Chương 07 CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC    Bài 53 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC I. MỤC TIÊU - 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 ? - Biết được hai cáh làm biến đổi nội năng và biết được sự tương đương giữa nhiệt và công - Hiểu được nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học, biết phát biểu nguyên lí, biết sử dụng biểu thức của nguyên lí. II. CHUẨN BỊ - Dụng cụ và các đồ dùng dạy học - - III. TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC  Ổn định lớp học 1) Kiểm tra bài củ : Câu 1/ Phân biệt sự bay hơi và sự sôi. Câu 2/ Trạng thái cân bằng động giữa hơi bão hoà và khối lỏng là trạng thái như thế nào ? Câu 3/ Tại sao áp suất hơi bão hoà không phụ thuộc vào thể tích, nó phụ thuộc vào nhiệt độ như thế nào ? Câu 4/ Ý nghĩa của nhiệt độ tới hạn. 2) Nội dung bài giảng :  Phần làm việc của giáo viên Phần ghi chép của học sinh I. NỘI NĂNG GV : Khi quan sát nắp ấm bật bật vì hơi nước sôi đẩy nắp ấm lên, như vậy hơi nước có thực hiện công không các em ? I. NỘI NĂNG 1) Quan sát - Nắp ấm bật bật vì hơi nước sôi đẩy nắp ấm lên. HS : Hơi nước thực hiện công GV : Quan sát chiếc bình xịt nước hoa hoạt động nhờ hơi nén trong bình phun ra GV : Như vậy hơi có thực hiện công hay không ? HS : Hơi nước đã thực hiện công GV : Dạng năng lượng của hơi nước được gọi là nội năng. GV : Nội năng là một dạng năng lượng bên trong 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. GV : Khi nhiệt độ càng cao thì vận tốc các phân tử chuyển động như thế nào ? HS : Vận tốc các phân tử chuyển động càng nhanh nên động năng phân tử tăng GV : Khi thể tích của khối khí tăng thì khoảng cách của các phân tử nhử thế nào ? HS : Khoảng cách các phân tử tăng lên nên thể năng phân tử tăng GV : Tóm lại nội năng phân tử phụ thuộc vào các yếu tố nào ? HS : Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích II. HAI CÁCH LÀM BIẾN ĐỔI NỘI NĂNG GV : Theo các em có mấy cách làm biến đổi nội năng HS : Có hai cách làm biến đổi nội năng HS : Nội năng bị biến đổi do thức hiện công. Thí dụ : Làm nóng miếng kim loại bằng ma sát. HS : Nội năng bị biến đổi do sự truyền nhiệt Thí dụ : Miếng kim loại nóng lên khi thả vào nước nóng. GV : Sự thực hiện công và truyền nhiệt là hai cách làm biến đổi nội năng tức là đã thừa nhận sự tương đương giữa công và nhiệt lượng. III. NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC. Nhiệt lượng truyền cho hệ làm tăng nội năng của hệ và biến thành công mà hệ sinh ra. Q = U + A - Chiếc bình xịt nước hoa hoạt động nhờ hơi nén trong bình phun ra. 2) Kết luận Nội năng là một dạng năng lượng bên trong 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. 3) Tính chất nội năng Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích U = f(T,V) II. HAI CÁCH LÀM BIẾN ĐỔI NỘI NĂNG 1) Sự thực hiện công Nội năng bị biến đổi do thức hiện công. Thí dụ : Làm nóng miếng kim loại bằng ma sát. 2) Sự truyền nhiệt Nội năng bị biến đổi do sự truyền nhiệt Thí dụ : Miếng kim loại nóng lên khi thả vào nước nóng. 3) Sự tương đuơng giữa công và nhiệt lượng. Sự thực hiện công và truyền nhiệt là hai cách làm biến đổi nội năng tức là đã thừa nhận sự tương đương giữa công và nhiệt lượng. III. NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC. Nhiệt lượng truyền cho hệ làm tăng nội năng của hệ và biến thành công mà hệ sinh ra. Q = U + A Trong đó : Q > 0 : Hệ nhận nhiệt lượng Q < 0 : Hệ giải phóng nhiệt lượng. U > 0 : Nội năng của hệ tăng U < 0 : Nội năng của hệ giảm A > 0 : Hệ sinh công. A < 0 : Hệ nhận công. 3) Cũng cố : 1/ Nội năng là gì ? Nó phụ thuộc những thông số nào ? Nêu hai cách làm biến đổi nội năng ? 