Nội dung và phương pháp giảng dạy Nhiệt học

1
2
I. Các nguyên tắc, đặc điểm và cấu trúc của chương trình:
1. Những nguyên tắc vật lý và sư phạm của việc nghiên cứu
vật lý phân tử và nhiệt học
Việc chuyển từ nghiên cứu cơ học sang nghiên cứu vật
lý phân tử và nhiệt học là một giai đoạn mới có tính chất
nguyên tắc trong hoạt động nhận thức, trong sự hình thành và
phát triển thế giới quan vật lý, thế giới quan khoa học của HS.
Chất lượng mới của các hiện tượng nhiệt so với các hiện
tượng cơ học được giải thích bằng 2 sự kiện: Cấu trúc gián đoạn
của chất và số lớn các hạt tương tác ( Phân tử, nguyên tử, ion).
Việc giải thích các hiện tượng nhiệt đòi hỏi phải đưa ra
những khái niệm vật lý mới: nhiệt độ, nội năng, cân bằng
nhiệt, tính có hướng của các chuyển động nhiệt và đònh luật
bảo toàn và chuyển hoá năng lượng.
3
Giáo trình vật lý ở bậc THPT được đặc trưng bởi 3 đặc điểm
nổi bật:
+ Sự bao quát rộng hơn của các khái niệm và các hiện
tượng khoa học được đưa ra trong mối liên hệ logic, chặt chẽ.
+ Sự mô tả đònh lượng các khái niệm và các hiện tượng,
trong số đó có các tính chất của phân tử.
+ Sự giải thích và áp dụng các phương pháp vật lý như:
Phương pháp nhiệt động lực học và phương pháp thống kê.
4
Sự áp dụng các phương pháp: Phương pháp nhiệt động lực học
và phương pháp thống kê có ý nghóa sư phạm và phương pháp
luậân sâu sắc, bởi vì :
*Trên cơ sở các nguyên lý nhiệt động lực học,
người ta khảo sát tấùt cả các hiện tượng nhiệt, không có sự phân

tích các quá trình vật lý vi mô.
* Trên cơ sở phương pháp thống kê xuất phát từ
cấu trúc gián đoạn của chất( cấu trúc phân tử, nguyên tử) và các
thông số của các hạt, người ta rút ra các đònh luật chung có ý
nghóa thống kê về trạng thái của các vật vó mô.
Trong giảng dạy các phương pháp nhiệt động lực học và
thống kê được áp dụng một cách tổng hợp.
5
Bước tiến mới trong hoạt động nhận thức của học sinh khi
học các kiến thức về nhiệt đó là chuyển từ việc lónh hội các quy
luật mang tính động học ( các mối liên hệ nhân quả, đơn trò của
các hiện tượng), đặc biệt là các đònh luật của cơ học cổ điển,
sang sự hiểu biết các qui luật mang tính thống kê mà các trường
hợp riêng là các đònh luật của thuyết động học phân tử chất khí
với các khái niệm về giá trò trung bình của các đại lượng vật lý
và khái niệm xác suất.
Một trong những nhiệm vụ cơ bản của việc giảng dạy các
hiện tượng nhiệt và vật lý phân tử ở bậc THPT là làm sáng tỏ
bản chất của các phương pháp thống kê và nhiệt động lực học
và chỉ rõ các phương pháp này được dùng phổ biến đối với vật lý
chứ không phải chỉ là đối với việc tiếp thu với các hiện tượng
nhiêt.
6
2. Đặc điểm:
+ Chương trình trình bày các hiện tượng và các quá trình
nhiệt một cách đơn giản nhất, trình bày sự biến đổi trạng thái
của các chất dựa trên mô hình cấu trúc vật chất xây dựng khái
niệm nội năng, sự biếùn đổi nội năng, xây dựng phương trình
trạng thái từ các đònh luật Bôilơ- Mariôt, S ¸ c l¬ .
+ Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học được biểu diễn

