Bài giảng Bài 33: các nguyên lí của nhiệt động lực học

Người soạn:  	
Ngày soạn:  
	Bài 33: 
 CÁC NGUYÊN LÍ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
Tiết: 59.
Mục tiêu
1. Kiến thức
  - Phát biểu và viết được hệ thức của nguyên lí I nhiệt động học (NĐLH); đồng thời nêu được tên, đơn vị và quy ước về dấu của các đại lượng trong hệ thức này.
  - Phát biểu được nguyên lí II của NĐLH theo Clau-di-út và Các-nô.
2. Kỹ năng 
  - Vận dụng được nguyên lí I NĐLH vào các đẳng quá trình biến đổi trạng thái của chất khí. Viết và nêu được ý nghĩa vật lý của hệ thức của nguyên lí này cho quá trình đẳng tích. 
  - Vận dụng được nguyên lí thứ I NĐLH để giải các bài tập liên quan.
3. Thái độ 
+ Giúp học sinh có hứng thú học tập, tích cực phát biểu, đóng góp ý kiến xây dựng bài.
+ Giáo dục học sinh có ý thức vận dụng những hiểu biết vật lý vào đời sống, nhận biết được tác nhân gây ô nhiễm môi trường, có ý thức bảo vệ môi trường, biết chọn động cơ và nhiên liệu phù hợp.
Chuẩn bị:
+ Giáo viên:
Phiếu học tập.
+ Học sinh: 
Ôn lại bài “Sự bảo toàn năng lượng trong các quá trình cơ và nhiệt” SGK lớp 8.
Đọc bài mới.
Tiến trình dạy học:
Ổn định lớp.
Kiểm tra bài cũ:
Phát biểu khái niệm nội năng? Nội năng phụ thuộc vào yếu tố nào?
Phân biệt nội năng và nhiệt năng?
Các cách làm biến đổi nội năng?
Thế nào là thực hiện công?
Phát biểu khái niệm và viết biểu thức tính nhiệt lượng?
 à Đặt vấn đề: Các nhiên liệu bị đốt cháy trong động cơ nhiệt (xăng, khí đốt, dầu hỏa) đang làm ô nhiễm môi trường sống của con người và sinh vật khác trên Trái Đất. Liệu có cách nào để ta có thể chế tạo động cơ nhiệt sử dụng toàn bộ nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra thành công cơ học để không còn lượng khí thải nhiên liệu làm ô nhiễm môi trường được hay không?
Hoạt động dạy học
Hoạt động 1: Ôn lại kiến thức đồng thời tìm hiểu nội dung nguyên lí I NĐLH 
Hoạt động giáo viên
Hoạt động học sinh
Nội dung
– Nhắc lại định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng?
– Nêu một vài ví dụ về sự chuyển hóa năng lượng trong hiện tượng nhiệt, phân tích sự chuyển hóa đó?
– Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng là định luật tổng quát nhất, nó đúng cho mọi hiện tượng trong vật lý. Nguyên lí I NĐLH cũng chính là kết quả sự vận dụng của định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.
– Nếu vật đồng thời nhận được nhiệt và công thì theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng nguyên lí I NĐLH được phát biểu như thế nào?
– Nêu tên các đại lượng và đơn vị tương ứng?
– Kết hợp sách giáo khoa nêu quy ước về dấu của nhiệt lượng và công?
– Năng lượng không tự sinh ra cũng không tự mất đi mà chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc chuyển từ vật này sang vật khác.
– Nêu ví dụ:
-Ấm nước sau khi đun một thời gian sẽ tự động đẩy nắp ấm lên (nội năng chuyển hóa hành cơ năng).
-Khi bơm xe đạp thì thân ống bơm nóng lên (cơ năng chuyển hóa thành nội năng).
-Cọ xát miếng kim loại, miếng kim loại nóng lên (cơ năng chuyển hóa thành nội năng).
– Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được:
(J): Độ biến thiên nội năng.
A (J): Công mà vật nhận được.
Q (J): Nhiệt lượng mà vật nhận được.
– Quy ước:
Q>0: Vật nhận nhiệt lượng.
Q<0: Vật truyền nhiệt lượng.
A>0: Vật nhận công.
A<0: Vật thực hiện công.
Bài 33: 
CÁC NGUYÊN LÍ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
I – Nguyên lí I nhiệt động lực học (NĐLH).
1. Phát biểu nguyên lí.
-Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được:
(J): Độ biến thiên nội năng.
A (J): Công mà vật nhận được.
Q (J): Nhiệt lượng mà vật nhận được.
àQuy ước:
Q>0: Vật nhận nhiệt lượng.
Q<0: Vật truyền nhiệt lượng.
A>0: Vật nhận công.
A<0:Vật thực hiện công
Hoạt động 2: Luyện tập kĩ năng xác định dấu của, A và Q ứng với một quá trình được mô tả và ngược lại.
Hoạt động giáo viên
Hoạt động học sinh
Nội dung
– Gọi học sinh đọc C1.
 Hướng dẫn học sinh làm C1 
 - Chữ “thu nhiệt lượng” là ứng với giá trị nào của Q?
 -Chữ “nội năng tăng” là ứng với giá trị nào của?
 -Chữ “thực hiện công” là ứng với giá trị nào của A?
– Cho thêm bài tập dạng tượng tự: Xác định dấu của các đại lượng trong hệ theo nguyên lí I cho các quá trình sau:
+ Vật thu nhiệt lượng và nhận công từ vật khác và nội năng của hệ tăng.
+ Vật truyền nhiệt để giảm nội năng đồng thời nhận công từ vật khác.
– Gọi học sinh đọc và làm C2.
 –Q>0
 –>0
 – A<0
– Q>0; A>0; >0
– Q0
a) Quá trình truyền nhiệt khi Q>0 vật thu nhiệt; Q<0 vật tỏa nhiệt.
b) Quá trình thực hiện công khi A>0 vật nhận công; A<0 vật thực hiện công.
c) Quá trình truyền nhiệt và thực hiện công khi vật nhận nhiệt lượng và thực hiện công.
d) Quá trình truyền nhiệt và thực hiện công khi vật nhận công và nhiệt từ vật khác.
Hoạt động 3: Vận dụng nguyên lí I vào việc tìm hiểu sự truyền và chuyển hóa năng lượng trong các quá trình biến đổi trạng thái của chất khí.
Hoạt động giáo viên
Hoạt động học sinh
Nội dung
à Xét quá trình đẳng tích:
– Gọi 1 học sinh lên bảng biễu diễn đường đẳng tích trong hệ tọa độ (p,V)?
– Cho trạng thái 1 và 2 như hình vẽ (hình 32.2)
– Xét lại thí nghiệm hình 32.1b.
-Nếu không dùng tay ấn pit-tông xuống thì công thực hiện A có giá trị bao nhiêu?
-Lúc giữ nguyên pit-tông, thể tích khí trong xi lanh có thay đổi không?
– Quá trình biến đổi trạng thái khí khi thể tích không đổi được gọi là quá trình gì?
–Vậy trong quá trình đẳng tích thì A=0. Khi này hệ thức nguyên lí I NĐLH được viết lại như thế nào?
– Có nhận xét gì từ biểu thức trên?
àBài tập ví dụ sách giáo khoa
– Gọi 1 học sinh đọc và tóm tắt đề.
– Hướng dẫn học sinh phân tích :
-Người ta cung cấp cho khí nhiệt lượng 1,5 J, tức khí nhận nhiệt lượng. Dấu của Q?
-Khí đẩy pit-tông, tức khí thực hiện công. Dấu của A?
-Công thức tính công?
-Công thức tính độ biến thiên nội năng?
– Theo dõi quá trình giải bài tập của học sinh.
