Tiểu luận Khái niệm nhiệt độ

Khái niệm nhiệt độ Sinh viên: Lê Thị Cúc - Lớp K1 - ĐHSP Lý - Hóa 1 Trường đại học Hồng Đức Khoa khoa học tự nhiên Bài tập lớn Tên đề tài: Khái niệm nhiệt độ Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Khiêm Sinh viên: Lê Thị Cúc Lớp: K1 - ĐHSP Lý Hoá Thanh Hoá, năm 2009 Khái niệm nhiệt độ Sinh viên: Lê Thị Cúc - Lớp K1 - ĐHSP Lý - Hóa 2 LêI C¶M ¥N Lời đầu tiên, tôi xin trân trọng cảm ơn thÇy Nguyễn Văn Khiêm đã tạo điều kiện, giúp đỡ, hướng dẫn tận tình để tôi tiến hành nghiên cứu và hoàn thành tốt đề tài. Tôi xin bµy tá lßng c¶m ¬n chân thành ®Õn c« cô Trịnh Thị Mai – Giảng viên môn Vật lí Khoa Khoa Học Tự Nhiên trong quá trình giảng dạy đã giúp tôi có những kiến thức cơ bản làm nền tảng cho tôi khi nghiên cứu đề tài. Cảm ơn sự đóng góp ý kiến, giúp đỡ về tài liệu, tinh thần, luôn động viên, khích lệ của các bạn sinh viên lớp K1 ĐHSP Lí – Hóa đã tạo môi trường tốt cho tôi vừa học tập, vừa nghiên cứu đề tài. Chúc thầy cô và các bạn mạnh khỏe, công tác tốt. Xin chân thành cảm ơn! Thanh Ho¸, th¸ng 11 n¨m 2009 Môc lôc Khái niệm nhiệt độ Sinh viên: Lê Thị Cúc - Lớp K1 - ĐHSP Lý - Hóa 3 A. Mở đầu Trang 1. Lí do chọn đề tài..................................................................................................4 2. Mục đích nghiên cứu...........................................................................................4 3. Nhiệm vụ nghiên cứu..........................................................................................4 4. Đối tượng và khách thể nghiên cứu..................................................,..................4 5. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................4 B. Nội dung Phần 1: Lịch sử phát triển của khái niệm nhiệt độ.................................................6 1.1. Cấp 1................................................................................................................6 1.2. Cấp 2, cấp 3......................................................................................................7 1.2.1. Nhiệt độ là đại lượng vật lí đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử của các vật..........................................................................................................7 1.2.2. Nhiệt độ là hàm của trạng thái.....................................................................9 1.3. Đại học...........................................................................................................10 1.3.1.Vật lí đại cương............................................................................................10 1.3.2.Vật lí thống kê..............................................................................................12 Phần 2: ứng dụng của khái niệm nhiệt độ trong chương trình vật lí phổ thông...16 C. Kết luận....................................................................20 A. Mở đầu Khái niệm nhiệt độ Sinh viên: Lê Thị Cúc - Lớp K1 - ĐHSP Lý - Hóa 4 1. Lí do chọn đề tài Nhiệt độ là một khái niệm phổ biến, được sử dụng xuyên suốt các cấp học từ phổ thông đến đại