ở dạng tổng quát và chính là đònh luật đònh luật bảo toàn và
chuyển hoá năng lượng áp dụng cho các quá trình nhiệt.
+ Những tính chất của chất khí mặc dù được phát hiện bằng
thực nghiệm, nhưng sách giáo khoa chỉ trình bày 2 trong số 3
đònh luật là: đònh luật Bôilơ- Mariôt và đònh luật Saclơ và trên
cơ sở 2 đònh luật này hình thành cho học sinh Phương trình trạng
thái của khí lý tưởng, đây chính là cơ hội để tập cho học sinh
làm quen với phương pháp suy diễn.
7
3. Các kiến thức cơ bản của phần nhiệt học
+ Các khái
niệm về cấu
trúc.
+ Các tính
chất của mỗi
trạng thái
khí, rắn,
lỏng, nội
năng, nhiệt
lượng.
Các hiện
tượng cơ bản:
+ Hiện tượng
căng mặt
ngoài,
+ Hiện tượng
mao dẫn.
Thuyết cơ
bản:
Thuyết

động học
phân tử về
chất khí.
Nguyên lý
cơ bản:
+ Nguyên
lý I,
+ Nguyên
lý II.
8
4. Cấu trúc:
Các kiến thức về nhiệt học được trình bày ở 3 chương: Chương 5,
chương 6, chương 7.
Chương 5: Chất khí.
Chương này trình bày các vấn đề về chất khí qua đó cho học sinh
nhận thức được những kiến thức ban đầu về thuyết động học phân
tử của vật chất.
Chương 6: Cơ sở của nhiệt động lực học.
Chương này trình bày cả 2 nguyên lý: Nguyên lý I và nguyên lý
II NĐLH và các ứng dụng thực tế.
Chương 7:Chất rắn chất lỏng và sự chuyển thể
Đề cấp đến những vấn đề cơ bản của trạng thái rắn và trạng thái
khí, làm cho học sinh nhận thức được những hiện tượng liên quan
đến sự chuyển trạng thái.

9
5. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC LOGIC
Chương VII:
Chất rắn, chất lỏng và
sự chuyển thể

Chương V:
Chất khí
Thuyết động học phân
tử về chất khí
Các đònh luật
thực nghiệm
Phương trình
trạng thái
Bài tập vận
dụng
Chất rắn và
sự biến dạng
Chất lỏng và
các hiện
tượng
Sự chuyển
trạng thái
Sự hoá hơi
và sự ngưng
tụ
Các Nguyên
lý của NĐLH
Các ứng
dụng thực tế
Chương VI:
Cơ sở của nhiệt động
Lực học
Nội năng và
Sự biến đổi
Nội năng

10
6. Phương pháp tiếp cận
Quan điểm
vó mô
Quan điểm
vi mô
Quan điểm
năng lượng
11
+ Quan điểm vó mô:
Xuất phát từ các quan sát hay các thí nghiệm để truyền đạt
kiến thức (ví dụ: ba đònh luật Bôilơ-Mriôt; Saclơ, Gay Luytxac
trong đó phương trình menđêleep-Clapêron là kết quả của thực
nghiệm, tổng hợp từ 3 sự kiện thực nghiệm).
+ Quan điểm vi mô:
Chỉ dùng ở một số chỗ cần thiết, ví dụ: khi nghiên cứu về
chất rắn, về cấu trúc của chất lỏng, về sự dính ướt và không dính
ướt. . . hoặc từ thuyết động học phân tử và vận dụng các đònh luật
cơ học suy ra phương trình cơ bản , từ phương trình cơ bản
và đònh nghóa nhiệt độ suy ra phương trình cơ bản P = nKT
đây là một dạng khác của phương trình menđêleep-Clapêron. Lúc
này 3 đònh luật của chÊt khí lý tưởng trở thành hệ quả suy ra từ
phương trình menđêleep-Clapêron và thí nghiệm lúc này chỉ đóng
vai trò kiểm chứng sự đúng đắn của 3 đònh luật này .
+ Quan điểm năng lượng.
Các vấn đề của chương 6 được trình bày theo quan điểm năng
lượng.
KT
2
3

W =
đ
đ
nW
3
2
P =
12
7. Các kỹ năng cơ bản.
Vận dụng
Sử dụng Biểu diễn Nhận biết
Vận dụng
thuyết
động học
phân tử để
giải thích
các đònh
luật chất
khí
Sử dụng các
đònh luật
chất khí và
phương trình
trạng thái
của chất khí
lý tưởng,
Phương trình
menđêlêep –
Clapêron để
giải bài tập.

