bzconnect
Геоинформационные системы

Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам

  • Курас Наталья Анатольевна, учитель физики

Цели урока:

  • образовательная: ввести первый закон
    термодинамики как закон сохранения энергии
    термодинамической системы, раскрыть его
    физическое содержание при рассмотрении
    конкретных процессов, продолжить формирование
    умений описывать тепловые процессы физическими
    величинами и законами, ввести понятие об
    адиабатном процессе, сформировать умения
    использовать первый закон термодинамики для
    описания газовых процессов;
  • развивающие: развитие памяти, быстроты
    реакции, творческих способностей, умения
    применять полученные знания на практике,
    развитие познавательного интереса.
  • воспитывающие: формирование
    коммуникативных качеств, культуры общения,
    воспитывать мировоззрение учащихся на основе
    метода научного познания природы, воспитывать
    наблюдательность, воспитывать
    целеустремленность, настойчивость в достижении
    поставленной цели.

Оборудование к уроку: на каждом столе
пробирка с холодной водой, термометр, бумага,
теплоприёмник, жидкостной манометр, бланки с
заданиями, мультимедийный проектор, ноутбук,
экран, таблица.

План урока


Этапы урокаВремя, мин. Приёмы и методы
1. Оргмомент1
2. Проверка д/з6письменный опрос (тест)
3. Фронтальный опыт7работа в парах
4. Изучение новой темы20рассказ, демонстрации, видео, записи в
тетрадях, диалог
5. Закрепление материала6решение качественных задач, диалог
6. Рефлексия3ответы на вопросы
7. Д/з2

Ход урока

Организационный этап (обеспечить готовность
учащихся к уроку, готовность рабочего места и
необходимого для урока оборудования).

Проверка д/з. Мы изучаем основы термодинамики
и для того, чтобы приступить к изучению первого
закона термодинамики, необходимо полученные
знания закрепить. Для этого выполним задание №1

Задание № 1

Фамилия, имя______________________________

Вариант 1

Броуновское движение — это:

А) тепловое движение взвешенных в жидкости (или
газе) частиц; Б) хаотическое движение взвешенных
в жидкости частиц; В) упорядоченное движение
молекул жидкости; Г) упорядоченное движение
взвешенных в жидкости частиц.

2. Какая из приведённых ниже формул позволяет
рассчитать среднюю кинетическую энергию
поступательного движения молекул газа:

А) p=nkT; Б) E=3/2kT; В) p=1/3m0nv2

3. Как изменится давление идеального газа при
увеличении абсолютной температуры в 2 раза и
объёма в 2 раза? (масса газа не изменяется)

А) увеличится в 4 раза; Б) уменьшится в 4 раза; В)
не изменится; Г) увеличится в 2 раза.

4. Процесс изменения термодинамической системы
при постоянном давлении называют:

А) изотермическим; Б) изохорным; В) изобарным.

5. Какое выражение соответствует закону
Бойля-Мариотта:

А) V/T=const; Б) pV=const; В) p/T=const; Г) pT=const.

6. На рисунке график зависимости p(V), m=const. Какой
процесс изменения газа изображён на рисунке?

А) изотермическое расширение; Б) изобарное
расширение; В) изобарное сжатие; Г) изохорное
нагревание.

ОЦЕНКА____________

Фамилия, имя______________________________

Вариант 2

Какое из следующих положений противоречит
основам МКТ:

А) вещество состоит из молекул; Б) молекулы
вещества движутся беспорядочно; В) все молекулы
взаимодействуют друг с другом; Г) все молекулы
вещества имеют одинаковые скорости.

2. Какая из приведённых ниже формул позволяет
вычислить число частиц:

А) N=; Б) v=m/M; В)
p=nkT.

3. Как изменится давление идеального газа, если
число молекул газа и его объём увеличится в 2
раза, а температуру оставить неизменной?

А) увеличится в 2 раза; Б) уменьшится в 2 раза; В)
увеличится в 4 раза; Г) не изменится.

