Định dạng và các phương pháp giải bài tập vật lý phân tử và nhiệt học trong chương trình vật lý lớp 10, 11

tính gì, quan hệ nào của hiện thực khách quan cũng như giới hạn phản ánh đến đâu. Đối với học sinh trung học phổ thông, bài tập vật lý là một phương tiện quan trọng giúp học sinh rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng lý thuyết đã học vào thực tiễn. Việc giải bài tập vật lý giúp các em ôn tập, cũng cố, đào sâu, mở rộng kiến thức, rèn luyện thói quen vận dụng kiến thức khái quát để giải quyết các vấn đề của thực tiễn. Ngoài ra, nó còn giúp các em làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển khả năng tư duy cũng như giúp các em tự kiểm tra mức độ nắm kiến thức của bản thân. Tuy nhiên, các em còn gặp nhiều khó khăn trong việc giải bài tập vật lý 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 rỏ ý nghĩa vật lý của chúng. Ngoài ra, đề tài này có nội dung gần và thiết thực với nội dung kiến tập, thực tập cũng như công việc giảng dạy về sau của sinh viên. Do đó, em đã chọn đề tài này. Nếu nghiên cứu đề tài thàng công sẽ góp phần giúp việc học tâp môn vật lý của học sinh tốt hơn, đồng thời cũng giúp cho việc học tập và việc giảng dạy về sau của sinh viên. 3. Mục đích nghiên cứu: Việc nghiên cứu đề tài này nhằm tìm cách để giải bài tập một cách dể hiểu, cơ bản, từ thấp đến cao, giúp học sinh có kỹ năng giải quyết tốt các bài tập, hiểu được ý nghĩa vật lý của từng bài đã giải, rèn luyện thói quen làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển khả năng tư duy,...giúp các em học tập môn Vật lý tốt hơn. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 2 3. Đối tượng nghiên cứu: Các bài tập Vật lý phân tử và Nhiệt học lớp 10,11. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu: Phân loại được các bài tập Vật lý phân tử và nhiệt học trong chương trình Vật lý lớp 10,11. Đề ra phương pháp giải bài tập Vật lý nói chung, phương pháp giải các loại bài tập vật lý theo phân loại, phương pháp giải từng dạng bài tập cụ thể của Vật lý phân tử và nhiệt học lớp 10,11(các bài tập cơ bản, phổ biến mà học sinh lớp 10,11 thường gặp ). 5. Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng kết hợp nhiều phương pháp: so sánh, đối chiếu, phân tích, tổng hợp,... 6. Đóng góp của đề tài: Đề tài có thể hỗ trợ cho việc học tập và giảng dạy môn vật lý lớp 10, lớp11, làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành sư phạm vật lý. Qua quá trình nghiên cứu đề tài giúp cho bản thân tôi nâng cao nhận thức về phân loại và giải các bài tập vật lý phân tử và nhiệt học. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 3 B- NỘI DUNG PHẦN I TÓM TẮT LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ VẬT LÝ PHÂN TỬ VÀ NHIỆT HỌC Chương I CHẤT KHÍ I. Những cơ sở của thuyết động học phân tử: 1.1 Thuyết động học phân tử: Nội dung: a. Các chất có cấu tạo gián đoạn và gồm một số rất lớn các phân tử. Các phân tử lại được cấu tạo từ các nguyên tử. b. Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng. Cường độ chuyển động biểu hiện nhiệt độ của hệ. c. Kích thước phân tử rất nhỏ ( khoảng 10-10cm ) so với khoảng cách giữa chúng. Số phân tử trong một thể tích nhất định là rất lớn. Trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua kích thước của các phân tử và coi mỗi phân tử như một chất điểm. d. Các phân tử không tương tác với nhau trừ lúc va chạm. Sự va chạm giữa các phân tử và giữa phân tử với thành bình tuân theo những định luật về va chạm đàn hồi của cơ học Newton. Các giả thuyết a, b đúng với mọi chất khí còn các giả thuyết c, d chỉ đúng với chất khí lý tưởng. 1.2 Áp suất và nhiệt độ chất khí theo quan điểm của thuyết động học phân tử: 1.2.1 Áp suất: - Định nghĩa: Lực của các phân tử chất khí tác dụng vuông góc lên một đơn vị điện tích trên thành bình chính là áp suất của chất khí: S Fp ∆= Trong đó: F là lực tác dụng của các phân tử khí lên đơn vị diện tích. - Công thức: wnp 3 2= Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 4 Trong đó: p : Áp suất chất khí n : Mật độ phân tử khí : Động năng trung bình chuyển động vì nhiệt của các phân tử. w - Đơn vị: Trong hệ SI, đơn vị áp suất là Newton/met vuông, ký hiệu là N/m2 hay Pascal, ký hiệu là Pa: 1N/m2 = 1Pa Ngoài ra, áp suất còn được đo bằng: Atmôtphe kỹ thuật, ký hiệu là at: 1at = 9,81.104 N/m2 = 736 mmHg Atmôtphe vật lý, ký hiệu là atm: 1atm = 10,13.104 N/m2 = 760 mmHg = 1,033 at 1.2.2 Nhiệt độ: Nhiệt độ theo quan điểm động học phân tử là đại lượng đặc trưng cho tính chất vĩ mô của vật, thể hiện mức độ nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật đó: w 3 2=θ 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 t tính theo nhiệt giai Celcius: T = 273,15o + t + Nhiệt độ TF tính theo nhiệt giai Fahrenheit và nhiệt độ t tính theo nhiệt giai Celcius: oF tT 325 9 += - Công thức về mối liên hệ giữa nhiệt độ đo bằng năng lượng với nhiệt độ đo bằng đơn vị độ: KTw == 3 2θ Suy ra: Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 5 KTw 2 3= Trong đó, K = 1,38.10-28 J/K. T = 0K được gọi là độ không tuyệt đối và nhiệt giai Kelvin được gọi là nhiệt giai tuyệt đối. Vì ý nghĩa vật lý của nhiệt độ gắn liền với động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử nên nhiệt độ có tính chất thống kê. Không thể nói nhiệt độ của một phân tử hay của một số ít phân tử cũng như không thể nói phân tử “nóng” hay phân tử “lạnh”. Ở những nơi có một số rất ít phân tử khí thì cũng không thể đặt vấn đề đo nhiệt độ của khí ở những nơi đó được. 1.3 Các định luật thực nghiệm và phương trình trạng thái của khí lý tưởng: 1.3.1 Mẫu khí lý tưởng có các đặc điểm sau: - Khí lý tưởng gồm một số rất lớn các phân tử có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách trung bình giữa chúng; các phân tử chuyển động nhiệt hỗn loạn không ngừng. - Lực tương tác của các phân tử là không đáng kể trừ lúc va chạm. - Sự va chạm giữa các phân tử và giữa phân tử với thành bình là va chạm hoàn toàn đàn hồi. 1.3.2 Thông số trạng thái và phương trình trạng thái: - Mỗi tính chất vật lý của hệ được đặc trưng bởi một đại lượng vật lý được gọi là thông số trạng thái của hệ như: áp suất p, nhiệt độ T, thể tích V, ... - Phương trình nêu lên mối liên hệ giữa các thông số p,V,T của một khối lượng khí xác định được gọi là phương trình trạng thái; dạng tổng quát: p = f(V,T). 1.3.3 Định luật Boyle – Mariotte (Quá trình đẳng nhiệt) : a. 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. b. Hệ thức: p1V1 = p2V2 Hay pV = const c. Đường đẳng nhiệt: Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 6 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. T2 T1 p V 1.3.4 Định luật Charles ( Quá trình đẳng tích ) : a. Định luật: Khi thể tích không đổi thì áp suất của một khối lượng khí cho trước biến thiên bậc nhất theo nhiệt độ. b. Hệ thức: const T p = Định luật Charles viết theo nhiệt giai Celcius: )1( tpp ot α+= Trong đó: pt : Áp suất ở toC po : Áp suất ở 0oC : Hệ số nhiệt biến đổi áp suất đẳng tích của khí. 273 1=α c. Đường đẳng tích: - 273 p V1 V2 toC Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 7 1.3.5 Định luật Gay – Lussac ( Quá trình đẳng áp): a. Định luật: Khi áp suất không đổi thì thể tích của một khối lượng khí cho trước biến thiên bậc nhất theo nhiệt độ. b. Hệ thức: const T V = Định luật Gay – Lussac viết theo nhiệt giai Celcius: Vt =Vo ( 1 + αt ) Trong đó: Vt : thể tích khí ở toC Vo : thể tích khí ở 0oC : hệ số nhiệt giãn đẳng áp của chất khí. c. Đường đẳng áp: 1.3.6 Định luật Dalton: a. Định luật: Áp suất của hỗn hợp khí bằng tổng các áp suất riêng phần của các khí thành phần tạo nên hỗn hợp. b. Hệ thức: p = p1 + p2 + ... + pn 1.3.7 Phương trình trạng thái khí lý tưởng: Từ hai định luật Boyle – Mariotte và Charles ta xác định được phương trình trạng thái khí lý tưởng: const T pV = 273 =α 1 p2 p1V T Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Phương trình Claypeyron – Mendeleev: Từ hai hệ thức đã biết: wnp 3 2= TKw 2 3= Suy ra: (n là mật độ phân tử khí). TKnp = Gọi N là số phân tử khí trong thể tích V, ta được: KT V Np = (1) Trong một kmol khí bất kì chứa một số phân tử là NA = 6,23.1026 kmol-1. Nếu gọi µ là khối lượng một kmol khí, m là khối lượng của khối khí ta sẽ có: AN Nm =µ Suy ra: AN mN µ= Thay vào (1), ta được: KTNmpV Aµ= (2) Đặt : R = NAK gọi là hằng số khí lý tưởng. R = 8,31.103 J/kmol.K Thay R vào (2), ta được: RTmpV µ= Phương trình khí lý tưởng viết như trên được gọi là phương trình Claypeyron – Mendeleev. 1.4 Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử: 1.4.1 Các vận tốc đặt trưng của phân tử khí (theo Maxwell): a. Vận tốc có xác suất cực đại: µ RT m KTvm 22 == Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 8 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 9 b. Vận tốc căn trung bình số học: µππ RT m KTv 88 == c. Vận tốc căn trung bình bình phương (vận tốc căn quân phương) : µ RT m KTv 33 == Chú ý: vvvm << 1.4.2 Sự phân bố mật độ phân tử khí trong trường lực đều (Phân bố Bolzmann): a. Công thức khí áp: RT zg o epp µ−= b. Công thức về sự phân bố mật độ phân tử theo độ cao: RT zg o enn µ−= 1.4.3 Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử chất khi: wnp 3 2= II. Sự va chạm của các phân tử và các hiện tượng truyền trong chất khí: 2.1 Quãng đường tự do trung bình: Khoảng cách trung bình mà một phân tử chuyển động hoàn toàn tự do giữa hai va chạm kế tiếp nhau được gọi là quãng đường tự do trung bình của các phân tử, ký hiệu là: λ Biểu thức: 22 1 dnπλ = Trong đó: d : Đường kính của phân tử v : Vận tốc chuyển động của phân tử n : Mật độ phân tử. 2.2 Các hiện tượng truyền trong chất khí: Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 10 Các phân tử khí chuyển động nhiệt hỗn loạn, đồng thời chuyển từ vùng nọ sang vùng kia tạo nên các hiện tượng truyền trong chất khí. 2.2.1 Hiện tượng khuếch tán: Tại miền không gian chứa một chất khí mà khối lượng riêng của chất khí đó chưa đồng nhất thì sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán tức là có sự truyền khối lượng khí từ chổ có khối lượng riêng lớn đến chổ có khối lượng riêng nhỏ. Khi khối lượng riêng của chất khí đồng nhất tại mọi điểm trong không gian thì hiện tượng khuếch tán dừng lại. Bản chất của hiện tượng khuếch tán là sự vận chuyển các phân tử. Biểu thức tính hệ số khuếch tán D: Pd TKTRvD 22 8 3 1 3 1 πµπλ == Đơn vị của D trong hệ SI là m2/s. D tỉ lệ nghịch với P và tỉ lệ thuận với T, nghĩa là áp suất càng thấp thì hệ số khuếch tán càng cao và nhiệt độ càng cao thì hệ số khuếch tán càng lớn. Ngoài ra, hệ số khuếch tán còn phụ thuộc vào bản chất của chất khí. 2.2.2 Hiện tượng truyền nhiệt: Trong một môi trường (rắn, lỏng, khí) có sự phân bố nhiệt không đều thì sẽ tồn tại một dòng nhiệt hướng từ những miền có nhiệt độ cao của môi trường sang miền có nhiệt độ thấp hơn. Trong chất khí, hiện tượng truyền nhiệt là do các phân tử khí chuyển động nhiệt hỗn loạn va chạm với nhau nên động năng truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp hơn. Bản chất của hiện tượng truyền nhiệt là sự truyền năng lượng. Cần lưu ý nhiệt lượng là sự trao đổi năng lượng chứ không phải là năng lượng. Biểu thức xác định hệ số dẫn nhiệt: Knvi λχ 6 = Trong đó: i là bậc tự do: Phân tử có 1 nguyên tử: i = 3 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 11 Phân tử có 2 nguyên tử: i = 5 Phân tử có từ 3 nguyên tử trở lên: i = 6 Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất chất khí. 2.2.3 Hiện tượng nội ma sát: Hiện tượng nội ma sát trong chất khí là hiện tượng sinh ra lực ma sát giữa các lớp khí chuyển động thành những dòng (hoặc lớp) khí với những vận tốc khác nhau. Biểu thức của hệ số nội ma sát (còn gọi là hệ số nhớt) : ρλη v 3 1= Trong đó: ρ là khối lượng riêng của chất khí . Hệ số ma sát phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của chất khí. III.Nội năng của khí lý tưởng: 3.1 Nội năng: Nội năng là một dạng năng lượng bên trong của một 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. Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích: Khi nhiệt độ thay đổi thì động năng của các phân tử thay đổi dẫn đến nội năng của hệ thay đổi; khi thể tích thay đổi thì khoảng cách giữa các phân tử thay đổi làm cho thế năng tương tác giữa chúng thay đổi nên sẽ làm nội năng của hệ thay đổi. Có hai cách làm biến đổi nội năng là thực hiện công và truyền nhiệt. 3.2 Công và nhiệt lượng: 3.2.1 Công: Xét về bản chất vật lý có thể hiểu công cơ học là phần năng lượng đã được biến đổi từ dạng này sang dạng khác hoặc là phần năng lượng (trừ trường hợp năng lượng chuyển động nhiệt) đã được truyền từ nơi này đến nơi khác. Đơn vị của công là J. a. Công thực hiện trong quá trình: Giả sử ta có một quá trình chuẩn cân bằng (quá trình thuận nghịch) của một hệ, với biến thiên thể tích dV khá nhỏ bao giờ ta cũng có thể coi như áp suất của hệ không thay đổi. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Công nguyên tố : dA = pdV Công thực hiện trong cả quá trình chuẩn cân bằng đi từ trạng thái C1 đến trạng thái C2 bằng tổng các công dA: ∫∫ == 2 1 V V pdVdAA Trong đó, V1, V2 là thể tích của hệ ở trạng thái C1 và C2 tương ứng. - Công trong quá trình đẳng tích: dA = pdV = 0 (dV = 0) 0== ∫ dAA - Công trong quá trình đẳng áp: p = const )( 12 2 1 2 1 VVpdVppdVA V V V V −=== ∫∫ - Công trong quá trình đẳng nhiệt: T = const dV V RTmpdVdA µ== 2 1ln p pRTmA µ= b. Công trong quá trình đoạn nhiệt: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= 1 2 1 1 T TTCmA Vµ c. Công thực hiện trong chu trình: ∫∫ == pdVdAA Trong đó, ∫ là tích phân lấy theo đường cong kín biểu diễn chu trình. 3.2.2 Nhiệt lượng: Phần năng lượng mà vật nhận được hay mất đi trong quá trình truyền nhiệt được gọi là nhiệt lượng và được tính bằng công thức: Q = mc(t2 – t1) = mc∆t Trong đó: c: Nhiệt dung riêng của chất cấu tạo nên vật (J/kg.K) m: Khối lượng của vật (kg) Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 12 ∆t: Độ biến thiên nhiệt độ Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Q: Nhiệt lượng vật thu vào hay tỏa ra. Phương trình cân bằng nhiệt: Q1 + Q2 = 0 3.3 Nhiệt dung riêng và nhiệt dung riêng phân tử: Nhiệt dung riêng của một chất bất kỳ là một đại lượng vật lý có giá trị bằng nhiệt lượng cần truyền cho một đơn vị khối lượng chất đó để làm tăng nhiệt độ thêm 1o. Kí hiệu là c. Nhiệt dung riêng phân tử của một chất bất kỳ là một đại lượng vật lý có giá trị bằng nhiệt lượng cần truyền cho một kmol chất ấy để làm tăng nhiệt độ thêm 1o. Kí hiệu C. Ta có: C = µc Đơn vị của c và C là J/kg.K Nhiệt dung riêng phân tử đẳng tích: V V dT dQC ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= Nhiệt dung riêng phân tử đẳng áp: p p dT dQC ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= 3.4 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học: Nguyên lý 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. 3.4.1 Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng: Trong một hệ kín có sự chuyển hoá năng lượng từ dạng này sang dạng khác nhưng năng lượng tổng cộng được bảo toàn. 3.4.2 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lưc học: Nhiệt lượng truyền cho hệ làm biến thiên nội năng của hệ và biến thành công mà hệ thực hiện lên các hệ khác. Biểu thức: Q = ∆U + A Trong đó: Q: Nhiệt lượng truyền cho vật A: Công do vật thực hiện ∆U: Độ biến thiên nội năng của vật. 3.4.3 Áp dụng nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học cho khí lý tưởng: a. Nội năng và công của khí lý tưởng: Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 13 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Do bỏ qua tương tác giữa các phân tử khí lý tưởng (Trừ lúc va chạm) nên nội năng của khí lý tưởng chỉ bao gồm tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của khí. Biểu thức tính công của khí lý tưởng khi giãn nở: A = p (V2 – V1) = p ∆V (Với p = Const) Nếu: ∆V > 0, khí sinh công; ∆V < 0, khí nhận công. b. Áp dụng nguyên lý thứ nhất cho các quá trình của khí lý tưởng: - Quá trình đẳng tích: Trong quá trình này, nhiệt lượng mà khí nhận được chỉ dùng làm tăng nội năng của khí: Q = ∆U - Quá trình đẳng áp: Một phần nhiệt lượng mà khí nhận vào được dùng làm tăng nội năng của khí, phần còn lại biến thành công mà khí thực hiện: Q = ∆U + A - Quá trình đẳng nhiệt: Toàn bộ nhiệt lượng mà khí nhận được chuyển hết thành công mà khí sinh ra: Q = A - Chu trình: Chu trình là một quá trình mà trạng thái cuối của nó trùng với trạng thái đầu. Nhiệt lượng mà hệ nhận được trừ đi nhiệt lượng tỏa ra trong cả chu trình chuyển hết thành công của chu trình đó. Biểu thức: Q = A Trong đó: A = A1 – A2 > 0: Công trong toàn bộ chu trình. Q = Q1 – Q2 : Tổng đại số nhận được trong chu trình ( Q1 là nhiệt lượng nhân vào, Q2 là nhiệt lượng tỏa ra). - Quá trình đoạn nhiệt: Trong quá trình đoạn nhiệt hệ được cách nhiệt tốt nên không có sự trao đổi nhiệt giữa hệ và môi trường xung quanh, nghĩa là: Nếu công thực hiện bởi hệ (A > 0) thì phải có sự giảm nội năng của hệ; ngược lại, nếu công thực hiện trên hệ (A < 0) thì phải có sự tăng nội năng của hệ. Biểu thức: A = - ∆U 3.4.4 Hiệu suất của động cơ nhiệt: 2 21 1 Q QQ Q AH −== Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 14 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 15 Chương II CHẤT RẮN I. Sơ lược về chất rắn: Khoảng cách giữa các phân tử chất rắn nhỏ, mật độ phân tử lớn, các phân tử không chuyển động nhiệt hỗn loạn mà dao động quanh vị trí cân bằng, lực liên kết phân tử lớn. Do đó, chất rắn có hình dạng và thể tích xác định. Có thể phân biệt chất rắn thành hai loại: chất rắn kết tinh và chất rắn vô định hình. Do cấu trúc của phân tử chất rắn vô định hình gần giống như của chất lỏng nên thông thường chất rắn vô định hình được coi như chất lỏng có độ nhớt rất lớn. II. Sự giãn nở vì nhiệt của chất rắn: Các vật rắn nói chung nở ra khi nhiệt độ tăng lên. Nguyên nhân gây ra sự giãn nở nhiệt của vật rắn không phải do sự tăng biên độ dao động của các hạt mà chính là do sự tăng khoảng cách trung bình giữa các hạt khi nhiệt độ tăng. Sự giãn nở nhiệt của vật rắn được phân thành hai trường hợp, đó là: sự giãn nở dài và sự giãn nở khối (giãn nở thể tích). Các công thức: a. Công thức sự giãn nở dài: l = lo(1 + αt) Trong đó: lo: Chiều dài của vật ở 0oC (m) l: Chiều dài của vật ở toC (m) α: Hệ số nở dài (K-1) b. Công thức sự giãn nở khối (giãn nở thể tích): V = Vo(1 +βt) Trong đó: V: Thể tích ở toC (m3) Vo: Thể tích ở 0oC (m3) β: Hệ số nở thể tích (K-1) Đối với vật đồng chất và đẳng hướng: β = 3α. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… III. Nội năng và nhiệt dung riêng phân tử của chất rắn kết tinh: Chất rắn kết tinh có thể coi như là tập hợp của các hạt dao động chung quanh vị trí cân bằng. Với nhiệt độ cao, mỗi hạt gần như dao động độc lập với các hạt bên cạnh. Khi truyền nhiệt cho vật rắn thì sẽ làm tăng động năng và thế năng của hạt. Với dao động nhỏ thì dao động được coi thì dao động được coi như là dao động điều hòa và hai thành phần của năng lượng dao động có giá trị bằng nhau. Mỗi dao động theo một phương nào đó có thể phân tích thành ba thành phần theo các trục tọa độ vuông góc với nhau và năng lượng của mỗi thành phần cũng được biểu diễn bằng tổng động năng và thế năng trên mỗi trục. Theo định luật phân bố đều năng lượng, động năng trung bình ứng với một bậc tự do của hạt trên mỗi trục bằng ½ KT. Mà thế năng trung bình của hạt bằng động năng trung bình của nó nên năng lượng dao động ứng với một trục là: KTKT = 2 1.2 Năng lượng dao động toàn phần của hạt: KT3=ε Nội năng của một kmol chất rắn kết tinh đơn chất: pAo ENU += ε Trong đó: Uo là nội năng đối với 1 kmol chất rắn Ep là năng lượng bên trong các phân tử của 1 kmol chất rắn. Vì hệ số nở nhiệt của chất rắn rất nhỏ nên thực tế khi đun nóng thì thể tích của vật coi như không đổi (quá trình đẳng tích) nên nhiệt truyền cho vật chỉ làm tăng nội năng của nó (theo nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học dQ = dUo + dA = dUo vì dA = pdV = 0). Nhưng với cách truyền nhiệt bình thường thì không thể làm thay đổi năng lượng Ep, do đó, độ biến thiên nội năng trong trường hợp này đúng bằng độ biến thiên năng lượng dao động của các hạt: )3( KTdNdNdUdQ AAo === ε dTRKdTNdQ A 33 == Nhiệt dung riêng phân tử: Kkmol kcalR dT dU dT dQCC V o V V . 63 ==⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛== Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 16 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Vậy : ở nhiệt độ đủ cao nhiệt dung riêng phân tử của chất rắn kết tinh đơn chất không phụ thuộc vào nhiệt độ và bằng Kkmol kcal . 