Giáo án Vật lý 10 nâng cao - Tiết 54 đến 58

Ngày soạn : Ngày dạy : Chương VI : Cơ sở của nhiệt động lực học Tiết 54 : Nội năng và sự thay đổi nội năng Mục tiêu : 1. a) Phát biểu được định nghĩa nội năng trong nhiệt động lực học. b) Chứng minh được nội năng phụ thuộc nhiệt độ và thể tích. c) Nêu được các thí dụ cụ thể về thực hiện công và truyền nhiệt. d) Viết được công thức tính nhiệt lượng mà một vật thu vào hay toả ra, nêu được tên và đơn vị của các đại lượng có mặt trong công thức. 2. a) Giải thích được một cách định tính một số hiện tượng đơn giản về thay đổi nội năng. b) Vận dụng được công thức tính nhiệt lượng để giải các bài tập ra trong bài và các bài tập tương tự. Chuẩn bị : 1. Giáo viên : Dụng cụ để làm thí nghiệm vẽ ở các hình 28.1a và c trong sgk. 2. Học sinh : Ôn lại các bài 22, 23, 24, 25, 26 trong sách vậy lý 8. Tổ chức các hoạt động dạy và học : 1- Tổ chức: Kiểm tra sĩ số của học sinh và ghi tên HS vắng mặt vào sổ đầu bài. Chia lớp thành từng nhóm từ 6 - 8 HS . 2- Kiểm tra bài cũ : 3- Bài mới. Hoạt động 1 : Đặt vấn đề vào bài. GV : - Nội năng chiếm 80% năng lượng mà con người sử dụng và khai thác. - Nội năng là gì ? Nội năng có vai trò như thế nào trong đời sống và kỹ thuật? HS : - Theo dõi lời giảng và trả lời câu hỏi của gv. Hoạt động 2 : Giải quyết vấn đề GV : - Ở lớp 8 ta đã học về nhiệt năng. Vậy nhiệt năng là gì ? Nhiệt năng phụ thuộc vào những yếu tố nào ? - Xét ví dụ h. 28.1a, ta nhận thấy nhiệt độ của đồng xu thay đồi như thế nào ? - Xét ví dụ h. 28.1b, nội năng của khí thay đổi như thế nào ? - Khi ta đổ nước sôi trong ấm ra chậu nhôm, nhiệt độ của nước và của chậu thay đổi như thế nào ? HS : I . Nội năng. 1. Nội năng là gì ? - Tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật gọi là nội năng của vật. - Nội năng : ký hiệu là U, đơn vị là Jun (J) 2. Chú ý. Từ nay ta chỉ chú ý đến độ biến thiên nội năng DU của vật (phần nội năng mà vật nhận được hay mất đi trong quá trình trao đổi nhịêt) II. Các cách làm thay đổi nội năng. 1. Thực hiện công. Trong quá trình thực hiện công, nội năng của vật thay đổi. Có một sự chuyển hoá từ một dạng năng lượng khác sang nội năng. 2. Truyền nhiệt. a) Quá trình truyền nhiệt. - Nội năng còn có thể biến đổi bằng cách truyền nhiệt - Trong quá trình truyền nhiệt, chỉ có sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác. b) Nhiệt lượng. Số đo độ biến thiên nội năng trong quá trình truyền nhiệt gọi là nhiệt lượng : DU = Q Q = cmDt = cm(t2- t1) Hoạt động 3 :Vận dụng kiến thức đã học củng cố bài , hướng dẫn hs học tập ở nhà. GV : - Nhắc lại phần in đậm cuối bài. - Nêu câu hỏi 1, 2, 3, sgk. - Cho bài tập về nhà 4, 5, 6, 7 cho cả lớp. - Đọc bài đọc thêm trong sgk, bài mới. - Giờ sau học bài mới. HS : - Trả lời câu hỏi và thực hiện đầy đủ các yêu cầu của giáo viên Ngày soạn : Ngày dạy : Tiết 55 + 56 : các nguyên lý của nhiệt động lực học Mục tiêu : 1. a) Phát biểu và viết được biểu thức của nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học (NĐLH); nêu được tên đơn vị và qui ước về dấu của các đại lượng trong biểu thức . b) Lập được biểu thức tính công của khí lý tưởng khi áp suất thay đổi không đáng kể. 2. a) Vận dụng được nguyên lý thứ nhất của NĐLH vào các đẳng quá trình để viết và nêu ý nghĩa vật lý của biểu thức của nguyên lý này cho từng quá trình. b) Vận dụng được nguyên lý thứ nhất của NĐLH để giải các bài tập ra trong bài và các bài tập tương tự. c) Phát biểu nguyên lý thứ hai của NĐLH. Chuẩn bị : 1. Giáo viên : Nhắc học sinh ôn bài : Sự bảo toàn năng lượng trong các hiện tượng cơ và nhiệt ( bài 28 , vật lý 8) Tổ chức các hoạt động dạy và học : 1- Tổ chức: Kiểm tra sĩ số của học sinh và ghi tên HS vắng mặt vào sổ đầu bài. Chia lớp thành từng nhóm từ 6 - 8 HS . 2- Kiểm tra bài cũ : Nội năng là gì ? Nội năng có mấy cách biến đổi ? 3- Bài mới. Hoạt động 1 : Đặt vấn đề vào bài. GV : - Các nguyên lý của NĐLH đã giải thích được cơ chế vi mô của các hiện tượng nhiệt. Bài học hôm nay ta xét cụ thể về các nguyên lý đó HS : - Theo dõi lời giảng và trả lời câu hỏi của gv. Hoạt động 2 : Giải quyết vấn đề vật Q<0 A<0 A>0 Q>0 o V1 V2 V P p F h2 h1 Dh GV : - Áp dụng qui ước dấu : nếu vật toả nhiệt ra môi trường và nguội đi? - Nếu vật thu nhiệt lượng để tăng nội năng ? Ví dụ : Q = 1,5J l = 5cm = 0,05m F = 20N DU = ? Giải : Công mà chất khí nhận được là : A = F.l = 20.0,05 = 1J Theo nguyên lý I của NĐLH ta có DU = Q + A = 1,5 - 1 = 0,5 J Cho chất khí chuyển từ trạng thái 1 (p1, V1, T1) sang trạng thái2 (p2, V2, T2) ta chứng minh rằng : DU = Q Tiết 2. Quá trình đẳng tích. A = 0 DU = Q Quá trình đẳng áp. DU = A + Q Quá trình đẳng nhiệt DU = 0 Q + A = 0 V V1 V2 p 0 V1 V2 V (1) (2) (1) (2) (4) (3) HS : I . Nguyên lý thứ nhất của NĐLH. Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được : DU = A + Q + Q < 0 Vật truyền n. lượng cho các vật khác + Q > 0 Vật nhận nhiệt lượng từ các vật khác + A > 0 Vật nhận công từ các vật khác + A < 0 Vật thực hiện công lên các vật khác II. áp dụng nguyên lý thứ nhất của NĐLH cho khí lý tưởng. 1. Biểu thức tính công của khí lý tưởng. A’ = F.Dh = pS.Dh = pS(h2 - h1) = p( V2 - V1) = pDV Theo qui ước về dấu thì A = - A’ ************************* 2. Áp dụng nguyên lý thứ nhất của NĐLH cho các quá trình biến đổi của khí lý tưởng. a) Quá trình đẳng tích. A = 0 DU = Q chất khí nhận nhiệt Q > 0 Nhiệt lượng mà chất khí nhận được chỉ dùng làm tăng nội năng. b) Quá trình đẳng áp. Chất khí thu nhiệt lượng ( Q < 0)để thực hiện công ( A < 0 ) DU = A + Q c) Quá trình đẳng nhiệt Nội năng của khí không đổi (DU = 0), khí thu nhiệt lượng Q > 0) để thực hiện công ( A < 0) Q + A = 0 d) Chu trình . Chu trình là một quá trình khép kín. Độ lớn của công thực hiện trong chu trình trên bằng độ lớn của diện tích gạch chéo trong hình. III. Nguyên lý thứ hai của NĐLH. 1.Ví dụ : Một ấm nứơc nóng đặt trong không khí sẽ tự truyền nhiệt cho không khí và nguội dần đi, ấm không tự lấy nhiệt của không khí để nóng lên. 2. Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học. Nhiệt không tự truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn p 0 V V V (2)đ (1)đ o V1 V2 V P p Hoạt động 3 :Vận dụng kiến thức đã học củng cố bài , hướng dẫn hs học tập ở nhà. GV : - Nhắc lại phần in đậm cuối bài. - Nêu câu hỏi 1, 2, sgk. - Cho bài tập về nhà 4, 5, 6, 7 cho cả lớp. - Đọc bài đọc thêm trong sgk, bài mới. - Giờ sau học bài mới. HS : - Trả lời câu hỏi và thực hiện đầy đủ các yêu cầu của giáo viên Ngày soạn : Ngày dạy : Tiết 57 : Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt Mục tiêu : 1. a) Mô tả được nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt. b) Nêu được tên và chức năng của 3 bộ phận chính của động cơ nhiệt. c) Viết được công thức tính hiệu suất và hiệu suất lý tưởng của động cơ nhiệt. 2. a) Giải được các bài tập về hiệu suất của động cơ nhiệt ra trong bài và các bài tập đơn giản. b) Vận dụng được nguyên lý thứ nhất của NĐLH để giải thích hoạt động của các động cơ nhiệt. Chuẩn bị : 1. Giáo viên : - Mô hình các loại động cơ nhiệt (máy hơi nước, động cơ nổ, tua bin...) nếu có. - Vẽ trên bảng nhỏ hoặc giấy khổ lớn các hình 30.3a, 30.3b sgk. 2. Học sinh : Ôn lại các bài 28, 29 trong sách vậy lý 8. Tổ chức các hoạt động dạy và học : 1- Tổ chức: Kiểm tra sĩ số của học sinh và ghi tên HS vắng mặt vào sổ đầu bài. Chia lớp thành từng nhóm từ 6 - 8 HS . 2- Kiểm tra bài cũ : Phát biểu và viết biểu thức của ng lý thứ nhất của NĐLH 3- Bài mới. Hoạt động 1 : Đặt vấn đề vào bài. GV : - Động cơ nhiệt được con người phát minh ra vào cuối thế kỷ 19, ngày nay có rất nhiều ứng dụng trong kỹ thuật và đời sống. Chúng ta nghiên cứu một số nguyên tắc cơ bản của loại động cơ này. HS : - Theo dõi lời giảng và trả lời câu hỏi của gv. Hoạt động 2 : Giải quyết vấn đề GV : P = 100kw m = 50 kg/h T1 = 3000C = 5730K T2 = 1000C = 3730K q = 30.106J/kg H = ? Hmax ? HS : I . Nguyên tắc hoạt động 1. Định nghĩa.sgk - Ban đầu, trong động cơ có một lượng khí gọi là tác nhân sinh công (1). - Cho tác nhân tiếp xúc với một nguồn nóng, nó nóng lên, giãn nở và chuyển sang trạng thái (2) DU1đ 2 = U2- U1 = Q1 - A1 - Dùng ngoại lực nén pít tông về vị trí cũ, chất khí chuyển từ trạng thái (2) về (1) DU2đ1 = U1- U2 = - Q2 - A2 Ta có : Q1 - Q2 = A1 - A2 A1 - A2 = A là độ lớn của công có ích mà chất khí thực hiện được trong một chu trình. II. nguyên tắc cấu tạo. Ba bộ phận cơ bản của động cơ nhiệt : 1. Nguồn nóng, cung cấp nhiệt lượng cho tác nhân để tăng nhiệt độ. 2. Bộ phận phát động, trong đó tác nhân giãn nở sinh công. 3. Nguồn lạnh, nhận nhiệt lượng do nguồn lạnh sinh ra để giảm nhiệt độ. III> Hiệu suất. 1. Công thức tính hiệu suất. H<100% Nhiệt lượng do nguồn nóng cung cấp không thể hoàn toàn biến thành công cơ học. 2. Nguyên tắc nâng cao hiệu suất. gọi là hiệu suất của động cơ nhiệt lý tưởng