học. ở mỗi cấp học đều đưa ra khái niệm nhiệt độ với những cách tiếp cận khác nhau, dưới những khía cạnh khác nhau. Chính vì vậy, khái niệm nhiệt độ được hiểu một cách rất nôm na và chung chung. Và để có một cái nhìn tổng quát về khái niệm này thì cần xem xét sự phát triển tường minh của nó qua các cấp học, từ khái niệm chỉ mang tính chất định tính dần dần được định lượng và tổng quát hoá. Việc nghiên cứu khái niệm nhiệt độ giúp cho chúng ta có một cái nhìn khái quát, nắm được bản chất của nó sẽ giúp ích cho chúng ta truyền đạt kiến thức đến học sinh một cách tường minh. Với những lí do trên, tôi đã chọn đề tài :"Khái niệm nhiệt độ" làm đề tài nghiên cứu của mình. 2. Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu khái niệm nhiệt độ. - ứng dụng vào bài soạn "Nguyên tử, phân tử chuyển động hay đứng yên". 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu sự phát triển khái niệm nhiệt độ qua các cấp học - ứng dụng soạn bài: "Nguyên tử, phân tử chuyển động hay đứng yên". 4. Đối tượng, khách thể nghiên cứu 4.1. Đối tượng nghiên cứu Khái niệm nhiệt độ 4.2. Khách thể nghiên cứu Sách giáo trình và các tài liệu liên quan. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lí thuyết là chủ yếu. Nghiên cứu sách giáo trình, sách tham khảo, các tài liệu có liên quan đến nội dung đề tài nghiên cứu. Khái niệm nhiệt độ Sinh viên: Lê Thị Cúc - Lớp K1 - ĐHSP Lý - Hóa 5 - Tham khảo ý kiến của giáo viên hướng dẫn, giáo viên bộ môn, giáo viên giảng dạy vật lớp phổ thông. - Tổng kết kinh nghiệm. B. Nội dung Khái niệm nhiệt độ Sinh viên: Lê Thị Cúc - Lớp K1 - ĐHSP Lý - Hóa 6 Phần 1: Lịch sử phát triển của khái niệm nhiệt độ Xem xét khái niệm nhiệt độ dựa trên 4 yếu tố: 1. Nhiệt độ đặc trưng cho tính chất vật lí gì? 2. Đo nhiệt độ như thế nào? 3. Các thang đo nhiệt độ? 4. Giới hạn nhiệt độ đo. 1.1. Cấp 1 Khái niệm nhiệt độ được định nghĩa như sau: “- Vật nóng có nhiệt độ cao, vật lạnh có nhiệt độ thấp. - Để đo nhiệt độ của vật, ta sử dụng nhiệt kế. - Có nhiều loại nhiệt kế khác nhau: nhiệt kế đo nhiệt độ cơ thể, nhiệt kế đo nhiệt độ không khí”. ( Vật lí 8 - SGK) Như vậy, khái niệm nhiệt độ được đề cập đến thông qua việc quan sát các sự vật, hiện tượng xảy ra trong cuộc sống xung quanh. Khái niệm nhiệt độ được đưa vào khoa học thông qua cảm giác của con người. Bằng xúc giác, con người phân biệt được một cách thô sơ “độ nóng” của các vật xung quanh ở các mức độ: nóng, ấm, lạnh...Bởi vì các tính chất của vật thông thường phụ thuộc nhiệt độ nên con người cũng dễ dàng nhận ra các tính chất đó. Ví dụ: khi nhiệt độ tăng, thanh ray (đường sắt) nóng lên và dài ra, tháp Eiffel trong vòng 6 tháng cao thêm 10cm. Khi nhiệt độ của vật thay đổi thì bản chất của vật cũng thay đổi theo. Tuy nhiên, cảm giác về nhiệt độ của con người là mang tính chủ quan không chính xác. Nhiệt độ độc lập với các giác quan nhạy cảm của chúng ta. Ví dụ: trước khi nhúng tay vào chậu nước bình thường, tay ta vừa cầm một cục đá thì ta cảm thấy nước trong chậu là “nóng”, còn nếu trước đó tay ta vừa hơ trên lửa thì ta cảm thấy nước trong chậu là “lạnh”. Khái niệm nhiệt độ Sinh viên: Lê Thị Cúc - Lớp K1 - ĐHSP Lý - Hóa 7 Một tính chất chủ quan khác nữa là cảm giác của tay ta còn phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của các vật. Ví dụ: về mùa đông, ta sờ tay vào các vật trong phòng thì ta cảm thấy các vật bằng kim loại( đồng, sắt...) lạnh hơn các vật bằng gỗ, nhựa...