– Chỉnh sửa sai sót (nếu có).
p2
p2
 V1=V2 V 
– A=0
– Thể tích khí được giữ không đổi.
– Quá trình đẳng tích.
– = Q
– Trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng mà chất khí nhận được chỉ dùng làm tăng nội năng. Quá trình đẳng tích là quá trình truyền nhiệt.
– Đọc và tóm tắt:
 Q=1,5 J
 S=5cm=0,05m
 F=20N
 =?J
– Phân tích bài toán, xác lập các công thức liên quan:
-Người ta cung cấp cho khí nhiệt lượng 1, 5 J Q>0.
-Khí đẩy pit-tông, tức là khí thực hiện công A<0
+ A=F.s
+ =F.s
Giải:
-Công mà khí thực hiện có độ lớn là: A=F.S=20.0,05=1 J.
-Khí nhận nhiệt lượng (Q>0) và thực hiện công (A<0), nên theo nguyên lí I NĐLH, ta có:
= Q+A= 1,51=0,5 J
Kết luận:
Vậy độ biến thiên nội năng của khí có giá trị là 0, 5 J.
2. Vận dụng
-Trong quá trình đẳng tích, nhiệt lượng mà chất khí nhận được chỉ dùng làm tăng nội năng. Quá trình đẳng tích là quá trình truyền nhiệt:
 = Q
 Hoạt động 4: Tìm hiểu nguyên lí II NĐLH.
Hoạt động giáo viên
Hoạt động học sinh
Nội dung
– Có nhiều quá trình chỉ có thể xảy ra theo một chiều xác định mà không thể xảy ra theo chiều ngược lại mặc dù không vi phạm nguyên lí I NĐLH. Chẳng hạn theo quan điểm của Clau-di-út ông cho rằng: Nhiệt không thể tự truyền từ vật sang vật nóng hơn. 
Mệnh đề trên được ông phát biểu vào năm 1850, sau đó được coi là một cách phát biểu của nguyên lí II NĐLH.
– Nêu nội dung mệnh đề nguyên lí II nhiệt động lực học theo 
Clau-di-út?
– Nếu bảo mệnh đề này phủ nhận khả năng truyền nhiệt từ một vật sang vật nóng hơn có đúng không? Tại sao?
– Hoàn chỉnh câu trả lời của học sinh.
– Gọi học sinh đọc và làm C3.
Hoàn chỉnh câu trả lời của học sinh
– Nguyên lí II NĐLH theo 
Các-nô được phát biểu như thế nào?
– Có thể sử dụng nguyên lí II NĐLH để giải thích nhiều hiện tượng trong đời sống và kĩ thuật. Để biết rõ hơn ta sang phần
3. Vận dụng
– Vận dụng nguyên lí II NĐLH để giải thích nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của động cơ nhiệt:
-Động cơ nhiệt là là những động cơ trong đó một phần năng lượng của nhiên liệu bị đốt cháy chuyển hóa thành cơ năng.
-Một xilanh chứa một lượng khí xác định đang ở trạng thái 1. Muốn khí giãn nở sinh công, cần cho tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ cao hơn gọi là nguồn nóng. Khí thu nhiệt lượng Q1 và thực hiện công A1 và chuyển sang trạng thái 2. Để động cơ tiếp tục hoạt động phải đưa khí về trạng thái ban đầu. Muốn vậy cần ngoại lực nén pit-tông về vị trí ban đầu và tốn công A2. Để được lợi về công thì A2 < A1. Vì vậy mà ta cho khí trong xilanh khi nén tiếp xúc với nguồn có nhiệt độ thấp hơn. Trường hợp này chất khí nhường nhiệt lượng Q2 cho nguồn lạnh và nhận công A2.
– Những bộ phận cơ bản trong động cơ nhiệt là gì?
– Công thức tính hiệu suất của động cơ nhiệt? 
– Nêu tên và xác định đơn vị từng đại lượng tương ứng trong biểu thức trên?
