HỌC” VẬT LÍ 10 BAN CƠ BẢN
2.6. Phân tích kiến thức các chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực
2.1.1. Cấu trúc nội dung
Bảng 2.1: Cấu trúc nội dung hai chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” theo SGK Vật lí 10 ban cơ bản
Chất khí Cấu tạo chất. Thuyết động học phân tử chất khí
Cấu tạo chất
Lực tương tác phân tử Các trạng thái vật chất
Thuyết động học phân tử chất khí Khí lí tưởng
Trạng thái và quá trình biến đổi trạng thái Quá trình đẳng nhiệt.
Định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ôt
Định nghĩa Định luật
Đồ thị biểu diễn Quá trình đẳng tích.
Định luật Sác-lơ
Định luật Đồ thị biểu diễn
Phương trình trạng thái của khí lí tưởng
Khí thực
Phương trình trạng thái
Quá trình đẳng áp. Định nghĩa Định luật
Đồ thị biểu diễn Cơ sở của
nhiệt động lực học
Nội năng và sự biến đổi nội năng
Nội năng Công
Nhiệt lượng
Sự biến đổi nội năng Các nguyên lí của
nhiệt động lực học
Nguyên lý I của nhiệt động lực học
Quá trình đẳng nhiệt Quá trình đẳng tích Quá trình đẳng áp Nguyên lý II của
nhiệt động lực học
Quá trình thuận nghịch
Quá trình không thuận nghịch
2.1.2. Phân tích nội dung trình bày trong SGK
Hai chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” là bộ phận quan trọng của phần Nhiệt học. Đối với hai chương này, học sinh có thể làm những bài tập cơ bản một cách nhẹ nhàng, nhưng đa phần các em không hiểu được bản chất hiện tượng. Sỡ dĩ vậy là do các em chưa được tiếp cận bài học các chương này một cách hợp lí, chỉ đơn thuần học các lí thuyết rời rạc mà không có sự liên hệ với nhau và liên hệ với thực tế.
Trước hết, ta phân tích nội dung kiến thức của hai chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” để làm cơ sở cho việc thiết kế phương án giảng dạy.
2.1.2.1. Những điều cần biết về chất khí
• Cấu tạo chất khí
Chất khí (cũng như chất lỏng, chất rắn) được cấu tạo bởi các phân tử. Mỗi phân tử lại được tạo thành bởi một nguyên tử (đó là khí đơn nguyên tử như He, Ne,…) hoặc hai hay nhiều nguyên tử liên kết với nhau (đó là khí lưỡng nguyên tử như H2, O2, N2,… hoặc khí đa nguyên tửnhư CO2, NO2,…)
Chất khí có tính dễ nén vì khoảng cách giữa các phân tử khí lớn hơn rất nhiều so với kích thước của chúng nên thể tích tổng cộng của các nguyên tử hay phân tử khí rất nhỏ so với thể tích của toàn khối khí.
Hấu hết chất khí là rất khó quan sát bằng mắt thường một cách rõ ràng, chúng được mô tả bởi 4 thuộc tính vật lí : áp suất, thể tích, mật độ và nhiệt độ. Bốn thuộc tính này được nghiên cứu riêng biệt bởi nhiều nhà khoa học như là Robert Boyle, Jacques Charles, John Dalton, Joseph Gay-Lussac và Amedeo Avogadro.
• Thuyết động học phân tử chất khí
Trong chất khí, các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng, va chạm vào nhau không ngừng. Phương, chiều và độ lớn vận tốc của mỗi phân tử này đều thay đổi sau khi va chạm. Do chuyển động hỗn loạn này nên chất khí có tính chất là bành trướng thể tích và có hình dạng thay đổi theo hình dạng bình chứa (khác với chất lỏng và chất rắn có thể tích không thay đổi).
Chuyển động hỗn loạn này của các phân tử khí quyết định độ lớn nhiệt độ của chất khí nên còn được gọi là chuyển động nhiệt.
Mỗi phân tử khí va chạm vào thành bình tác dụng lên thành bình một lực không đáng kể, nhưng vô số phân tử khí va chạm vào thành bình tác dụng lên thành bình một lực đáng kể. Lực này gây áp suất của chất khí lên thành bình.
Khí lí tưởng là chất khí mà trong đó các phân tử được coi là chất điểm và chỉ tương tác với nhau khi va chạm.