6 . Đối với chất rắn kết tinh là hợp chất (mỗi phân tử có α nguyên tử) thì: dTRNddU Ao αεα 3)( == Nhiệt dung riêng phân tử của chất rắn hợp chất: R dT dU dT dQCC V o V V 3α=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛== Vậy: ở nhiệt độ đủ cao nhiệt dung riêng phân tử của chất rắn kết tinh là hợp chất không phụ thuộc vào nhiệt độ và bằng tổngng nhiệt dung riêng phân tử của các nguyên tố thành phần tạo nên hợp chất. IV. Biến dạng của vật rắn: Khi có ngoại lực tác dụng lên vật rắn thì vật rắn biến dạng, nghĩa là hình dạng và thể tích của nó thay đổi. Có hai loại biến dạng: biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo (biến dạng dư). Chỉ xét biến dạng đàn hồi. 4.1 Định luật Hooke: Trong giới hạn đàn hồi, lực đàn hồi tỷ lệ với độ giãn hoặc độ nén (Độ biến dạng) của vật biến dạng. Biểu thức: F = k∆l Trong đó: k: Hệ số đàn hồi (N/m) F: Lực đàn hồi (N) ∆l: Độ biến dạng (m) 4.2 Suất đàn hồi: Biểu thức: S lk E o= Trong đó: S: Diện tích tiết diện của vật đàn hồi (m2) lo: Chiều dài tự nhiên của vật đàn hồi (m) E: Hệ số đặt trưng cho tính đàn hồi của vật gọi là suất đàn hồi (Pa). Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 17 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… 4.3 Giới hạn bền của vật liệu: Biểu thức: S Fb b =σ Trong đó: Fb: Lực tác dụng lớn nhất mà vẫn chưa làm hỏng vật (N) σb: Giới hạn bền (N/m2) S: Diện tích tiết diện ngang (m2) Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 18 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 19 Chương III CHẤT LỎNG I. Sơ lược về chất lỏng: Một khối chất lỏng có thể tích xác định và có hình dạng của bình chứa. Mật độ phân tử chất lỏng lớn gấp nhiều lần mật độ phân tử chất khí và gần bằng mật độ phân tử chất rắn. Khoảng cách giữa các phân tử chất lỏng vào khoảng kích thước phân tử. Ở trạng thái bình thường, xét về cấu trúc thì chất lỏng gần giống chất rắn hơn là chất khí. Mỗi phân tử chất lỏng cũng dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng nhưng sau một thời gian cư trú nhất định thì chuyển sang vị trí mới lân cận. Nhiệt độ chất lỏng càng thấp thì thời gian cư trú càng lớn. II. Hiện tượng căng mặt ngoài của chất lỏng: 2.1 Lực căng mặt ngoài: Lực căng mặt ngoài đặt lên đường giới hạn của mặt ngoài và vuông góc với nó, có phương tiếp tuyến với mặt ngoài của chất lỏng và có chiều sao cho lực có tác dụng thu nhỏ diện tích măt ngoài của khối chất lỏng. Độ lớn của lực căng mặt ngoài F tỷ lệ với độ dài l của đường giới hạn mặt ngoài của khối chất lỏng: F = σl (N/m) Trong đó, σ là hệ số căng mặt ngoài (suất căng mặt ngoài) của chất lỏng,phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của chất lỏng đó. 2.2 Năng lượng tự do và lực căng mặt ngoài: Do chuyển động nhiệt, các phân tử ở lớp mặt ngoài có thể di chuyển vào bên trong lòng khối chất lỏng, ngược lại, các phân tử bên trong chất lỏng cũng di chuyển ra phía mặt ngoài. Khi các phân tử di chuyển từ trong ra ngoài đòi hỏi phải tiêu thụ một công để thắng lực cản nên động năng phân tử giảm và thế năng phân tử tăng. Khi các phân tử di chuyển từ lớp mặt ngoài vào trong lòng chất lỏng sẽ thực hiện một công do sự giảm thế năng để chuyển thành động năng phân tử. Do đó, mỗi phân tử ở lớp mặt ngoài khác với các phân tử ở trong lòng khối chất lỏng là nó có một thế năng phụ. Tổng thế năng phụ ở lớp mặt ngoài được gọi là năng lượng tự do. Năng lượng tự do chính là một phần nội năng của khối chất lỏng. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 20 Nguyên lý cực tiểu của năng lượng tự do: Lớp mặt ngoài của chất lỏng luôn luôn co về diện tích nhỏ nhất (có thể có) để ứng với năng lượng tự do nhỏ nhất (có thể có). 2.3 Công cần thiết để làm tăng diện tích mặt ngoài ∆S trong quá trình đẳng nhiệt: A = σ∆S (J) III. Hiện tượng dính ướt và không dính ướt: Khi chất lỏng tiếp xúc với chất rắn có thể xảy ra hiện tượng dính ướt hoặc không dính ướt. Hiện tượng dính ướt xảy ra khi lực hút giữa các phân tử chất rắn với các phân tử chất lỏng lớn hơn lực hút giữa các phân tử chất lỏng với nhau làm cho mặt chất lỏng ở gần thành bình có dạng hình lõm. Hiện tượng không dính ướt xảy ra khi lực hút giữa các phân tử chất lỏng lớn hơn lực hút giữa các phân tử chất rắn với các phân tử chất lỏng làm cho mặt chất lỏng ở gần thành bình bị đẩy xuống trở thành mặt lồi. Góc θ giữa tiếp tuyến với mặt ngoài của chất lỏng và mặt ngoài của chất rắn gọi là góc bờ: - Đối với hiện tượng dính ướt: ; nếu θ = 0 ta nói chất lỏng làm ướt hoàn toàn vật rắn. 2 0 πθ <≤ - Đối với hiện tượng không dính ướt: ; nếu θ = π ta nói chất lỏng hoàn toàn không làm ướt vật rắn. πθπ ≤< 2 IV. Áp suất phụ gây bởi mặt khum của chất lỏng: Tất cả các mặt khum của chất lỏng đều tác dụng vào chất lỏng một áp suất phụ so với trường hợp mặt ngoài là mặt phẳng. Mặt khum lồi gây áp suất phụ dương (nén xuống chất lỏng ở dưới), mặt khum lõm gây áp suất phụ âm (kéo chất lỏng ở dưới lên). Biểu thức tính áp suất phụ: - Mặt ngoài là một phần mặt cầu: R p σ2=∆ Trong đó: σ: Hệ số căng mặt ngoài của chất lỏng. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 21 R: Bán kính mặt cầu - Mặt ngoài là mặt trụ: R p σ=∆ Trong đó: R là bán kính của đáy mặt trụ - Mặt ngoài có dạng bất kỳ: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +=∆ 21 11 RR p σ Trong đó: R1, R2 là các bán kính cong (bán kính chính khúc) của hai giao tuyến do mặt ngoài của khối chất lỏng bị cắt bởi hai mặt phẳng vuông góc với nhau chứa pháp tyuến với mặt ngoài tại điểm đang khảo sát. V. Hiện tượng mao dẫn: Công thức tính độ dâng cao (hoặc hạ thấp) của cột chất lỏng trong ống mao dẫn: 5.1. Đối với chất lỏng làm ướt vật rắn: dg h ρ θσ cos4= Trong đó: ρ: Khối lượng riêng của chất lỏng d: Đường kính ống mao dẫn 5.2. Đối với chất lỏng làm ướt hoàn toàn vật rắn: dg h ρ σ4= 5.3. Đối với chất lỏng không làm ướt vật rắn: dg h ρ θσ cos4−= 5.4. Đối với chất lỏng hoàn toàn không làm ướt vật rắn: dg h ρ σ4−= Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 22 Chương IV HƠI KHÔ VÀ HƠI BÃO HÒA I. Hơi khô và hơi bão hoà: - Hơi bão hòa là hơi ở trạng thái cân bằng đối với chất lỏng của nó. - Hơi khô là hơi có áp suất nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa ứng với một nhiệt độ xác định. II. Độ ẩm của không khí: 2.1. Độ ẩm tuyệt đối (a): Độ ẩm tuyệt đối là lượng hơi nước chứa trong một đơn vị thể tích không khí. Đơn vị: g/m3; hoặc có thể đo bằng áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí (N/m3 hay mmHg). 2.2. Độ ẩm cực đại (A): Độ ẩm cực đại ở nhiệt độ đã cho chính là đại lượng đo bằng khối lượng (gam) của hơi nước bão hòa trong 1m3 không khí ở nhiệt độ ấy. 2.3. Độ ẩm tương đối (f): Độ ẩm tương đối là tỉ số phần trăm giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm cực đại ở cùng nhiệt độ: %100.%100. bhP P A af == Trong đó: P: Áp suất riêng phần của hơi nước chứa trong không khí. Pbh: Áp suất của hơi nước bão hòa trong không khí. III. Điểm sương: - Nhiệt độ tại đó hơi nước trong không khí trở thành hơi bão hòa gọi là điểm._. sương. - Nhiệt độ thấp hơn điểm sương: hơi nước ngưng tụ thành giọt sương. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 23 PHẦN II PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP CHUNG ĐỂ GIẢI BÀI TẬP VẬT LÝ Chương I PHÂN LOẠI BÀI TẬP VẬT LÝ Có nhiều cách phân loại bài tập vật lý, ở đây ta phân loại bài tập vật lý theo phương tiện giải và mức độ khó khăn của bài tập đối với học sinh. I. Dựa vào phương tiện giải có thể chia bài tập vật lý thành các dạng: 1.1. Bài tập định tính: Bài tập định tính là những bài tập mà khi giải chỉ cần làm những phép tính đơn giản, có thể tính nhẩm, yêu cầu giải thích hoặc dự đoán một hiện tượng xảy ra trong những điều kiện xác định. Bài tập định tính giúp hiểu rõ bản chất của các hiện tượng vật lý và những quy luật của chúng, áp dụng được tri thức lý thuyết vào thực tiễn. 1.2. Bài tập định lượng: Bài tập định lượng là những bài tập mà khi giải phải thực hiện một loạt các phép tính và kết quả thu được một đáp số định lượng, tìm được giá trị của một số đại lượng vật lý. 1.3. Bài tập thí nghiệm (không nghiên cứu): Bài tâp thí nghiệm là những bài tập đòi hỏi phải làm thí nghiệm để kiểm chứng lời giải lý thuyết hay tìm những số liệu cần thiết cho việc giải bài tập. 1.4. Bài tập đồ thị: Bài tập đồ thị là những bài tập mà trong đó các số liệu được sử dụng làm dữ kiện để giải phải tìm trong các đồ thị cho trước hoặc ngược lại, yêu cầu phải biểu diễn quá trình diễn biến của hiện tượng nêu trong bài tập bằng đồ thị. II. Dựa vào mức độ khó khăn của bài tập đối với học sinh có thể chia bài tập vật lý thành các dạng: 2.1. Bài tập cơ bản, áp dụng: Là những bài tập cơ bản, đơn giản đề cập đến một hiện tượng, một định luật vật lý hay sử dụng vài phép tính đơn giản giúp học sinh cũng cố kiến thức vừa học, hiểu ý nghĩa các định luật và nắm vững các công thức, các đơn vị vật lý để giải các bài tập phức tạp hơn. 2.2. Bài tập tổng hợp và nâng cao: Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 24 Là những bài tập khi giải cần phải vận dụng nhiều kiến thức, định luật, sử dụng kết hợp nhiều công thức. Loại bài tập này có tác dụng giúp cho học sinh đào sâu, mở rộng kiến thức, thấy được mối liên hệ giữa các phần của chương trình vật lý và biết phân tích những hiện tượng phức tạp trong thực tế thành những phần đơn giản theo một định luật vật lý xác định. Loại bài tập này cũng nhằm mục đích giúp học sinh hiểu rỏ nội dung vật lý của các định luật, quy tắc biểu hiện dưới dạng công thức. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 25 Chương II PHƯƠNG PHÁP CHUNG CHO VIỆC GIẢI BÀI TẬP VẬT LÝ Dàn bài chung cho việc giải bài tập vật lý gồm các bước chính sau: I. Tìm hiểu đề bài: Đọc kỉ đề bài, xác định ý nghĩa vật lý của các thuật ngữ, phân biệt những dữ kiện đã cho và những ẩn số cần tìm. Tóm tắt đề bài hay vẽ hình diễn đạt các điều kiện của đề bài. II. Phân tích hiện tượng: Tìm xem các dữ kiện đã cho có liên quan đến những khái niệm,hiện tượng, quy tắc, định luật vật lý nào. Hình dung các hiện tượng diễn ra như thế nào và bị chi phối bởi những định luật nào nhằm hiểu rỏ dược bản chất của hiện tượng để có cơ sở áp dụng các công thức chính xác, tránh mò mẫm và áp dụng máy móc các công thức. III. Xây dựng lập luận: Xây dựng lập luận là tìm mối quan hệ giữa ẩn số và dữ kiện đã cho. Đây là bước quan trọng của quá trình giải bài tập. Cần phải vận dụng những định luật, quy tắc, công thức vật lý để thiết lập mối quan hệ nêu trên. Có thể đi theo hai hướng để đưa đến kết quả cuối cùng: - Xuất phát từ ẩn số, đi tìm mối quan hệ giữa một ẩn số với một đại lượng nào đó bằng một định luật, một công thức có chứa ẩn số, tiếp tục phát triển lập luận hay biến đổi công thức đó theo các dữ kiện đã cho để dẫn đến công thức cuối cùng chỉ chứa mối quan hệ giữa ẩn số với các dữ kiện đã cho. - Xuất phát từ những dữ kiện của đề bài, xây dựng lập luận hoặc biến đổi các công thức diễn đạt mối quan hệ giữa điều kiện đã cho với các đại lượng khác để đi đến công thức cuối cùng chỉ chứa ẩn số và các dữ kiện đã cho. IV. Biện luận: Phân tích kết quả cuối cùng để loại bỏ những kết quả không phù hợp với điều kiện của đề bài và không phù hợp với thực tế. Kiểm tra xem đã giải quyết hết các yêu cầu của bài toán chưa; kiểm tra kết quả tính toán, đơn vị hoặc có thể giải lại bài toán bằng cách khác xem có cùng kết quả không. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 26 PHẦN III PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP CỤ THỂ Chương I BÀI TẬP ĐỊNH TÍNH A. Phương pháp : Để giải bài tập vật lý định tính trước hết cần hiểu rõ bản chất của các khái niệm, các định luật vật lý; nhận biết được biểu hiện của chúng trong các trường hợp cụ thể. Dựa trên cơ sở các định luật vật lý để xây dựng những suy luận logic từng bước một và đi đến kết luận cuối cùng. Bài tập định tính thường có hai dạng: giải thích hiện tượng và dự đoán hiện tượng sẽ xảy ra. 1. Tìm hiểu đề bài: Thực hiện giống ở dàn bài chung, cần lưu ý chuyển các ngôn ngữ thông thường dùng miêu tả hiện tượng sang ngôn ngữ vật lý. 2. Phân tích hiện tượng: Sau khi đã chuyển các ngôn ngữ thông thường sang ngôn ngữ vật lý, ta tìm hiểu xem các dữ kiện của đề bài đề cập đến hiện tượng vật lý nào, hình dung toàn bộ diễn biến của hiện tượng. Tiếp theo cần tìm xem các giai đoạn diễn biến của hiện tượng có liên quan đến những khái niệm, những định luật vật lý nào để dựa vào đó xây dựng lập luận. 3. Xây dựng lập luận: Vận dụng các định luật, quy tắc vật lý (đã xác định ở khâu phân tích hiện tượng) để thiết lập mối quan hệ giữa hiện tượng cần giải thích hay dự đoán với những dữ kiện cụ thể đã cho . - Đối với bài tập giải thích hiện tượng: Dạng bài tập này đã cho biết hiện tượng và yêu cầu giải thích nguyên nhân diễn ra hiện tượng ấy. Nguyên nhân chính là những đặc tính, những định luật vật lý. Do đó ta cần: + Tìm xem đề bài đã đề cập đến những dấu hiệu có liên quan đến tính chất, định luật vật lý nào. Phát biểu đầy đủ tính chất, định luật đó. + Thiết lập mối quan hệ giữa định luật với hiện tượng đã cho (nghĩa là giải thích được nguyên nhân của hiện tượng). Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 27 - Đối với bài tập dự đoán hiện tượng: Dạng bài tập này yêu cầu phải dựa vào những điều kiện cụ thể đã cho ở đề, tìm những định luật chi phối hiện tượng và dự đoán được hiện tượng sẽ diễn ra cũng như quá trình diễn ra hiện tượng đó. 4. Biện luận: Phân tích xem hiên tượng được giải thích (hay dự đoán) như thế đã phù hợp với các yêu cầu và các dữ kiện của đề bài cũng như đã phù hợp với thực tế hay chưa. Kiểm tra lại toàn bộ quá trình giải bài tập và nêu kết quả cuối cùng. B. Các bài tập cụ thể: I. CHẤT KHÍ: 1.1 Thuyết động học phân tử về chất khí: Bài tập mẫu 1. Dùng thuyết động học phân tử giải thích định luật Boyle - Mariotte. Hướng dẫn giải: Đề bài yêu cầu giải thích định luật B - M một cách định tính dựa trên cơ sở của thuyết động học phân tử. Vì định luật B - M được thành lập trên cơ sở tính toán định lượng theo thuyết động học phân tử của khí lý tưởng nên yêu cầu trước tiên là phải phát biểu lại định luật B - M và nắm được nội dung của thuyết động học phân tử về khí lý tưởng. Giải thích: Nguyên nhân gây ra áp suất chất khí là do sự va chạm của các phân tử khí lên thành bình. Độ lớn áp suất phụ thuộc vào số va chạm và cường độ va chạm. Theo thuyết động học phân tử thì: - Số va chạm phụ thuộc vào: + Mật độ phân tử khí n : Mật độ phân tử càng lớn thì số va chạm càng lớn và ngược lại. + Nhiệt độ chất khí: Nhiệt độ càng cao (hay thấp) thì các phân tử chuyển động càng nhanh (hay chậm) dẫn đến số va chạm càng tăng (hay giảm). - Cường độ va chạm phụ thuộc vào nhiệt độ chất khí: Nhiệt độ càng cao, các phân tử chuyển động càng nhanh nên va chạm càng mạnh và ngược lại. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 28 Khi nhiệt độ chất khí không đổi (trong trường hợp định luật B-M) thì cường độ va chạm của các phân tử trên mỗi đơn vị diện tích trên thành bình không đổi. Khi áp suất tăng tức là số va chạm của các phân tử lên mỗi đơn vị diện tích trên thành bình tăng. Muốn vậy thì mật độ phân tử khí phải tăng. Tacó: V Nn = ; đối với một khối khí xác định, khối lượng m không đổi nên tổng số phân tử N không đổi. Do đó, để mật độ phân tử khí n tăng thì thể tích V phải giảm. Chứng tỏ, khi T = Const thì PV = Const; nghĩa là khi nhiệt độ chất khí không đổi, nếu áp suất tăng thì thể tích giảm và ngược lại. 2. Vì sao khi pha nước chanh người ta thường làm cho đường tan trước rồi mới cho đá lạnh vào? Hướng dẫn giải Đây là dạng bài tập giải thích hiện tượng, đề bài đề cập đến đá lạnh và sự hòa tan tức là có liên quan đến nhiệt độ và chuyển động nhiệt của phân tử. Do đó cần dựa vào thuyết động học phân tử để giải thích. Theo thuyết động học phân tử thì cường độ chuyển động của các phân tử biểu hiện nhiệt độ của hệ. Khi nhiệt độ càng cao thì các phân tử chuyển động càng nhanh và ngược lại. Nhiệt độ trong ly nước khi chưa cho đá lạnh vào cao hơn nhiệt độ lúc có đá nên các phân tử chuyển động nhiệt nhanh hơn, số va chạm giữa các phân tử tăng lên làm đường hòa tan nhanh hơn. Khi cho đá vào, nhiệt độ của ly nước thấp hơn nên các phân tử chuyển động nhiệt chậm hơn, số va chạm giữa các phân tử giảm làm quá trình hòa tan đường diễn ra chậm hơn. 3. Vì sao khi chế tạo những chiếc phễu người ta thường làm những cái gân nổi dọc theo mặt ngoài của cuống phễu. Hướng dẫn giải Nếu không có gân nổi thì khi đặt vào cổ chai, cuống phễu sẽ áp sát vào cổ chai. Khi chất lỏng đổ vào phễu liên tục sẽ trở thành một cái nút ngăn cách không khí trong chai và không khí bên ngoài. Ban đầu, áp suất khí trong chai và bên ngoài bằng nhau, khi chất lỏng đổ vào chai sẽ chiếm chổ của khí trong chai làm thể tích khí trong chai giảm. Theo định luật Boyle - Mariotte thì thể tích và áp suất chất khí tỉ lệ nghịch với nhau. do Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 29 đó khi thể tích khí trong chai giảm thì áp suất khí trong chai sẽ tăng lên và lớn hơn áp suất không khí bên ngoài gây khó khăn cho việc đổ chất lỏng vào chai. Khi sử dụng phễu có gân thì cuống phễu sẽ không áp sát vào cổ chai nên áp suất không khí trong chai luôn cân bằng với áp suất không khí bên ngoài giúp việc đổ chất lỏng vào chai dễ dàng hơn. Các bài tâp cơ bản, áp dụng: 1. Hãy dùng thuyết động học phân tử giải thích các định luật Gay - Lussac và Charles. 2. Vì sao khi than đang cháy lại phát ra tiếng nổ lách tách và có những tia lửa bắn ra? 3. Hai bình có thể tích giống nhau chứa không khí ở áp suất bình thường và được đậy kín bằng những cái nút. Khi nung khí trong hai bình đến cùng một nhiệt độ nào đó thì áp suất ở hai bình có còn bằng nhau không? 4. Khái niệm nhiệt độ có thể áp dụng cho chân không hay không? (Xét khoảng không gian giữa các hành tinh chẳng hạn). Các bài tập tổng hợp, nâng cao: 1. Trong một ống thủy tinh kín hai đầu có một giọt thủy ngân nẳm chính giữa, hai bên là không khí, ống đang ở trạng thái nằm ngang. Khi dựng ống thẳng đứng giọt thủy ngân bị tụt xuống một chút. Vì sao giọt thủy ngân không tụt tới đáy ống? 2. Khối lượng riêng của một lượng khí xác định sẽ thay đỗi như thế nào nếu nó được tăng áp suất trong quá trình đẳng nhiệt? 3. Chúng ta giả thiết rằng va chạm của các phân tử khí với thành bình chứa chúng là đàn hồi. Thực tế, va chạm có thể không đàn hồi. Tại sao điều đó không có gì khác chừng nào mà thành bình còn có cùng nhiệt độ với chất khí? 4. Hai phòng có kích thước bằng nhau, thông với nhau bằng một cửa mở. Tuy nhiên, nhiệt độ trung bình trong hai phòng được duy trì ở các giá trị khác nhau. Trong phòng nào có nhiều không khí hơn, vì sao? 5. Bạn có thể dự đoán bằng cách nào đó rằng thành phần khí quyển thay đổi theo độ cao? 1.2 Sự va chạm của các phân tử và các hiện tượng truyền trong chất khí: Bài tập mẫu Vì sao phích nước nóng có thể giữ nhiệt được ? Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 30 Đây là bài tập có liên quan đến hiện tượng truyền nhiệt. Như ta biết, sự trao đổi nhiệt giữa các vật nói chung có nhiệt độ khác nhau có thể được thực hiện theo ba cách: - Bức xạ: Vật nóng phát ra các sóng điện từ, vật lạnh hấp thụ nó. Vì vậy, vật nóng nguội đi và vật lạnh nóng lên. - Đối lưu: Do chuyển động của những dòng khí (hay lỏng) có nhiệt độ khác nhau. - Truyền nhiệt: Do các phân tử chuyển động nhiệt hỗn loạn và va chạm với nhau mà động năng truyền từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp. Ruột của phích nước nóng có cấu tạo đặc biệt : do hai lớp thủy tinh mỏng tạo nên, giữa hai lớp thủy tinh đã được rút hết không khí, mặt phía trong được tráng một lớp thủy ngân mỏng, miệng ruột phích nhỏ hơn nhiều so với thân và được đóng chặt bằng một nút mềm. Chính cấu tạo của phích làm cho phích có thể giữ nhiệt được. - Sau khi đổ nước sôi vào phích, đóng kín miệng phích bằng nút mềm, không khí trong phích bị nóng lên. Không khí nóng bên trong không thể thoát ra ngoài và không khí lạnh bên ngoài cũng không thể vào trong phích, sự đối lưu nhiệt hoàn toàn bị cắt đứt. - Khoảng giữa hai lớp thủy tinh là chân không, không có phân tử khí nào, do không có sự chuyển động cũng như sự va chạm giữa các phân tử nên không có sự truyền động năng từ phân tử có nhiệt độ cao đến phân tử có nhiệt độ thấp hơn, tức là hiện tượng truyền nhiệt của chất khí trong khoảng này không diễn ra . Con đường truyền nhiệt cũng bị cắt đứt. - Mặt của ruột phích được tráng một lớp thủy ngân mỏng nên sự bức xạ nhiệt bị phản xạ của lớp thủy ngân và bị chặn lại bên trong ruột phích. Như vậy, con đường bức xạ nhiệt cũng bị cắt đứt. Do cả ba cách truyền nhiệt đều không được thực hiện nên nước trong phích được giữ nóng. Cần lưu ý, trong thực tế, hiệu quả cách nhiệt của phích chỉ đến một giới hạn nhất định nào đó. Do đó, phích không thể giữ nước nóng mãi được. Các bài tập cơ bản, áp dụng: Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 31 1. Mùi thơm của nước hoa thoảng bay trong không khí dần tan biến mất. Khói từ các ống khói lúc đầu khi mới thoát ra khỏi ống thì đậm đặc sau đó cũng dần tan biến trong không khí. Hãy giải thích tại sao có những hiện tượng trên. 2. Các họa sĩ trước khi vẽ thường hòa trộn một số màu với nhau để tạo ra những màu sắc phù hợp như ý muốn. việc trộn màu này dựa vào nguyên tắc nào? Các bài tâp tổng hợp, nâng cao: 1. Vì sao đèn kéo quân lại tự động quay được ? 