Đó là vì các vật bằng kim loại dẫn nhiệt nhanh hơn các vật bằng gỗ, nhựa... Do đó, cảm giác nóng, lạnh chỉ mang tính tương đối và chỉ dựa vào cảm giác thì không phân biệt được nhiệt độ thực của vật. Cần nghiên cứu nhiệt độ một cách định tính và định lượng. Như vậy, ở cấp 1 mới chỉ giới thiệu khái niệm nhiệt độ một cách định tính, đặc trưng cho độ nóng lạnh. 1.2. Cấp 2, 3 Lên cấp 2,3 khái niệm nhiệt độ được đề cập đến một cách định tính và định lượng: 1.2.1. “Nhiệt độ là đại lượng vật lí đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử của các vật. Vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử, phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng. Nhiệt độ càng cao các phân tử chuyển động càng nhanh. Như vậy, nhiệt độ có mối quan hệ trực tiếp với chuyển động hỗn loạn của phân tử. Chuyển động đó được gọi là chuyển động nhiệt. Nhiệt độ có quan hệ chặt chẽ với nhiệt năng. Các phân tử cấu tạo nên vật chất chuyển động không ngừng, do đó, chúng có động năng. Tổng động năng của các phân tử cấu tạo nên vật gọi là nhiệt năng của vật. Nhiệt độ của vật càng cao thì các phân tử có động năng càng tăng và nhiệt năng càng lớn”. (Vật lí 8 – SGK), (Vật lí 10 – SGK) Chuyển động hỗn loạn của các phân tử chính là chuyển động Brown. - Mô tả chuyển động: Khái niệm nhiệt độ Sinh viên: Lê Thị Cúc - Lớp K1 - ĐHSP Lý - Hóa 8 Năm 1827, nhà thực vật học người Anh Robert Brown trong khi quan sát các hạt phấn hoa trong nước bằng kính hiển vi đã phát hiện ra rằng các hạt phấn hoa chuyển động không ngừng và chuyển động này được gọi là chuyển động Brown. Đây là hiện tượng phổ biến với các hạt nhỏ bé nằm lơ lửng trong chất lỏng hay trong chất khí. Các hạt nhỏ bé này được gọi là các hạt Brown. Quỹ đạo chuyển động của hạt Brown Kh¸i niÖm nhiÖt ®é Sinh viªn: Lª ThÞ Cóc - Líp K1 - §HSP Lý - Hãa 1 Theo dõi và đánh dấu vị trí của các hạt Brown sau những khoảng thời gian bằng nhau và nối liền các vị trí đó lại, ta được quỹ đạo chuyển động của nó. Quỹ đạo này là một đường gãy khúc không theo một quy luật nào cả. - Giải thích chuyển động: Tại sao các hạt Brown chuyển động hỗn loạn không ngừng? Người ta giải thích chuyển động Brown trên cơ sở các va chạm của phân tử (hay nguyên tử) cấu tạo nên chất lỏng hay chất khí vào hạt Brown trong khi chúng chuyển động hỗn loạn không ngừng. Vì các hạt Brown có kích thước rất bé (cỡ 1 m ) nên những va chạm của các phân tử (nguyên tử) của môi trường vào một hạt Brown nào đó từ mọi phía và trong cùng khoảng thời gian là không cân bằng lẫn nhau. Kết quả là tổng xung lượng của các va chạm khác không. ở đây, xung lượng của lực là đại lượng vectơ đặc trưng cho tác dụng của lực trong không gian. Nó được đo bằng tích của lực với khoảng thời gian mà lực đó tác dụng. Xung lượng của lực tác dụng