+ Biểu diễn
bằêng đồ thò
+ Biết dùng
đồ thò để
giải các bài
toán về
nguyên lý I
Nhiệt động
lực học.
Các loại
động cơ
nhiệt và
máy
nhiệt
trong
thực tế.
13
8. Các điểm cần lưu ý:
a.Về cấu trúc phân tử của chất khí
+ Cấu trúc phân tử của chất khí đơn giản hơn nhiều so với cấu
trúc phân tử của chất lỏng và chất rắn.
+ Tương tác phân tử trong chất khí khác rất xa so với trong chất
lỏng và chất rắn, bởi vì phân tử khí hầu như không tương tác
ngoài lúc va chạm, còn các phân tử ở trạng thái ngưng kết ( rắn,
hoặc lỏng) có mối liên kết khá mạnh với nhau, giữa chúng có
lực tương tác làm cho phân tử không thể chuyển động tự do mà
được sắp xếp có trật tự (xa hoặc gần) trong một cấu trúc. Khó có
thể bỏ qua thế năng tương tác để chỉ quan tâm động năng của
các phân tử khi giải thích các hiện tượng liên quan đến quá trình
biến đổi trạng thái.

+ Các chất khí có cấu trúc phân tử đơn giản và cùng chiều, trong
khi các chất rắn hoặc lỏng có cấu trúc phức tạp và đa dạng, mỗi
chất có cấu trúc tinh thể khác nhau. Chính vì vậy các chất khí
tuân theo một cách gần đúng những đinh luật giống nhau như
Bôilơ-Mriôt; Saclơ, Gay Luytxac và phương trình trạng thái.
14
+ Các đònh luật về chất khí được thiết lập bằng con đường quy
nạp trong điều kiện áp suất và nhiệt độ của phòng thí nghiệm.
Trong thực tế các đònh luật này sẽ kém chính xác nếu áp suất
càng lớn và nhiệt độ càng thấp. Vì vậy để đơn giản việc khảo
sát các trạng thái nhiệt, người ta đưa ra mô hình khí lý tưởng.
Khí lý tưởng là khí mà trong đó các phân tử được coi là các
chất điểm và chỉ tương tác khi va chạm.
Có những đònh nghóa khác nhau về khí lý tưởng mà về nội
dung thì tương đương nhau:
* Một chất khí được gọi là khí lý tưởng nếu đối với nó
phương trình Menđelev – Clapeyron (hoặc các hệ quả của
phương trình đó – các đònh luật chất khí) nghiệm đúng:
M là khối lượng khí tính theo đơn vò kg; còn µ là khối lượng của
1 mol khí tính theo đơn vò kg/mol
RT
M
PV
µ
=
15
* Hoặc có thể đònh nghóa: Một chất khí được gọi là khí lý
tưởng Nếu trong chất khí vận tốc của các phân tử khí tuân theo
phân bố Maxwell.
víi m lµ khèi l­ỵng cđa 1 ph©n tư , v là vậân tốc của các phân tử khí

Các cách đònh nghóa như vậy nói chung là hình thức , vì khi
sử dụng chúng đòi hỏi phải hiểu mô hình vật lý của khí lý tưởng,
nhưng những đònh nghóa mang tính hình thức này thay thế được cho
những sự mô tả đònh tính dài dòng và chính vì thế chúng rất cần
cho việc giảng dạy ở trường phổ thông.
Với những khí thực rất loãng, tương tác giữa các phân tử
khí không biểu lộ rõ, và tổng thể tích của các phân tử nhỏ hơn rất
nhiều so với thể tích mà khí chiếm chỗ thì có thể coi nó như khí lý
tưởng và áp dụng được phương trình Menđelev – Clapeyron
2
2
2/3
..
2
4
)(
2
ve
TK
m
vf
TK
mv
B
B
−









