ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ
-----------  ----------

Phân tích chương trình Vật lý phổ thông
Đề tài:
Phân tích kiến thức cơ bản
phần "Cơ sở của nhiệt động lực học", Vật lý 10

GVHD : PGS.TS. LÊ CÔNG TRIÊM
HVTH : NGUYỄN MINH HOA
Lớp : LL &PPDH Vật lý – Khóa XVIII
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
Huế, 12/2010
MỤC LỤC
A. MỞ ĐẦU......................................................................................................................2
B. NỘI DUNG...................................................................................................................3
I. Cấu trúc của chương...................................................................................................3
II. KIẾN THỨC CƠ BẢN.............................................................................................4
II.1. Một số khái niệm: nhiệt độ; nội năng; công và nhiệt; trạng thái cân
bằng, quá trình cân bằng; quá trình thuận nghịch và quá trình không thuận
nghịch.............................................................................................................4
II.2. Các nguyên lý: nguyên lý I, II nhiệt động lực học.................................4
II.3. Áp dụng nguyên lý I nhiệt động lực học vào quá trình cân bằng của khí
lý tưởng. Giải thích nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh...4
III. PHÂN TÍCH NỘI DUNG KIẾN THỨC ................................................................4
III.1. Các khái niệm cơ bản.......................................................................4
III.1.1. Nhiệt độ..............................................................................................4
III.1.2. Nội năng ............................................................................................8
III.1.3. Nhiệt lượng.......................................................................................10

lượng đi kèm với các hiện tượng ấy. Theo nguồn gốc lịch sử thì phương pháp này được
phát sinh do khảo sát sự biến đổi năng lượng chuyển động nhiệt thành cơ năng để chạy
các máy phát động lực (máy hơi nước, máy nổ chạy bằng ét xăng…) vì vậy nên có tên
gọi là phương pháp nhiệt động lực học.
Phương pháp nhiệt dộng lực học dựa trên hai nguyên lý cơ bản được rút ra từ
thực nghiệm gọi là nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thứ hai của Nhiệt động lực học. Nhờ các
nguyên lý này, không cần chú ý đến cấu tạo phân tử của vật, ta cũng có thể rút ra nhiều kết luận
về tính chất của các vật trong những điều kiện khác nhau. Nhằm hiểu sâu hơn nội dung kiến
thức của phần “cơ sở của Nhiệt động lực học”, trong tiểu luận này tôi đi sâu nghiên cứu
những kiến thức cơ bản của phần“cơ sở của Nhiệt động lực học”.
B. NỘI DUNG
I. Cấu trúc của chương
Nguyễn Minh Hoa 3
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
II. KIẾN THỨC CƠ BẢN
II.1. Một số khái niệm: nhiệt độ; nội năng; công và nhiệt; trạng thái cân
bằng, quá trình cân bằng; quá trình thuận nghịch và quá trình không thuận nghịch.
II.2. Các nguyên lý: nguyên lý I, II nhiệt động lực học.
II.3. Áp dụng nguyên lý I nhiệt động lực học vào quá trình cân bằng
của khí lý tưởng. Giải thích nguyên tắc hoạt động của động cơ nhiệt và máy lạnh.
III. PHÂN TÍCH NỘI DUNG KIẾN THỨC
III.1. Các khái niệm cơ bản
III.1.1. Nhiệt độ
Nhiệt độ là một đại lượng đặc trưng cho mức độ nóng lạnh của hệ. Nhiệt
độ được đo bằng nhiệt biểu với thang chia độ xác định. Nhiều nhà khoa học đã
tìm kiếm và đã đưa ra nhiều thang đo khác nhau. Các thang đo thường đựơc
quan tâm nhiều nhất thuộc về các nhà bác học Celsius, Kelvin, Farenheit và
Réaumur. Biểu thức chuyển từ thang chia đo này dang thang chia độ khác nhau
như sau
9