Nhận xét: Nội dung thuyết động học phân tử trình bày trong sách giáo khoa tương đối đơn giản và ngắn gọn, chỉ cần hiểu như vậy là đủ. Tuy nhiên giáo viên khi dạy
nên lưu ý những điều có thể mở rộng và hiểu sâu hơn để học sinh suy nghĩ khi củng cố kiến thức, trả lời câu hỏi, làm bài tập. Đó là những điều sau đây:
o Mối quan hệ giữa nhiệt độ và chuyển động hỗn loạn của phân tử (hoặc nguyên tử) chất khí: nhiệt độ gắn với chuyển động nhiệt
Hiểu nhiệt độ theo cách vĩ mô: dựa vào số chỉ nhiệt kế, các dữ kiện thực nghiệm cho biết rằng nhiệt độ càng cao thì vận tốc chuyển động nhiệt càng lớn.
Nhiệt độ hiểu theo quan điểm vi mô: nhiệt độ tỉ lệ với động năng trung bình của chuyển động nhiệt của phân tử thì có thể nói rằng vận tốc của chuyển động nhiệt càng lớn tức là nhiệt độ càng cao.
o Tính hỗn loạn của chuyển động nhiệt thể hiện ra sao?
Trước tiên là sự phân bố đều về hướng của vận tốc trong không gian. Không có hướng nào trong không gian là ưu tiên, hướng ưu tiên được hiểu là hướng có nhiều (hoặc có ít) phân tử chuyển động theo hướng ấy hơn so với hướng khác.
Hai là, độ lớn của vận tốc có thể có mọi giá trị khác nhau. Tuy nhiên, vẫn có một giá trị xác định độ lớn vận tốc trung bình của các phân tử khí, giá trị này phụ thuộc vào nhiệt độ (theo phân bố vận tốc Maxwell)
o Áp suất chất khí lên thành bình tạo ra như thế nào?
Có thể giải thích điều này bằng lí thuyết hoặc thực nghiệm.
Bằng lí thuyết: Giả sử có một dòng phân tử khí tới va chạm vuông góc với thành bình.
Mỗi phân tử có vận tốc v tới va chạm trực diện vào thành bình rồi bị bật trở lại với vận tốc đổi chiều và cùng độ lớn. Mỗi va chạm truyền cho mặt thành bình một động lượng bằng 2mv, m là khối lượng phân tử. Giả thiết trong một đơn vị thời gian có z phân tử tới va chạm vào một đơn vị diện tích thành bình. Lực tác dụng lên một đơn vị diện tích (áp suất) thành bình bằng động lượng nhận được trong một đơn vị thời gian, tức là bằng z2mv.
Bằng thực nghiệm: Cho một dòng hạt cát chuyển động theo một hướng và va chạm vào một mặt phẳng thẳng đứng. Thí nghiệm chứng tỏ rằng mặt phẳng ấy bị đẩy về phía sau bằng một lực. Lực càng lớn nếu số va chạm trong đơn vị thời gian càng nhiều (góc của dòng hạt cát tới va chạm vào mặt phẳng là không đổi).
• Lực tương tác phân tử
Các vật có thể giữ được hình dạng và thể tích của chúng là do giữa các phân tử cấu tạo nên vật đồng thời có lực hút và lực đẩy. Độ lớn của những lực này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử.
Khi khoảng cách giữa các phân tử nhỏ thì lực đẩy mạnh hơn lực hút, khi khoảng cách giữa các phân tử lớn thì lực hút mạnh hơn lực đẩy – lực Van Der Waals. Khi khoảng cách giữa các phân tử rất lớn (lớn hơn nhiều lần kích thước phân tử) thì lực tương tác giữa chúng coi như không đáng kể.
Nhận xét: SGK trình bày phần này khá rõ ràng và có mô hình giúp dễ hình dung, tuy nhiên khi dạy giáo viên cần giới thiệu cho các em giá trị bán kính phân tử vào khoảng 10-10(m) để các em có thể hình dung khoảng cách giữa các phân tử nhỏ, lớn thế nào.
2.1.2.2. Các thông số trạng thái và quá trình biến đổi trạng thái
Một lượng khí ở trạng thái cân bằng có áp suất, thể tích và nhiệt độ xác định, p,V,T gọi là các thông số trạng thái của một lượng khí.
Giữa các thông số trạng thái của một lượng khí có những mối liên hệ xác định. Lượng khí có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác bằng các quá trình biến đổi trạng thái.
Đẳng quá trình là các quá trình biến đổi trạng thái trong đó chỉ có hai thông số trạng thái biến đổi, còn một thông số không đổi.
• Quá trình đẳng nhiệt
Quá trình đẳng nhiệtlà quá trình biến đổi trạng thái khi nhiệt độ không đổi.
Định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt
Trong quá trình đẳng nhiệt của một lựơng khí nhất định, áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích.
p 1
V hay pV = hằng số Đường đẳng nhiệt:
Đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo thể
tích khi nhiệt độ không đổi gọi là đường đẳng nhiệt.
