Tài liệu Phân loại và giải bài tập nhiệt học đại cương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN VẬT LÝ XW LÊ BÁ LỘC LỚP DH5L KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC PHÂN LOẠI VÀ GIẢI BÀI TẬP NHIỆT HỌC ĐẠI CƯƠNG Giáo viên hướng dẫn: LÊ ĐỖ HUY Long Xuyên, tháng 05 năm 2008 LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn: Ban giám hiệu nhà Trường Đại Học An Giang. Ban chủ nhiệm Khoa Sư Phạm Trường Đại Học An Giang. Hội đồng Khoa Học và Đào Tạo Khoa Sư Phạm Trường Đại Học An Giang. Thầy Lê Đỗ Huy – Giáo viên hướng dẫn. Các thầy cô và các bạn. Đã tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đề tài nghiên cứu. i LỜI NÓI ĐẦU Đề tài “Phân loại và giải bài tập nhiệt học đại cương” có nội dung gồm ba phần: Chương I: Cơ sở lý luận của đề tài. Chương II: Cơ sở lý thuyết. Chương III: Phân loại các bài tập cụ thể. Nội dung được trình bày chi tiết gồm: lý thuyết cơ bản, phương pháp giải, bài tập giải mẫu, bài tập đề nghị đối với bài tập định tính; lý thuyết cơ bản, phương pháp giải, bài tập giải mẫu, bài tập đề nghị (có đưa ra đáp số) đối với bài tập định lượng. Đề tài được viết với mục đích là để phân loại và giải được bài tập vật lý phần nhiệt học trên cơ sở các bài tập giải mẫu nhằm mục đích nâng cao kỹ năng học tập và nhận thức của bản thân. Hy vọng sẽ góp phần giúp sinh viên ôn tập, nắm vững kiến thức cơ bản; rèn luyện kỹ năng giải bài tập; rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng lý thuyết vào thực tiễn; phát triển khả năng tư duy;… Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện vẫn còn nhiều thiếu sót và chưa qua ứng dụng thực tế nên rất mong thầy, cô và các bạn góp ý giúp hoàn chỉnh đề tài này. An Giang, ngày 5 tháng 5 năm 2008 Người thực hiện ii MỤC LỤC PHẦN I: MỞ ĐẦU ------------------------------------------------------------------------------- 1 I. Lí do chọn đề tài -------------------------------------------------------------------------- 1 II. Mục đích nghiên cứu. ------------------------------------------------------------------- 1 III. Nhiệm vụ nghiên cứu------------------------------------------------------------------- 1 IV. Đối tượng nghiên cứu. ----------------------------------------------------------------- 1 V. Phạm vi nghiên cứu --------------------------------------------------------------------- 1 VI. Giả thuyết khoa học -------------------------------------------------------------------- 1 VII. Phương pháp nghiên cứu ------------------------------------------------------------- 1 VIII. Đóng góp của đề tài ------------------------------------------------------------------ 2 IX. Bố cục khóa luận-------------------------------------------------------------------------2 PHẦN II: NỘI DUNG --------------------------------------------------------------------------- 3 Chương I: Cơ sở lý luận của đề tài -------------------------------------------------------- 3 I. Khái niệm về bài tập vật lý---------------------------------------------------------- 3 II. Vai trò và tác dụng của bài tập vật lý --------------------------------------------- 3 III. Phân loại bài tập vật lý------------------------------------------------------------- 4 IV. Cơ sở định hướng giải bài tập vật lý --------------------------------------------- 6 V. Tiểu luận------------------------------------------------------------------------------ 8 Chương II: Cơ sở lý thuyết----------------------------------------------------------------- 8 I. Thuyết động học chất khí------------------------------------------------------------ 8 II. Sự va chạm của các phân tử. Các hiện tượng truyền trong chất khí ---------20 III. Những nguyên lý cơ bản của nhiệt động lực học------------------------------22 Chương III. Phân loại các bài tập cụ thể-------------------------------------------------35 I. Bài tập định tính ---------------------------------------------------------------------35 II. Bài tập định lượng------------------------------------------------------------------40 PHẦN III: KẾT LUẬN -------------------------------------------------------------------------69 TÀI LIỆU THAM KHẢO----------------------------------------------------------------------70 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY PHẦN I: MỞ ĐẦU I. Lí do chọn đề tài Nhiệm vụ chính của người học môn vật lý là phải hiểu và vận dụng được các lý thuyết chung của vật lý vào những lĩnh vực cụ thể. Một