Giáo án Vật lý 10 bài 58: Nguyên lý I nhiệt động lực học

CHƯƠNG VIII: CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
Tiết 81, bài 58: Nguyên lý I nhiệt động lực học
Mục tiêu.
Về kiến thức.
Hiểu được khái niệm nội năng, nghĩa là hiểu được:
+ Hệ đứng yên vẫn có khả năng sinh công do hệ có nội năng.
+ Nội năng bao gồm các dạng năng lượng nào bên trong hệ?
+ Nội năng phụ thuộc các thong số trạng thái nào của hệ?
Biết được hai cách làm biến đổi nội năng và biết được sự tương đương giữa nhiệt và công.
Hiểu được nguyên lý I NĐLH, biết phát biểu nguyên lý, biết sử dụng phương trình của nguyên lý.
HS hiểu được năng lượng chuyển hóa từ cơ năng sang nội năng và thu được nhiệt lượng. Nếu Q = A thì năng lượng của hệ được bảo toàn.
Về kỹ năng.
Vận dụng nguyên lý I nhiệt động lực học để giải thích các hiện tượng vật lý và giải các bài tập liên quan.
Thái độ.
HS tích cực, hăng hái xây dựng bài.
Trung thực trong tiến hành thí nghiệm.
Chuẩn bị.
Giáo viên.
Một vài giáo cụ trực quan, máy chiếu, hình ảnh, video minh họa.
Học sinh.
Ôn lại các khái niệm: công, nhiệt lượng và năng lượng.
Định hướng phát triển năng lực.
Tạo khả năng hoạt động nhóm ở học sinh.
Phát triển cho học sinh khả năng tổng hợp phân tích.
Phát triển năng lực tư duy logic, năng lực sang tạo của học sinh.
Tổ chức hoạt động dạy – học.
Hoạt động 1(5 phút): Ổn định tổ chức lớp. Kiểm tra. Đặt vấn đề vào bài.
Hoạt động của học sinh
Trợ giúp của giáo viên
Nội dung chính
- Các dạng năng lượng đã được học: cơ năng, điện năng, nhiệt năng
- GV đặt câu hỏi: Em hãy kể tên các dạng năng lượng đã được học?
- GV đặt vấn đề: Nếu để ý bên trong vật còn một dạng năng lượng khác, đó chính là nội năng. Vậy nội năng là gì? Nó phụ thuộc vào những thông số nào? Có thể biến đổi nội năng được không? Để trả lời các câu hỏi trên chúng ta sẽ cùng tìm hiểu qua bài học hôm nay.
Hoạt động 2( 10 phút): Xây dựng khái niệm nội năng.
Hoạt động của học sinh
Trợ giúp của giáo viên
Nội dung chính
- Quan sát và tiếp thu.
- Nội dung thuyết cấu tạo chất:
+ Các chất được cấu tạo từ những hạt riêng, gọi là phân tử, nguyên tử. Giữa các phân tử có khoảng cách.
+ Các phân tử, nguyên tử chuyển động không ngừng. Nhiệt độ của vật càng cao thì các nguyên tử, phân tử cấu tạo nên vật chuyển động càng nhanh.
+ Các phân tử, nguyên tử tương tác với nhau bằng lực hút và lực đẩy phân tử.
- Cá nhân tiếp thu, ghi nhớ.
- HS trả lời:
+ Các phân tử chuyển động vì nhiệt nên có động năng. Khi thay đổi nhiệt độ thì động năng của hệ thay đổi.
+ Thế năng tương tác giữa các phân tử thay đổi khi thay đổi khoảng cách giữa các phân tử đó.
+ Nếu thay đổi thể tích của vật thì khoảng cách các phân tử thay đổi, đẫn đến thế năng thay đổi.
Các em theo dõi SGK và quan sát trên bảng.
- Đun nước cho tới khi nước sôi. Hơi nước sôi đẩy nắp ấm lên.
- Trong thí nghiệm với màng xà phòng, ta thấy màng xà phòng làm dịch chuyển cạnh di động của khung nhờ lực căng bề mặt => Hệ quả của lực tương tác giữa các phân tử.
- ? Trình bày nội dung của thuyết cấu tạo chất?
- Qua các hiện tượng trên và nhiều hiện tượng khác ta thấy rằng, các khối chất khi đứng yên có thể sinh công nhờ áp lực gây ra bởi chuyển đông của các phân tử và nhờ tương tác giữa các phân tử. vậy chứng tỏ các khối chất có năng lượng bên trong. Dạng năng lượng này được gọi là nội năng.
- Bây giờ ta cùng đi tìm hiểu xem nội năng phụ thuộc yếu tố nào?
+ Do đâu mà các phân tử có động năng? Khi nào thì động năng của các phân tử thay đổi?
+ Khi nào thì thế năng tương tác giữa các phân tử thay đổi?
+ Nếu thay đổi thể tích của vật thì khoảng cách các phân tử thay đổi không?
1. Nội năng.
a. Quan sát.
b. Kết luận.
- Nội năng là một dạng năng lượng bên trong của hệ, nó phụ thuộc vào trạng thái của hệ. Nội năng bao gồm tổng động năng chuyển động nhiệt của phân tử cấu tạo nên hệ và thế năng tương tác giữa các phân tử đó.
c. Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích.
- Khi nhiệt độ thay đổi => động năng thay đổi => nội năng thay đổi => U= f(T)
- Khi thể tích thay đổi => Thế năng thay đổi => Nội năng thay đổi => U= f(V).
