ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

TRẦN THỊ LIÊN

MỞ RỘNG NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC TRONG GIẢNG DẠY VẬT LÝ 10
NÂNG CAO Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THƠNG

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Hà Nội - 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

MỞ RỘNG NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC TRONG GIẢNG DẠY VẬT LÝ 10
NÂNG CAO Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THƠNG

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Huy Sinh
Sinh viên thực hiện khóa luận: Trần Thị Liên

Hà Nội - 2018

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa
Vật Lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Khoa Sư phạm trường Đại học
Giáo dục đã dạy dỗ, trang bị cho em những kiến thức chuyên môn và kinh
nghiệm cuộc sống.
Em cũng xin được bày tỏ lịng biết ơn tới các thầy cơ giáo tại Bộ môn
Vật lý Nhiệt độ thấp đã tạo điều kiện và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình
học tập và hồn thành khóa luận.
Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Nguyễn Huy Sinh thầy giáo đã tận tình dạy dỗ giúp đỡ em rất nhiều trong học tập và q trình
thực hiện, hồn thành khóa luận tốt nghiệp.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những
người ln ủng hộ và động viên em vượt qua những khó khăn để hồn
thành tốt khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 05 năm 2018
Sinh viên
Trần Thị Liên


DANH MỤC CÁC CHỮ KÍ HIỆU, VIẾT TẮT
NĐLH

Nhiệt động lực học

THPT

Trung học phổ thông


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG I. TÌM HIỂU LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ TẦM QUAN TRỌNG
CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC TRONG CUỘC SỐNG ............................... 3
1.1.Lịch sử phát triển của môn Nhiệt động lực học .......................................... 3
1.1.1.Thời trung cổ ............................................................................................ 4
1.1.2.Thời cận đại .............................................................................................. 5
1.1.3.Thời hiện đại ............................................................................................ 6
1.2.Tầm quan trọng của nhiệt động học trong cuộc sống ................................. 7
1.2.1. Giải thích các hiện tượng nhiệt động lực học trong tự nhiên ................. 7
1.2.2.Ứng dụng nhiệt động học trong cuộc sống .............................................. 9
CHƯƠNG II. MỞ RỘNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
TRONG GIẢNG DẠY PHẦN NHIỆT HỌC, VẬT LÍ 10 CHƯƠNG TRÌNH
NÂNG CAO Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THƠNG ............................. 14
2.1. Vị trí, vai trị và cấu trúc của chương “Cơ sở của nhiệt động lực học”
trong phần “Nhiệt học” ................................................................................... 14
2.1.1. Vị trí của chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” ............................... 14
2.1.2. Vai trò và cấu trúc kiến thức của chương “Cơ sở của nhiệt động lực
học” ................................................................................................................. 15
2.2. Các khái niệm và kiến thức cơ bản liên quan đến nguyên lí thứ nhất nhiệt
động lực học .................................................................................................... 16
2.2.1. Nhiệt độ ................................................................................................. 17
2.2.2.Phương trình trạng thái của khí lí tưởng ................................................ 18
2.2.3. Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử ............................... 18
2.2.4. Nội năng ................................................................................................ 19
2.2.5. Nhiệt và cơng ........................................................................................ 20
2.2.6. Phát biểu ngun lí thứ nhất.................................................................. 22


2.3. Những vấn đề cần mở rộng trong Nguyên lí thứ I nhiệt động học trong
giảng dạy ở trường THPT (Phần Nhiệt học Vật lí 10, nâng cao) ................... 22

2.3.1. Tóm tắt những nội dung cơ bản cần giảng dạy trong bài Nguyên lí I
nhiệt động lực học vật lí 10 THPT .................................................................. 22
2.3.2. Những vấn đề cần đặc biệt lưu ý trong mở rộng nguyên lí thứ nhất nhiệt
động lực học .................................................................................................... 24
2.3.3. Giải thích phương trình tính cơng (2.19) trong các quá trình nhiệt động
......................................................................................................................... 26
2.3.4. Áp dụng biểu thức của ngun lí I cho các q trình nhiệt động cơ bản
......................................................................................................................... 28
2.3.5. Ý nghĩa và bản chất của nguyên lí I nhiệt động lực học ....................... 31
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………...34