trong những lĩnh vực đó là giải bài tập vật lý Bài tập vật lý thì nhiều, đa dạng và phong phú. Một trong những kỹ năng của người học là phân loại và giải được các bài tập liên quan đến các nội dung lý thuyết. Trong quá trình học, các em còn gặp những khó khăn khi giải các bài tập như không tìm được hướng giải quyết vấn đề, không vận dụng được lý thuyết vào việc giải bài tập, không tổng hợp được kiến thức thuộc nhiều phần của chương trình đã học để giải quyết một vấn đề chung, hay khi giải các bài tập thì thường áp dụng một cách máy móc các công thức mà không hiểu rõ ý nghĩa vật lý của chúng. Với những lí do trên tôi chọn đề tài: “Phân loại và giải bàì tập nhiệt học đại cương”. II. Mục đích nghiên cứu Vận dụng lý thuyết để phân loại và giải bài tập vật lý đại cương phần nhiệt học nhằm mục đích nâng cao kỹ năng học tập và nhận thức của bản thân. III. Nhiệm vụ nghiên cứu Hệ thống các kiến thức cơ bản phần vật lý phân tử và nhiệt học. Phân loại được các bài tập vật lý đại cương phần vật lý phân tử và nhiệt học. Nêu một số bài tập đề nghị. IV. Đối tượng nghiên cứu Lý thuyết phần vật lý phân tử và nhiệt học. Các loại bài tập vật lý vật lý đại cương phần vật lý phân tử và nhiệt học. V. Phạm vi nghiên cứu Chỉ nghiên cứu chương: “Thuyết động học phân tử chất khí”, “Sự va chạm của các phân tử và các hiện tượng truyền trong chất khí”, “Những nguyên lý cơ bản của nhiệt động lực học”. VI. Giả thuyết khoa học Nếu đề tài nghiên cứu thành công thì góp phần tăng thêm kiến thức cho bản thân về phần được nghiên cứu. Và có thể là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành sư phạm vật lý. VII. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp đọc sách, nghiên cứu tài liệu tham khảo. Phương pháp thống kê toán học. Phương pháp phân tích, đánh giá. Khóa luận tốt nghiệp Trang 1 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY VIII. Đóng góp của đề tài Trong quá trình hoàn thiện đề tài giúp em rèn thêm về kỹ năng phân loại bài tập và kỹ năng sử dụng lý thuyết vào việc giải bài tập cụ thể. IX. Bố cục khóa luận PHẦN I: MỞ ĐẦU I. Lí do chọn đề tài. II. Mục đích nghiên cứu III. Nhiệm vụ nghiên cứu IV. Đối tượng nghiên cứu V. Phạm vi nghiên cứu VI. Giả thuyết khoa học VII. Phương pháp nghiên cứu VIII. Đóng góp của đề tài IX. Bố cục khóa luận PHẦN II: NỘI DUNG Chương I: Cơ sở lý luận của đề tài I. Khái niệm về bài tập vật lý II. Vai trò và tác dụng của bài tập vật lý III. Phân loại bài tập vật lý IV. Cơ sở định hướng giải bài tập vật lý V. Tiểu luận Chương II: Cơ sở lý thuyết I. Thuyết động học chất khí II. Sự va chạm của các phân tử. Các hiện tượng truyền trong chất khí III. Những nguyên lý cơ bản của nhiệt động lực học Chương III: Phân loại các bài tập cụ thể I. Bài tập định tính II. Bài tập định lượng PHẦN III: KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Khóa luận tốt nghiệp Trang 2 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY PHẦN II: NỘI DUNG Chương I: Cơ sở lý luận của đề tài I. Khái niệm về bài tập vật lý Bài tập vật lý là một yêu cầu đặt ra cho người học, được người học giải quyết dựa trên cơ sở các lập luận lôgic, nhờ các phép tính toán, các thí nghiệm, dựa trên những kiến thức về khái niệm, định luật và các thuyết vật lý. II. Vai trò và tác dụng của bài tập vật lý Xét về mặt phát triển tính tự lực của người học và nhất là rèn luyện kỹ năng vận dụng kiến thức đã lĩnh hội được thì vai trò của bài tập vật lý trong quá trình học tập có một giá trị rất lớn. Bài tập vật lý được sử dụng ở nhiều khâu trong quá trình dạy học. Bài tập là một phương tiện nghiên cứu hiện tượng vật lý. Trong quá trình dạy học vật lý người học được làm quen với bản chất của các hiện tượng vật lý bằng nhiều cách khác nhau như: kể chuyện, biểu diễn thí nghiệm, làm bài thí nghiệm, tiến hành tham quan. Ở đây tính tích cực của người học và do đó chiều sâu và độ vững chắc của kiến thức sẽ lớn nhất khi “tình huống có vấn đề” được tạo ra, trong nhiều trường hợp nhờ tình huống này có thể làm xuất hiện một kiểu bài tập mà trong quá trình giải người học sẽ phát hiện lại quy luật vật lý chứ không phải tiếp thu quy luật dưới hình thức có sẵn. Bài tập là một phương tiện hình thành các khái niệm. Bằng cách dựa vào các kiến thức hiện có của người học, trong quá trình làm bài tập, ta có thể cho người học phân tích các hiện tượng vật lý đang được nghiên cứu, hình thành các khái niệm về các hiện tượng vật lý và các