Muốn nâng cao hiệu suất : + Nâng cao T1 . + Hạ thấp T2 Các động cơ nhiệt thông thường có H ằ 30% Bài tập thí dụ : 1. Hiệu suất của tua bin hơi nước : 2. Hiệu suất của động cơ lý tưởng làm việc với hai nhiệt độ đã cho. Hoạt động 3 :Vận dụng kiến thức đã học củng cố bài , hướng dẫn hs học tập ở nhà. GV : - Nhắc lại phần in đậm cuối bài. - Nêu câu hỏi 1, 2, 3, sgk. - Cho bài tập về nhà 4, 5, 6, cho cả lớp. - Đọc bài đọc thêm trong sgk. - Giờ sau chữa bài tập. HS : - Trả lời câu hỏi và thực hiện đầy đủ các yêu cầu của giáo viên Ngày soạn : Ngày dạy : Tiết 58 : Bài tập Mục tiêu : 1. Học sinh hiểu sâu, nắm chắc khái niệm nội năng, nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học vận dụng vào động cơ nhiệt và giải các bài tập có liên quan. 2. Vận dụng được công thức tính nhiệt lượng để giải các bài tập ra trong bài và các bài tập tương tự. 3. Rèn tư duy phân tích, tổng hợp, rèn óc tư duy sáng tạo, kỹ năng tính toán giải bài tập. Chuẩn bị : 1. Giáo viên : Ra bài tập về nhà, hướng dẫn, gợi ý học sinh về cách giải. 2. Học sinh : Làm bài tập ở nhà theo yêu cầu của giáo viên. Tổ chức các hoạt động dạy và học : 1- Tổ chức: Kiểm tra sĩ số của học sinh và ghi tên HS vắng mặt vào sổ đầu bài. Chia lớp thành từng nhóm từ 6 - 8 HS . 2- Kiểm tra bài cũ : Nhắc lại các công thức, khái niệm có liên quan. + Nguyên lý I NĐLH DU = A + Q Quá trình đẳng tích. A = 0 DU = Q Quá trình đẳng áp. DU = A + Q Quá trình đẳng nhiệt DU = 0 Q + A = 0 + Động cơ nhiệt 3- Chữa bài tập. GV : Bài tập 6 (171) m1 = 0,5kg m2 = 0,118kg t1 = 200C t2 = 750C m3 = 0,2kg tcuối =? cAl = 0,92.103J/kg.K cnước = 4,19.103J/kg.K csắt = 0,46.103/kg.K Bài tập 6 (178) Q = 6.106J DV = 0,50m3 p = 8.106N/m2 DU = ? Bài tập 7 (178) p = 3.105N/m2 V1 = 8l = 8.10-3m3 V2 = 10l = 10.10-3m3 Q = 1000J A = ?; DU = ? Bài tập 6 (182) P = 17,6kw m = 8,1kg/h T1 = 2000C T2 = 580C q = 3,6.107 J/ kg H = ? Hmax =? HS : Nhiệt lượng bình nhôm và nước thu vào : Qthu = Q1 + Q2 = ( m1c1 + m2c2) Dt1 = ( 0,5. 0,92.103J +0,118. 4,19.103J)(t - 20) Nhiệt lượng do sắt toả ra : Q toả = Q3 = m3c3Dt3 = 0,2. 0,46.103(75 - t ) Khi có cân bằng nhiệt : Qthu = Q toả Ta tính được t = 250C Ta tính công do khí giãn nở : A = p.DV = 8.106 . 0,50 = 4.106J Độ biến thiên nội năng của khí là : DU = Q - A = 6.106 - 4.106 = 2.106 J a) Tính công do khí thực hiện : A = p.DV = 3.105 .(10 - 8)10-3 = 0,6.103J b) Tính độ biến thiên nội năng của khí là: DU = Q - A =103 - 0,6.103 = 400J Công có ích của động cơ là : A = P.t = 14,7.103.3600 = 5,29.107J Công toàn phần là : Q1 = mq = 8,1.3,6.107 = 29,16.107 J Hiệu suất thực là : H = Hiệu suất lý tưởng là : H = Phiếu học tập Phiếu số 1 Một máy hơi nước mỗi giây nhận từ nguồn nóng nhiệt lượng 5,2.104J và truyền cho nguồn lạnh 3,2.104J.Tính hiệu suất của máy. Phiếu số 2 Nhiệt độ của nguồn khí nóng khi vào tua bin của một động cơ phản lực là 5000C, khi ra khỏi tua bin là 500C. Tính hiệu suất lí tưởng của động cơ.