2. Tại sao một giọt mực sau khi khuếch tán trong không khí sẽ không bao giờ tự động thu lại được nữa ? 3. Hãy liệt kê các cách làm tăng hiệu quả số va chạm phân tử trong một đơn vị thời gian của chất khí. 4. Giải thích định tính mối liên hệ giữa quãng đường tự do trung bình của các phân tử amôniac Và thời gian cần thiết để ngửi thấy mùi amôniac khi bình được mở trong phòng. 5. Tại sao khói bốc lên mà không chìm xuống từ một ngọn nến? Giải thích bằng ngôn ngữ sự va chạm phân tử. 1.3 Nội năng của khí lý tưởng: Bài tập mẫu: 1. Khi đang đóng đinh vào gỗ, mũ đinh có nóng lên nhưng rất ít. Khi đinh được đóng chắc vào gỗ rồi (không tiến sâu thêm được nữa) thì chỉ cần đóng thêm vài nhát búa là mũ đinh nóng lên rất nhiều. Vì sao? Hướng dẫn giải Đây là dạng bài tập giải thích hiện tượng. Đề bài đề cập đến việc "đóng đinh", "nóng" tức là có liên quan đến công và năng lượng..Yêu cầu phải nắm vững kiến thức về sự chuyển hóa năng lượng. Khi đang đóng đinh tức là thực hiện một công. Công đó một phần chuyển thành động năng cho đinh đi sâu vao gỗ, phần còn lại chuyển thành nội năng của đinh và búa. Đến lúc đinh đã được đóng chặt vào gỗ (không tiến sâu thêm được) thì toàn bộ công thực hiện chuyển thành nội năng của đinh và búa làm đinh nóng lên rất nhanh. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 32 2. Đập búa vào một tấm kẽm và một tấm chì (trong cùng điều kiện đập) thì khi đập vào tấm chì búa nảy lên ít hơn. Tấm kẽm hay tấm chì sẽ nóng lên nhiều hơn? Hướng dẫn giải Đây là dạng bài tập dự đoán hiện tượng, đề bài đã nêu lên những điều kiện cụ thể có liên quan đến sự biến đổi năng lượng, do đó nên vận dụng định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng để giải quyết bài toán . Khi đập búa, động năng của búa chuyển hoá một phần thành nội năng làm cho vật nóng lên, phần còn lại làm cho búa nảy lên. Do điều kiện đập búa như nhau nên động năng của búa ở hai trường hợp là như nhau. Đối với tấm chì, búa nảy lên ít hơn nghĩa là phần năng lượng dùng vào việc làm búa nảy lên ít hơn so với tấm kẽm; do đó mà phần năng lượng chuyển thành nội năng làm nóng tấm chì sẽ lớn hơn. Vì vậy tấm chì sẽ nóng lên nhiều hơn tấm kẽm. Các bài tập cơ bản, áp dụng: 1. Lấy một đồng xu cọ xát lên mặt bàn ta thấy đồng xu bị nóng lên. Bỏ đồng xu vào một cốc nước ấm ta cũng thấy đồng xu nóng lên. Hãy giải thích vì sao? Trong trường hợp nào đồng xu nhận một nhiệt lượng? 2. Thả một quả bóng cao su xuống đất, bóng bị nảy lên. Nhưng nếu bóng thủng một lỗ thì nó không nảy lên được. Hãy giải thích vì sao? 3. Một quả bóng rơi từ độ cao h1 xuống đất và nảy lên độ cao h2 . a. Vì sao thực tế h2 < h1 ? b. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học áp dụng cho trường hợp này như thế nào? c. Độ biến thiên nội năng trong trường hợp này có tác dụng gì? 4. Hiệu suất của một động cơ nhiệt lí tưởng là bao nhiêu nếu nó đồng thời thực hiện công A và truyền cho nguồn lạnh một nhiệt lượng Q ? 5. Trong trường hợp nào thì một khối khí khi lạnh đi tỏa ra một nhiệt lượng nhỏ hơn nhiệt lượng đã dùng để nung nóng nó. Trường hợp này có mâu thuẫn với định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng không? Các bài tập tổng hợp, nâng cao: Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 33 1. Tại sao khi dùng bơm tay để bơm xe đạp, thân chiếc bơm sẽ bị nóng lên và nó càng nóng nhanh hơn khi lốp xe đã gần căng lên? Hãy giải thích. 2. Bạn sử dụng một chiếc thìa như thế nào cho tốt nhất để làm lạnh một cốc cà phê ? Khuấy, đó là thực hiện công, dường như là làm nóng cà phê hơn là làm lạnh nó đi. 3. Một khối khí lý tưởng ở trạng thái ban đầu nào đó có thể tích V1 giãn nở đến thể tích V2 . Quá trình giãn nở có thể xảy ra theo: - Đẳng áp - Đẳng nhiệt - Đoạn nhiệt Hãy cho biết: a. Trong quá trình nào công sản ra nhỏ nhất ? b. Dấu của độ biến thiên nội năng của chất khí trong mỗi quá trình như thế nào ? 4. Một quả tạ chì rơi từ độ cao h xuống đất và không bị nảy lên. a. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học được viết cho hệ nào? Biểu thức như thế nào ? b. Độ tăng nội năng của hệ là bao nhiêu? Thực hiện làm việc gì trong quá trình va chạm với đất ? 5. Một phích chứa cà phê, lắc mạnh phích. Coi phích là một hệ. a. Nhiệt độ của nó có tăng lên không ? b. Có nhiệt lượng được cung cấp cho hệ không ? c. Có công thực hiện trên hệ không ? d. Nội năng của hệ có thay đổi không ? 6. Hãy so sánh nhiệt độ của khí trong xilanh trong các trường hợp vị trí của pittông ở đầu và cuối kì nén. Nội năng trong hai trường hợp này thay đổi như thế nào ? 7. Đối với động cơ nhiệt, khi ma sát giữa các chi tiết giảm đến không thì hiệu suất có thể đạt đến 100% không ? II. CHẤT RẮN: Bài tập mẫu: Giải thích vì sao có biến dạng đàn hồi (theo quan điểm cấu trúc tinh thể)? Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 34 Hướng dẫn giải: Khi bỏ qua dao động nhiệt thì có thể coi các hạt cấu tạo nên tinh thể nằm ở vị trí cân bằng. Vị trí này rất gần với vị trí ứng với thế năng cực tiểu, vì vậy lực tương tác của các hạt chung quanh đối với mỗi hạt ở vị trí cân bằng có thể coi như bằng không. Khi có ngoại lực tác dụng, biến dạng xảy ra thì các hạt ít nhiều bị dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng cũ để đến một vị trí cân bằng mới. Ở vị trí cân bằng mới này, ngoại lực và lực tương tác của các hạt xung quang tác dụng lên hạt là cân bằng. Khi ngoại lực mất đi, chỉ còn lực tương tác của các hạt xung quanh lên hạt và có tác dụng đưa hạt về vị trí cân bằng cũ. Đó là biến dạng đàn hồi. Các bài tập : 1. Vì sao trong kĩ thuật xây dựng người ta không đặt các thanh đường sắt khít nhau mà phải có khe hở? 2. Tại sao người ta lại đốt nóng vành sắt trước khi lắp nó vào bánh xe bò bằng gỗ? 3. Trên một cái thước bằng thép có một lổ hỏng tròn. Khi nung nóng thước thì đường kính lổ tròn có thay đổi hay không? Nếu có thì thay đổi như thế nào? 4. Một quả bóng bằng kim loại có thể lọt qua một vòng kim loại. Khi nung quả bóng, nó bị mắc trong vòng. Điều gì sẽ xảy ra nếu là vòng bị nung nóng chứ không phải quả bóng bị nung nóng? 5. Làm thế nào để làm lỏng nắp kim loại bị vặn quá chặt của một chai thủy tinh? 6. Hai thanh, một thanh bằng thép, một thanh bằng kẽm được tán rivê chặt với nhau tạo thành một thanh thẳng. Thanh này cong lên khi bị nung nóng. Giải thích tại sao sắt lại ở mặt trong của đường cong? III. CHẤT LỎNG: Bài tập mẫu: 1. Giải thích sự tạo thành giọt khi chất lỏng chảy ra khỏi một ống nhỏ? Hướng dẫn giải Chất lỏng chảy ra từ những ống khá nhỏ thành từng giọt một là do: Dưới tác dụng của trong lực, khối chất lỏng chảy ra khỏi ống nhưng do bị màn mặt ngoài giữ lại nên nó tạo thành giọt phồng to dần và bị thắt lại ở chổ Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 35 miệng ống. Đến khi trọng lượng giọt đủ lớn, có thể thắng được lực căng mặt ngoài tác dụng lên chu vi vòng thắt và hướng lên trên thì chổ thắt bị đứt, giọt chất lỏng sẽ rơi xuống và sau đó lại xuất hiện một giọt khác. Nếu như ống khá nhỏ và áp suất từ phía khối lỏng không đủ lớn thì chất lỏng không thể chảy ra khỏi ống được. 2. Vì sao bút máy lại tự động xuống mực ? Hướng dẫn giải Bút máy được thiết kế dựa theo hiện tượng mao dẫn. Nó gồm nhiều rãnh ở ngay lưỡi ra và rãnh ở đầu ngòi bút. Có một ống nhỏ nối từ rãnh ở đầu ngòi vào trong ruột gà chứa mực, ống hở hai đầu (xem như là một mao quản). Do mực trong ruột gà làm ướt chất rắn nên mực dâng lên trong ống và dẫn đến đầu ngòi. Khi viết, ngòi tiếp xúc với mặt giấy và mực để lại vết trên giấy. Khi không viết, mực không chảy ra là do áp suất của không khí bên ngoài lớn hơn áp suất phía trong ruột gà nên mực bị ngăn lại. Các bài tập: 1. Vì sao ống hút lại có thể hút được nước uống? 2. Đổ nước vào một cái ly đầy đến miệng ly (ly đầy tràn). Hỏi có thể bỏ thêm vài cái kim găm vào ly nữa được không ? Giải thích ? 3. Vì sao những giọt nước đọng trên lá sen luôn tròn? 4. Vì sao găng tay và tất ướt khó tháo ra hơn ? 5. Cấu trúc của chất lỏng có ảnh hưởng quan trọng như thế nào đến hiện tượng căng mặt ngoài của chính chất lỏng ? 6. Dân gian có câu "nước đổ đầu vịt" dùng cho những người không biết nghe lời dạy bảo của cha mẹ, thầy cô. Câu này có liên hệ gì với hiện tượng tượng vật lý không ? Đó là hiện tượng vật lý nào ? 7. Cắm một ống mao quản vào một cốc nước nóng thì thấy nước dâng lên trong ống mao quản. Hỏi mực nước trong ống mao quản có thay đổi khi nước nguội đi không ? Nếu có thì thay đổi như thế nào ? Vì Sao ? 8. Khi vật rắn bị dính ướt bởi một chất lỏng thì lực hút giữa các phân tử chất lỏng và các phân tử vật rắn lớn hơn lực hút giữa các phân tử của chính vật rắn đó với nhau. Nước làm dính ướt thủy tinh còn thủy ngân không làm dính ướt thủy tinh, thế nhưng khi nhấc một tấm thủy tinh lên khỏi mặt thủy ngân lại phải dùng Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 36 một lực lớn hơn so với khi nhấc tấm thủy tinh đó lên khỏi mặt nước. Hãy giải thích hiện tượng trên. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 37 Chương II BÀI TẬP ĐỊNH LƯỢNG A. Phương pháp : Muốn giải được một bài tập định lượng trước hết cần phải biết đề bài đề cập đến hiện tượng gì và toàn bộ quá trình diễn ra hiện tượng ấy. Vì vậy, phần đầu của một bài toán định lượng gần như là một bài tập định tính. Trong quá trình giải quyết một bài tập định lượng, bước tìm hiểu đề bài và bước phân tích hiện tượng được thực hiện giống như ở bài tập định tính. Trong bước xây dựng lập luận thì áp dụng các công thức và các cách biến đổi toán học chặt chẽ, rõ ràng. Ở bước này có thể sử dụng phương pháp phân tích hay phương pháp tổng hợp (ở dàn bài chung đã đề cập đến), hay cũng có thể phối hợp sử dụng cả hai phương pháp trên. Trong bước biện luận, kiểm tra lại lời giải, các biểu thức và kết quả tính toán, đơn vị để được kết quả cuối cùng. Khi giải bài tập định lượng cần lưu ý một số điểm: - Những bài tập có thể biểu diễn tình huống vật lý bằng hình vẽ thì nên vẽ hình để biếu diễn. - Chuyển tất cả các đơn vị đo về cùng một hệ thống đo lường. - Khi tính toán bằng số thì cần chú ý đến độ chính xác của các đại lượng và ý nghĩa của nó. B. Các bài tập cụ thể: I. CHẤT KHÍ: 1.1. Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng: 1.1.1. Các bài toán về quá trình đẳng nhiệt- Định luật Boyle-Mariotte: Phương pháp: - Liệt kê các trạng thái của khối khí. - Áp dụng định luật B-M: Khi T = const thì p1V1 = p2V2 Cần chú ý: - Áp suất chất lỏng tại một điểm A có độ sâu h trong lòng chất lỏng là: pA = po + ph Trong đó: po là áp suất khí quyển. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 38 ph = ρgh là áp suất gây bởi trọng lượng cột chất lỏng có chiều cao h. ρ là khối lượng ruêng chất lỏng. - Trong một không gian nhỏ, áp suất khí quyển có thể coi là không đổi, không phụ thuộc vào độ cao. Bài tập mẫu: 1. Khí được nén đẳng nhiệt từ thể tích 6 lít đến thể tích 4 lít, áp suất khí tăng thêm 0,75 at. Tìm áp suất ban đầu của khí. Hướng dẫn giải Đề bài cho biết quá trình nén khí là quá trình nén đẳng nhiệt nên có thể áp dụng định luật B-M. - Liệt kê hai trạng thái của khối khí: + Trạng thái 1: V1 = 6 lít p1 = ? + Trạng thái 2: V2 = 4 lít p2 = P1 + 0,75 at - Áp dụng định luật B - M cho hai trạng thái của khối khí: p1V1 = p2V2 ⇒ p1V1 = (p1 + 0,75).V2 ⇔ p1V1 = p1V2 + 0,75.V2 ⇔ 21 2 1 75,0 VV Vp −= - Thay số, ta có áp suất ban đầu của khí là: )(5,1 46 4.75,0 1 atp =−= 2. Một bọt khí khi nổi từ đáy hồ lên mặt nước thì thể tích tăng gấp ruỡi. Giả sử nhiệt độ ở đáy hồ và mặt hồ như nhau. Hãy tính độ sâu của hồ. Biết áp suất khí quyển là p0 = 105 Pa, khối lượng riêng của nước là ρ = 103 kg/m3, g = 10 m/s2. Hướng dẫn giải Đề bài cho nhiệt độ ở đáy và mặt hồ không đổi nên ta sẽ áp dụng định luật B - M cho hai trạng thái của khối khí trong bọt khí. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… - Liệt kê 2 trạng thái của khối khí: + Trạng thái 1: Khối khí có thể tích V1 Áp suất p1 của khối khí là áp suất tại một điểm ở đáy hồ bao gồm áp suất khí quyển po và áp suất ph gây bởi trọng lượng của cột nước có chiều cao h: p1 = po + ph = po + ρgh + Trạng thái 2: Khối khí có thể tích : V2 = 1,5 V1 Áp suất p2 của khối khí lúc này bằng áp suất khí quyển vì bọt khí ở trên mặt nước : p2 = po - Áp dụng định luật B - M cho hai trạng thái của khối khí: p1V1 = p2V2 hay (po + ρgh) V1 = po.1,5 V1 Suy ra: g ph oρ 5,0= Thay số, ta được độ sâu của hồ: )(5 10.10 10.5,0 3 5 mh == 3. Một ống dài tiết diện nhỏ có một đầu kín và một đầu hở bên trong có chứa thủy ngân chiếm một đoạn dài h = 12,5 cm. Nếu dựng ống thẳng, đầu hở quay lên trên thì đáy cột thủy ngân cách đáy ống một khoảng l1 = 5 cm, nếu đầu hở quay xuống dưới thì khoảng cách ấy là l2 = 7 cm. Trong khoảng ấy có không khí. Tính áp suất của khí quyển po . Biết nhiệt độ khí quyển không đổi. Hướng dẫn giải Do đề cho nhiệt độ khí quyển không đổi nên có thể áp dụng định luật B - M để giải bài toán. Gọi S là tiết diện của ống. Đề bài đo áp suất bằng cmHg thì có thể tính áp suất gây bởi trong lượng cột thủy ngân chính bằng chiều cao của cột thủy ngân: ph = h Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 39 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… - Liệt kê hai trạng thái của khối khí bị giữ trong ống: + Khi đầu hở của ống hướng lên : Thể tích khối khí : V1 = Sl1 Áp suất của khối khí : p1 = po + h + Khi đầu hở của ống hướng xuống: Thể tích khối khí: V2 = Sl2 Áp suất khối khí : p2 = po - h - Áp dụng định luật B - M cho hai trạng thái của khối khí: p1V1 = p2V2 Hay (po + h). Sl1 = (po - h). Sl2 Suy ra: 12 21 )( ll llhpo − += Thay số, ta được áp suất của khí quyển là: )(75 57 )75(5,12 cmHgpo =− += Bài tập luyện tập: 1. Một trái banh dung tích 2000 cm3 chứa không khí ở áp suất 2 atm, người ta đá trái banh nên dung tích còn lại là 500 cm3. Tính áp suất của không khí tr._.…………………………Trang 83 2. Tính công cần thiết để làm tăng đường kính của một bong bóng xà phòng từ 2cm đến 10cm. Biết hệ số căng mặt ngoài của nước xà phòng là 0,04N/m. Hướng dẫn giải Bong bóng xà phòng có hai mặt trong và ngoài có đường kính gần như bằng nhau nên khi đường kính của bong bóng tăng tức là cả diện tích mặt trong và mặt ngoài. Gọi S1 là đường kính của cả hai mặt lúc đầu: 2 1 2 1 1 24 4.2 ddS ππ == Gọi S2 là đường kính của cả hai mặt lúc sau: 2 2 2 2 2 24 4.2 ddS ππ == Độ tăng diện tích của bong bóng: ∆S = S2 – S1 Công cần thiết làm tăng diện tích bong bóng thêm ∆S cũng là công cần thiết để làm tăng diện tích bong bóng đến 10cm: A = σ ∆S Hay: ( )21222 ddA −= πσ Với: d1 = 2.10-2m d2 = 10.10-2m σ = 0,04N/m Thay số: A = 24,11.10-4J Bài tập luyện tập: 1. Đổ rượu vào một cái bình nhỏ giọt để nó chảy ra ngoài, đường kính của miệng ống nhỏ giọt là 4mm. Thời gian để các giọt rượu rơi cách nhau 2 giây. Tính hệ số căng mặt ngoài của rượu. Biết rằng sau 65 phút thì có 100g rượu chảy ra. Coi chổ thắt của rượu khi nó bắt đầu rơi có đường kính bằng đường kính của ống nhỏ giọt. Cho g = 9,8m/s2. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 84 2. Cho 3cm3 nước vào một ống nhỏ giọt có đường kính miệng 1mm người ta nhỏ được 120 giọt. Tìm hệ số căng mặt ngoài của nước. Cho g = 9,8m/s2. 3. Một ống mao quản dài hở hai đầu có đường kính trong 3mm được đổ đầy nước và dựng thẳng đứng. Tìm độ cao của cột nước còn lại trong ống mao quản. Cho σnước = 0,073N/m. 4. Tính năng lượng tỏa ra khi các giọt nước rất nhỏ có đường kính d1 = 8µm tụ lại thành một giọt nước có đường kính d2 = 2mm. Tìm độ tăng nhiệt độ của nước khi đó. Bỏ qua trao đổi nhiệt với môi trường. Cho: σnước = 0,073N/m; cnước = 4,8.103J/kg.độ. 5. Một sợi dây bằng bạc có đường kính d = 2mm được treo thẳng đứng. Khi làm nóng chảy được N = 24 giọt bạc thì sợi dây ngắn đi một đoạn h = 20,5cm. Tính hệ số căng mặt ngoài của bạc ở thể lỏng. Biết khối lượng riêng của bạc ở thể lỏng là ρ = 9,3.103kg/cm3, và xem chổ thắt của giọt bạc khi nó bắt đầu rơi có đường kính bằng đường kính của sợi dây bạc. 3.2 Các bài toán về hiện tượng mao dẫn: Phương pháp: Đối với dạng toán về hiện tương mao dẫn, để xác định σ , ρ , h , d ta sử dụng các công thức: - Đối với chất lỏng làm ướt hoàn toàn hay chất lỏng hoàn toàn không làm ướt vật rắn : dg h ρ σ4= - Đối với chất lỏng làm ướt một phần vật rắn: dg h ρ θσ cos4= Khi bài toán có liên quan đến áp suất phụ, cần hình dung rõ hiện tượng xảy ra (phân biệt mặt khum lồi và mặt khum lõm) để áp dụng chính xác các công thức về áp suất phụ: -Mặt bất kỳ: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +=∆ 21 11 RR p α -Mặt cầu: R p σ2=∆ Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 85 - Mặt trụ: R p σ=∆ Chú ý: - Dạng bài tập này cần vận dụng các công thức khác có liên quan để giải. - Cần đổi đơn vị các đại lượng cho phù hợp. Bài tập mẫu: 1. Đường kính của một ống thủy tinh hình trụ là d = 1mm, hai đầu của ống đều hở. a. Nhúng thẳng đứng ống thủy tinh vào chậu nước, tính độ cao mực nước dâng lên trong ống. b. Nhúng thẳng đứng ống đó vào chậu thủy ngân thì độ hạ mực thủy ngân là h2 = 1,4mm. Tính hệ số căng mặt ngoài của thủy ngân. Xem nước làm ướt hoàn toàn vật rắn còn thủy ngân hoàn toàn không làm ướt vật rắn. Biết: σnước = 0,073 N/m ρnước = 1000kg/m3 ρthủy ngân = 13600kg/m3 g = 9,8m/s2 Hướng dẫn giải Đây là bài tập về hiện tượng mao dẫn, ống thủy tinh đóng vai trò là ống mao dẫn. a. Khi nhúng ống thủy tinh vào nước, do nước làm ướt hoàn toàn vật rắn nên mực nước dâng lên trong ống. Áp dụng công thức: dg h ρ σ4= Với: σ = 0,073N/m ρ = 1000kg/m3 d = 10-3m Thay số: Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 86 H = 0,0297m b. Khi nhúng ống vào thủy ngân, do thủy ngân hoàn toàn không làm ướt vật rắn nên mực thủy ngân hạ xuống. Áp dụng công thức: dg h ρ σ4= ⇒ 4 gdhρσ = Với: h = 1,4.10-2m ρ = 13600kg/m3 d = 10-3m Thay số: σ = 0,479N/m 2. Hai nhánh 1 và 2 của một ống mao dẫn hình chữ U có đường kính trong tương ứng là d1 = 2mm, d2 = 1mm. Sau khi đổ nước vào ống thì hiệu mực nước trong hai nhánh là ∆h = 15mm. Tính hệ số căng mặt ngoài của nước. Xem nước làm ướt hoàn toàn vật rắn, g = 9,8m/s2. Hướng dẫn giải Do nước làm ướt hoàn toàn vật rắn nên mực nước trong nhánh 2 cao hơn mực nước trong nhánh 1 và các mặt khum là mặt cầu lõm. Xét điểm A nằm ngay dưới mặt khum nhánh 1 và điểm B thuộc nhánh 2 trên cùng mặt phẳng nằm ngang với điểm A. Khi cột nước cân bằng thì: pA = pB (1) Áp suất tại điểm A bằng tổng áp suất khí quyển, áp suất gây bởi trọng lượng cột nước có chiều cao ∆h và áp suất phụ gây bởi mặt khum của chất lỏng (do mặt khum lõm nên áp suất phụ âm và hướng lên): )2(42 11 d hgp R hgpp ooA σρσρ −∆+=−∆+= Áp suất tại điểm B bằng tổng áp suất khí quyển và áp suất phụ gây bởi mặt khum của chất lỏng: 221 42 d p R pp ooB σσ −=−= (3) Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 87 Từ (1) , (2) và (3), ta có: ( )21 21 12 21 4 114 44 dd ddhg hg dd d p d hgp oo − ∆=⇔ ∆=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −⇔ −=−∆+ ρσ ρσ σσρ Thay số: σ = 0,0735N/m Bài tập luyện tập: 1. Xác định suất căng mặt ngoài của nước nếu trong ống mao dẫn có đường kính 0,6mm độ cao của cột chất lỏng là 4cm. Khối lượng riêng của nước là 1000kg/m3. Lấy g = 10m/s2. 2. Một ống thủy tinh có bán kính trong r = 0,5mm. Ống đặt thẳng đứng, đầu dưới nhúng vào nước. Nước làm ướt mặt thủy tinh với góc ở bờ mặt thoáng là 15o. Tính độ dâng cao của nước trong ống. Biết suất căng mặt ngoài của nước ở nhiệt độ mà ta đo là 0,073N/m. 3. Một ống mao dẫn có đường kính ngoài d = 6mm, một đầu kín và một đầu hở, trong đựng một ít thủy ngân. Khối lượng tổng cộng của ống và thủy ngân là 0,4g. Nhúng thẳng đứng đầu bịt kín của ống vào nước rồi buông ra. Tính độ ngập sâu của ống mao dẫn trong nước. Cho σnước = 0,073N/m. 4. Ở 20oC một bấc đèn dẫn nước lên cao 4,5cm. Dùng bấc này có thể dẫn dầu hỏa lên cao bao nhiêu. Cho: σnước = 0,073N/m ; σdầu = 0,024N/m ; ρnước = 1000kg/m3 ; ρdầu = 800kg/m3. *Các bài toán tổng hợp và nâng cao về chất lỏng: 1. Tính công cần thiết để thổi một bong bóng xà phòng đạt đến bán kính 4cm, cho áp suất khí quyển po = 1,01.105N/m2. Công để nén khí vào một bình có thể tích V đến áp suất p được tính theo công thức: A = pV ln(p/po) ; ln(1 + x) ≈ x khi x rất nhỏ so với 1. 2. Bôi mở và đặt nhẹ lên mặt nước hai cái kim bằng thép, hình trụ có đường kính 1mm và 2mm. Hỏi chúng có bị chìm trong nước không ? Bỏ qua lực đẩy Acsimet. Cho: ρthép = 7,8.103kg/m3 , σnước = 0,073N/m. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 88 3. Một mao quản bằng thủy tinh dài 20cm, đường kính trong 0,1cm, một đầu kín, được đặt thẳng đứng sao cho đầu hở chạm vào mặt nước trong chậu. Tính chiều cao của cột nước dâng lên trong ống. Cho áp suất khí quyển po = 105Pa, σnước = 0,073N/m , g = 10m/s2. 