lên vật bằng biến thiên động lượng của vật. Dưới tác dụng của tổng xung lượng này, hạt Brown dịch chuyển theo một hướng nào đó. Vì các phân tử chuyển động hỗn loạn, nên tổng xung lượng này luôn thay đổi về hướng và độ lớn, do đó, quỹ đạo của hạt Brown là đường gãy khúc. Tóm lại, nguyên nhân của chuyển động Brown là chuyển động nhiệt của phân tử của môi trường. Chuyển động Brown là một sự kiện thực nghiệm chứng tỏ sự tồn tại chuyển động nhiệt của các hạt cấu tạo nên môi trường. Như vậy, đối với cấp 2, 3: - Nhiệt độ đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn của phân tử, nguyên tử chính là chuyển động nhiệt. - Đo nhiệt độ bằng nhiệt kế. Các loại nhiệt kế: nhiệt kế rượu, nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế y tế. - Đo nhiệt độ thông qua nhiệt giai: Kh¸i niÖm nhiÖt ®é Sinh viªn: Lª ThÞ Cóc - Líp K1 - §HSP Lý - Hãa 2 Có 3 loại nhiệt giai: + Nhiệt giai Celsius(C) +Nhiệt giai Fahrenheti(F). + Nhiệt giai Kelvil(K). - Giới hạn nhiệt độ tùy thuộc nhiệt giai tương ứng. Đối với nhiệt giai Celsius thì nhiệt độ nằm trong khoảng từ 00C đến 1000C. Đối với nhiệt giai Fahrenheti thì nhiệt độ nằm trong khoảng từ 320F đến 2120F. ( Sgk - Vật lí lớp 6) 1.2.2. Nhiệt độ là hàm của trạng thái Nhiệt độ là thông số xác định trạng thái của một lượng khí, có mối liên hệ với các thông số khác: - ở một nhiệt độ không đổi, tích của áp suất p và thể tích V của một lượng khí xác định là một hằng số: pV = const ( Định luật Boyle – Mariotte) - Với một lượng khí không đổi thì áp suất p phụ thuộc nhiệt độ của khí:  tpp  10 , 273 1  độ-1 ( Định luật Chries) - Thể tích của một lượng khí không đổi thì tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của khí: const T V  ( Định Gay – Luytxac) Từ đó suy ra phương trình trạng thái: RT m V p   (T, P, V là các thông số trạng thái). - Chương trình Vật lí lớp 10 cũng đề cập đến khái niệm nhiệt độ tuyệt đối: Ct 02731   Kh¸i niÖm nhiÖt ®é Sinh viªn: Lª ThÞ Cóc - Líp K1 - §HSP Lý - Hãa 3 Bởi vì, ở nhiệt độ đó: 0 110                 pp ( Định luật Chries) Điều này là vô lí. Do đó: t = -2730C được gọi là nhiệt độ tuyệt đối. Như vậy đối với chương trình cấp 2,3 đã có giới hạn của khái niệm nhiệt độ xét trong nhiệt giai Kelvil: từ 00K đến 2730K. 1.3. Đại học 1.3.1.Vật lí đại cương Nhiệt độ là đại lượng có liên quan chặt chẽ với mức độ nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử. Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho tính chất vĩ mô của vật, cho sự nhanh hay chậm của chuyển động hỗn loạn của các phân tử cấu tạo nên vật đó. Khái niệm nhiệt độ được xây dựng một cách định tính. Nếu ta gọi độ lớn vận tốc là tốc độ, thì 2v là trung bình của bình phương tốc độ của các phân tử khí. Kí hiệu: 2 2 0vmEd  là động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của một phân tử khí. Ta có phương trình cơ bản của hệ động học chất khí: dEnp 03 2  Với 1mol khí: V Nn A0 , (NA là số Avogađro, V  là thể tích 1mol khí). dA d A ENpV E V N p 3 2 3 2     Kh¸i niÖm nhiÖt ®é Sinh viªn: Lª ThÞ Cóc - Líp K1 - §HSP Lý - Hãa 4 Kết hợp phương trình trạng thái: kTT N RE RTpV A d 2 3 