2/ Tại sao có thể nói rằng nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học là sự vận dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vào các hiện tượng nhiệt ? 4) Dặn dò học sinh : - Trả lời câu hỏi 1 ; 2; 3 - Làm bài tập : 1; 2; 3    Bài 54 – 55 ÁP DỤNG NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CHO KHÍ LÍ TƯỞNG I. MỤC TIÊU - Về mặt kiến thức học sinh cần biết ba điểm chính như sau : + Nội năng của khí lí tưởng chỉ bao gồm tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử có trong khí đó và như vậy nội năng của khí lí tưởng chỉ còn phụ thuộc nhiệt độ. + Biểu thức tính công của khí lí tưởng. + Công của một quá trình qua diện tích trên đồ thị (p-V) ứng với quá trình đó. - Bài học này là bài thực hành tính toán về U, công A, nhiệt lượng Q. II. CHUẨN BỊ - Dụng cụ và các đồ dùng dạy học - III. TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC  Ổn định lớp học 1) Kiểm tra bài củ : + Câu 01 : Nội năng là gì ? Nó phụ thuộc những thông số nào ? Nêu hai cách làm biến đổi nội năng ? + Câu 02 : Tại sao có thể nói rằng nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học là sự vận dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vào các hiện tượng nhiệt ? 2) Nội dung bài giảng :  Phần làm việc của giáo viên Phần ghi chép của học sinh I. NỘI NĂNG VÀ CÔNG CỦA KHÍ LÍ TƯỞNG 1) Nội năng của khí lí tưởng GV : Như các em đã biết đối với khí lí tưởng thì sự tương tác giữa các phân tử có đáng kể hay không ? HS : Đối với khí lí tưởng thì sự tương tác giữa các phân tử không đ1ng kể, chúng chỉ đáng kể khi va chạm với nhau GV : Như vậy nội năng của khí lí tưởng chỉ bao gồm tổng động năng của chuyển động hỗn loạn của phân tử có trong khí đó. 2) Biểu thức tính công Áp lực F của khí tác dụng lên pittông thực hiện một công nhỏ A : A = Fh = pSh Do đó : A = pV  A = pS(h 2 – h 1 ) = p(V 2 – V 1 ) I. NỘI NĂNG VÀ CÔNG CỦA KHÍ LÍ TƯỞNG 1) Nội năng của khí lí tưởng Nội năng của khí lí tư ởng chỉ bao gồm tổng động năng c ủa chuyển động hỗn loạn của phân tử có trong khí đó. U = f(T) 2) Biểu thức tính công Áp lực F của khí tác dụng lên pittông thực hiện một công nhỏ A : A = Fh = pSh Do đó : A = pV  A = pS(h 2 – h 1 ) = p(V 2 – V 1 ) Nếu V > 0 thì khí sinh công, nếu V < 0 thì khí nhận công 3) Thể hiện công trên tọa độ p – V Trong hệ toạ độ p –V công trong quá Nếu V > 0 thì khí sinh công, nếu V < 0 thì khí nhận công 3) Thể hiện công trên tọa độ p – V Trong hệ toạ độ p –V công trong quá trình được thể hiện bằng diện tích giới hạn bởi đoạn đường cong biểu diễn quá trình, trục hoành và hai đường thẳng song song với trục tung ứng với thể tích đầu và cuối của khí. II. ÁP DỤNG NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CHO CÁC QUÁ TRÌNH CỦA KHÍ LÍ TƯỞNG 1) Quá trình đẳng tích GV : Trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng mà khí nhận được để làm gì ? HS : Trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng mà khí nhận được chỉ dùng để làm tăng nội năng của khí. HS : Q = U 2) Quá trình đẳng áp GV : Các em quan sát mô hình thí nghiệm nung nóng một píttông bên trong có chứa khí lí tưởng, các em cho biết khi nung nóng, pittông sẽ như thể nào ? HS : Khi nung nóng, pittông sẽ chạy ra GV : Khi ta nung nóng, nghĩa là ta cung cấp cho hệ một năng lượng dưới dạng nhiệt, theo các em, phần năng lượng này sẽ được dùng vào những việc gì ? HS : Phần năng lượng này làm biến đổi nội năng của khí lí tưởng, điển hình là làm các phân tử khí chuyển động nhanh hơn (động năng phân tử tăng ), và đồng thời tạo công tác dụng lên pittông. GV : Như vậy : Trong quá trình đẳng áp, một phần nhiệt lượng mà khí nhận vào được dùng để làm tăng nội năng của khí, phần còn lại biến thành công mà khí sinh ra. trình đư ợc thể hiện bằng diện tích giới hạn bởi đoạn đường cong biểu diễn quá trình, trục hoành và hai đư ờng thẳng song song với trục tung ứng với thể tích đầu và cu ối của khí. II. ÁP DỤNG NGUYÊN LÍ TH Ứ NHẤT CHO CÁC QUÁ TRÌNH C ỦA KHÍ LÍ TƯỞNG 1) Quá trình đẳng tích Trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng m à khí nhận được chỉ dùng để làm tăng n ội năng của khí. Q = U 2) Quá trình đẳng áp Trong quá trình đẳng áp, một phần nhiệt lượng mà khí nhận vào được dùng để l àm tăng nội năng của khí, phần còn l ại biến thành công mà khí sinh ra. Q = U + A 3) Quá trình đẳng nhiệt GV : Xét trong quá trình đẳng nhiệt, toàn bộ nhiệt lượng mà khí nhận được dùng vào việc gì ? HS : Trong quá trình đẳng nhiệt, toàn bộ nhiệt lượng mà khí nhận được chuyển hết thành công mà khí sinh ra. Q = A 4) Chu trình GV giảng giải cho học sinh chu trình này GV : Nhiệt lượng mà hệ nhận được (trừ đi nhiệt nhả ra) trong cả chu trình chuyển hết thành công trong chu trình đó. III. BÀI TẬP VẬN DỤNG Đề bài : sách Giáo Khoa trang 237 Bài giải : Câu a) GV : Các em cho biết quá trình AB, BC và CD HS : AB là quá trình đẳng áp . BC là quá trình đẳng tích. CA là quá trình đẳng nhiệt. Câu b) GV : Công thực hiện trong quá trình đẳng áp ? ( Gợi ý cho HS áp dụng) A = pA V Trong đó : V = VB – VA Mặt khác theo phương trình Menđêlêep – Clapêrôn cho A và B pAVA = nRTA (1) pBVB = nRTB (2) Lấy (2) – (1), chú ý pA = pB ta được : pA (VB – VA) = nR(TB – TA)  A = nR(TB – TA) A = 581,7 J Câu c) Áp dụng nguyên lí thứ nhất cho quá trình đẳng áp : U = Q –A = 1000 – 581,7 = 418,3 J Đối với quá trình đẳng tích BC, nội năng ở C bằng nội năng ở A, do nhiệt độ bằng nhau : A = 0 Vậy : Độ biến thiên nội năng trong quá trình đẳng tích là U = - 418,3 J Q = U + A 3) Quá trình đẳng nhiệt Trong quá trình đẳng nhiệt, toàn bộ nhiệt lượng mà khí nhận được chuyển hết th ành công mà khí sinh ra. Q = A 4) Chu trình Nhiệt lượng mà hệ nhận đư ợc (trừ đi nhiệt nhả ra) trong cả chu trình chuyển hết thành công trong chu trình đó. III. BÀI TẬP VẬN DỤNG Đề bài : Có 1,4 mol chất khí lí tưởng ở nhiệt độ 300 K. Đun nóng khí đẳng áp đến nhiệt độ 350 K, nhiệt lượng cung cấp cho khí trong quá trình này là 1000 J . Sau đó khí đư ợc làm lạnh đẳng tích đến nhiệt độ bằng nhiệt độ ban đầu và cuối cùng khí được đưa trở về trạng thái