên nội năng trong một số quá trình của khí lí tưởng để củng cố một lần nữa việc áp dụng nguyên lí I nhiệt động lực học cho khí lí tưởng. Về nhà làm bài tập 1, 2, 3 SGK. Ôn lại động cơ nhiệt đã học ở lớp 8. Phiếu học tập I Câu 1. Tính công của chất khí trong quá trình biến đổi rất nhỏ, ở đó thể tích khí tăng một lượng rất nhỏ , còn áp suất biến thiên từ p' đến p". Biểu diễn độ lớn của trên đồ thị p – V. M N 1 2 p p1 p2 p' p" O V1 V' V" V2 V Câu 2. Có 1,4 mol chất khí lí tưởng ở nhiệt độ 300K. Đun nóng khí đẳng áp đến nhiệt độ 350 K, nhiệt lượng cung cấp cho khí trong quá trình này là 1000J. Sau đó khí được làm lạnh đẳng tích đến nhiệt độ bằng nhiệt độ ban đầu và cuối cùng khí được đưa về trạng thái đầu bằng quá trình nén đẳng nhiệt. a) Vẽ đồ thị của chu trình đã cho trong hệ toạ độ p – V. b) Tính công thực hiện trong quá trình đẳng áp. c) Tính độ biến thiên nội năng ở mỗi quá trình của chu trình. d) Tính nhiệt lượng trong quá trình đẳng tích. t (không đổi) 2 1 O p1 p p2 V1 V2 V Phiếu học tập Ii Câu 1. Viết biểu thức của nguyên lí I nhiệt động lực học cho các quá trình của khí lí tưởng : Đẳng tích, đẳng áp, đẳng nhiệt. Từ đó có kết luận gì ? Biểu thị công A trên đồ thị p – V. a) Quá trình đẳng tích. b) Quá trình đẳng áp. p p1 O V1 V2 1 2 V 1 2 V1 V p1 p2 p O t (không đổi) 1 V1 V2 V O p2 p1 p 2 c) Quá trình đẳng nhiệt. Câu 2. Tính công A của khối khí sau khi thực hiện xong một chu trình, biểu diễn công A trên đồ thị p – V. Viết biểu thức của nguyên lí thứ nhất nhiệt động lực học. Từ đó có nhận xét gì ? p O Va Vb V b 1 a 2 Bài 60 Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh Nguyên lí II nhiệt động lực học I - Mục tiêu 1. Về 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 tác động, công sinh ta hay nhận vào của một số máy hay gặp trong thực tế. - Có khái niệm về nguyên lí II nhiệt động lực học, nó liên quan nhiều đến chiều diễn biến của các quá trình trong tự nhiên, bổ xung cho nguyên lí I. - Phát biểu được nguyên lí II nhiệt động lực học. - Viết được công thức tính hiệu suất của động cơ nhiệt, hiệu suất cực đại của máy nhiệt và hiệu năng của máy lạnh. 2. Về kĩ năng - Vận dụng kiến thức trên để giải thích các hiện tượng vật lí liên quan và giải các bài tập về động cơ nhiệt và máy lạnh. II - Chuẩn bị Học sinh - Ôn lại kiến thức về động cơ nhiệt đã học trong chương trình lớp vật lí 8. III - thiết kế hoạt động dạy học Hoạt động của học sinh Trợ giúp của giáo viên Hoạt động 1. Kiểm tra, chuẩn bị điều kiện xuất phát. Đề xuất vấn đề Cá nhân trả lời câu hỏi của GV. Cá nhân nhận thức được vấn đề cần nghiên cứu. - Động cơ nhiệt là gì ? Kể tên các kì của động cơ bốn kì ? Trong các kì đó, kì nào sinh công ? Đặt vấn đề : Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta gặp rất nhiều ứng dụng của động cơ nhiệt và máy lạnh. Vậy máy lạnh và động cơ nhiệt hoạt động theo nguyên tắc nào ? Có điểm gì chung giữa hai loại máy đó ? Hoạt động 2. Thiết kế một động cơ nhiệt Hoạt động cá nhân, sau đó trao đổi nhóm và đại diện nhóm lên báo cáo kết quả câu 1. Quá trình AB : A1 = 0 Quá trình BC : Khí sinh công A2 Với A2 = diện tích V1BCV2 Quá trình CD : A3 = 0 Quá trình DA : Khí nhận công A4 Với A4 = diện tích V1ADV2. Công khí thực hiện trong cả chu trình là công dương A = Q. Yêu cầu HS hoàn thành bài tập sau : Xác định công thực hiện được trong chu trình (quá trình khép kín) ở hình vẽ sau. Đó là công âm hay công dương ? Viết biểu thức nguyên lí I cho chu trình đó. C B A D p O V1 V2 V A p O V1 V2 V D C A B - Từ kết quả bài toán trên cho thấy: nếu có một thiết bị thực hiện được một chu trình như trên thì có thể dùng nó để biến nhiệt lượng thành công. Thiết kế thiết bị này như thế nào ? - Hệ nhận nhiệt lượng, tăng áp đẳng tích và dãn nở sinh công. Sau đó cả hệ toả nhiệt, giảm áp suất và thể tích, trở về trạng thái