Giáo án Bài 26. Năng lượng nhiệt và nội năng

Huy động kinh nghiệm đời sống của HS và xác định vấn đề cần giải quyết trong bài: hai cách khác nhau cùng làm tay ấm lên thì bản chất là gì.

GV đặt tình huống: “Khi cọ hai bàn tay vào nhau hoặc áp tay vào cốc nước ấm, tay đều ấm lên. Vì sao cùng làm tay ấm mà cách làm khác nhau? Năng lượng nào đã truyền vào tay?” HS dự đoán và ghi vào vở câu trả lời ban đầu.

Mỗi HS ghi được ít nhất một dự đoán: cọ tay là làm tay nhận công (ma sát), áp vào cốc là tay nhận năng lượng từ cốc nóng hơn (truyền nhiệt). Từ đó HS nêu được câu hỏi trọng tâm của bài: nội năng là gì và có những cách nào làm nội năng thay đổi.

Nêu được khái niệm chuyển động nhiệt, nội năng và giải thích được vì sao vật đứng yên vẫn có nội năng.

HS làm việc theo cặp đôi với Phiếu học tập số 1. Cặp đôi mở mô phỏng khối đồng A, quan sát các hạt cấu tạo nên đồng khi khối đứng yên qua cửa kính và trả lời các câu hỏi:

• Câu 1: Các hạt trong khối đồng có đứng yên không? Chúng chuyển động như thế nào?
• Câu 2: Chuyển động của từng hạt có giống chuyển động của cả khối đồng khi cả khối được di chuyển không?
• Câu 3: Tổng động năng và thế năng của các hạt trong khối đồng được gọi là gì?
• Câu 4: Vì sao có thể nói “vật đứng yên” nhưng các hạt cấu tạo vẫn chuyển động?

Kết quả ghi trên Phiếu học tập số 1:

• Chuyển động nhiệt: chuyển động hỗn loạn của các hạt cấu tạo chất; các hạt dao động không ngừng quanh vị trí của chúng, kể cả khi vật đứng yên.
• Nội năng: tổng động năng và thế năng tương tác của các hạt trong vật.
• Phân biệt: chuyển động nhiệt là chuyển động vi mô của từng hạt, không phải chuyển động cả vật.
• Kết luận: vật đứng yên có nội năng vì các hạt vẫn chuyển động nhiệt; quan niệm “vật đứng yên thì các hạt cũng đứng yên hoàn toàn” là sai.

Nêu được nội năng có thể tăng bằng truyền nhiệt hoặc thực hiện công và phân biệt được hai cách này qua số liệu mô phỏng.

HS làm việc theo nhóm 4 (chia thành hai cặp, mỗi cặp nghiên cứu một khối), dùng Phiếu học tập số 2:

• Khối A (100 g): được cọ xát bằng dây đai và tay quay (thực hiện công).
• Khối B (100 g): treo trong nước 80 °C (truyền nhiệt).
  Sau 60 s, cả hai khối cùng khoảng 65 °C; nội năng mỗi khối tăng khoảng 1 536 J.
  Câu hỏi: (1) Khối A nhận năng lượng theo cách nào? (2) Khối B nhận năng lượng theo cách nào? (3) Vì sao cùng nhiệt độ 65 °C mà nội năng hai khối đều tăng? (4) Hai cách này có gì khác nhau về nguồn năng lượng?

Kết quả trên Phiếu học tập số 2:

• Khối A: nội năng tăng bằng thực hiện công (cọ xát, ma sát), năng lượng được truyền bằng công cơ học.
• Khối B: nội năng tăng bằng truyền nhiệt, nhận năng lượng từ nước nóng hơn.
• Cả hai khối đều tăng nội năng khoảng 1 536 J nên có thể đạt cùng nhiệt độ bằng hai cách khác nhau.
• Kết luận: nội năng của vật có thể tăng bằng truyền nhiệt hoặc thực hiện công; cả hai cách đều không tạo ra năng lượng từ không.

Củng cố khái niệm chuyển động nhiệt, nội năng và tăng nội năng qua câu hỏi trắc nghiệm, ghép đôi và nhận định đúng sai.