đại lượng vật lý. Bài tập là một phương tiện phát triển tư duy vật lý cho người học. Việc giải bài tập làm phát triển tư duy lôgic, sự nhanh trí. Trong quá trình tư duy có sự phân tích và tổng hợp mối liên hệ giữa các hiện tượng, các đại lượng vật lý đặc trưng cho chúng. Bài tập là một phương tiện rèn luyện kỹ năng vận dụng các kiến thức của người học vào thực tiển. Đối với việc giáo dục kỷ thuật tổng hợp bài tập vật lý có ý nghĩa rất lớn, những bài tập này là một trong những phương tiện thuận lợi để người học liên hệ lý thuyết với thực hành, học tập với đời sống. Nội dung của bài tập phải đảm bảo các yêu cầu sau: + Nội dung của bài tập phải gắn với tài liệu thuộc chương trình đang học. + Hiện tượng đang được nghiên cứu phải được áp dụng phổ biến trong thực tiển. + Bài tập đưa ra phải là những vấn đề gần gũi với thực tế. + Không những nội dung mà hình thức của bài tập cũng phải gắn với các điều kiện thường gặp trong cuộc sống. Trong các bài tập không có sẵn dữ kiện mà phải tìm dữ kiện cần thiết ở các sơ đồ, bản vẽ kỹ thuật, ở các sách báo tra cứu hoặc từ thí nghiệm. Bài tập về hiện tượng vật lý trong sinh hoạt hằng ngày cũng có một ý nghĩa to lớn. Chúng giúp cho người học nhìn thấy khoa học vật lý xung quanh chúng ta, giúp cho người học khả năng quan sát. Với các bài tập này, trong qua trình giải, người học sẽ có được kỹ năng, kỹ xảo để vận dụng các kiến thức của mình vào việc phân tích các hiện tượng vật lý khác nhau trong tự nhiên, trong kỹ thuật và trong đời sống, đặc biệt có Khóa luận tốt nghiệp Trang 3 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY những bài tập khi giải đòi hỏi người học phải sử dụng kinh nghiệm trong lao động, sinh hoạt và sử dụng những kết quả quan sát thực tế hằng ngày. Bài tập vật lý là một phương tiện để giáo dục người học. Nhờ bài tập vật lý ta có thể giới thiệu cho người học biết sự xuất hiện những tư tưởng, quan điểm tiên tiến, hiện đại, những phát minh, những thành tựu của nền khoa học trong và ngoài nước. Tác dụng giáo dục của bài tập vật lý còn thể hiện ở chỗ: chúng là phương tiện hiệu quả để rèn luyện đức tính kiên trì, vượt khó, ý chí và nhân cách của người học. Việc giải bài tập vật lý có thể mang đến cho người học niềm phấn khởi sáng tạo, tăng thêm sự yêu thích bộ môn, tăng cường hứng thú học tập. Bài tập vật lý cũng là phương tiện kiểm tra mức độ nắm vững kiến thức và kỹ năng, kỹ xảo của người học. Đồng thời nó cũng là công cụ giúp người học ôn tập, đào sâu, mở rộng kiến thức. III. Phân loại bài tập vật lý Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà ta có nhiều cách phân loại bài tập vật lý khác nhau: Phân loại theo mục đích, phân loại theo nội dung, phân loại theo cách giải, phân loại theo mức độ khó dễ. 1. Phân loại theo nội dung Có thể chia làm hai loại: 1.1. Bài tập có nội dung lịch sử Đó là những bài tập, những câu hỏi chứa đựng những kiến thức có đặc điểm lịch sử, những dữ liệu về thí nghiệm, về những phát minh, sáng chế hoặc về những câu chuyện có tính chất lịch sử. 1.2. Bài tập có nội dung cụ thể và trừu tượng Bài tập có nội dung cụ thể là bài tập trong đó dữ liệu của đầu bài là cụ thể và người học có thể tự giải chúng dựa vào vốn kiến thức cơ bản đã có. Ưu điểm chính của bài tập cụ thể là tính trực quan cao và gắn vào đời sống. Bài tập có nội dung trừu tượng là những bài tập mà dữ liệu đã cho là không cụ thể, nét nổi bật của bài tập trừu tượng là bản chất vật lý được nêu bật lên, nó được tách ra không lẫn lộn với các chi tiết không cơ bản. 1.3. Bài tập có nội dung theo phân môn Trong vật lý học người ta phân ra các chuyên ngành nhỏ để nghiên cứu và bài tập cũng được xếp loại theo các phân môn. 1.4. Bài tập có nội dung kỹ thuật tổng hợp Đó là các bài tập mà số liệu dữ kiện gắn với các số liệu thực tế trong các ngành kỹ thuật, công nghiệp, các bài tập này có ứng dụng thực tế. 2. Phân loại theo cách giải Có thể chia ra thành hai loại: 2.1. Bài tập định tính Khóa luận tốt nghiệp Trang 4 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Đây là loại bài tập mà việc giải không đòi hỏi phải làm một phép tính nào hoặc chỉ là những phép tính đơn giản có thể nhẩm được. Muốn giải bài tập này phải dựa vào khái niệm, những định luật vật lý đã học, xây dựng những suy luận lôgic, để xác lập mối liên hệ phụ thuộc vào bản chất giữa các đại lượng vật lý.Bài tập định tính có tác dụng lớn trong việc củng cố những kiến thức đã học, giúp đào