=
π
16
+ Trong các đồ thò diễn tả các quá trình nhiệt cần lưu ý các chỉ
số trên các trục toạ độ để làm rõ quá trình biến đổi khi hệ
chuyển từ trạng thái này đến trạng thái khác.
b. Kh¸i niƯm néi n¨ng:
+ Néi n¨ng theo quan ®iĨm nhiƯt ®éng lùc häc
- Néi n¨ng lµ hµm tr¹ng th¸i nhiƯt cđa vËt nghÜa lµ mét hµm
cđa nhiƯt ®é, ¸p st vµ c¸c th«ng sè kh¸c cđa hƯ. Néi n¨ng lµ ®¹i
l­ỵng x¸c ®Þnh tr¹ng th¸i bªn trong cđa hƯ - Néi n¨ng lµ hµm sè
®¬n gi¸ cđa tr¹ng th¸i bªn trong cđa hƯ. NghÜa lµ ë mçi tr¹ng th¸i
hƯ chØ cã mét gi¸ trÞ x¸c ®Þnh cđa néi n¨ng.
17
Có thể chứng minh điều này nhử sau:
Giả sử hệ ở một trạng thái nào đó có nội năng là U và cũng ở trạng thái
này hệ có nội năng U
1
. Như vậy từ hệ có thể lấy đi một năng lượng
U = U U
1
mà trạng thái khi đó của hệ không hề thay đổi. Một hệ
như vậy có thể được dùng làm nguồn cung cấp năng lượng mà không
gây ra sự biến đổi năng lượng nào. Điều này mâu thuaón với định luật
bảo toàn năng lượng (năng lượng không tự sinh ra, không tự maỏt đi,).
Vậy ở một trạng thái hệ chỉ có một giá trị xác định của năng lượng,

năng lượng là hàm số đơn giá của trạng thái của hệ.
+ Nội năng theo quan điểm động học phân tử:
* Theo quan điểm động học phân tử nội năng gồm:
- Động năng của chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay
của các phân tử.
- Thế năng tương tác của các phân tử.
- Động năng và thế năng của chuyển động dao động của các
nguyên tử trong phân tử.
- Năng lượng của vỏ điện tử của các nguyên tử và năng lượng
của hạt nhân nguyên tử.
18
+ §Þnh nghÜa néi n¨ng cđa s¸ch gi¸o khoa:
"Néi n¨ng cđa vËt lµ d¹ng n¨ng l­ỵng bao gåm ®éng n¨ng cđa
chun ®éng hçn ®én cđa c¸c ph©n tư cÊu t¹o nªn vËt vµ thÕ n¨ng t­
¬ng t¸c gi÷a chóng.
Hay : “ Trong nhiệt động lực học người ta gọi tổng động
năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật là nội năng của
vật”
NhËn xÐt:
So víi ®Þnh nghÜa trên. th× ®Þnh nghÜa cđa s¸ch gi¸o khoa
kh«ng vi ph¹m tÝnh chÝnh x¸c cđa mét ®Þnh nghÜa vỊ mét kh¸i niƯm
v×:
+ C¸c hiƯn t­­ỵng nhiƯt ®­ỵc nghiªn cøu ë c¸c gi¸o tr×nh ph©n
tư chØ x¶y ra ë nh÷ng nhiƯt ®é kh«ng v­ỵt qu¸ vµi ngh×n ®é, vµ t­¬ng
øng víi nhiƯt ®é nµy chØ cã ®éng n¨ng vµ thÕ n¨ng cđa c¸c ph©n tư cÊu
t¹o nªn vËt lµ biÕn thiªn nh÷ng thµnh phÇn cßn l¹i cđa néi n¨ng lµ
kh«ng ®ỉi.
19
- Trong các bài toán nhiệt động lực học, người ta không quan tâm
đến nội năng mà chỉ quan tâm đến sự biến thiên nội năng. Vì vậy

định nghĩa của sách giáo khoa chỉ làm giá trị của nội năng sai khác
đi một hằng số còn biến thiên nội năng thì không đổi.
Ví dụ: Nếu ký hiệu nội năng là U, động năng của các phân tử
là W
đ
, thế naờng tửơng tác của các phân tử là W
t
, các dạng năng lư
ợng khác là E
0
thì đối với hai trạng thái nào đó của hệ ta có:
1 1
1 t d o
U W W E= + +
2 2
2 t d o
U W W E= + +
2 1 t d
U U U W W = = +
20
AQdU +=
c. Nhiệt năng - Nhiệt lượng - Sự truyền nhiệt:
* Nhiệt năng: là năng lượng của chuyển động nhiệt nghĩa là
động năng của chuyển động hỗn độn của các phân tử.
Đối với khí lý tưởng thì nhiệt năng đồng nhất với nội năng vì
thế năng tương tác giữa các phân tử được bỏ qua.
Nhiệt năng là hàm của nhiệt độ và phụ thuộc vào trạng thái
nhiệt của vật.
* Nhiệt lượng:
Là đại lượng có mặt trong biểu thức của NLI NĐLH