đầu bằng quá trình nén đ ẳng nhiệt. a) Vẽ đồ thị của chu trình đã cho trong h ệ tỏa độ p – V. b) Tính công thực hiện trong quá trình đ ẳng áp. c) Tính độ biến thiên n ội năng ở mỗi quá trình của chu trình. d) Tính nhiệt lượng trong quá trình đ ẳng tích. Bài giải : a) AB là quá trình đẳng áp . BC là quá trình đẳng tích. CA là quá trình đẳng nhiệt. b) Công thực hiện trong quá trình đẳng áp A = pA V Trong đó : V = VB – VA Mặt khác theo phương trình Menđêlêep – Clapêrôn cho A và B pAVA = nRTA (1) GV : Trong quá trình đẳng nhiệt thì nội năng như thế nào ? HS : Trong quá trình đẳng nhiệt thì U = 0 Câu d) Áp dụng nguyên lí thứ nhất cho quá trình đẳng tích BC ta viết : Q = U + A ( A = 0, U = - 418,3 J) Vậy trong quá trình đẳng tích là : Q = - 418,3 J . pBVB = nRTB (2) Lấy (2) – (1), chú ý pA = pB ta được : pA (VB – VA) = nR(TB – TA)  A = nR(TB – TA) A = 581,7 J c) Áp dụng nguyên lí thứ nhất cho quá trình đẳng áp : U = Q –A = 1000 – 581,7 = 418,3 J Đối với quá trình đ ẳng tích BC, nội năng ở C bằng nội năng ở A, do nhiệt độ bằng nhau A = 0 Vậy : độ biến thiên nội năng trong quá trình đẳng tích là U = - 418,3 J Trong quá trình đẳng nhiệt thì U = 0 d) Áp dụng nguyên lí thứ nhất cho quá trình đẳng tích BC ta viết : Q = U + A ( A = 0, U = - 418,3 J) Vậy trong quá trình đẳng tích là : Q = - 418,3 J . 3) Cũng cố : 1) Nội năng khí lí tưởng là gì ? Nó phụ thuộc vào những đại lượng nào ? 2) Viết biểu thức tính công của khí lí tưởng . Các đại lượng tham gia vào biểu thức là của khí hay là của vật ngoài ? 3) Viết biểu thức của nguyên lí thứ nhất cho các quá trình đẳng tích, đẳng áp, đẳng nhiệt và chu trình ? 4) Dặn dò học sinh : - Trả lời câu hỏi 1 ; 2; 3 - Làm bài tập : 1; 2; 3    Bài 56 – 57 NGUYÊN LÍ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ NHIỆT VÀ MÁY LẠNH I. MỤC TIÊU - Học sinh chỉ cần có khái niệm về nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học , nó liên quan đến chiều diễn biến của các quá trình trong tự nhiên, nó bổ sung cho nguyên lí thứ nhất, nó chỉ ra rằng : “ Không thể thực hiện được động cơ vĩnh cữu loại hai” - Biết được nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh và tìm biết được nguồn nóng , nguồn lạnh, tác nhân cùng bộ phận phát động, công sinh ra hay nhận vào ở một số máy hay gặp trong thực tế. II. CHUẨN BỊ - Dụng cụ và các đồ dùng dạy học - III. TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC  Ổn định lớp học 1) Kiểm tra bài củ : + Câu 01 : Nội năng khí lí tưởng là gì ? Nó phụ thuộc vào những đại lượng nào ? + Câu 02 : Viết biểu thức tính công của khí lí tưởng . Các đại lượng tham gia vào biểu thức là của khí hay là của vật ngoài ? + Câu 03 : Viết biểu thức của nguyên lí thứ nhất cho các quá trình đẳng tích, đẳng áp, đẳng nhiệt và chu trình ? 