sâu hơn bản chất của hiện tượng vật lý, rèn luyện kỹ năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn cuộc sống, rèn luyện năng lực quan sát, bồi dưỡng tư duy lôgic. Vì vậy đây là loại bài tập có giá trị cao, ngày càng được sử dụng nhiều hơn. 2.2. Bài tập định lượng: Là bài tập mà khi giải nó phải thực hiện một loạt các phép tính và thường được phân ra làm hai loại: bài tập tập dượt và bài tập tổng hợp. Bài tập tập dượt là loại bài tập tính toán đơn giản, muốn giải chỉ cần vận dụng một vài định luật, một vài công thức, loại này giúp củng cố các kiến thức vừa học đồng thời giúp nắm kỹ hơn kiến thức và cách vận dụng nó. Bài tập tổng hợp là loại bài tập tính toán phức tạp, muốn giải phải vận dụng nhiều khái niệm, nhiều công thức, loại này có tác dụng đặc biệt trong việc mở rộng, đào sâu kiến thức giữa các phần khác nhau của chương trình, đồng thời nó giúp người học biết tự mình lựa chọn những định luật, công thức cần thiết trong các định luật và các công thức đã học. Tóm lại: Bài tập vật lý rất đa dạng, vì thế vấn đề phân loại được các bài tập của một phân môn là rất cần thiết để có thể học tốt phân môn đó. 3. Phân loại theo trình độ phát triển tư duy Có thể phân ra thành ba bậc của quá trình nhận thức. 3.1. Bài tập nhận biết, tái hiện, tái tạo lại Đó là những bài tập đòi hỏi người học nhận ra được, nhớ lại được những kiến thức đã học, đã được nêu trong tài liệu. Đó là những câu hỏi về khái niệm, về định luật, về thuyết vật lý hoặc về các ứng dụng vật lý. 3.2. Bài tập hiểu, áp dụng Với các bài tập này thì những đại lượng đã cho có mối liên hệ trực tiếp với đại lượng phải tìm thông qua một công thức, một phương trình nào đó mà người học đã học. Bài tập loại này đòi hỏi người học nhận lại, nhớ lại mối liên hệ giữa các đại lượng đã cho và các đại lượng phải tìm. Tiến trình luận giải ở dây đơn giản chỉ là một phương trình một ẩn số hoặc là giải thích một tính chất nào đó dựa vào đặc điểm, vào các tính chất vật lý đã học. Sử dụng giải thích một hiện tượng vật lý, rèn luyện kỹ năng sử dụng thuật ngữ vật lý. 3.3. Bài tập vận dụng linh hoạt Loại bài tập này được sử dụng sau khi người học đã nghiên cứu tài liệu mới, nó có tác dụng củng cố, khắc sâu kiến thức đã lãnh hội được đồng thời nó bổ khuyết những gì mà trong giờ nghiên cứu tài liệu mới người học còn mơ hồ, còn hiểu sai. Với bài tập vận dụng linh hoạt đòi hỏi phải có khả năng vận dụng phối hợp những kiến thức mới học với những kiến thức trước đó. Việc giải bài tập vận dụng linh hoạt phải phát triển ở người Khóa luận tốt nghiệp Trang 5 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY học tư duy logic, tư duy phân tích tổng hợp, đồng thời thấy được mối liên hệ biện chứng giữa các kiến thức đã học. Chính những bài tập vận dụng linh hoạt là cầu nối kiến thức trong sách vở với những vấn đề trong thực tế đời sống và trong kỹ thuật. IV. Cơ sở định hướng giải bài tập vật lý 1. Hoạt động giải bài tập vật lý Mục tiêu cần đạt tới khi giải một bài toán vật lý là tìm được câu trả lời đúng đắn, giải đáp được vấn đề đặt ra một cách có căn cứ khoa học chặt chẽ. Quá trình giải một bài toán thực chất là tìm hiểu điều kiện của bài toán, xem xét hiện tượng vật lý được đề cập và dựa trên các kiến thức về vật lý, tính toán để nghĩ tới mối liên hệ có thể của cái đã cho và cái cần tìm sao cho thấy được cái phải tìm có mối liên hệ trực tiếp hoặc gián tiếp với cái đã cho, từ đó đi đến chỉ rõ được mối liên hệ tường minh trực tiếp của cái phải tìm với cái vơi cái đã biết nghĩa là đã tìm được lời giải đáp cho bài toán đặt ra. Hoạt động giải bài toán vật lý có hai phần việc cơ bản quan trọng là: + Việc xác lập các mối liên hệ cơ bản, cụ thể dựa trên sự vận dụng kiến thức vật lý vào điều kiện cụ thể của bài toán đã cho. + Sự tiếp tục luận giải, tính toán, đi từ mối liên hệ đã xác lập được đến kết quả cuối cùng của việc giải đáp vấn đề được đặt ra trong bài toán đã cho. Sự nắm vững lời giải một bài toán vật lý phải thể hiện ở khả năng trả lời được câu hỏi: Việc giải bài toán này cần xác lập được mối liên hệ nào? Sự xác lập các mới liên hệ cơ bản này dựa trên sự vận dụng kiến thức vật lý nào? Vào điều kiện cụ thể gì của bài toán? Đối với bài tập định tính, ta không phải tính toán phức tạp nhưng vẫn cần phải có suy luận lôgic từng bước đi để đến kết luận cuối cùng. 2. Phương pháp giải bài tập vật lý Xét về tính chất của các thao tác tư duy khi giải các bài tập vật lý