2 3 3 2   trong đó: 23 123 11 10.38,1 10.02,6 ..31,8     mol domolJ N Rk A J/độ Vậy: động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của khí, hay nói cách khác thì nhiệt độ tuyệt đối của khí được xác định qua động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của phân tử khí. Đây là một ý nghĩa quan trọng của nhiệt độ. Tốc độ của các phân tử khí ở một nhiệt độ xác định là xác định:  RTv 3 Như vậy chương trình vật lí đại cương một lần nữa khẳng định nhiệt độ là đại lượng vật lí đặc trưng cho chuyển động hỗn loạn Brown và đưa ra được công thức biểu diễn mối liên hệ giữa nhiệt độ với tốc độ của phân tử (nguyên tử). 1.3.2.Vật lí thống kê Dựa vào các định luật động lực học đưa ra định nghĩa chính xác về nhiệt độ. - Nguyên lí không phát biểu rằng: “Với mỗi hệ nhiệt động bất kì, tồn tại một đại lượng gọi là nhiệt độ. Giá trị như nhau của đại lượng này là điều kiện cần và đủ để có sự cân bằng nhiệt động giữa hai hệ hay hai phần của cùng một hệ”. Như vậy, nếu hai hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động với nhau thì chúng có cùng nhiệt độ và ngược lại. Thế nào là cân bằng nhiệt động? Kh¸i niÖm nhiÖt ®é Sinh viªn: Lª ThÞ Cóc - Líp K1 - §HSP Lý - Hãa 5 Giả sử có hai hệ A và B. Hệ A nóng và B lạnh. Cho hai hệ tiếp xúc với nhau, ta thấy rằng hệ A sẽ lạnh đi còn hệ B nóng lên. Khi hai hệ này tương tác với nhau như vậy, trong mỗi hệ đều có sự thay đổi về tính chất. Cụ thể là khi hệ B nóng lên, ta thấy thể tích nó nở ra; ngược lại khi hệ A lạnh đi thể tích nó co lại. Tuy nhiên, các thay đổi này không diễn ra mãi. Đến một lúc nào đó trong cả hai hệ A và B không còn bất cứ sự thay đổi nào nữa thì người ta nói hai hệ đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt động. Khi hai hệ đã cân bằng nhiệt động với nhau, ta cảm thấy cần có cái gì đó là như nhau trong cả hai hệ. Cái như nhau đó chính là nhiệt độ. - Dựa vào định luật 1 nhiệt động lực học: “ Nếu hai hệ nhiệt động lực A và B, ở trạng thái cân bằng nhiệt động với hệ nhiệt động lực thứ ba, C, thì A và B cũng ở trạng thái cân bằng nhiệt động với nhau”. Định luật này rút ra từ thực nghiệm, không có cơ sở lí thuyết. Cả ba hệ A, B, C đều ở cùng trạng thái cân bằng nhiệt động, nên ta có thể đặt một tính chất chung cho trạng thái đó gọi là nhiệt độ. Vậy, nhiệt độ là đặc tính xác định trạng thái cân bằng của hệ nhiệt động lực học. - Dựa vào định luật II nhiệt động lực học: Xuất phát từ định nghĩa Entropy: “Entropy là một hàm trạng thái của hệ nhiệt động lực học mà độ biến thiên khi hệ chuyển từ trạng thái I sang trạng thái F bằng nhiệt lượng mà hệ nhận được trong quá trình chuyển hệ từ I tới F. Định nghĩa khái niệm nhiệt độ dựa trên khái niệm Entropy: dE dS T  1 Như vậy, nghịch đảo của nhiệt độ là sự thay đổi của entropy theo năng lượng. Xét một hệ kín gồm hai vật A và B: A có nhiệt độ T1, B có nhiệt độ T2. Giả thiết có sự truyền nhiệt xảy ra trong hệ: vật A nhả một nhiệt lượng Q và vật B nhận nhiệt lượng đó. Ta phát biểu hai mệnh đề: + Nếu nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh hơn entropy của hệ tăng: Kh¸i niÖm nhiÖt ®é Sinh viªn: Lª ThÞ Cóc - Líp K1 - §HSP Lý - Hãa 6 0 12 21  T Q T QdSTT  + Nếu entropy của hệ tăng thì nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh hơn: 21 12 0 TT T Q T Q dS   - Dựa vào định luật III: “ Nguyên lí độ không tuyệt đối gắn liền với sự tụt xuống một trạng thái lượng tử cơ bản khi nhiệt độ của một hệ tiến đến giới hạn của độ không tuyệt đối. Trạng thái của mọi hệ không thay đổi tại độ không tuyệt đối”. Vậy nguyên lí III khẳng định rằng không thể đạt được độ không tuyệt đối. Nói một cách dễ hiểu thì vật chất luôn vận động, vận động là thuộc tính cố hữu của vật chất, không có vận động nào nằm ngoài vật chất và cũng không có vật chất nào không vận động. Năng lượng chính là đại lượng đánh giá sự vận động: kTE 2 3  . Vì vậy, nếu một vật nào có nhiệt độ 00K tức là “không vận động”, điều này vô lí. Vật lí thống kê cũng đưa ra khái niệm nhiệt độ thống kê là mođun của phân bố chính tắc và được dùng để xác định sự phân bố năng lượng trong tập hợp hệ. Giả sử có hai hệ đẳng nhiệt có các hàm phân bố có dạng:             1 1111 1 ,exp    aXHX Và:             2 2222 2 ,exp    aXHX Nếu cho hai hệ đó tiếp xúc nhiệt với nhau, thì do tương tác giữa chúng, nên bắt đầu có xảy ra quá trình chuyển năng lượng từ hệ nọ sang hệ kia. Tuy nhiên, do năng lượng tương tác U12 là nhỏ, tức là U12  0 và U12 << H1 + H2, nên tổng các Kh¸i niÖm nhiÖt ®é Sinh viªn: Lª ThÞ Cóc - Líp K1 - §HSP Lý - Hãa 7 năng lượng thực tế vẫn giữ không đổi, và khi ghép hai hệ, hàm phân bố có dạng sau đây:                              2 22 1 11 2 2 1 1 2121 exp,      XHXH XxXX Muốn có cân bằng giữa hai hệ, đại lượng 2 2 1 1  HH  cần phải giữ không đổi( như trước khi ghép hai hệ), điều đó chỉ có thể xảy ra khi 21   , bởi vì tổng H1 + H2 giữ không đổi. Như vậy, khi có tiếp xúc nhiệt giữa hai hệ tương tác yếu có mođun  như nhau và nằm trong trạng thái cân bằng thì hệ mới được tạo thành vẫn nằm trong trạng thái cân bằng với suất phân bố là  . Còn trong trường hợp hai hệ có mođun  khác nhau, thì khi cho tiếp xúc nhiệt giữa hai hệ, sẽ bắt đầu có sự trao đổi năng lượng giữa hai hệ đó (H1 và H2 thay đổi), và hệ mới tạo thành sẽ không nằm trong trạng thái cân bằng, khi đó phân bố của hệ mới không còn là phân bố chính tắc nữa. Như vậy, mođun  của phân bố chính tắc có tất cả các tính chất căn bản của nhiệt độ tuyệt đối: a) Khi cho tiếp xúc nhiệt các hệ có mođun  giống nhau và trước đó đã ở trạng thái cân bằng nhiệt , thì sau khi tiếp xúc trạng thái cân bằng này vẫn được duy trì. b) Khi cho tiếp xúc nhiệt các hệ có mođun  khác nhau và ở trạng thái cân bằng thì bắt đầu có sự chuyển năng lượng từ hệ nọ sang hệ kia và hệ mới tạo thành không còn ở trạng thái cân bằng. c) Mođun  luôn luôn dương giống như nhiệt độ tuyệt đối. Do đó, ta có thể coi  là đại lượng tương tự của nhiệt độ tuyệt đối, và vì vậy,  được gọi là nhiệt độ thống kê. Kh¸i niÖm nhiÖt ®é Sinh viªn: Lª ThÞ Cóc - Líp K1 - §HSP Lý - Hãa 8 So sánh với phương trình trạng thái và dựa vào phân bố chính tắc ta tìm được bằng thực nghiệm : kT trong đó k là hằng số Bônxơman, T là nhiệt độ tuyệt đối. Chú ý rằng trong khái