Tóm lại, nội năng của vật phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích.
=> Có thể viết: U=f(T,V). 
Hoạt động 3(7 phút): Nghiên cứu các cách làm biến đổi nội năng.
Hoạt động của học sinh
Trợ giúp của giáo viên
Nội dung chính
- Chú ý lắng nghe.
- Quan sát và nhận xét thí nghiệm.
- Trả lời câu hỏi: 
Bây giờ ta sẽ cùng nghiên cứu xem có cách nào thay đổi nội năng của một vật không?
- Từ phương trình U = f(T,V), vì nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích của hệ nên muốn thay đổi U thì có thể thay đổi T hoặc V của vật. vậy, cần phải thực hiện công hay truyền nhiệt cho vật thì sẽ làm biến đổi nội năng của khối khí.
- Thực hiện một số thí nghiệm về thực hiện công cho HS quan sát. Có thể cho HS quan sát 1 khối khí được nhốt trong xilanh, Thực hiện nén pitong để thay đổi thể tích khối khí. Nếu nút cao su của xilanh bị bật ra tức là nội năng của khối khí tăng và sinh công làm cho nút cao su bật ra.
- Các em hãy nêu các cách thực hiện công mà em thường gặp?
- Ta cũng có thể làm cho không khí trong bơm nóng lên bằng cách hơ nóng than bơm và làm cho miếng kim loại nóng lên bằng cách thả nó vào nước nóng. Khi đó nội năng của không khí trong bơm hay miếng kim loại tăng lên không do thực hiện công mà do truyền nhiệt lượng.
2. Hai cách làm biến đổi nội năng. 
a. Thực hiện công.
- Nhốt khối khí trong xilanh. Thực hiện nén pitong để thay đổi thể tích khối khí. Nếu nút cao su của xilanh bị bật ra tức là nội năng của khối khí tăng và sinh công làm cho nút cao su bật ra. 
- Cọ sát một miếng kim loại trên mặt bàn, ta thấy miếng kim loại nóng lên. Đó là cách làm biến đổi nội năng của miếng kim loại bằng thực hiện công.
b. Truyền nhiệt lượng.
c. Sự tương tác giữa công và nhiệt lượng.
- Thực hiện công Truyền nhiệt lượng.
=> Vì sự thực hiên công và truyền nhiệt lượng đều là những cách làm biến đổi nội năng nên chúng tương đương nhau.
Hoạt động 4(17 phút): Xây dựng nguyên lý I nhiệt động lực học.
Hoạt động của học sinh
Trợ giúp của giáo viên
Nội dung chính
- Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng, ta có:
 ∆U = Q + A
 Độ năng nội năng của hệ bằng tổng đại số nhiệt lượng và công mà hệ nhận được.
- HS phát biểu: Nhiệt lượng truyền cho hệ làm tăng nội năng của hệ và biến thành công mà hệ sinh ra.
- Từ các thí nghiệm trên ta thấy: Khi cung cấp nhiệt lượng cho khối khí thì nội năng của khối khí tăng và khối khí sinh công làm chuyển động nắp pittong.
- Nếu như ta vừa cung cấp nhiệt lượng cho khối khí và vừa thực hiện công để ấn nắp pittong xuống thì nội năng của khối khí được xác định bằng biểu thức toán học nào?
- Kết quả ta vừa tìm được là biểu thức của nguyên lý I nhiệt động lực học.
- Em hãy phát biếu thành lời biểu thức trên?
- Để áp dụng biểu thức này cho các quá trình truyền nhiệt khác với quy ước về dấu như sau:
+ Nếu Q > 0: hệ nhận nhiệt lượng; A > 0: Hệ nhận công
+ Nếu Q < 0: Hệ tỏa nhiệt lượng; A < 0: hệ sinh công.
+ ∆U > 0: Nội năng của hệ tăng.
+ ∆U < 0: Nội năng của hệ giảm.
- Có 2 cách phát biểu:
+ Cách 1: Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng đại số nhiệt lượng và công hệ nhận được.
 ∆Q = Q + A
+ Cách 2: Nhiệt lượng truyền cho hệ làm tăng nội năng của hệ và biến thành công mà hệ sinh ra.
 Q = ∆U - A
3. Nguyên lý I nhiệt động lực học.
- Nguyên lý I nhiệt động lực học là sự vận dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vào các hiện tượng nhiệt.
- Biểu thức: 
 ∆U = Q + A
- Biểu thức biến đổi tương đương: 
 Q = ∆U – A.
- Để áp dụng biểu thức này cho các quá trình truyền nhiệt khác với quy ước về dấu như sau:
+ Nếu Q > 0: hệ nhận nhiệt lượng; A > 0: Hệ nhận công
+ Nếu Q < 0: Hệ tỏa nhiệt; A < 0: hệ sinh công.
+ ∆U > 0: Nội năng của hệ tăng.
+ ∆U < 0: Nội năng của hệ giảm.
Hoạt động 5(5 phút): Củng cố và định hướng nhiệm vụ học tập.
Hoạt động của học sinh
Trợ giúp của giáo viên
Nội dung chính
- Làm bài tập.
- Tiếp thu và nhận nhiệm vụ.
- Yêu cầu học sinh làm bài tập SGK.
- Yêu cầu học sinh học bài và làm bài trước khi đến lớp.
- Yêu cầu học sinh đọc bài mới.