người ta thường dùng hai phương pháp sau. 2.1. Phương pháp phân tích Theo phương pháp này điểm xuất phát là các đại lượng cần tìm. Người giải phải tìm xem đại lượng chưa biết này có liên quan gì với các đại lượng vật lý khác, và khi biết được sự liên hệ này thì biểu diễn nó thành những công thức tương ứng, cứ làm như thế cho tới khi nào biểu diễn được hoàn toàn đại lượng cần tìm bằng những đại lượng đã biết thì bài toán đã được giải xong. Như vậy phương pháp này thực chất là đi phân tích một bài toán phức tạp thành những bài toán đơn giản hơn rồi dựa vào những quy tắc tìm lời giải mà lần lược giải các bài tập này, từ đó đi đến lời giải cho bài toán phức tạp trên. 2.2. Phương pháp tổng hợp Theo phương pháp này suy luận không bắt đầu từ đại lượng cần tìm mà bắt đầu từ các đại lượng đã biết, có nêu trong đề bài. Dùng công thức liên hệ các đại lượng này với các đại lượng đã biết, ta đi dần đến công thức cuối cùng. Khóa luận tốt nghiệp Trang 6 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Nhìn chung, việc giải bài tập vật lý phải dùng chung hai phương pháp phân tích và tổng hợp. Phép giải bắt đầu bằng phân tích các điều kiện của bài toán để hiểu đề bài và phải có sự tổng hợp kèm theo ngay để kiểm tra ngay lại mức độ đúng đắn của các sự phân tích ấy. Muốn lập được kế hoạch giải phải đi sâu phân tích nội dung vật lý của bài tập, tổng hợp những dữ kiện đã cho với những quy luật vật lý đã biết ta mới xây dựng được lời giải và kết quả cuối cùng. 3. Các bước chung giải bài toán vật lý Từ phân tích về thực chất hoạt động giải bài toán, ta có thể đưa ra một cách khái quát các bước chung của tiến trình giải một bài toán vật lý và hoạt động chính trong các bước đó là. Bước 1: - Tìm hiểu đầu bài. - Đọc, ghi ngắn gọn các dữ liệu xuất hiện vá các cái phải tìm. - Mô tả lại tình huống đã nêu trong đầu bài, vẽ hình minh họa. - Nếu đề bài yêu cầu thì phải dùng đồ thị hoặc làm thí nghiệm để thu được các dữ liệu cần thiết. Bước 2: Xác lập những mối liên hệ cơ bản của các dữ liệu xuất phát và các cái phải tìm. - Đối chiếu các dữ liệu xuất phát và các cái phải tìm, xem xét bản chất vật lý của những tình huống đã cho để nghĩ đến kiến thức, các định luật, các công thức có liên quan. - Xác lập các mối liên hệ cơ bản, cụ thể của các dữ liệu xuất phát và của cái phải tìm. - Tìm kiếm, lựa chọn các mối liên hệ tối thiểu cần thiết sao cho thấy được mối liên hệ của cái phải tìm với các dữ liệu xuất phát, từ đó có thể rút ra cái cần tìm. Bước 3: Rút ra kết quả cần tìm. Từ các mối liên hệ cần thiết đã xác lập, tiếp tục luận giải, tính toán để rút ra kết quả cần tìm. Bước 4: Kiểm tra xác nhận kết quả. Để có thể xác nhận kết quả cần tìm cần kiểm tra lại việc giải theo một hoặc một số cách sau: - Kiểm tra xem đã tính toán đúng chưa. - Kiểm tra xem thứ nguyên có phù hợp không. - Kiểm tra kết quả bằng thực nghiệm xem có phù hợp không. - Giải bài toán theo các cách khác xem có cho dúng kết quả không. Khóa luận tốt nghiệp Trang 7 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Tuy nhiên trong nhiều bài tập không nhất thiết phải tách bạch một cách cứng nhắc giữa bước 2 và bước 3. Tùy từng bài toán mà ta có thể kết hợp hai bước đó thành một trong tiến hành luận giải. 4. Lựa chọn bài tập vật lý Vấn đề lựa chọn bài tập vật lý góp phần không nhỏ vào việc nâng cao chất lượng học tập môn vật lý của người học và việc lựa chọn bài tập phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Các bài tập phải đi từ dễ đến khó, đơn giản đến phức tạp, giúp người học nắm được các phương pháp giải các bài tập điển hình. - Hệ thống bài tập cần bao gồm nhiều thể loại bài tập. - Lựa chọn các bài tập cần kích thích tính hứng thú học tập và phát triển tư duy của người học. - Các bài tập phải nhằm củng cố, bổ xung và hoàn thiện tri thức cụ thể đã học, cung cấp cho người học những hiểu biết về thực tế, kỹ thuật có liên quan với kiến thức lý thuyết. - Lựa chọn các bài tập điển hình nhằm hướng dẫn cho người học vận dụng kiến thức đã học để giải những loại bài tập cơ bản, hình thành phương pháp chung để giải các loại bài tập đó. - Lựa chọn các bài tập sao cho có thể kiểm tra được mức độ nắm vững tri thức của người học. V. Tiểu kết Hoạt động học nói chung để đạt kết quả cao thì vấn đề sử dụng bài tập là rất cần thiết vì bài tập là phương tiện chủ yếu giúp người học có thể nắm rõ được các vấn đề nghiên cứu, rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng kiến thức vào thực tiễn. Bên cạnh đó có thể dùng bài tập để ôn tập, đào sâu, củng cố và mở rộng tri thức. Đặc biệt là chất lượng học tập sẽ được nâng cao hơn khi ta có thể phân loại và đề ra phương pháp giải các dạng bài tập một cách phù hợp. Do đặc thù của môn học nên chúng tôi chọn phân loại bài tập “Vật lý phân tử và nhiệt học” theo cách giải. Chương II: Cơ sở lý thuyết I. Thuyết động học chất khí 1. Thuyết động học chất khí – mẫu cơ học chất khí lí tưởng Chuyển động hỗn loạn của các phân tử trong chất khí, chất lỏng và chất rắn có tính chất khác nhau. Đối với chất khí chuyển động này đơn giản hơn cả vì vậy trước hết ta hãy nghiên cứu tính chất của chất khí. Thuyết động học phân tử: Vật lí phân tử phát triển trên cơ sở thuyết động học phân tử và nó có các nội dung cơ bản sau: Khóa luận tốt nghiệp Trang 8 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY - Các chất có cấu tạo gián đoạn và gồm một số rất lớn các phân tử. Đó là các phân tử nhỏ nhất của các chất còn giữ được tính chất hóa học của chất này. Phân tử lại được cấu tạo bởi những hạt đơn giản hơn, đó là các nguyên tử. - Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng. Cường độ chuyển động biểu hiện nhiệt độ của hệ. - Kích thước phân tử rất nhỏ (khoảng 10-8 cm) so với khoảng cách giữa chúng. Số nguyên tử trong một thể tích nhất định là rất lớn. Trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua kích thước phân tử và coi mỗi phân tử như một chất điểm. - Các phân tử không tương tác với nhau trừ lúc va chạm. Sự va chạm giữa các phân tử và giữa các phân tử với thành bình tuân theo những định luật về va chạm đàn hồi của cơ học Newton. Các giả thuyết ở gạch đầu dòng thứ nhất và thứ hai thì đúng với mọi chất khí còn hai giả thuyết tiếp theo chỉ đúng với khí lí tưởng. Mẫu khí lí tưởng Mẫu khí lí tưởng bao gồm những đặc điểm cơ bản sau đây: a. Khí lí tưởng gồm một số rất lớn các phân tử có kích thước rất nhỏ (so với khoảng cách trung bình giữa các phân tử), các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng. b. Lực tương tác giữa các phân tử chỉ trừ lúc va chạm là đáng kể ngoài ngoài ra thì rất nhỏ có thể bỏ qua. c. Sự va chạm lẫn nhau giữa các phân tử khí hay va chạm giữa các phân tử khí với thành bình tuân theo quy luật va chạm đàn hồi (nghĩa là không hao hụt động năng của phân tử). Dựa vào mẫu khí lí tưởng, sau đây ta sẽ xét một số vấn đề cơ bản của chất khí như áp suất, nhiệt độ, phương trình trạng thái, các hiện tượng truyền, … 2. Áp suất khí lí tưởng a. Định nghĩa Theo quan điểm vĩ mô áp suất bằng lực nén của các phân tử chất khí tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích trên thành bình chính là áp suất của chất khí, ta có: p= F ∆S Trong đó: p là áp suất chất khí. F là lực nén của các phân tử khí vuông góc với diện tích ∆S của thành bình. Theo quan điểm vi mô lực của các phân tử chất khí tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích thành bình chính là áp suất chất khí. b. Công thức tính áp suất chất khí Khóa luận tốt nghiệp Trang 9 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY p= 2 n w (2.1) 3 Trong đó: p là áp suất chất khí. n là mật độ phân tử khí. w là động năng trung bình chuyển động vì nhiệt của các phân tử. (2.1) Đây là công thức cơ bản của thuyết động học phân tử của khí lí tưởng. (2.1) Cho ta biết mối liên quan giữa tính chất vĩ mô của khí (áp suất p) với giá trị trung bình của đại lượng đặc trưng cho chuyển động của các phân tử chất khí (động năng trung bình w ). Cần chú ý rằng công thức này áp suất được xác định bởi động năng trung bình w của các phân tử khí, mà w chỉ có giá trị xác định đối với tập hợp rất lớn các phân tử. w= = ∑ niwi i n mv i2 ni 2 =∑ n i n i v i2 n i v i2 m 2 m 2 m 2 ( ) v v = ; Với v = = ∑ ∑i n ; 2 2 i n 2 v 2 gọi là trung bình của bình phương vận tốc; v = v 2 gọi là vận tốc căn trung bình bình phương; Nếu các phân tử khí đều chuyển động với vận tốc v thì động năng của mỗi phân tử chính là động năng trung bình w đã được định nghĩa ở trên . c. Đơn vị của áp suất + Trong hệ đơn vị SI, đơn vị áp suất là N/m2 hay Pascal, ký hiệu là Pa: 1N/m2 = 1Pa. + Trong hệ đơn vị CGS, đơn vị áp suất là dyn trên centimet vuông, ký hiệu là dyn ⎛ ⎞ ⎜ 2 ⎟: ⎝ cm ⎠ ⎛ dyn ⎞ ⎛ N ⎞ 1⎜ 2 ⎟ = 10⎜ 2 ⎟ . ⎝ cm ⎠ ⎝m ⎠ + Ngoài ra, áp suất còn được đo bằng: Atmotphe kỹ thuật, ký hiệu là at: 1 at = 9,81.104 N/m2 = 736 mmHg. Nếu dùng đơn vị là KG kilogam lực trên cm 2 thì: Khóa luận tốt nghiệp Trang 10 SVTH: Lê Bá Lộc 1at = 1 GVHD: LÊ ĐỖ HUY KG N = 9,81.10 2 . 