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Mơ hình động cơ nhiệt……………………………………………10
Hình 1.2. Sơ đồ hoạt động của động cơ nổ bốn kỳ………………………….11
Hình 1.3. Ngun lí hoạt động của máy lạnh………………………………..12
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc nội dung kiến thức chương “Cơ sở của Nhiệt động
lực học” lớp 10 nâng cao THPT……………………………………………..16
Hình 2.2. Những nội dung chính cần giảng dạy về nguyên lí thứ nhất trong
trường THPT vật lí 10 nâng cao……………………………………………..22
Hình 2.3. Quy ước về dấu của A và Q………………………………………23
Hình 2.4. Các quá trình nhiệt động cơ bản cần giảng dạy trong vật lí 10…...26
Hình 2.5. Tính cơng trong q trình dãn nở khí……………………………..27
Hình 2.6. Q trình đẳng tích………………………………………………..29
Hình 2.7.Q trình đẳng áp………………………………………………….29
Hình 2.8.Quá trình đẳng nhiệt……………………………………………….30



DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Nội dung kiến thức phân bố theo tiết trong chương “Cơ sở của
Nhiệt động lực học”…………………………………………………………19


MỞ ĐẦU
Nhiệt động lực học là môn học chuyên nghiên cứu các mối liên hệ giữa
nhiệt độ, nhiệt và các dạng năng lượng khác. Cơ sở của NĐLH bao gồm 4
nguyên lí: Nguyên lí số 0, Nguyên lí thứ I, Nguyên lí thứ II, Nguyên lí thứ III.
Bản chất của ngun lí số 0 nói về nhiệt độ, ngun lí I cho biết mối liên hệ
giữa các dạng năng lượng, nhưng không cho biết sự khác nhau giữa các dạng
năng lượng. Nguyên lí II cho biết chiều diễn biến của các quá trình nhiệt động
trong tự nhiên và nhiệt lượng có thể biến đổi thành cơng, cịn ngun lí thứ III
nói về đại lượng Entropy ở gần nhiệt độ tuyệt đối. Nguyên lí I và nguyên lí II
NĐLH là nền tảng vô cùng quan trọng cho sự phát triển của khoa học tự
nhiên. Nguyên lí I nhiệt động học là sự tổng quát hóa những nhận xét và
những kết quả đạt được bằng thực nghiệm. Nó là sự vận dụng định luật bảo
tồn và chuyển hóa năng lượng vào các hiện tượng nhiệt. Ngun lí thứ hai
trình bày về những hạn chế của ngun lí thứ nhất, q trình thuận nghịch,
khơng thuận nghịch và entropy. Ngun lí thứ nhất và thứ hai NĐLH có
nhiều ứng dụng quan trọng trong việc giải quyết các bài toán về năng lượng
và trên cơ sở đó có thể giải thích được các hiện tượng xảy ra trong tự nhiên.
Áp dụng nguyên lí thứ nhất và ngun lí thứ hai NĐLH, chúng ta có thể
nghiên cứu được các quá trình nhiệt động biến đổi trong một hệ. Trong giới
hạn khóa luận này chỉ đi sâu tìm hiểu và mở rộng ngun lí thứ nhất NĐLH
trong giảng dạy phần Nhiệt học, vật lí 10 THPT.
Nguyên lí thứ nhất NĐLH ở trường THPT nằm trong chương VIII phần
hai: Nhiệt học, vật lí 10 THPT đó là chương “Cơ sở của nhiệt động lực học”.
Nội dung chính của chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” bao gồm 3

vấn đề chính: Nội năng và sự biến thiên nội năng; Nguyên lí thứ nhất NĐLH;
Nguyên lí thứ hai NĐLH.
Nội dung khóa luận này chỉ đề cập đến vấn đề “Mở rộng nguyên lí thứ
nhất nhiệt động lực học trong giảng dạy vật lí 10 nâng cao ở trường Trung
1


học Phổ Thơng” để giúp học sinh có cái nhìn tổng quát và sâu rộng hơn, giải
thích được nguồn gốc của các thơng số, đại lượng có trong các biểu thức nhiệt
động lực học.
Khóa luận bao gồm các vấn đề sau:
Chương I: Tìm hiểu lịch sử phát triển và tầm quan trọng của môn nhiệt
động lực học trong cuộc sống
Chương II: Mở rộng nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học trong giảng
dạy phần nhiệt học, chương “cơ sở của nhiệt động lực học” vật lí 10 chương
trình nâng cao ở trường Trung học Phổ Thông
Kết luận
Tài liệu tham khảo