4. Khối lượng riêng của không khí trong một cái bong bóng ở dưới đáy một hồ nước sâu 5m lớn gấp 5 lần khối lượng riêng của không khí ở khí quyển (nhiệt độ bằng nhau). Tính bán kính của bong bóng. 5. Ống mao dẫn hở hai đầu, đường kính trong 2mm được nhúng thẳng đứng trong bình đựng nước. Tìm chiều cao của cột nước trong ống khi ống mao dẫn và bình: a. Được nâng lên nhanh dần đều với gia tốc 9,8m/s2. b. Hạ xuống nhanh dần đều với gia tốc 4,9m/s2 Cho g= 9,8m/s2, σnước = 0,073N/m. 6. Hai bản thủy tinh song song với nhau được nhúng một phần trong rượu. Khoảng cách giữa hai bản là d = 0,2mm, bề rộng của chúng là l = 19cm. Tính độ cao h của rượu dâng lên giữa hai bản. Biết rằng sự dính ướt là hoàn toàn; σrượu = 0,022N/m ; ρrượu = 0,79kg/l. 7. Một giọt thủy ngân lớn nằm giữa hai bản thủy tinh nằm ngang. Dưới tác dụng của trọng lực, giọt có dạng hình tròn bẹt có bán kính 2,28cm và bề dày 0,38cm. Tính khối lượng của một vật nặng cần đặt lên bản trên để khoảng cách giữa các bản giảm đi 10 lần. Góc ở bờ là 136o, suất căng mặt ngoài của thủy ngân là 0,49N/m. 8. Một giọt nước có khối lượng 0,2g bị ép giữa hai tấm kính cách nhau một khoảng 0,01mm. Vệt nước có dạng hình tròn. Tính lực F cần đặt vào tấm thủy tinh (theo hướng vuông góc với hai tấm) để tách chúng ra. Cho σnước = 0,073N/m. 9. Có hai ống mao dẫn lồng vào nhau, đồng trục, nhúng thẳng đứng vào một bình nước. Đường kính trong của ống mao dẫn nhỏ bằng bề rộng của khe tạo nên giữa hai ống mao dẫn. Bỏ qua bề dày của ống mao dẫn trong. Hỏi mực nước trong ống mao dẫn nào cao hơn và cao hơn bao nhiêu lần ? Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… 10. Một thanh thủy tinh có đường kính 1,5mm thường lồng vào trong một ốing mao dẫn có bán kính 2mm. Trục của thanh và của ống trùng nhau và thẳng đứng, đầu dưới nhúng vào nước. Tính độ dâng của nước trong ống mao dẫn. 11. Một ống mao dẫn đường kính d, đặt thẳng đứng và nhúng một đầu vào trong một chất lỏng nào đó làm ướt ống, khi đó độ cao của cột chất lỏng dâng lên trong ống là h. Tìm biểu thức tính áp suất pz tại độ cao z của cột chất lỏng trong ống. Cho hệ số căng mặt ngoài của chất lỏng là σ, góc bờ là θ và áp suất khí quyển là po. 12. Hai bong bóng xà phòng có bàn kính lần lượt là a và b (a > b) dính vào nhau theo một phần của màng ngoài. Tìm bán kính cong của phần màng ngoài chung ngăn cách hai bong bóng. Tính góc giữa hai màn ngoài ở chổ chúng gặp nhau. 13. Dùng một ống nhỏ có bán kính 1mm để thổi bong bóng xà phòng, khi bong bóng có bán kính R thì ngừng thổi và để hở ống (ống thông giữa bong bóng xà phòng và khí quyển bên ngoài). Bong bóng sẽ nhỏ lại. Tính thời gian từ khi bong bóng có bán kính 3cm đến khi có bán kính bằng 1cm. Coi quá trình là đẳng nhiệt. Cho suất căng mặt ngoài của nước là 0,073N/m, khối lượng riêng của không khí trong khí quyển là 1,3g/l. IV. Hơi khô và hơi bão hòa – Độ ẩm của không khí: Các bài toán về độ ẩm của không khí và về hơi bão hòa: Phương pháp: -Đối với dạng bài tập này yêu cầu trước hết là phải nắm được định nghĩa độ ẩm không khí, khái niệm điểm sương và biết tra bảng đặc tính hơi nước bão hòa. -Áp dụng và biến đổi công thức: %100 A af = (a và A ở cùng nhiệt độ) -Coi hơi bão hòa là khí lý tưởng tuân theo phương trình trạng thái. -Áp dụng và biến đổi các công thức: %100 bhp pf = Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 89 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 90 Trong đó: + Áp suất hơi nước trong không khí: µµ aRTRT V mp == 11 + Áp suất hơi nước bão hòa: µµ ARTRT V mpbh == 21 Bài tập mẫu: 1. Buổi trưa nhiệt độ không khí là 30oC và độ ẩm tương đối là 60%. Tìm độ ẩm tuyệt đối của không khí. Hướng dẫn giải - Áp dụng công thức: %100 A af = ⇔ a = fA - Tra bảng: t = 30oC ⇒ A = 30,3g/m3 - Suy ra: ( )3/18,183,30 100 60 mga == 2. Độ ẩm tương đối của không khí ở nhiệt độ t1 = 22oC là 80%. Hỏi khi nhiệt độ hạ xuống còn t2 = 10oC thì khối lượng nước bị ngưng tụ trong 1m3 không khí bằng bao nhiêu. Biết áp suất hơi bão hòa ở 22oC là p1bh = 2,6.103Pa và ở 10oC là p2bh = 1,2.103Pa. Hướng dẫn giải - Áp suất hơi nước trong không khí ở nhiệt độ T1 = t1 + 273 = 295K là: Áp dụng công thức: %100 bhp pf = ⇒ )(10.08,210.6,2 100 80 %100 33 Papfp bh === - Xem hơi nước như khí lý tưởng thì khối lượng riêng của hơi nước là: Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 91 )/(10.27,15 283.31,8 018,0.10.08,2 333 1 mkgRT p V md −==== µ - Khối lượng riêng của hơi nước bão hòa ở nhiệt độ T2 = t2 + 273 = 283K: )/(10.2,9 283.31,8 018,0.10.2,1 333 2 2 mkg RT pd bhbh −=== µ - Khối lượng hơi nước ngưng tụ trong 1m3 không khí là : d1 – dbh = 15,27.10-3 – 9,2.10-3 = 6,07.10-3 (kg/m3) Bài tập: 1. Buổi sáng , nhiệt độ không khí là 20oC và độ ẩm tương đối là 80%. Tìm độ ẩm tuyệt đối của không khí. 2. Áp suất của hơi nước trong không khí ở 25oC là 20,76 mmHg. Tìm độ ẩm tương đối của không khí. Biết áp suất của hơi nước bão hòa ở 25oC là 23,76 mmHg. 3. Một phòng có kích thước 3m×4m×5m, nhiệt độ không khí trong phòng là 20oC, điểm sương là 12oC. Hãy tính độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối của không khí, và lượng hơi nước có trong phòng. 4. Một phòng kín có thể tích V = 60m3 và nhiệt độ t = 20oC, độ ẩm không khí là 50%. Áp suất trong phòng là po = 105Pa. a.Tính khối lượng nước cần đun cho bay hơi để hơi nước trong phòng thành bão hòa. b.Tính khối lượng không khí ẩm trong phòng khi độ ẩm là : . 50% . 100% Tính áp suất mới trong phòng. 5. Trong một ống hàn kín, thể tích 4 lít có chứa hơi nước ở áp suất 60 mmHg ở nhiệt độ 150oC. Tính khối lượng hơi nước dính trên thành ống khi làm lạnh ống đến 22oC. 6. Một mét khối không khí với độ ẩm tương đối 60% ở nhiệt độ 20oC và áp suất 105Pa, có khối lượng là 1,2004kg. Tính áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ 20oC. 7. Một máy điều hòa mỗi giây hút 3m3 không khí từ khí quyển có nhiệt độ t1 = 40oC và độ ẩm 80%. Máy làm không khí lạnh xuống t2 = 5oC và đưa vào buồng. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 92 Sau một thời gian máy hoạt động, nhiệt độ trong buồng là t3 = 25oC. Tính lượng nước ngưng tụ mỗi giây ở máy và độ ẩm trong phòng. Áp suất hơi nước bão hòa ở các nhiệt độ t1, t2, t3 là p1 = 7400Pa, p2 = 870Pa, p3 = 3190Pa. 8. Hai bình, mỗi bình dung tích V = 10 lít chứa đầy không khí khô ở áp suất po = 1 atm và nhiệt độ to = 0oC. Người ta rót vào bình thứ nhất m1 = 3g nước và vào bình thứ hai m2 = 15g nước, sau đó nút kín các bình và đun nóng chúng đến nhiệt độ t = 100oC. Tính áp suất của không khí ẩm ở nhiệt độ đó trong mỗi bình. 9. Bơm 0,2kg hơi nước ở nhiệt độ 150oC và áp suất chuẩn vào một bình chứa 2kg nước và 0,5kg nước đá ở 0oC. Tìm nhiệt độ cuối cùng trong bình biết : nhiệt dung của bình là 0,63kJ/K ; các nhiệt dung riêng của nước là 4,19kJ/kg.độ , của hơi nước là 1,97kJ/kg.độ ; nhiệt nóng chảy của nước đá là 330kJ/kg ; nhiệt hóa hơi của nước là 2260kJ/kg. 10. Lò sưởi đưa không khí ở 18oC, độ ẩm tương đối f1 = 60% vào phòng có thể tích V = 500m3. Không khí ngoài trời ở 10oC, độ ẩm tương đối f2 = 80%. Hỏi lò sưởi đã đưa thêm vào không khí một lượng nước hóa hơi là bao nhiêu ? Biết rằng ở 18oC : ρ1 = 15g/m3, ở 10oC : ρ2 = 9,4g/m3. 11. Ban ngày nhiệt độ là 28oC và độ ẩm tương đối đo được là 80%. Hỏi về đêm, ở nhiệt độ nào sẽ có sương mù? Coi độ ẩm cực đại là không đổi. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 93 CHƯƠNG III BÀI TẬP ĐỒ THỊ Phương pháp: - Đối với dạng bài tập mà dữ kiện cho trong bài toán là một đồ thị thì yêu cầu phải hiểu được ý nghĩa của đồ thị : + Xem đồ thị biểu đạt mối liên hệ giữa các đại lượng vật lý nào, tương đương với công thức nào. + Từ đồ thị đã cho rút ra những số liệu chính xác. Từ đó, vận dụng những kiến thức đã học có liên quan đến yêu cầu của bài toán để giải. - Đối với dạng bài tập đòi hỏi phải biểu diễn quá trình diễn biến của một hiện tượng nào đó bằng đồ thị thì yêu cầu phải : + Hình dung được diễn biến của hiện tượng, mối liên hệ giữa các đại lượng đã cho ở đề bài. + Vẽ chính xác đồ thị biểu diễn các số liệu đã cho. Từ đồ thị cũng có thể tìm ra được một kết quả nào đó mà bài toán yêu cầu hay một định luật vật lý. Bài tập mẫu: Đồ thị biểu diễn 3 trạng thái của cùng một khối lượng lý tưởng. Hãy so sánh nhiệt độ của khối khí ở 3 trạng thái đã cho. P VO T3 T2 T1 Hướng dẫn giải Đây là dạng bài tập đồ thị về các trạng thái của khí lý tưởng. Trên đồ thị: - Trục OP biểu diễn áp suất của khối khí. - Trục OV biểu diễn thề tích của khối khí. - Các đường T1, T2, T3 là các đường đẳng nhiệt nên nhiệt độ như nhau tại mọi điểm trên mỗi đường. Để so sánh nhiệt độ của các trạng thái khí ta chọn Vo = const và áp dụng định luật Charles cho các trạng thái của khối khí. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 94 Từ Vo vẽ các đường thẳng vuông góc với OV cắt các đường đẳng nhiệt lần lượt tại (1) , (2) , (3) là các trạng thái của khối khí cần xét. Từ các điểm (1), (2), và (3) ta xác định được áp suất của khối khí ở 3 trạng thái bằng cách vẽ các đường song song với OV và OP tại p1, p2, p3. T3 T2 O P P3 P2 P1 V0 T1 V Áp dụng định luật Charles co ba trạng thái của khối khí khi Vo = const: 3 3 2 2 1 1 T P T P T P == Trên đồ thị, ta thấy: p1 < p2 < p3 Mà áp suất biến thiên bậc nhất theo nhiệt độ tuyệt đối nên: T1 < T2 < T3 Bài tập 1. Hình (1) là đồ thị chu trình của 1 mol khí lý tưởng trong mặt phẳng tọa độ (V,T). Vẽ các đồ thị của chu trình trong mặt phẳng tọa độ (p,V) và (p,T); trục tung là trục Op. 2. Hình (2) và hình (3) là đồ thị của hai chu trình biến đổi trong hệ tọa độ (p,T) và (V,T). Hãy vẽ đồ thị biểu diễn mỗi chu trình trong các hệ tọa độ còn lại. 3 2 1 V T Hình 1 (3) (1) T (2) (3) (1) (4) O Hình 3 T V (2) O p Hình 2 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 95 3. Các hình (4), (5), (6) là đồ thị biểu diễn các trạng thái của cùng một khối khí, hãy chứng tỏ: T2 O T1 p - Ở đồ thị hình (4) : T2 > T1 Hình 4 - Ở độ thị hình (5) : p2 > p1 - Ở đồ thị hình (6) : V2 > V1 V V2 V1 TO V Hình 6 V2 V1 TO p Hình 5 4. Một mol khí lý tưởng thực hiện quá trình biến đổi từ trạng thái A đến trạng thái B biểu diễn bằng đoạn AB (Hình 7). Biết pA, VA. Tìm hàm V = f(T). 5. Một mol khí lý tưởng thực hiện chu trình biểu diễn bằng hình chữ nhật trong hình 8; đường thẳng 2 - 4 đi qua gốc tọa độ O, hai điểm 1 và 3 trên cùng một đường đẳng nhiệt. Biết: O Hình 7 B A V P Hình 8 3 2 1 VO P V1 = V4 = 8,31dm3 p1 = p2 = 4.105Pa p3 = p4 = 105Pa Tính nhiệt độ của các trạng thái và vẽ đồ thị (p – T). Cho biết R = 8,31 J/mol.K 6. Một lượng khí biến đổi theo chu trình biểu diễn bởi đồ thị hình 9. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 96 Cho biết: p3 = p1 ; V1 = 1m3 ; V2 = 4m3 ;T1 = 100K ; T4 = 300K. Hãy tìm V3. 7. Một mol khí trong một xylanh có pittông thực hiện chu trình sau đây: - Từ trạng thái 1 có áp suất p1, thể tích V1 biến đổi đẳng tích đến trạng thái 2 có áp suất p2 > p1. - Từ trạng thái 2 giãn nở đẳng áp đến trạng thái 3. - Từ trạng thái 3 biến đổi đẳng nhiệt ở nhiệt độ T3 đến trạng thái 4. - Từ trạng thái 4 biến đổi đẳng áp trở về trạng thái 1. a. Vẽ đồ thị của chu trình trong các mặt phẳng: (p,V), (p,T), (V,T). b.Trong mỗi quá trình chất khí nhận hay tỏa nhiệt, nhận hay sinh công; tính các nhiệt lượng và công ấy. Xem p1, p2, V1, T3 là các giá trị đã biết. Hình 9 (1) (4 (3 (2) T V1 O V V2 8. Một khối lượng khí Ôxy ở 130oC, áp suất 105Pa được nén đẳng nhiệt đến áp suất 1,3.105Pa. Cần làm lạnh đẳng tích khí đến nhiệt độ nào để áp suất giảm bằng lúc đầu ? Biểu diễn quá trình trên trong các hệ tọa độ (p,V), (p,T) và (V,T). 9. Trong một bình cách nhiệt có 1 kg nước đá; 1 kg chất A dễ nóng chảy, không tan được trong nước và một bếp điện công suất không đổi, nhiệt dung riêng không đáng kể. Nhiệt độ ban đầu trong bình là -40oC. Sau khi cho bếp hoạt động, nhiệt độ Q P N M -40 -20 0 T t 2 3 2 Hình 10 4 1 Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 97 trong bình biến đổi theo thời gian như đồ thị hình 10. Biết nhiệt dung riêng của nước đá là c = 2.103J/kg.K, của chất A là cA = 103J/kg.K. Tính: - Nhiệt nóng chảy của chất rắn A. - Nhiệt dung riêng của chất A sau khi đã chảy lỏng. 10. Có 20g khí Hêli chứa trong xylanh đậy kín bởi pittông biến đổi chậm từ (1) đến (2) theo đồ thị hình 11. Với : V1 = 30 lít, p1 = 5 atm, V2 = 10 lít, p2 = 15 atm. Tìm nhiệt độ cao nhất mà khí đạt được trong quá trình biến đổi. 2 1 p p2 p1 11. Một động cơ nhiệt có thể hoạt động theo hai chu trình ( với tác nhân là một mol khí lý tưởng có nhiệt dung mol đẳng tích CV = 1,5R): O V V1V2 Hình 11 - Theo chu trình C tác nhân từ trạng tháp 1, có áp suất p và thể tích V, bị nung nóng đẳng tích đến trạng thái 2 có áp suất 3p, rồi giãn nở đẳng áp đến trạng thái 3 có thể tích 3V, và bị nén trở lại trạng thái 1 bằng quá trình trong đó áp suất tỉ lệ với thể tích. - Theo chu trình C' tác nhân giãn nở từ trạng thái 1 đến trạng thái 3 bằng quá trình giống như trong chu trình C nhưng ngược chiều, sau đó biến đổi đẳng tích đến trạng thái 4 có áp suất p và bị nén trở về trạng thái 1. a. Vẽ đồ thị (p,V) biểu diễn hai chu trình. b. Tính các hiệu suất h và h' của hai chu trình. Trường ĐH An Giang – Khoa Sư phạm ……………………………………………………………… Định dạng và phương pháp giải các bài tập nhiệt học……………………………Trang 98 C. KẾT LUẬN Qua quá trình nghiên cứu, đề tài đã đạt được một số kết quả: - Phân loại được các bài tập vật lý như ở nhiệm vụ đã đề ra. - Đưa ra một dàn bài chung cho việc giải bài tập vật lý. - Đề ra cách giải cho từng loại bài tập: định tính, định lượng, đồ thị. - Nêu phương pháp giải cho từng dạng bài tập cụ thể, có kèm theo bài tập mẫu, bài tập áp dụng và bài tập tổng hợp, nâng cao. - Rút ra một số điều cần lưu ý khi giải bài tập vật lý. Tuy nhiên, bài tập Vật Lý cũng như phương pháp giải đều rất đa dạng. Các bài tập và phương pháp nêu trên chỉ là một số dạng thông thường, phổ biến mà học sinh phổ thông trung học thường gặp, có thể giúp học sinh rèn luyện thêm kỹ năng giải bài tập. Ngoài ra, học sinh cần phải tham khảo thêm nhiều sách, nhiều phương pháp và các dạng bài tập mở rộng, nâng cao nhằm phát triển kỹ năng, kỹ xảo, khả năng tư duy… Khi giải bài tập Vật Lý cần lưu ý một số điểm sau: - Chú ý phần định tính của bài toán . - Đổi đơn vị của các đại lượng cho phù hợp. - Trong quá trình giải toán, chỉ nên biến đổi các công thức bằng chữ, đến công thức cuối cùng hãy thay số vào để tính kết quả. (Ngoại trừ những trường thay số từ đầu thì việc giải bài toán sẽ đơn giản hơn). - Cần tìm nhiều cách để giải một bài tập, sau đó rút ra cách giải ngắn gọn, đầy đủ và dể hiểu nhất . LỜI NÓI ĐẦU Đề tài: "Định dạng và phương pháp giải các bài tập Nhiệt học trong chương trình phổ thông trung học " có nội dung gồm ba phần: - Tóm tắt lý thuyết về vật lý phân tử và nhiệt học. - Phân loại các dạng bài tập trong chương trình Nhiệt học lớp 10, 11. - Trình bày phương pháp chung để giải bài tập Vật Lý và phương pháp cụ thể cho từng dạng bài tập. Nội dung được trình bày chi tiết bao gồm: lý thuyết cơ bản; phương pháp giải; bài tập mẫu, bài tập cơ bản, áp dụng; bài tập tổng hợp, nâng cao viết cho các loại: bài tập định tính, bài tập định lượng và bài tập đồ thị. Đề tài được viết với mục đích phục vụ cho việc giảng dạy và học tập môn vật lý của giáo viên và học sinh trung học. Hy vọng sẽ góp phần giúp học sinh 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 30 tháng 06 năm 2004 Người thực hiện Trường Đại Học An Giang Khoa Sư Phạm Người thực hiện Nguyễn Hoàng Bảo Ngọc Lớp DH3L MSSV: DLY 021321 Tên đề tài ĐỊNH DẠNG VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TẬP NHIỆT HỌC TRONG CHƯƠNG TRÌNH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Giáo viên hướng dẫn Lê Đỗ Huy An Giang , năm 2004 Mục lục Trang A. MỞ ĐẦU...........................................................................................................1 B. NỘI DUNG........................................................................................................3 PHẦN I: TÓM TẮT LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ VLPT VÀ NHIỆT HỌC .................3 CHƯƠNG I: CHẤT KHÍ.........................................................................................3 I. Những cơ sở của thuyết động học phân tử...........................................3 II. Sự va chạm của các phân tử &các hiện tượng truyền trong chất khí...9 III. Nội năng của khí lý tưởng .................................................................11 CHƯƠNG II: CHẤT RẮN ....................................................................................15 I. Sơ lược về chất rắn.............................................................................15 II. Sự giãn nở vì nhiệt của chất rắn ........................................................15 III. Nội năng và nhiệt dung riêng phân tử của chất rắn kết tinh ..............16 IV. Biến dạng của vật rắn .......................................................................17 CHƯƠNG III: CHẤT LỎNG.................................................................................19 I. Sơ lược về chất lỏng ...........................................................................19 II. Hiện tượng căng mặt ngoài ................................................................19 III. Hiện tượng dính ướt và không dính ướt............................................20 IV. Áp suất phụ gây bởi mặt khum của chất lỏng ...................................20 V. Hiện tượng mao dẫn ..........................................................................21 CHƯƠNG IV: HƠI KHÔ VÀ HƠI BÃO HÒA.......................................................22 PHẦN II: PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP CHUNG ĐỂ GIẢI BÀI TẬP VL......23 CHƯƠNG I: PHÂN LOẠI BÀI TẬP VẬT LÝ ........................................................23 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP CHUNG CHO VIỆC GIẢI BÀI TẬP VẬT LÝ.......25 PHẦN III: PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP CỤ THỂ ......................26 CHƯƠNG I: BÀI TẬP ĐỊNH TÍNH.......................................................................26 A. Phương pháp.....................................................................................26 B. Các bài tập cụ thể ..............................................................................27 I. Chất khí.......................................................................................27 II. Chất rắn .....................................................................................33 III. Chất lỏng...................................................................................34 CHƯƠNG II: BÀI TẬP ĐỊNH LƯỢNG.................................................................37 A. Phương pháp.....................................................................................37 B. Các bài tập cụ thể ..............................................................................37 I. Chất khí ...............................................................................................37 II. Chất rắn..............................................................................................76 III. Chất lỏng ...........................................................................................81 IV Hơi khô và hơi bão hòa – Độ ẩm không khí.......................................89 CHƯƠNG III: BÀI TẬP ĐỒ THỊ...........................................................................93 C. KẾT LUẬN .....................................................................................................98 LỜI CẢM TẠ Xin chân thành cảm tạ : - Ban giám hiệu 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 ĐH An Giang - Phòng Hợp Tác Quốc Tế Trường ĐH 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. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Dương Trọng Bái, Đàm Trung Đồn – Bài tập vật lý phân tử và nhiệt học – NXB GD – 2001. 2. Lương Duyên Bình (chủ biên) – Bài tập vật lý đại cương (tập 1) – NXB GD – 2002. 3. Nguyễn Thanh Hải – Bài tập định tính và câu hỏi thực tế vật lý 10 – NXB GD – 2003. 4. Vũ Thanh Khiết – Các bài toán vật lý chọn lọc THPT (Cơ, nhiệt) – NXB GD – 2000. 5. Nguyễn Thế Khôi, Phạm Quý Tư – Sách giáo viên vật lý 10 (Sách giáo khoa thí điểm – Bộ sách thứ nhất) – NXB GD – 2003. 6. Nguyễn Thế Khôi, Phạm Quý Tư – Vật lý 10 (Sách giáo khoa thí điểm – Bộ sách thứ nhất) – NXB GD – 2003. 7. Lê Văn Loan – Vật lý phân tử và nhiệt học – NXB GD – 1983. 8. Phạm Văn Thiều – Một số vấn đề nâng cao trong vật lý THPT (tập 2) – NXB GD – 2002. 9. Lê Văn Thông – Phương pháp giải bài tập vật lý 10 – NXB Trẻ - 1997. 10. Phạm Hữu Tòng – Lý luận dạy học vật lý ở trường trung học – NXB GD - 2001. 11. David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker – Cơ sở vật lý (tập 3) – NXB GD – 2000. *********************** ._.