2 cm m Atmotphe vật lý, ký hiệu là atm: 1atm = 1,013.105 N/m2 = 760 mmHg = 1,033 at. 3. Nhiệt độ Nhiệt độ là một trong những khái niệm cơ bản của vật lí phân tử và nhiệt học. Sau đây ta sẽ tìm hiểu ý nghĩa vật lý của khái niệm này. Phần năng lượng của chuyển động hỗn loạn của các phân tử của vật nóng hơn được truyền cho các phân tử của vật lạnh hơn được gọi là nhiệt lượng. Để đặc trưng cho độ nóng lạnh của vật, người ta đưa ra khái niệm nhiệt độ. Thông thường ta xem vật càng nóng thì nhiệt độ của vật đó càng cao, vật càng lạnh thì nhiệt độ của nó càng thấp. Khi để hai vật (có nhiệt độ khác nhau) tiếp xúc với nhau thì có sự truyền năng lượng từ vật có nhiệt độ cao hơn đến vật có nhiệt độ thấp hơn, và chỉ ngừng lại khi hai vật ở trạng thai cân bằng nhiệt (nhiệt độ bằng nhau) hay nói cách khác là có động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử trong mỗi vật bằng nhau. Chính vì vậy, ta có thể chọn w làm thước đo nhiệt độ của vật đó. Từ (2.1) để đơn giản, ta quy ước nhiệt độ được xác định bằng θ : θ= 2 w. 3 p= 2 n w = nθ . 3 Suy ra: Vậy nếu các phân tử chuyển động càng nhanh (hoặc càng chậm) thì động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử càng lớn (hoặc càng nhỏ) và do đó nhiệt độ của vật càng cao (hoặc càng thấp). Vậy theo quan điểm động học phân tử, nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho tính chất vĩ mô của vật, thể hiện mức nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật đó. Thang nhiệt độ: Mối liên hệ giữa nhiệt độ tính theo các nhiệt giai khác nhau: Nhiệt độ T tính theo nhiệt giai kelvin và nhiệt độ tính theo nhiệt giai Celcius: T = 273,150 + t. Nhiệt độ TF tính theo nhiệt giai Fahrenheit và nhiệt độ tính theo nhiệt giai Celcius: TF = Khóa luận tốt nghiệp 9 t + 32 0 . 5 Trang 11 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Công thức về mối liên hệ giữa nhiệt độ đo bằng năng lượng với nhiệt độ đo bằng đơn vị độ: θ= 2 w = kT 3 w= 3 kT . 2 (3.1) Suy ra: (3.2) Trong đó k là hằng số Bôndơman và có giá trị bằng k = 1,38.10-28 J/K hoặc erg k = 1,38.10 − 28 . K Dựa vào công thức (3.2) ta thấy khi T = 0 thì w = 0 nghĩa là các phân tử ngừng chuyển động tịnh tiến. Tuy nhiên thì sự dao động của các nguyên tử trong phân tử vẫn còn tồn tại. 00K được gọi là độ không tuyệt đối và nhiệt giai Kelvin được gọi là nhiệt giai tuyệt đối. Nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được là 1,3.10-6K, nhiệt độ cao nhất vào bậc 100 triệu độ (bom nguyên tử). Nhiệt độ chỉ có ý nghĩa khi xét đến tập hợp rất lớn các phân tử khí. 4. Phương trình trạng thái của khí lí tưởng và nhiệt độ của khí lí tưởng Trạng thái của một khối lượng khí nhất định được xác định bởi các thông số trạng thái (áp suất p, nhiệt độ T, thể tích V). Phương trình nêu lên mối liên hệ giữa 3 thông số trạng thái trên của một khối lượng khí xác định được gọi là phương trình trạng thái và có thể viết dưới dạng: p = f(V,T). Thiết lập phương trình trạng thái khí lý tưởng: Ta có: p = 2 nw 3 w= (2.1) 3 kT (3.2) 2 Từ (2.1) và (3.2) ta suy ra được: p = nkT (4.1) Nếu trong thể tích V của khí có chứa N phân tử thì n = N (4.2) V Thay (4.2) vào (4.1) ta được: pV = nkT (4.3) Phương trình (4.3) gọi là phương trình trạng thái của khí lý tưởng. Khóa luận tốt nghiệp Trang 12 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Tuy nhiên việc đo trực tiếp N không thể thực hiện được nên người ta thay N bằng khối lượng m của chất khí là đại lượng đo được dễ dàng. Một kilomol (kmol) của bất kì chất nào cũng chứa một số phân tử là số Avogadro NA=6,02.1026 kmol-1 . Nếu gọi µ là khối lượng của một kmol chất (tính ra kg) thì ta có: N m m = → N = NA NA µ µ Thay N vào phương trình (4.3) ta được: PV = m N A kT (4.4) µ Hằng số R = NAK được gọi là hằng số khí lý tưởng và có trị số: R = 6,02.1026.1,38.10-23 = 8,31.103 J KmolK Thay R vào (4.4) ta được: PV = m RT µ (4.5) Phương trình trạng thái viết dưới dạng (4.5) được gọi là phương trình ClaypeyronMendeleev. Hằng số R có thể xác định từ phương trình (4.5) cho một kmoK khí. Khi đó m = µ nên PV0 = RT . Trong đó V0 là thể tích của một Kmol khí. Ở điều kiện tiêu chuẩn T = 2730K, áp suất p = 760 mmHg thì thể tích của một kmol khí là V0 = 22,4 m3/kmol. Do đó R = PV0 1,033.9,81.10 4.22,4 N.m J = ≈ 8,31.10 3 = 8,31.10 3 T 273 Kmol.K Kmol.K Nếu áp suất tính bằng at, thể