– Giới thiệu thêm: Máy lạnh là động cơ làm việc theo chu trình Các-nô, hoạt động theo chiều ngược với động cơ nhiệt.
– Công thức tính hiệu năng của máy lạnh:
– Nhiệt không thể tự truyền từ vật sang vật nóng hơn.
– Không đúng vì mệnh đề này chỉ khẳng định là điều này không thể tự xảy ra được.
“Nhiệt không thể tự truyền từ vật sang vật nóng hơn” chứ không nói “Nhiệt không thể truyền từ vật sang vật nóng hơn”.
– Không. Vì nhiệt được truyền từ nơi có nhiệt độ thấp hơn sang nhiệt độ cao hơn nhờ động cơ nhiệt là máy điều hòa nhiệt độ.
– Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng thành công cơ học.
– Ba bộ phận: 
+ Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng;
+ Bộ phận phát động gồm vật trung gian nhận nhiệt sinh công gọi là tác nhân và các thiết bị phát động;
+ Nguồn lạnh để thu nhiệt lượng do tác nhân tỏa ra.
H (%): Hiệu suất.
Q1 (J): Nhiệt lượng lấy từ nguồn nóng.
Q2 (J): Nhiệt lượng nhường cho nguồn lạnh.
= (J): Công có ích của động cơ.
II- Nguyên lí II nhiệt động lực học.
1.Quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch (đọc thêm).
2.Nguyên lí II NĐLH
a) Cách phát biểu của 
Clau-di-út.
-Nhiệt không thể tự truyền từ vật sang vật nóng hơn.
b) Cách phát biểu của Các-nô.
-Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng thành công cơ học.
3.Vận dụng
-Động cơ nhiệt gồm ba bộ phận:
+ Nguồn nóng để cung cấp nhiệt lượng;
+ Bộ phận phát động gồm vật trung gian nhận nhiệt sinh công gọi là tác nhân và các thiết bị phát động;
+ Nguồn lạnh để thu nhiệt lượng do tác nhân tỏa ra.
-Hiệu suất của động cơ nhiệt: 
-Hiệu năng của máy lạnh: 
Củng cố, vận dụng:
-Như vậy ta không thể chế tạo được động cơ cơ nhiệt sử dụng toàn bộ nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra thành công cơ học để không còn lượng khí thải nhiên liệu làm ô nhiễm môi trường.
- Hoàn thành phiếu học tập sau:
PHIẾU HỌC TẬP
1. Ghép 1 nội dung ở cột bên trái với 1 cột bên phải:
Hiệu suất thực tế của động cơ nhiệt	 m) 
Nguyên lí II nhiệt động lực học	 n) Nhiệt không tự truyền từ một vật	 
 sang vật nóng hơn.
Hệ thức nguyên lí I NĐLH	 o) 
Hiệu năng thực tế của máy lạnh	 p)	
2. Nếu khối khí không trao đổi nhiệt với các vật khác thì hệ thức nào sau đây là hệ thức của nguyên lý I đúng cho quá trình nén khối khí đó?
A. với A0;
C. với A<0	;	 D. với A<0.
3. Hệ thức là hệ thức của nguyên lí nhiệt động lực học áp dụng cho quá trình nào của khí lí tưởng?
A. Quá trình đẳng áp	;	 B. Quá trình đẳng nhiệt;
C. Quá trình đẳng tích	;	 D. Cả A, B và C.
4. Hệ thức nào sau đây là hệ thức của nguyên lí I đúng cho quá trình khối khí lí tưởng dãn nở đẳng nhiệt? 
A. - Q = 0 với Q>0;	B. Q+A=0 với A>0;
C. Q+A = 0 với A<0;	 D. Q+A = 0 với Q<0.
(Đáp án: 	1. a-p ; b-n ; c-0 ; d-m
	2.B
	3.C
	4.C
IV-Rút kinh nghiệm