Nhiệt lượng đặc trưng cho quá trình biến đổi trạng thái và đư
ợc xác định bằng những dữ kiện của quá trình chuyển từ một trạng
thái này sang một trạng thái khác.
Khi chuyển từ trạng thái A sang trạng thái B hệ có thể thu đư
ợc những nhiệt lượng khác nhau. Do đó không thể nói hệ có nhiệt lư
ợng bằng bao nhiêu ở một trạng thái xác định. Khi đó chỉ có thể nói
hệ có nội năng có giá trị xác định bằng bao nhiêu mà thôi.
21
Nhiệt lượng là hàm của quá trình, nhiệt lượng là quá trình
"Vi mô" của sự biến đổi nội năng.
Như vậy có thể định nghĩa:
Nhiệt lượng là phần năng lượng mà vật nhận được hay mất
đi trong sự truyền nhiệt, hay Nhiệt lượng là số đo độ biến đổi nội
năng của vật trong một quá trình nhiệt.
Cần lưu ý cho học sinh: Nhiệt lượng không phải là một dạng năng
lượng vì:
- Năng lượng luôn tồn tại với vật chất.
- Nhiệt lượng chỉ xuất hiện khi có sự truyền nhiệt từ vật
này sang vật khác. Nó đặc trưng định lượng cho quá trình vi mô
của sự biến đổi.
22
* Sự truyền nhiệt:
Là sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác không bằng
cách thực hiện công.
Xét về mặt cơ chế thì sự truyền nhiệt là sự truyền động năng
của các phân tử nghĩa là sự truyền nhiệt năng. Về bản chất truyền
nhiệt là thực hiện công "Vi mô" được thực hiện trên các phần tử
riêng biệt.
23
d. Nguyên lý I Nhiệt động lực học:

Khi chuyển sang nghiên cứu Nguyên lý I Nhiệt động lực
học, trước hết cần giải thích cho học sinh 2 cách làm biến đổi nội
năng mà học sinh đã biết đó là thực hiệân công và truyền nhiệt là
tương đương nhau, nghóa là nếu tốn 1 công nào đó lên vật là 1J,
thì nội năng của vật cũng biến đổi giống như khi truyền cho nó 1
nhiệt lượng bằêng 1J và ngược lại.
Nhận xét trên cho phép phát biểu đònh luật Bảo toàn và
chuyển hoá năng lượng cho cả quá trình nhiệt.
+ Trong trường hợp mà quá trình duy nhất biến đổi nội
năng là quá trình truyền nhiệt, thì dựa vào đònh luật BT&CHNL
có thể khẳng đònh rằng nhiệt lượng Q thu được hay toả ra trong
quá trình này bằêng độ biến thiên nội năng của vật.Tức là ta có:
Q = ∆U
24
Trong công thức này đại lượng Q mang một dấu xác đònh chỉ
hướng truyền nhiệt:
* Nếu vật nhận nhiệt lượng  Q > 0  ∆U > 0  Nội
năng của vật tăng.
* Nếu vật truyền nhiệt lượng Q < 0  ∆U < 0  Nội
năng của vật giảm.
+ Nếu sự biến đổi nội năng của vật chỉ do quá trình thực
hiện công thì độ lớn của công cũng bằng độ biến thiên nội năng,
tức là:
A = ∆U
* Nếu A > 0  ngoại vật thực hiện công lên vật ∆U > 0 
Nội năng của vật tăng.
* Nếu A < 0  Vật thực hiện công  ∆U < 0  Nội năng
của hệ giảm.
25
+ Từ đó suy ra rằng: trong trường hợp có cả thực hiện

công và truyền nhiệt thì dộ biến thiên toàn phần của nội năng
bằng tổng độ biến thiên nội năng đối với từng quá trình riêng
biệt, nghóa là ta có:
∆U = A + Q
Biểu thức thiết lập được chính là nội dung nguyên lý thứ nhất
nhiệt động lực học. Đây là một đònh luật có tính tổng quát và
được áp dụng cho bất kỳ hiện tượng tự nhiên nào, không có
ngoại lệ