Trong hệ tọa độ (p, V) đường này là đường hyperbol.
• Quá trình đẳng tích:
Quá trình đẳng tích là quá trình biến đổi trạng thái khi thể tích không đổi.
Định luật Sác-lơ:
Trong quá trình đẳng tích của một lượng khí nhất định, áp suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.
pThay p
T= hằng số Đường đẳng tích:
Đường biểu diễn sự biến thiên của áp suất theo nhiệt độ khi thể tích không đổi gọi là đường đẳng tích.
• Quá trình đẳng áp
Quá trình đẳng áplà quá trình biến đổi trạng thái trong đó áp suất không đổi.
Trong quá trình đẳng áp của một lượng khí nhất định, thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.
V Thay p
T= hằng số Đường đẳng áp:
Đường biểu diễn sự biến thiên của thể tích
theo nhiệt độ khi áp suất không đổi gọi là đường
đẳng áp.
Nhận xét: Khi dạy phần này, đa phần học sinh không chú ý, không hiểu, thường vẽ sai phần đồ thị ở vùng nhiệt độ thấp phải là đường kéo dài. Giáo viên cần giải thích khi củng cố bài, nhiệt độ thí nghiệm con người hiện tạo ra được ≥ 10-9 K, phần nhiệt độ thấp hơn dùng phương pháp ngoại suy nên ta chỉ vẽ đường chấm gạch.
• Phương trình trạng thái khí lí tưởng
Một lượng khí xác định biến đổi trạng thái thì các thông số có mối quan hệ sau:
pV
T = hằng số 2.1.2.3. Nội năng
Nội năng U của một vật là năng lượng do các thành phần vi mô (nguyên tử, phân tử) tạo nên vật, gồm động năng và thế năng tương tác (do lực hút) giữa các thành phần này.
T(K) V2>V1 V1
V2 p
O
T(K) P2>P1 P1
P2 V
O
Các cách làm thay đổi nội năng: có hai cách: thực hiện công lên vật (hay vật thực hiện một công), và truyền (hay lấy đi) nhiệt lượng của vật.
Nhiệt lượng:là năng lượng trao đổi giữa một vật và môi trường xung quanh khi có sự khác nhau giữa nhiệt độ của vật và của môi trường.
Nhiệt dung riêng: Nếu gọi nhiệt dung riêng c là nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của 1 kg chất lên thêm 10C, thì để tăng nhiệt độ của một khối lượng m (kg) lên thêm 10C, nhiệt lượng cần cung cấp là Q = mc, và để tăng nhiệt độ của khối lượng m này lên thêm ∆t (0C), nhiệt lượng cần cung cấp là Q = mc∆t.
Quá trình cân bằng nhiệt: Khi có hai vật có nhiệt độ khác nhau được cho tiếp xúc nhiệt (tức là hai vật trao đổi nhiệt lượng với nhau), sau một thời gian, hai vật sẽ có cùng nhiệt độ (gọi là trạng thái cân bằng nhiệt), và kể từ đó quá trình trao đổi nhiệt lượng chấm dứt. Hai vật sẽ mãi mãi ở trạng thái cân bằng nhiệt này, nếu không có một tác nhân nào khác can thiệp vào.
Điều kiện xảy ra trạng thái cân bằng nhiệt: Qtỏa = Qthu 2.1.2.4. Các nguyên lí của nhiệt động lực học
• Nguyên lí I của nhiệt động lực học
Nguyên lí I nhiệt động lực học là sự vận dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vào các hiện tượng nhiệt.
Nội năng của một vật có thể thay đổi bằng cách thực hiện công và truyền nhiệt.
Qui ước:
A > 0: hệ nhận công từ bên ngoài A < 0: hệ thực hiện công
Q > 0: hệ nhận nhiệt lượng
Q < 0: hệ truyền nhiệt lượng ra bên ngoài
Gọi U và U’ lần lượt là nội năng của hệ lúc trước và lúc sau, ta có nguyên lí thứ I của nhiệt động lực học “Độ biến thiên nội năng của vật bằng tổng công và nhiệt lượng mà vật nhận được”
'
U U U A Q
∆ = − = +
• Nguyên lí II nhiệt động lực học
Khi vật tự nó biến đổi từ một trạng thái nào đó và có thể quay về trạng thái cũ thì đó là quá trình thuận nghịch.
Nếu hệ không thể tự nó biến đổi để quay về trạng thái đầu tiên thì đó là quá trình không thuận nghịch.