niệm nhiệt độ thống kê có bao hàm nội dung là: nó được áp dụng cho hệ nhiều hạt. Như vậy là, qua từng giai đoạn, khái niệm nhiệt độ xét trong vật lí đã dần được tổng quát hoá. Trong vật lí sơ cấp, nhiệt độ được hiểu như là đại lượng đặc trưng cho "độ nóng " của vật. Trong thuyết động học phân tử, ta đã gắn khái niệm về nhiệt độ của một vật với động năng trung bình của các phân tử cấu tạo nên vật đó. Trong nhiệt động lực học, ta coi nhiệt độ là hàm trạng thái, và dựa vào nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học đã nêu lên khái niệm nhiệt độ tuyệt đối. Bây giờ, trong vật lí thống kê ta lại hiểu nhiệt độ thống kê là mođun của phân bố chính tắc và được dùng để xác định sự phân bố năng lượng trong tập hợp hệ( hay phân bố của các hệ trong không gian pha). Thông qua quá trình nghiên cứu khái niệm nhiệt độ xuyên suốt các cấp học giúp tôi có một cái nhìn tổng quát về khái niệm nhiệt độ, từ đó tôi xin ứng dụng phần kiến thức trên vào một bài soạn ở phổ thông. Phần 2: ứng dụng của khái niệm nhiệt độ trong chương trình vật lí phổ thông Bài 20. (Vật lí Lớp 8): Nguyên tử, phân tử chuyển động hay đứng yên I.Mục tiêu 1. Kiến thức Giúp học sinh: - Mô tả chuyển động Brown. Kh¸i niÖm nhiÖt ®é Sinh viªn: Lª ThÞ Cóc - Líp K1 - §HSP Lý - Hãa 9 - Giải thích nguyên nhân gây ra chuyển động Brown. - Định nghĩa chuyển động nhiệt. - Có một cái nhìn tổng quát về khái niệm nhiệt độ và mối quan hệ giữa nhiệt độ với chuyển động nhiệt. 2. Kỹ năng - Mô tả được quỹ đạo chuyển động của nguyên tử, phân tử. - Giải thích hiện tượng khuyếch tán và một số hiện tượng khác. 3. Thái độ - Quan tâm, yêu thích môn học. - Vận dụng kiến thức để giải thích các hiện tượng xảy ra xung quanh. II.Hoạt động dạy học Giáo viên Học sinh Hoạt động 1: Nêu hiện tượng như Sgk: Hãy tưởng tượng ở giữa sân có một quả bóng duy nhất mà có rất nhiều người muốn xô đẩy quả bóng về phía mình. Hiện tượng xảy ra: quả bóng dịch chuyển theo nhiều phương không xác định( trái, phải, xiên). Kh¸i niÖm nhiÖt ®é Sinh viªn: Lª ThÞ Cóc - Líp K1 - §HSP Lý - Hãa 10 Gv: Quả bóng được xô đẩy như thế nào? Yêu cầu Hs nghiên cứu Phần I.Thí nghiệm Brown và trả lời câu hỏi: - Chuyển động của các hạt phấn hoa xảy ra như thế nào? - Làm thế nào để giải thích được chuyển động trên? Gv nhận xét, đưa ra kết luận: Phấn hoa là những hạt nhỏ Brown nhìn dưới kính hiển vi thấy nó chuyển động về mọi phía. - Quả bóng được xô đẩy về các phía khác nhau. - Các hạt phấn hoa di chuyển theo nhiều phía khác nhau. - Một số Hs đưa ra ý kiến. Hoạt động 2: Giải thích chuyển động của các hạt phấn hoa dựa trên mô hình sự chuyển động của quả bóng. - Trở lại với phần tưởng tượng ở mở bài, em hãy cho biết quả bóng tương tự với hạt nào trong thí nghiệm của Brown? - Các học sinh tương tự với những hạt nào trong thí nghiệm Brown? - Tại sao các phân tử nước có thể làm cho các hạt phấn hoa chuyển động? Kết luận: chuyển động của các hạt phấn hoa tương tự chuyển động của quả bóng. - Quả bóng tương tự với hạt phấn hoa trong thí nghiệm Brown. - Học sinh tương tự các phân tử nước. - Các phân tử nước xô đẩy làm cho các hạt phấn hoa