HS làm nhanh các câu hỏi trong sách bài tập số 1 đến số 5 của bài:

1. Trong bài này, chuyển động nhiệt có đặc điểm nào? A. mọi hạt đứng yên khi vật đứng yên; B. chỉ có trong chất khí; C. chuyển động hỗn loạn của các hạt cấu tạo chất.
2. Trong bài này, nội năng có đặc điểm nào? A. tổng động năng và thế năng tương tác của các hạt trong vật; B. chỉ động năng chuyển động cả vật; C. luôn bằng nhiệt độ số đo.
3. Ghép khái niệm với đặc điểm tương ứng: chuyển động nhiệt, nội năng, tăng nội năng.
4. Nhận định “Vật đứng yên nghĩa là các hạt cấu tạo cũng đứng yên hoàn toàn” đúng hay sai?
5. Chọn thuật ngữ phù hợp cho mô tả “có thể bằng truyền nhiệt hoặc thực hiện công”.

Đáp án:

1. C (chuyển động nhiệt là chuyển động hỗn loạn của các hạt cấu tạo chất; các hạt vẫn chuyển động nhiệt, khác với chuyển động cả vật).
2. A (nội năng là tổng động năng và thế năng tương tác của các hạt trong vật).
3. Chuyển động nhiệt – chuyển động hỗn loạn của các hạt cấu tạo chất; Nội năng – tổng động năng và thế năng tương tác của các hạt trong vật; Tăng nội năng – có thể bằng truyền nhiệt hoặc thực hiện công.
4. Sai (các hạt vẫn chuyển động nhiệt; chuyển động cả vật khác chuyển động vi mô).
5. Tăng nội năng.

Vận dụng kiến thức để phân tích tình huống cọ tay, áp tay vào cốc nước; giải thích vì sao hai cốc nước cùng nhiệt độ có thể khác nội năng; bác bỏ quan niệm sai.

HS làm việc theo cặp đôi, trả lời các câu hỏi trong sách bài tập số 6 đến số 8:
6. Cọ tay và áp tay vào cốc ấm đều làm tay ấm. Phân biệt hai cách đổi nội năng.
7. Hai cốc nước cùng nhiệt độ nhưng thể tích khác có chắc nội năng bằng nhau không?
8. Một bạn khẳng định: “Vật đứng yên nghĩa là các hạt cấu tạo cũng đứng yên hoàn toàn.” Hãy bác bỏ bằng một lí do khoa học, chỉ ra một hệ quả của cách hiểu sai và viết lại kết luận đúng.

Đáp án mẫu:
6. Cọ tay liên quan đến thực hiện công (ma sát), làm nội năng của tay tăng; áp tay vào cốc nhận năng lượng bằng truyền nhiệt từ cốc nóng hơn. Cả hai cách đều không tạo năng lượng từ không.
7. Không. Nội năng phụ thuộc lượng chất và trạng thái; cốc nhiều nước thường có tổng nội năng lớn hơn ở điều kiện tương tự (mô phỏng: cốc 200 g có nội năng lớn hơn cốc 100 g khi cùng 40 °C).
8. Lí do: các hạt cấu tạo vẫn chuyển động nhiệt, chuyển động cả vật khác chuyển động vi mô. Hệ quả của nhận định sai: sẽ bỏ qua nội năng của vật đứng yên và giải thích sai hiện tượng truyền nhiệt. Phát biểu đúng: vật đứng yên vẫn có nội năng vì các hạt cấu tạo vẫn chuyển động nhiệt.

Vận dụng hai cách đổi nội năng để giải thích các hiện tượng thực tế và đề xuất cách làm nóng vật bằng truyền nhiệt hoặc thực hiện công.

HS hoạt động cá nhân rồi chia sẻ theo nhóm 4, trả lời hai tình huống:

• Tình huống 1: Khi bơm xe đạp nhanh nhiều lần, thân bơm nóng lên. Hãy giải thích cách nội năng của thân bơm tăng lên.
• Tình huống 2: Một bát cháo nóng để trên bàn; khi muốn cháo nguội bớt bằng cách đặt bát vào chậu nước mát, hãy cho biết nội năng của cháo giảm bằng cách nào.
  Ngoài ra, HS nêu thêm một ví dụ trong đời sống và xác định đó là cách truyền nhiệt hay thực hiện công.

Sản phẩm: bảng ngắn trong vở gồm ba cột (hiện tượng, cách đổi nội năng, giải thích).

• Tình huống 1: thực hiện công; khi bơm, tay làm công nén khí và ma sát, nội năng thân bơm tăng.
• Tình huống 2: truyền nhiệt; cháo truyền nhiệt sang nước mát nên nội năng cháo giảm.
• Ví dụ thêm do HS nêu, ví dụ: xoa hai bàn tay (thực hiện công) hoặc cầm cốc nước nóng (truyền nhiệt).