Có hai cách phát biểu nguyên lí II nhiệt động lực học:
“Nhiệt không thể tự truyền từ một vật sang vật nóng hơn”
“Động cơ nhiệt không thể chuyển hóa tất cả nhiệt lượng nhận được thành công cơ học”
Áp dụng của nguyên lí II nhiệt động lực học
Động cơ nhiệt: máy biến đổi nhiệt lượng thu được thành công. Một động cơ nhiệt phải hoạt động giữa một nguồn nóng và một nguồn lạnh. Bộ phận nhận nhiệt để sinh công được gọi là tác nhân. Tác nhân nhận nhiệt lượng QN (QN > 0) từ nguồn nóng, thực hiện công A (A < 0), và thải nhiệt lượng còn lại QL (QL < 0) cho nguồn lạnh. Ta có: QN = A + QL hay QN + QL + A = 0
Theo nguyên lí II ở trên, ta suy ra hệ thức tính hiệu suất của động cơ nhiệt:
N L
N N
A Q Q
H Q Q
= = − luôn nhỏ hơn 1
Máy lạnh: máy nhận nhiệt lượng từ nguồn lạnh QL (QL >0) và tỏa nhiệt lượng QN
(QN <0) cho nguồn nóng nhờ công A (A>0) từ bên ngoài tác dụng lên máy. Ta có: QL =
QN −A hay QL + QN + A = 0. Máy lạnh vận hành trái chiều với động cơ nhiệt.
Nhận xét: Phần vận dụng nguyên lí II nhiệt động lực học có những liên hệ rất hay với thực tế, nhưng được trình bày ở cuối chương khá đơn giản, và chung chung, khiến học sinh khó hình dung.
Trong sách giáo khoa Vật lí 10 cơ bản không trình bày về máy lạnh. Tuy nhiên khi dạy phần này theo tôi nghĩ, giáo viên nên giới thiệu, cũng như hướng dẫn học sinh liên hệ kiến thức phần nguyên lí II với hoạt động của máy lạnh, vì thực tế các em học sinh trình độ lớp 10 miền Nam tiếp xúc máy lạnh nhiều hơn là động cơ nhiệt.
2.1.3. Những thuận lợi và khó khăn khi dạy các chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học”
2.1.3.1. Thuận lợi
Chương chất khí nghiên cứu tính chất và các quá trình biến đổi trạng thái của chất khí.
Nhiệt động lực học nghiên cứu các hiện tượng nhiệt về mặt năng lượng và biến đổi năng lượng. Vì vậy, phần học này gắn liền với các hiện tượng nhiệt xảy ra trong thế giới thực đang diễn ra xung quanh cuộc sống chúng ta, điều này tạo một thuận lợi lớn là giáo viên có thể đưa vấn đề từ cuộc sống vào bài giảng kích thích học sinh tham gia vào quá trình học tập.
Các dụng cụ thí nghiệm của chương được cung cấp đầy đủ hỗ trợ cho việc giảng dạy, ngoài ra những thí nghiệm về hiện tượng nhiệt cũng rất đa dạng tạo thuận lợi cho giáo viên và học sinh khi dạy và học.
Các em đã được làm quen các khái niệm cơ bản về cấu tạo chất, sự chuyển động của nguyên tử, phân tử, nhiệt năng, dẫn nhiệt, nhiệt lượng, quá trình cân bằng nhiệt, động cơ nhiệt ở lớp 8, do vậy học sinh đã có nền tảng cơ bản nên lên chương trình lớp 10 sẽ giúp tiếp tục phát triển những kiến thức này đầy đủ và cụ thể hơn.
2.1.3.2. Khó khăn
Nội dung của phần chất khí được trình bày trong sách giáo khoa mang tính liệt kê nhiều hơn là thể hiện mối liên hệ các mặt về các đặc trưng của chất khí và các quá trình biến đổi trạng thái của chất khí, khiến học sinh khó có một cái nhìn bao quát về phần học.
Nội dung phần các nguyên lí nhiệt của động lực học được SGK trình bày khá tổng quát với hai bài, và phần ứng dụng thì không tường minh, khiến học sinh khó hình dung.
Đây cũng là những chương cuối của chương trình vật lí 10 nên áp lực về thời gian và thi cử cũng ảnh hưởng đến thời gian học tập. Theo phân phối chương trình hai chương được hoàn thành trong thời lượng 12 tiết học/ 6 bài học, kể cả thời gian làm bài tập (3 tiết) và 1 tiết kiểm tra thì thời gian để thực dạy nội dụng kiến thức trên chỉ còn 8 tiết. Các em khó có thể có một “bức tranh” toàn diện về phần học trong thời lượng ít ỏi như thế.