ban đầu. + Quá trình ABC : Hệ nhận nhiệt lượng, tăng áp suất và giãn nở sinh công. + Quá trình CDA : Hệ toả nhiệt, giảm áp suất và thể tích, trở về trạng thái ban đầu. Định hướng của GV : - Trong mỗi quá trình, hệ biến đổi năng lượng và trạng thái như thế nào ? - Ban đầu cho hệ tiếp xúc nguồn nóng. Sau khi hệ thực hiện công cho tiếp xúc nguồn lạnh để kết thúc chu trình. - Cần có : Nguồn nóng, nguồn lạnh, khí để nhận nhiệt sinh công - Làm thế nào để tạo quá trình biến đổi trạng thái đó ? - Thiết bị thực hiện chu trình trên cần những bộ phận nào ? Q1 A Q2 Nguồn nóng T1 Nguồn lạnh T2 Tác nhân và cơ cấu của động cơ nhiệt - Nguyên tắc hoạt động : Tác nhân nhận nhiệt từ nguồn nóng, sinh công và toả nhiệt còn lại ra nguồn lạnh. Thông báo : thiết bị dùng để thực hiện chu trình trên gồm : nguồn nóng, nguồn lạnh, tác nhân (khí) và bộ phận phát động. Thiết bị như trên có tên gọi là động cơ nhiệt. - Từ sơ đồ hãy giải thích nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt ? Hoạt động 3. Xác định hiệu suất của động cơ nhiệt Cá nhân tiếp thu, ghi nhớ. Thông báo : Động cơ nhiệt biến càng nhiều nhiệt lượng thành công thì càng tốt. Hiệu suất Trong thực tế hiệu suất của động cơ nhiệt đạt từ 25% đến 40%. Hoạt động 4. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy lạnh Cá nhân tiếp thu, ghi nhớ. GV giới thiệu tầm quan trọng của máy lạnh trong đời sống hiện nay và nguyên tắc hoạt động của máy lạnh (hình vẽ). Q1 Q2 Nguồn lạnh T2 A Nguồn nóng T1 Tác nhân và cơ cấu của máy lạnh - Tủ lạnh và máy điều hoà nhiệt độ. - Trong cuộc sống hàng ngày ta thường gặp những máy lạnh nào ? Để hiểu rõ hơn nguyên tắc hoạt động của máy lạnh, ta cùng tìm hiểu hoạt động của tủ lạnh gia đình. – GV dùng sơ đồ cấu tạo của tủ lạnh để giải thích nguyên tắc hoạt động của tủ lạnh cho HS : Cá nhân tiếp thu, ghi nhớ. Nguyên tắc hoạt động của tủ lạnh : - Máy bơm hoạt động đẩy hơi vào ống ngưng tụ. Hơi bị nén có áp suất cao và nhiệt độ cao toả nhiệt ra mội trường. Lạnh đi và hoá lỏng. - Sau khi hoá lỏng, môi chất được đẩy qua van dãn sang ống bay hơi. Tại đây áp suất thấp, nhiệt độ thấp, môi chất nhận nhiệt từ các vật tiếp xúc nó và hoá hơi. - Hơi này tiếp tục được đẩy vào ống ngưng tụ, chu trình được lặp lại. Hoạt động 5. Tính hiệu năng của máy lạnh - Máy lạnh dùng để làm giảm nhiệt độ. Một máy lạnh càng tốt nếu với cùng một công tiêu thụ A nó lấy được càng nhiều nhiệt lượng từ nguồn lạnh. - Hiệu năng của máy lạnh thường có giá trị lớn hơn 1. - Mục đích sử dụng của máy lạnh là gì ? Thế nào là một máy lạnh tốt ? Thông báo : Hiệu năng của máy lạnh được xác định bằng công thức : Vì Trong đó Q1 là nhiệt lượng mà tác nhân toả ra cho nguồn nóng, Q2 là nhiệt lượng nhận được từ nguồn lạnh. Ta có thể viết : - Hiệu năng của máy lạnh thường có giá trị bằng bao nhiêu ? Hoạt động 6. Tìm hiểu nguyên lí II nhiệt động lực học Cá nhân tiếp thu, ghi nhớ. Cá nhân suy nghĩ, trả lời. Trong động cơ nhiệt, nhận thấy, nếu biến đổi toàn bộ nhiệt lượng nhận được từ nguồn nóng thành công thì ta có thể chế tạo được một "động cơ vĩnh cửu" gọi là động cơ vĩnh cửu loại hai. Tuy nhiên, điều này là không thể thực hiện được và sự không thực hiện được động cơ vĩnh cửu loại hai được khẳng điịnh ở nguyên lí II nhiệt động lực học. GV thông báo nội dung nguyên lí II. Có một loại quá trình được xếp vào các quá trình không thuận nghịch, đó là những quá trình có một chiều tự diễn biến. Lấy ví dụ thực tế về các quá trình đó ? Gợi ý : - Quá trình truyền nhiệt xảy ra như thế nào ? - Sự chuyển hoá giữa cơ năng và nội năng xảy ra như thế nào ? Hoạt động 7. Xác định hiệu suất cực đại của máy nhiệt Máy lạnh và động cơ nhiệt gọi chung là máy nhiệt. Để nâng cao hiệu suất (hay hiệu năng) của máy nhiệt người ta đã tìm cách cải tiến cơ cấu của các máy cụ thể. Song vấn đề mới nảy sinh là : Với nguồ