C + 237. Như vậy, - 273
0
C ứng với 0
0
K. Thành thử
nhiệt độ tuyệt đối T không thể âm
a. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng [7]
Chất khí mà sự tương tác giữa các phân tử là nhỏ không đáng kể và kích
thước riêng của các phân tử có thể bỏ qua gọi là khí lý tưởng. Người ta hay dùng
mô hình chất khí lý tưởng vì nó có các tính chất đơn giản nhất. Tuy nhiên thực
tế không tồn tại chất khí hoàn toàn lý tưởng, nhưng các khí thực khi khá loãng
có các tính chất gần với khí lý tưởng. Quan sát và thí nghiệm cho thấy, các chất
khí gần với khí lý tưởng tuân theo phương trình trạng thái sau đây (gọi là
phương trình trạng thái khí lý tưởng)
m
pV RT
µ
=
(1)
Trong đó:
m: khối lượng của khối khí;
µ
là khối lượng của một kmol (hay khối
lượng phân tử kilogam); p là áp suất; V là thể tích; T là nhiệt độ tuyệt đối
R = 8,31.10
3
J/kmol.K là hằng số khí
Khi lượng khí bằng một Kmol,
m
µ

=
(4)
Thực nghiệm cho thấy rằng số Avôgađrô bằng
26 1
6,023.10
A
N kmol
−
=
Hằng số mới
B
A
R
k
N
=
được gọi là hằng số Boltzmann. Trị số của k
B
bằng
Nguyễn Minh Hoa 5
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
3
23
26
8,31.10 ( / . )
1,38.10 ( / )
6,023.10 (1/ )
B
J Kmol K
k J K

∆
của thành bình và tính số va đập
của các phân tử vào bề mặt đó trong thời gian
t
∆
. Ta lập luận đơn giản như sau:
Giả sử rằng các phân tử khí chỉ chuyển động dọc theo ba hướng vuông góc với
nhau một cách đồng đều. Như vậy sẽ có
3
N
phân tử chuyển động dọc theo mỗi
phương, một nữa số phân tử đó (tức là
6
N
phân tử) chuyển động về hướng
S
∆

(chẳng hạn theo hướng pháp tuyến). Ngoài ra, ta giả sử rằng mọi phân tử đều
chuyển động với cùng vận tốc
v
. Khi đó, trong khoảng thời gian ngắn
t
∆
, tất cả
các phân tử khí đập tới bề mặt phải được chứa trong thể tích hình trụ với đáy
S
∆

và chiều cao

f t mv
∆ = −
suy ra
2
b
mv
f
t
= −
∆
. Theo định luật III Niutơn, mỗi
phân tử tác động lên thành bình một lực
2
b
mv
f f
t
= − =
∆
. Do đó lực nén vuông
góc của các phân tử lên bề mặt
S
∆
là
2
2 2 1
( )
6
mv mv
F n f n n Sv t nmv S

i
i
v v
N
=
=
∑
(11)
với v
i
là độ lớn vận tốc của phân tử thứ i.
Ta viết lại (10):
2
2
1 2
3 3 2
mv
p nmv n
= =
(11)
Khối lượng của tất cả các phân tử theo giả thuyết là như nhau. Do đó có
thể đưa nó vào trong dấu trung bình
2 2
2 2
d
mv mv
W= =
(12)
Với
d