2


CHƯƠNG I. TÌM HIỂU LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ TẦM QUAN
TRỌNG CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC TRONG CUỘC SỐNG
1.1. Lịch sử phát triển của môn Nhiệt động lực học
“Trong khả năng ứng dụng và trong các cơ sở lý thuyết, Nhiệt động học
là lý thuyết vật lý tổng quát duy nhất mà tôi tin rằng sẽ không bao giờ bị lật
đổ”- Albert Einstein [1].
Nhiệt động lực học thuộc về một trong những lí thuyết lớn làm nền tảng
cho những kiến thức đương đại về vật chất. Sự phát triển của NĐLH là một

vấn đề hấp dẫn trong lịch sử khoa học. NĐLH nghiên cứu về nhiệt trong lĩnh
vực Vật lí học. Khái niệm trung tâm của NĐLH là nhiệt độ. Nhiệt độ không
biểu diễn bằng những đại lượng cơ học cơ bản. Khi nghiên cứu những tính
chất gây ra bởi chuyển động hỗn loạn của một tập hợp rất lớn các phân tử khi
tính đến những lực tương tác giữa chúng thì người ta vận dụng những định
luật tổng quát, luôn luôn nghiệm đúng với thực tiễn, không phụ thuộc vào tính
chất chuyển động của các phân tử, sự tương tác giữa chúng và cấu trúc của
vật chất. Các định luật này biểu thị mối liên hệ giữa các dạng năng lượng, sự
biến đổi qua lại giữa chúng và mối liên hệ giữa năng lượng và các đại lượng
liên quan đến năng lượng như cơng và nhiệt.
Để hình thành và phát triển môn Nhiệt động học như ngày nay phải kể
đến cả một quá trình nghiên cứu và đấu tranh, phát triển và minh chứng của
nhiều thế hệ các nhà khoa học. Nhiệt động lực học trải qua mỗi thời kì lịch sử
có những quan niệm, lí thuyết ngày càng phát triển hơn.
Bằng trực giác mỗi chúng ta đều cảm nhận khái niệm nhiệt độ. Một vật
được xem là nóng hay lạnh tùy theo nhiệt độ của nó cao hay thấp. Nhưng thật
khó có thể đưa ra một khái niệm chính xác về nhiệt và nhiệt độ.

3


1.1.1.Thời trung cổ
Người ta quan niệm về nhiệt và nhiệt độ khơng rõ ràng. Những cảm nhận
về nóng, lạnh của vật gắn liền với các đại lượng nhiệt và nhiệt độ, mặc dù
cảm giác là khơng chính xác và khơng mang ý nghĩa cho một đại lượng vật lí.
Những nghiên cứu đầu tiên về ngành nhiệt động học chính là việc đánh dấu
và so sánh nhiệt độ, hay sự phát minh của các nhiệt biểu, lần đầu tiên được
thực hiện bởi nhà khoa học người Đức Gabriel Fahrenheit (1686 - 1736) –
người đã đề xuất ra thang đo nhiệt độ đầu tiên mang tên ông (
thang này, 32


và 212

. Trong

là nhiệt độ tương ứng với điểm nóng chảy của nước

đá và điểm sôi của nước. Năm 1742, nhà bác học Thụy Sĩ Anders Celsius
(1701 - 1744) đã xây dựng một thang đo nhiệt độ đánh số từ 0

đến 100

mang tên ông dựa vào sự dãn nở của thủy ngân đó là thang nhiệt giai Celcius.
Đầu thế kỉ XIIX nhà bác học Daniel Bernoulli (1700 - 1782) đã nghiên
cứu động học của các chất khí và đưa ra quan niệm về mối liên hệ giữa khái
niệm nhiệt độ với chuyển động vi mơ của các hạt. Ơng coi “nhiệt” là kết quả
của chuyển động hỗn loạn của các hạt vi mô. Quan niệm này gần với lí thuyết
hiện đại “thuyết động học phân tử các chất khí”, nhưng bản chất của đại
lượng “nhiệt” vẫn chưa được làm rõ. Tuy nhiên, Bernoulli cùng với Laplace
(1744 - 1827) và một số nhà toán học khác tạo thành một nhóm bảo vệ cho lí
thuyết này.
Khoảng giữa thế kỉ XIIX, nhà hóa học Antoine Lavoisier (1743 - 1794)
nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt và cho rằng “nhiệt” được cấu tạo bằng
các hạt nhỏ như một chất lỏng truyền trong các “lỗ” của vật chất được gọi là
“chất lỏng nhiệt”. Ông coi “nhiệt” như một “nguyên tố” tạo nên vật chất và
kết luận rằng quá trình truyền nhiệt được liên hệ mật thiết với khái niệm dòng
nhiệt chảy trong vật chất như một dạng chất lưu. Lí thuyết “chất lỏng nhiệt”
này cịn chiếm ưu thế lớn và thống trị trong suốt thế kỉ XIX.