tích là l (lit) thì: R= PV0 1,033.22,4.10 3 at.l . = = 84 T 273 Kmol.K Nhiệt độ của khí lí tưởng: Xuất phát từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng cho 1 Kmol khí: PV0 = RT Suy ra áp suất của chất khí là: P = RT V0 Mặt khác, từ phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử các chất khí N 1 1 N p = mn 0 v 2t áp dụng cho 1 Kmol khí thì n 0 = A , do đó: p = m A v 2t 3 V0 3 V0 Khóa luận tốt nghiệp Trang 13 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Nếu gọi µ = mN A là khối lượng 1 Kmol khí và m là khối lượng 1 phân tử khí thì ta 1 v2 T= µ t 3 R được: Phương trình cho thấy nhiệt độ chất khí liên quan trực tiếp với vận tốc toàn phương trung bình của phân tử theo hệ thức sau: v 2t = 3RT hoặc v t ~ T . µ 5. Các định luật thực nghiệm Từ phương trình trạng thái của khí lí tưởng ta có thể dễ dàng suy ra các định quy định tính chất của các khí gọi các định luật của khí lí tưởng. 5.1. Định luật Boyle-Mariotte Định luật: với một khối lượng khí xác định, ở nhiệt độ không đổi (T = const), tích số giữa thể tích và áp suất là một hằng số. Hệ thức: p1V1 = p2V2 Hay: pV = const. Đường đẳng nhiệt: trong hệ tọa độ OpV, các đường đẳng nhiệt là các đường hyperbol biểu diễn mối liên hệ giữa p và V. Tập hợp các đường đẳng nhiệt được gọi là họ các đường đẳng nhiệt. p T2 T1 O V 5.2. Định luật Gay-Lussac Định luật: khi áp suất không đổi thì thể tích của một khối lượng khí xác định biến thiên bậc nhất theo nhiệt độ. Hệ thức: V = const . T Vậy ta có thể dễ dàng suy ra định luật Gay-Lussac viết theo nhiệt giai Celcius: Vt =V0(1 + α p t ). Trong đó: Vt áp suất ở t0C V0 áp suất ở 00C Khóa luận tốt nghiệp Trang 14 SVTH: Lê Bá Lộc α= • GVHD: LÊ ĐỖ HUY 1 hệ số nhiệt biến đổi đẳng áp của chất khí. 273 Đường đẳng áp: V p1 p2 T “Khi áp suất không đổi thì thể tích của một khối lượng khí cho trước biến thiên bậc nhất theo nhiệt độ (bách phân)”. 5.3. Định luật Charles Định luật Charles nêu lên mối liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ của một khối lượng khí xác định khi thể tích không đổi (đẳng tích). Từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng ta có: P mR = T µ V P = const T Vì V = const nên: Gọi p0 là áp suất của một khối lượng khí xác định ở nhiệt độ 0 0 C ( T0 = 2730 K ). Khi biến đổi đẳng tích tới áp suất p và nhiệt độ T, ta có hệ thức: p p p p0 = ⇒ p = 0 T = 0 (273 + t ) T T0 T0 273 Vậy p = p 0 (1 + α p ) αp = 1 gọi là hệ số nhiệt biến đổi áp suất đẳng tích của khí. 273 “ Khi thể tích không đổi thì áp suất của một lượng khí cho trước biến thiên bậc nhất theo nhiệt độ (bách phân)” . Đường đẳng tích p V1 V2 5.4. Định luật Đalton Khóa luận tốt nghiệp T Trang 15 SVTH: Lê Bá Lộc GVHD: LÊ ĐỖ HUY Xét một bình có thể tích V chứa hỗn hợp gồm các chất khí không tác dụng hóa học với nhau. Gọi N1,N2,…Nn là số phân tử của các khí thành phần tương ứng của hỗn hợp tổng số phân tử khí có trong hỗn hợp là: N = N1 + N2 + … + Nn Phương trình trạng thái của hỗn hợp khí: PV = NKT = (N1 + N2 + … + Nn )KT Áp suất của hỗn hợp khí trong bình là: P= N1 N N KT + 2 KT + ... + n KT . V V V N1 N N KT,P 2 = 2 KT,..., Pn = n KT biểu thị áp suất của mỗi chất khí V V V thành phần của hỗn hợp khi chỉ riêng thành phần của khí đó chiếm toàn bộ cả bình. P1, P2, …,Pn gọi là áp suất riêng phần. Trong đó P1 = P = P1 + P2 + …+ Pn (1-23) Định luật: áp suất của hỗn hợp khí bằng tổng các áp suất riêng phần của các khí thành phần tạo nên hỗn hợp. Định luật Dalton cho thấy khí thành phần của hỗn hợp gây nên một áp suất không phụ thuộc sự có mặt của các áp suất của các khí thành phần khác, nghĩa là trong khí lý tưởng không có sự tương tác giữa các phân tử. 6. Sự phân bố vận tốc phân tử theo Maxwell 6.1. Hàm phân bố vận tốc Các phân tử trong chất khí chuyển động hỗn loạn với các vận tốc khác nhau cả về hướng và độ lớn nhưng sự phân bố vận tốc của các phân tử vẫn tuân theo một quy tắc nhất định. Xét một khối khí ở nhiệt độ xác định T và có N phân tử. Gọi dN là số phân tử có vận tốc nằm trong khoảng v đến v + dv, dN tỉ lệ với N, với dv và phụ thuộc v theo hàm f(v): dN=Nf(v)d(v) dN cho biết tỉ số của số phân tử trong một đơn vị thể tích có vận tốc N nằm trong khoảng v đến v + dv hay là xác suất để phân tử có vận tốc trong khoảng v đến v + dv. Đại lượng dN = f ( v)dv N Hàm f(v) được gọi là hàm phân bố. Dựa vào khái niệm xác suất, năm 1852 Maxwell xác đinh được hàm phân bố có dạng: Khóa luận tốt nghiệp Trang 16