Năng lượng toàn phần của một hệ bao gồm động năng của hệ liên quan
đến chuyển động có hướng của toàn bộ hệ, thế năng của hệ trong trường ngoài
và nội năng của hệ
UWWW
tđ
++=∆
Thuyết động học phân tử đã làm rõ bản chất của khái niệm nội năng.
Ngày nay, người ta hiểu nội năng bao gồm:
- Động năng của các chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của các phân tử .
- Thế năng tương tác của các phân tử quy định bởi các lực phân tử giữa chúng.
- Năng lượng chuyển động dao động của các nguyên tử.
- Năng lượng của các võ điện tử của nguyên tử.
- Năng lượng hạt nhân.
- Năng lượng bức xạ điện từ.
Tuy nhiên, trong NĐLH người ta không quan tâm đến toàn bộ nội năng
của vật mà chỉ chú ý tới biến thiên nội năng của vật khi vật chuyển từ trạng thái
nhiệt này sang trạng thái nhiệt khác. Trong quá trình chuyển trạng thái này chỉ
có động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật thay đổi. Do đó, để
đơn giản trong NĐLH có thể coi nội năng là dạng năng lượng chỉ bao gồm động
năng của chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật và thế năng
Nguyễn Minh Hoa 8
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
tương tác giữa chúng. Với ddingj nghĩa trên, nội năng là hàm trạng thái nhiệt
của vật, nghĩa là ứng với mỗi trạng thái nhiệt, vật có một nội năng xác định.
Trong Nhiệt động lực học (NĐLH) điều quan trọng không phải là nội năng U,
mà là độ biến thiên nội năng ∆U khi hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác.
Trong các quá trình chuyển trạng thái chỉ có động năng và thế năng của các phân tử cấu
tạo nên vật thay đổi. Do đó, để đơn giản trong NĐLH có thể coi nội năng là dạng năng
lượng chỉ bao gồm động năng chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên hệ và thế
năng tương tác giữa các phân tử.

Khi ta cọ xát miếng kim loại trên mặt bàn (thực hiện công cơ học), miếng
kim loại nóng lên. Nội năng của miếng kim loại đã thay đổi do thực hiện công.
Ví dụ:
- Khi ta cọ xát miếng kim loại trên mặt bàn (thực hiện công cơ học), miếng
kim loại nóng lên. Nội năng của miếng kim loại đã thay đổi do thực hiện công.
- Ấn pittông trong một xilanh chứa khí xuống thì thể tích của khí trong
xilanh giảm đồng thời khí nóng lên tức nội năng của khí đã biến đổi.
* Truyền nhiệt lượng
Có thể làm cho không khí trong bơm nóng lên bằng cách hơ nóng thân bơm
và làm cho miếng kim loại nóng lên bằng cách thả nó vào nước nóng. Khi đó nội
năng của không khí hay miếng kim loại tăng lên không do thực hiện công mà do
truyền nhiệt lượng.
Ví dụ:
- Thả miếng đồng vào nước nóng. Sau một thời gian miếng đồng nóng
lên có nghĩa là nội năng của nó đã biến đổi.
III.1.3. Nhiệt lượng
a.Định nghĩa
Phải mất nhiều thế kỉ, con người mới trả lời được câu hỏi về bản chất của
nhiệt là gì? Vào đầu thế kỉ XVIII, người ta cho rằng nhiệt là một chất đặc biệt
gọi là “chất nhiệt”. Đó là một chất lỏng vô hình, không có trọng lượng, thấm sâu
vào mọi vật và có thể truyền dễ dàng từ vật này sang vật khác. Thuyết chất nhiệt
có thể giải thích được một số hiện tượng nhiệt trong đó có sự truyền nhiệt,
Nguyễn Minh Hoa 10
Phân tích chương trình Vật lý phổ thông 1
nhưng không giải thích được nhiều hiện tượng nhiệt khác trong đó có hiện tượng
thay đổi nhiệt lượng bằng cách thực hiện công.[8]
Đồng thời với thuyết chất nhiệt còn có thuyết cho rằng bản chất của nhiệt
là do chuyển động của các hạt vật chất. Trong số những người ủng hộ thuyết này
có các nhà vật lý nổi tiếng như Niu-tơn, Ma-ri-ốt, Lô-mô-nô-xốp, Jun. Tuy
nhiên phải chờ đến đầu thế kỉ XIX, khi thuyết về vật chất được cấu tạo từ các