4



1.1.2.Thời cận đại
Trong thế kỉ XIIX những tiến bộ về khoa học, kĩ thuật như: khoa học về
chế tạo máy, đặc biệt là máy hơi nước của James Watt ra đời khoảng năm
1780 đã dẫn đến sự hình thành của một ngành khoa học mới đó là Nhiệt động
lực học.
Cho đến đầu thế kỉ XIX, Sadi Carnot (1796 - 1832) đã sáng lập ra môn
Nhiệt động lực học (1824), nhờ việc nghiên cứu một hệ máy có khả năng
cung cấp cơng cơ học bằng cách nhận nhiệt từ “nguồn nóng” và nhả nhiệt cho
“nguồn lạnh”. Ý tưởng độc đáo này phát sinh từ giả định về sự chênh lệch
nhiệt độ giữa hai nguồn nhiệt có thể sinh ra cơng. Ý tưởng này là con đường
dẫn đến định luật bảo toàn năng lượng - tiền đề cho nguyên lí thứ nhất của
nhiệt động lực học. Đặc biệt là khái niệm về q trình thuận nghịch có liên
quan chặt chẽ với ngun lí thứ hai cũng nằm trong khn khổ của ngun lí
bảo tồn. Carnot cũng bảo vệ cho quan điểm của Lavoisier cho rằng nhiệt
được truyền đi dựa vào sự tồn tại của một “dòng nhiệt trong vật chất” như
một dòng chất lưu [5].
Mối quan hệ giữa công và nhiệt đã được nhà vật lí người anh James
Prescott Joule (1818-1889) nghiên cứu bằng thực nghiệm đồng thời với nhà
vật lí người Đức Robert von Mayer (1814 - 1878) nghiên cứu bằng lí thuyết.
Các nghiên cứu về thực nghiệm và lí thuyết đều dẫn đến kết quả chung là có
sự tương đương giữa công và nhiệt. Hệ quả này dẫn đến định nghĩa về q
trình chuyển hóa năng lượng.
Năm 1850-1854, Clausius (1822 - 1888) đã từ bỏ lí thuyết “chất lỏng
nhiệt” và thừa nhận công và nhiệt là tương đương nhau. Năm 1843, bằng một
thí nghiệm cụ thể, Joule đã chứng minh và khẳng định sự tương đương giữa
công và nhiệt với giá trị: 1J = 0,2389 Calo [5].
Năm 1843, nhà vật lí người Pháp E’mile Clapeyron (1799 - 1864) đã đưa
ra phương trình trạng thái của chất khí lí tưởng. Tuy nhiên, chỉ đến năm 1848

5


một nhà quý tộc có tên là Sir William Thomson hay còn gọi là Lord Kelvin
(1824 - 1907) mới minh chứng được phương trình trạng thái bằng thực
nghiệm.
Vào thời điểm đó khái niệm entropy đã xuất hiện nhưng đến năm 1865
Clausius mới đặt tên và cho nó một định nghĩa đầy đủ. Tiếp đó, Nerst và
Planck đưa thêm ngun lí thứ ba vào nhiệt động lực học mà bản chất của nó
là xác định giá trị các đại lượng Entropy ở gần nhiệt độ không tuyệt đối.
1.1.3.Thời hiện đại
Những năm đầu thế kỉ XX, việc nghiên cứu và ứng dụng các lý thuyết
nhiệt động lực học phát triển mạnh. Người đầu tiên nghiên cứu và đưa ra
thuyết nhiệt động thống kê đó là Ludwig Boltzman (1844 - 1906). Lý thuyết
này đã liên kết các định luật nhiệt động học với các định luật cơ học áp dụng
cho các hệ nhiều hạt. Ơng là người có đóng góp lớn vào việc thừa nhận
entropy theo quan niệm thống kê và phát triển lí thuyết về chất khí vào năm
1877. Ơng là người đầu tiên tìm ra phương trình nổi tiếng trong vật lí thống
kê và mối quan hệ giữa các đại lượng entropy và hàm xác suất thống kê:
(1.1)

S=

Nhiệt động lực học cũng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực hóa học.
Hai nhà vật lí người Đức Hermann von Helmholtz (1821 - 1894) và người Mỹ
Willard Gibbs (1839 - 1903), là những người đầu tiên áp dụng các nguyên lí
nhiệt động học vào việc khảo sát các q trình hóa học và cũng là người đặt
nền móng cho các nghiên cứu về nhiệt động hóa học. Từ đó mối quan hệ giữa
lí thuyết nhiệt động học cổ điển và lí thuyết thống kê được xát nhập thành vấn
đề xác định các giá trị trung bình để mơ tả tính chất của hệ nhiều hạt.