2) Nội dung bài giảng :  Phần làm việc của giáo viên Phần ghi chép của học sinh I. ĐỘNG CƠ NHIỆT a) Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt * Động cơ nhiệt là thiết bị biến đổi nhiệt lượng thành công. Thí dụ : Thiết bị dùng để nâng vật nặng nhờ biến đổi nhiệt lượng thành công. * Động cơ nhiệt có ba bộ phận cấu thành : + Nguồn nóng cung cấp nhiệt lượng. + Nguồn lạnh thu nhiệt lượng do động cơ tỏa ra. + vật trung gian nhận nhiệt sinh công và tỏa nhiệt ( tác nhân ) * Nguyên tắc hoạt động của động cơ I. ĐỘNG CƠ NHIỆT a) Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt * Động cơ nhiệt là thiết bị biến đổi nhiệt lượng thành công. Thí dụ : Thiết bị dùng đ ể nâng vật nặng nhờ biến đổi nhiệt lượng thành công. * Động cơ nhiệt có ba bộ phận cấu thành : + Nguồn nóng cung cấp nhiệt lượng. + Nguồn lạnh thu nhiệt lượng do động cơ tỏa ra. + vật trung gian nhận nhiệt sinh công v à tỏa nhiệt ( tác nhân ) * 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 còn lại Q 2 cho nguồn lạnh. b) Hiệu suất động cơ nhiệt 1 21 1 Q QQ Q A η   Trong đó : +  : Hiệu suất + A : Công do động cơ sinh ra + Q 1 : Nhiệt lượng nhận từ nguồn nóng. II. NGUYÊN LÍ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC. + Nhiệt lượng không tự nó truyền từ một vật nóng hơn. + Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai. III. MÁY LẠNH a) Nguyên tắc hoạt động của máy lạnh 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. * Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của máy lạnh : Thí dụ : Tủ lạnh trong gia đình. b) Hiệu năng của máy lạnh 21 22 QQ Q A Q ε   Trong đó : + A : Công tiêu thụ. + Q 1 : Nhiệt lượng mà tác nhân tỏa ra cho nguồn nóng. + Q 2 : Nhiệt lượng từ nguồn lạnh. IV. HIỆU SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MÁY NHIỆT * Hiệu suất cực đại ( Định lí Cacnô ) nhiệt : Tác nhân nhận nhiệt lượng Q 1 từ nguồn nóng biến một phần thành công A và tỏa phần nhiệt còn lại Q 2 cho nguồn lạnh. b) Hiệu suất động cơ nhiệt 1 21 1 Q QQ Q A η   Trong đó : +  : Hiệu suất + A : Công do động cơ sinh ra + Q 1 : Nhiệt lư ợng nhận từ nguồn nóng. II. NGUYÊN LÍ THỨ HAI CỦA NHI ỆT ĐỘNG LỰC HỌC. + Nhiệt lượng không tự nó truyền từ một vật nóng hơn. + Không thể chế tạo được động cơ v ĩnh cửu loại hai. III. MÁY LẠNH a) Nguyên tắc hoạt động của máy lạnh Máy lạnh là một thiết bị dùng đ ể lấy nhiệt từ một vật này truyền sang v ật khác nóng hơn nhờ nhận công từ các vật ngoài. * Sơ đồ nguyên t ắc hoạt động của máy lạnh : Thí dụ : Tủ lạnh trong gia đình. b) Hiệu năng của máy lạnh 21 22 QQ Q A Q ε   Trong đó : + A : Công tiêu thụ. + Q 1 : Nhiệt lượng mà tác nhân tỏa ra cho nguồn nóng. + Q 2 : Nhiệt lượng từ nguồn lạnh. IV. HIỆU SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MÁY NHIỆT * Hiệu suất cực đại ( Định lí Cacnô ) 1 21 T TT η   + T 1 : Nguồn nóng + T 2 : Nguồn lạnh * Hiệu năng cực đại : 21 2 TT T ε   + T 1 : Nguồn nóng + T 2 : Nguồn lạnh 1 21 T TT η   + T 1 : Nguồn nóng + T 2 : Nguồn lạnh * Hiệu năng cực đại : 21 2 TT T ε   + T 1 : Nguồn nóng + T 2 : Nguồn lạnh 3) Cũng cố : 4) Dặn dò học sinh : - Trả lời câu hỏi 1 ; 2; 3 - Làm bài tập : 1; 2; 3    . sinh công và tỏa nhiệt ( tác nhân ) * Nguyên tắc hoạt động của động cơ I. ĐỘNG CƠ NHIỆT a) Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt * Động cơ nhiệt là thiết bị biến đổi nhiệt lượng thành. giảng :  Phần làm việc của giáo viên Phần ghi chép của học sinh I. ĐỘNG CƠ NHIỆT a) Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt * Động cơ nhiệt là thiết bị biến đổi nhiệt lượng thành công Chương 07 CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC    Bài 53 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC I. MỤC TIÊU - Hiểu được khái