chuyển động. Kh¸i niÖm nhiÖt ®é Sinh viªn: Lª ThÞ Cóc - Líp K1 - §HSP Lý - Hãa 11 Hoạt động 3: Nguyên nhân gây ra chuyển động của các hạt phấn hoa. - Yêu cầu Hs đưa ra một số ý kiến về nguyên nhân chuyển động của các hạt phấn hoa. - Gv kết luận: Nguyên nhân gây ra chuyển động của các hạt phấn hoa là do các phân tử nước không đứng yên mà chuyển động hỗn độn không ngừng. Trong khi chuyển động các phân tử nước va chạm vào các hạt phấn hoa từ nhiều phía, các va chạm này không cân bằng nhau làm cho các hạt phấn hoa chuyển động hỗn độn không ngừng. - Hs đưa ra câu trả lời. Hoạt động 4: Mối quan hệ giữa nhiệt độ với nguyên tử ( phân tử) và chuyển động. - Chuyển động của các hạt phấn hoa có phụ thuộc nhiệt độ hay không? Phụ thuộc như thế nào? - Từ đó rút ra nhận xét gì? - Định nghĩa chuyển động nhiệt? Giới thiệu thêm với học sinh về khái niệm nhiệt độ: - Nhiệt độ là một khái niệm tập hợp có liên quan đến một hệ các phân tử (nguyên tử). Khái niệm nhiệt độ gắn với - Có. Nhiệt độ của nước càng cao thì chuyển động của các hạt phấn hoa càng tăng. - Nhiệt độ càng cao, các nguyên tử, phân tử chuyển động càng nhanh. - Chuyển động nhiệt là chuyển động liên quan chặt chẽ với nhiệt độ. Kh¸i niÖm nhiÖt ®é Sinh viªn: Lª ThÞ Cóc - Líp K1 - §HSP Lý - Hãa 12 tập hợp. Do đó, chuyển động của các phân tử liên quan trực tiếp đến khái niệm nhiệt độ. Hoạt động 5: Vận dụng. - Nêu hiện tượng xảy ra trong câu C4. - Vì sao phải đổ nhẹ? - Em hãy giải thích tại sao sau một khoảng thời gian thì sunfat hòa lẫn vào nước? - Định nghĩa hiện tượng khuyếch tán. - Yêu cầu học sinh trả lời các câu C5, C6, C7 và làm bài tập về nhà. - Đổ nhẹ nước vào dung dịch đồng sunfat màu xanh, dung dịch phân cách 2 lớp, sau đó dung dịch đồng nhất màu xanh nhạt. - Nếu đổ mạnh, có sự tác động của tay ta làm cho quá trình diễn ra nhanh hơn, khó quan sát. - Do sự chuyển động hỗn độn giữa các phân tử nước và sunfát. Các phân tử nước chuyển động vào sunfat và ngược lại. - Là hiện tượng các chất lỏng hòa tan vào nhau tạo thành dung dịch đồng nhất. Kh¸i niÖm nhiÖt ®é Sinh viªn: Lª ThÞ Cóc - Líp K1 - §HSP Lý - Hãa 13 C. Kết luận Với đề tài này, em đã tìm hiểu khái niệm nhiệt độ xuyên suốt các cấp học từ phổ thông đến đại học. Qua đó cho thấy sự phát triển của khái niệm nhiệt độ từ định tính đến định lượng được khái quát hoá dần cao hơn. Với cấp 1 chỉ mang tính chất định tính, phụ thuộc cảm giác của con người, nhưng lên đến cấp phổ thông thì đã được định lượng dưới các công thức. Và đến đại học thì khái niệm nhiệt độ mang tính chất tổng quát nhất. Đồng thời, với sự khái quát hóa khái niệm nhiệt độ như trên, em xin ứng dụng vào một bài soạn ở Lớp 8:" Nguyên tử, phân tử chuyển động hay đứng yên". Kh¸i niÖm nhiÖt ®é Sinh viªn: Lª ThÞ Cóc - Líp K1 - §HSP Lý - Hãa 14 Tài liệu tham khảo 1) Giáo trình nhiệt học - Nguyễn Huy Sinh, NXBGD, 2006. 2) Nhiệt động lực học và vật lí thống kê - Vũ Thanh Khiết, NXB ĐHQGHN, 2002. 3) Vật lí lớp 8, Nhà xuất bản Giáo dục, 2004. 4) Vật lí thống kê và nhiệt động lực - Đỗ Xuân Hội, NXB ĐHSP TPHCM, 2003. 5) Vật lí phân tử và nhiệt học - Lê Văn, NXBGD, 1978.