Gần đây nhất nhà vậy lí người Bỉ gốc Nga Ilya Prigonine (sinh năm
1917) đã có nhiều cống hiến và đóng góp cho sự phát triển cho ngành nhiệt
động học khơng cân bằng. Ơng đã nhận được giải thưởng Nobel về vật lí năm
1977.
6


Cho đến nay, nhiệt động học vẫn không ngừng phát triển. Nhiệt động lực
học được mở rộng bằng lí thuyết thống kê bao gồm các q trình khơng cân
bằng và những hiệu ứng phi tuyến tính. Trong q trình phát triển của khoa
học kĩ thuật, người ta còn dựa vào mối quan hệ giữa nhiệt động lực học, lí
thuyết thơng tin với sự nghiên cứu các tính chất hỗn hợp trong các hệ nhiệt
động trở thành quan trọng. Những ý tưởng về mối quan hệ này hiện đang
được áp dụng để tìm hiểu những thay đổi trong nhiệt động lực học mang tính
hiện tượng luận cịn chưa được làm sáng rõ. Ngồi ra người ta cịn ứng dụng
nhiệt động lực học vào cuộc sống, giải thích các hiện tượng tự nhiên, cũng
như chế tạo các máy nhiệt phục vụ cho cuộc sống của con người.
1.2. Tầm quan trọng của nhiệt động học trong cuộc sống
Khi nhiệt động lực học chưa ra đời, người ta rất khó giải thích các hiện
tượng liên quan đến “nhiệt” trong cuộc sống. Sự ra đời của nhiệt động lực học
đã giúp con người giải thích được rất nhiều hiện tương trong tự nhiên và trong
cuộc sống mà trước đó bản chất của chúng chưa lí giải được. Mặt khác nhờ sự
ứng dụng các lí thuyết nhiệt động lực học con người chế tạo được các máy
nhiệt làm thay đổi cuộc sống.
1.2.1. Giải thích các hiện tượng nhiệt động lực học trong tự nhiên
Thuyết động học phân tử cho biết rằng các phân tử khí ln tham gia
chuyển động hỗn loạn, không ngừng và vận tốc của chúng phụ thuộc vào
nhiệt độ. Trong quá trình chuyển động, các phân tử va chạm với nhau và
truyền động năng cho nhau để đưa hệ đến trạng thái cân bằng. Nếu ở trạng
thái ban đầu mà nhiệt độ của hệ khơng đồng nhất, thì chuyển động nhiệt của

các phân tử sẽ làm cho hệ tiến tới cân bằng và đồng nhất về nhiệt độ. Đó là
q trình truyền nhiệt. Thơng thường có 3 cách truyền nhiệt xảy ra giữa hệ và
mơi trường đó là dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt [3].

7


a. Quá trình dẫn nhiệt
Khái niệm: Quá trình dẫn nhiệt là q trình xảy ra khi có sự chênh lệch
nhiệt độ trong hệ hoặc giữa các hệ nhiệt động tiếp xúc với nhau, khi đó nhiệt
sẽ truyền từ nơi có nhiệt độ cao xuống nơi có nhiệt độ thấp. Ví dụ: Đốt một
đầu của thanh kim loại trên một ngọn lửa, sau một thời gian ta thấy đầu kia
của thanh kim loại cũng nóng lên. Đó là sự dẫn nhiệt vì năng lượng nhiệt đã
truyền qua thanh kim loại từ đầu này tới đầu kia.
Ví dụ trên cho thấy: Bản chất của quá trình truyền nhiệt là do sự va chạm
và chuyển động nhiệt của các phân tử từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt
độ thấp và ngược lại. Các phân tử cấu tạo nên vật nhận năng lượng từ ngọn
lửa và dao động mạnh lên, sau đó chúng truyền năng lượng cho các phân tử ở
nơi có nhiệt độ thấp hơn thơng qua va chạm, làm cho các phân tử ở nơi có
nhiệt độ thấp nóng lên cịn các phân tử ở nơi có nhiệt độ cao lạnh đi. Bằng
cách đó, vùng có nhiệt độ cao được mở rộng dọc theo thanh kim loại và nhiệt
lượng đã được truyền đến đầu kia của thanh kim loại.
Nếu trong khoảng thời gian t, nhiệt lượng truyền qua một dây dẫn nhiệt
là Q thì nhiệt lượng truyền qua dây dẫn trong một đơn vị thời gian được gọi là
tốc độ dẫn nhiệt theo biểu thức sau:
(1.2)
b. Đối lưu
Khái niệm: Đối lưu là sự di chuyển của những nhóm phân tử trong chất
lưu như chất lỏng hay chất khí. Đối lưu có thể diễn ra trong lịng chứa chất
lưu hoặc qua khuếch tán hoặc qua cả hai.

Khi quan sát một bình nước đang sơi ta thấy các luồng nước chuyển
động lên xuống trong bình.