công có thể biến thành nhiệt và ngược lại. Ví dụ: khi cọ sát hai vật, chúng nóng
lên tương tự như chúng đã nhận nhiệt; khi đốt nóng một vật, nghĩa là truyền
nhiệt cho vật thì vật nóng lên, nội năng của vật thay đổi nhưng đồng thời vật dãn
nở, nghĩa là một phần nhiệt đã biến thành công làm cho vật dãn nở.
Vì sự thực hiện công và quá trình truyền nhiệt lượng đều là những cách
làm biến đổi nội năng của vật nên chúng tương đương nhau. Việc tìm ra sự
tương đương này là một sự kiện quan trọng đối với khoa học và kĩ thuật, đặc
biệt là đối với việc thiết lập định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng.
b) Đơn vị nhiệt lượng:
Trước khi các nhà khoa học nhận thức được nhiệt lượng là năng lượng
được chuyển, nhiệt lượng được đo thông qua khả năng làm tăng nhiệt độ của
nước. Chính vì vậy, calo (cal) được định nghĩa là nhiệt lượng cần thiết cho một
gam nước tăng nhiệt độ 14,5
0
C. Trong hệ đo lường của Anh, đơn vị nhiệt lượng
tương ứng là ĐƠN VỊ NHIỆT LƯỢNG CỦA ANH (Btu) được định nghĩa là
nhiệt lượng có thể làm tăng 1Lb nước từ 63 lên 64
0
F.
Năm 1984, cộng đồng khoa học quyết định rằng, nhiệt lượng cũng như
công, là năng lượng được chuyển, nên đơn vị SI cho nhiệt lượng phải cùng là
đơn vị cho năng lượng đó là Jun. Calo bây giờ được định nghĩa là 4,1860J
(chính xác) và không có liên quan gì tới sự làm nóng của nước cả. Cal dùng
trong dinh dưỡng, một đôi khi gọi là Calo (Cal) thực tế là kilô calo.
Mối liên hệ giữa các đơn vị đo nhiệt lượng
1J=0,2389calo = 9,481.10
-4
Btu ; 1calo=4,186J = 3,96.10
-3
Btu

V
là nhiệt dung
phân tử đẳng tích.
Nếu vật biến đổi đẳng áp thì
P
m
Q C T
μ
= ∆
với C
P
là nhiệt dung
phân tử đẳng áp.
+ Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy m (kg) nhiên liệu : Q = mq, trong đó, q là
năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu (J/kg).
+ Nhiệt lượng nóng chảy: Q =
λ
m, trong đó
λ
là nhiệt nóng chảy
+ Nhiệt lượng hóa hơi: Q = Lm, trong đó L là nhiệt hóa hơi
III.1.4. Nhiệt dung
a) Nhiệt dung (kí hiệu: C)
Định nghĩa: Nhiệt dung C của một vật là hằng số tỉ lệ giữa nhiệt lượng và
độ biến thiên nhiệt độ mà nhiệt lượng này tạo ra trong vật.
Nhiệt dung được suy ra từ biểu thức: Q = C(T
2
-T
1
). Trong đó T

Như vậy, sự truyền nhiệt cho hệ chỉ là sự truyền cùng một dạng năng
lượng (năng lượng của chuyển động hỗn loạn của các phân tử) từ nơi này đến
nơi khác và trực tiếp dẫn đến sự tăng nội năng của hệ được truyền nhiệt lượng.
Còn sự thực hiện công đối với hệ thì có thể là sự truyền cùng một dạng năng
lượng bất kì nào đó (trừ sự truyền năng lượng chuyển động nhiệt) từ nơi này đến
nơi khác hay có thể là sự biến đổi giữa những dạng năng lượng khác nhau và
trực tiếp dẫn đến sự tăng một dạng năng lượng bất kì của hệ (động năng, thế
năng, nội năng…).[3]
* Công và nhiệt đều là những đại lượng đo mức độ trao đổi năng lượng
giữa các hệ nhưng công liên quan đến chuyển động có trật tự còn nhiệt liên quan
đến chuyển động hỗn loạn của các phân tử của hệ.[3]
* Phân biệt sự khác nhau giữa năng lượng với nhiệt và công
+ Năng lượng là đại lượng đặc trưng cho chuyển động và tương tác của
vật chất. Năng lượng luôn tồn tại cùng vật chất. Năng lượng là hàm trạng thái.
Ví dụ:
Cơ năng đặc trưng cho chuyển động cơ học, nhiệt năng đặc trưng cho
chuyển động hỗn loạn của các phân tử (chuyển động nhiệt),…
Nguyễn Minh Hoa 14