8


Hiện tượng này cho thấy: Khi bị đun nóng, các phân tử chất lưu nhận
nhiệt lượng và bị dãn nở, khối lượng riêng giảm đi do đó phần nóng sẽ được
chuyển lên phía trên do lực đẩy Ác-si-mét và các chất lưu xung quanh, phần
lạnh chìm xuống phía dưới để thế chỗ vào chất lưu nóng vừa dâng lên. Q
trình cứ liên tực như vậy tạo thành các dòng đối lưu.
c. Bức xạ
Khái niệm: Bức xạ là một quá trình mà sóng điện từ đi qua mơi trường
chân khơng hoặc các môi trường vật chất khác.
Mặt Trời cách rất xa Trái Đất, nhưng ánh nắng làm cho Trái Đất nóng
lên, thơng qua rất nhiều vật cản như mây, khí quyển,.. Nhiệt lượng được
truyền cho Trái Đất là do bức xạ. Bản chất của bức xạ là do các sóng điện từ
được phát ra từ các vật có nhiệt độ cao tới các vật khác. Nhiệt độ càng cao thì
lượng bức xạ càng lớn.
Bản chất của sự truyền nhiệt lượng bằng hình thức bức xạ là do sự
truyền và phát của các sóng điện từ. Nhiệt lượng do bức xạ phát ra phụ thuộc
vào nhiệt độ, màu sắc, hình dạng bề mặt của các vật. Sự truyền nhiệt bằng bức
xạ này tuân theo định luật Stefan – Boltzmann:
Q=

T4

(1.3)

= 5.673.10-8 (W.m-2.K-4) là hằng số Stefan – Boltzmann của vật đen

tuyệt đối
Tuy nhiên trong thực tế, quá trình truyền nhiệt thường xảy ra đồng thời cả 3
phương thức trên.
1.2.2.Ứng dụng nhiệt động học trong cuộc sống
Một trong nhiều ứng dụng của nhiệt động học trong cuộc sống đó là sử
dụng các ngun lí của nhiệt động học để chế tạo các máy nhiệt.
Máy nhiệt là một hệ hoạt động tuần hồn biến cơng thành nhiệt hoặc
biến nhiệt thành công. Máy nhiệt gồm 3 bộ phận chính: Nguồn nóng, tác nhân
và nguồn lạnh.
9


Trong máy nhiệt có các chất vận chuyển làm nhiệm vụ biến nhiệt thành
cơng hoặc ngược lại, đó là các tác nhân. Khi máy hoạt động, tác nhân trao đổi
nhiệt với các nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau. Máy nhiệt thơng thường trao
đổi với hai nguồn nhiệt. Nguồn có nhiệt độ cao gọi là nguồn nóng, nguồn có
nhiệt độ thấp hơn gọi là nguồn lạnh. Tất cả các máy nhiệt đều hoạt động tuần
hồn, do đó tác nhân trong máy biến đổi theo các chu trình. Trong quá trình
hoạt động tác nhân sẽ sinh công. Máy nhiệt được chia làm 2 loại theo quy
ước:
- Loại máy có chu trình chạy theo chiều kim đồng hồ được quy ước trên
giản đồ p – V (chu trình thuận) được gọi là động cơ nhiệt
- Loại máy có chu trình chạy theo chiều kim đồng hồ được quy ước trên
giản đồ p – V (chu trình nghịch) được gọi là máy lạnh
a. Động cơ nhiệt
Động cơ nhiệt là thiết bị biến đổi nhiệt lượng Q thành cơng A. Ví dụ như
máy hơi nước, động cơ đốt trong, vv
Có thể mơ tả vắn tắt nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt: Gọi Q1 là
nhiệt lượng tác nhân lấy từ nguồn nóng có nhiệt độ có T1 và Q2 là nhiệt lượng
nhả ra cho nguồn lạnh nhiệt độ T2. Công sinh ra trong q trình đó là :

A = Q1 – Q2

Hình 1.1. Mơ hình động cơ nhiệt

10

(1.4)


Mục đích của động cơ nhiệt là biến nhiệt lượng thành công cơ học càng
nhiều càng tốt. Đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công của một động cơ
nhiệt được gọi là hiệu suất của động cơ nhiệt và nó được định nghĩa bằng tỷ
số giữa cơng sinh ra (A) và nhiệt lượng nhận vào (Q1).
(1.5)

Theo phương trình (1.5)

= 1 chỉ khi |

= 0 tức là động cơ không thải

nhiệt lượng thừa ra cho nguồn lạnh. Nói cách khác nhiệt nhận vào đã được
biến đổi hồn tồn thành cơng. Trong thực tế không thể tồn tại một động cơ
(vĩnh cửu) như vậy, cho nên

. Thông thường hiệu suất của các động cơ

nhiệt trong thực tế thường nằm trong khoảng 25% - 45%.
Hình 1.2 mơ tả hoạt động của một động cơ nhiệt 4 kỳ theo chu trình
Ơttơ. Động cơ này hoạt động theo mỗi chu trình gồm 4 quá trình: nạp nhiên

liệu (khí); nén khí; đốt khí và xả khí.

Hình 1.2. Sơ đồ hoạt động của động cơ nổ bốn kỳ

b. Máy lạnh
Máy lạnh là loại thiết bị nhận cơng bên ngồi để chuyển nhiệt lượng từ
vật lạnh sang vật nóng hơn.

11


Ngày nay trong công nghiệp thực phẩm, y tế, sinh hoạt của mỗi gia đình,
đều cần đến máy lạnh. Mơ hình máy lạnh được mơ tả như hình 1.3:

NGUỒN NĨNG (T1)

A

Tác nhânq

NGUỒN LẠNH (T2)

Hình 1.3. Ngun lí hoạt động của máy lạnh

Nguyên tắc hoạt động của máy lạnh: Gọi A là cơng mà tác nhân nhận từ
bên ngồi để tải nhiệt lượng Q2. Công A và nhiệt lượng Q2 sẽ được tổng hợp
thành dạng năng lượng nhiệt Q1 để truyền cho nguồn nóng có nhiệt độ T1.
Đại lượng đặc trưng cho khả năng tải nhiệt lượng từ nguồn lạnh sang
nguồn nóng hơn của máy lạnh là hệ số làm lạnh (K), nó được đo bẳng tỷ số
giữa Q2 và A:

(1.6)
Vì Q1 = A + Q2 hay A = Q1 - Q2 nên:
(1.7)
Hệ số làm lạnh có các giá trị K > 1

12


Hệ số làm lạnh càng cao thì máy càng tốt. Thơng thường, K đối với tủ lạnh
K

, điều hịa nhiệt độ K

2

.

13


CHƯƠNG II. MỞ RỘNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
TRONG GIẢNG DẠY PHẦN NHIỆT HỌC, VẬT LÍ 10 CHƯƠNG
TRÌNH NÂNG CAO Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THƠNG
2.1. Vị trí, vai trò và cấu trúc của chương “Cơ sở của nhiệt động lực học”
trong phần “Nhiệt học”
2.1.1. Vị trí của chương “Cơ sở của nhiệt động lực học”
Chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” là chương thứ VIII và cũng là
chương kết thúc chương trình Sách giáo khoa Vật lí lớp 10 Nâng cao góp
phần hồn chỉnh kiến thức vật lí phổ thơng. Nội dung kiến thức của chương
này có liên quan chặt chẽ với hai chương trước đó là chương VI “Chất khí” và

chương VII “Chất rắn và chất lỏng. Sự chuyển thể” của phần “Nhiệt học”.
Chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” gồm 3 bài sau:
 Nguyên lí I nhiệt động lực học
 Áp dụng nguyên lí I nhiệt động lực học cho khí lí tưởng
 Nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh. Nguyên lí II nhiệt
động lực học
Theo phân phối chương trình giảng dạy của Bộ Giáo dục và Đào tạo,
chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” gồm 7 tiết học, trong đó có 5 tiết lí
thuyết, 1 tiết bài tập và 1 tiết kiểm tra. Nội dung kiến thức theo từng tiết được
trình bày trong bảng 2.1 dưới đây:

14


Bảng 2.1. Nội dung kiến thức phân bố theo tiết trong chương “Cơ sở của
Nhiệt động lực học”
Số

Yêu cầu về kiến thức đối với học sinh

Nội dung giảng dạy

tiết
Nguyên lí I nhiệt động lực học

1

- Khái niệm nội năng
- Các cách làm thay đổi nội năng
- Phát biểu nguyên lí I nhiệt động lực học


2

Áp dụng nguyên lí I nhiệt động

- Nội năng của khí lí tưởng

lực học cho khí lí tưởng

- Cơng thức tính cơng của khí lí tưởng
- Biểu thị cơng trên tọa độ P-V

Áp dụng ngun lí I nhiệt động

3

lực học cho khí lí tưởng

- Viết được phương trình của ngun lí I
cho các q trình đẳng tích, đẳng áp, đẳng nhiệt
và chu trình

4

Ngun tắc hoạt động của động

- Khái niệm động cơ nhiệt, máy lạnh

cơ nhiệt và máy lạnh. Nguyên lí


- Vẽ và giải thích sơ đồ nguyên tắc hoạt

II nhiệt động lực học
5

Nguyên tắc hoạt động của động

- Phát biểu nguyên lí II nhiệt động lực học

cơ nhiệt và máy lạnh. Ngun lí

- Cơng thức tính hiệu suất cực đại của máy

II nhiệt động lực học
Bài tập

6

động của động cơ nhiệt và máy lạnh

nhiệt
- Củng cố các kiến thức đã học và làm bài
tập chương “Cơ sở của nhiệt động học”

Kiểm tra học kì

7

2.1.2. Vai trò và cấu trúc kiến thức của chương “Cơ sở của nhiệt động lực
học”

Chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” cung cấp những kiến thức phổ
thông cơ bản bao gồm các khái niệm về nhiệt động lực học, các q trình vật
lí thường gặp trong đời sống thuộc lĩnh vực nhiệt động lực học. Các khái
niệm, nguyên lí được trình bày phù hợp với năng lực tính tốn và sự suy luận
15


logic của học sinh. Các kiến thức cơ bản này có mối quan hệ với nhau trong
một thể thống nhất về nội dung.
Khi nghiên cứu kiến thức chương “Cơ sở của nhiệt động học”, học sinh
bước đầu được làm quen với thế giới vi mơ, tìm hiểu bản chất và quy luật của
quá trình biến đổi trạng thái của vật, từ đó học sinh nắm được bản chất và cơ
chế của các hiện tượng nhiệt động. Ngồi ra, cịn giúp cho học sinh hiểu được
sự tồn tại và quy luật vận động của thế giới vật chất.
Kiến thức chương “Cơ sở của nhiệt động học” gắn liền với thực tế cuộc
sống, là cơ sở để chế tạo một số máy móc, thiết bị kĩ thuật, cũng là cơ sở để
giáo dục kĩ thuật tổng hợp và định hướng nghề nghiệp cho học sinh. Hơn nữa,
từ bản chất của các quá trình biến đổi trạng thái nhiệt động, học sinh có thể
hiểu và giải thích được các hiện tượng thay đổi thời tiết, hiệu ứng nhà kính, ơ
nhiễm mơi trường,vv. Thơng qua việc tìm hiểu cơ chế và nguyên tắc hoạt
động của các máy nhiệt, học sinh có ý thức tiết kiệm nhiên liệu và có trách
nhiệm bảo vệ mơi trường sống.
Căn cứ vào nội dung kiến thức và sự phân bố kiến thức trong sách giáo
khoa vật lí 10 Nâng cao, chúng tôi đưa ra sơ đồ cấu trúc của chương “Cơ sở
của nhiệt động học” như hình 2.1:
Cơ sở của nhiệt động lực học

Các khái niệm

 Nội năng

 Nhiệt lượng
 Máy nhiệt

Nguyên lý

Ứng dụng

 Nguyên lí I

 Động cơ nhiệt

 Ngun lí II

 Máy nhiệt

Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc nội dung kiến thức chương “Cơ sở của Nhiệt động lực học”
lớp 10 nâng cao THPT

16


2.2. Các khái niệm và kiến thức cơ bản liên quan đến nguyên lí thứ nhất
nhiệt động lực học
2.2.1. Nhiệt độ
Hệ nhiệt động là khoảng không gian chứa đầy vật chất. Hệ nhiệt động
bao gồm hệ kín, hệ mở và hệ cơ lập. Tuy nhiên, trong khóa luận này chỉ xem
xét hệ nhiệt động cô lập.
Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho chuyển động nhiệt trong một hệ
nhiệt động. Đại lượng này liên quan đến cảm giác nóng, lạnh.
Trong vật lí học người ta định nghĩa “Nhiệt độ là thước đo động năng

trung bình chuyển động tịnh tiến của các phân tử” hay “Nhiệt độ là thước đo
mức độ chuyển động hỗn loạn của các phân tử”
Muốn đo nhiệt độ ta dùng một dụng cụ gọi là nhiệt kế với các phương
pháp đo là trực tiếp và gián tiếp. Đo trực tiếp là: Cho nhiệt kế tiếp xúc với vật
cần đo nhiệt độ, khi có sự cân bằng nhiệt giữa vật và nhiệt kế thì giá trị trên
nhiệt kế là nhiệt độ của vật. Đo gián tiếp là: Xác định nhiệt độ thông qua một
dụng cụ trung gian khác. Các thang đo nhiệt độ thường dùng là: Celsius
(

và Rankin (

Kenvil (K), Farenheit (

Biểu thức chuyển đổi giữa các thang nhiệt giai khi biết nhiệt độ Celsius
như sau:
T(K) =
(
(

+ 273,15

=

(2.2)

+ 32
=

(2.1)


(2.3)

+ 32

Hội nghị đo lường Quốc tế (1967) lấy thang nhiệt giai Kenvil (K) làm
nhiệt giai quốc tế sử dụng trong khoa học kỹ thuật. Trong thang này 0 K là
nhiệt độ không tuyệt đối ứng với (-273,16

17

.