4. Внутренняя энергия одноатомного идеального
газа равна:

А) ; Б) ; В) ; Г) .

5. Газ, взаимодействие между молекулами
которого пренебрежимо мало, называется:

А) реальным; Б) абсолютным; В) идеальным; Г)
свободным.

6. На рисунке график зависимости p(Т), m=const. Какой
процесс изменения газа изображён на рисунке?

А) изохорное нагревание; Б) изохорное
охлаждение; В) изотермическое сжатие; Г)
изобарное расширение.

ОЦЕНКА___________

Осуществляется взаимоконтроль в парах.

СЛАЙД 1

Ответы


Вариант 1

Вариант 2

1. А1. Г
2. Б2. А
3. В3. Г
4. В4. В
5. Б5. В
6. В6. Б

СЛАЙД 2

Критерии оценки

За каждый правильный ответ — 1балл; за
неправильный ответ — 0баллов.

«5» — 6 баллов (за каждый вопрос 1балл);

«4» — 5 балла;

«3» — 4 балла;

«2» — 3 балла.

А теперь выполним задание №2.

3. Фронтальный опыт «Изменение внутренней
энергии тела при совершении работы»

Приборы и материалы: пробирка химическая,
термометр лабораторный, цилиндр измерительный с
холодной водой, лист бумаги.

Порядок выполнения работы

Налейте в пробирку 10мл воды и измерьте её
температуру.

Закройте пробирку пробкой (или большим пальцем
если нет пробки) и заверните в бумагу. Энергично
встряхивайте воду в пробирке в течение 40 секунд
(время засеките по секундомеру в часах или
мобильном).

Откройте пробирку и снова измерьте температуру
воды.

Ответьте на вопросы: а) как изменилась
внутренняя энергия воды во время опыта? б) каким
способом вы изменяли внутреннюю энергию воды в
опыте? в) зачем пробирку с водой необходимо было
заворачивать в бумагу во время опыта? г) что можно
сказать о зависимости изменения внутренней
энергии тела от совершённой работы?

4. Изучение новой темы

К середине 19 века многочисленные опыты
показали, что механическая энергия никогда не
пропадает бесследно.

Закон сохранения энергии:

Энергия в природе не возникает из ничего и не
исчезает: количество энергии неизменно, она
только переходит из одной формы в другую.
(Падает,
например, молот на кусок свинца и свинец
нагревается — потенциальная энергия молота
переходит в кинетическую, затем механическая
энергия превратилась во внутреннюю энергия
тела). Закон сохранения и превращения энергии,
распространённый на тепловые явления, носит
название первого закона термодинамики.

В термодинамике рассматриваются тела,
положение центра тяжести которых практически не
меняется. Механическая энергия таких тел
остаётся постоянной, изменяться может лишь
внутренняя энергия каждого тела. Первый закон
термодинамики был открыт в середине 19 века
немецким учёным врачом Майером (1814-1878),
английским учёным Д. Джоулем(1818 — 1889) и получил
наиболее точную формулировку в трудах немецкого
учёного Г Гельмгольца (1821-1894).

Нагревание тела может происходить без
сообщения ему какого-либо количества теплоты, а
только за счет совершения работы, что мы и
наблюдали в проделанном опыте. Либо за счёт
теплообмена с окружающими телами.

Опыт. Изменение состояния термодинамической
системы «теплоприёмник — газ» путём
теплопередачи.

В общем случае при переходе системы из одного
состояния в другое внутренняя энергия
изменяется одновременно как за счёт совершения
работы, так и за счёт передачи теплоты.

Первый закон термодинамики: Изменение
внутренней энергии системы при переходе её из
одного состояния в другое равно сумме работы
внешних сил и количества теплоты переданного
системе:

U=Q+A.

Если система изолирована (замкнутая) то есть
над ней не совершается работа (А=0) и она не
обменивается теплотой с окружающими телами (Q=0).
То в этом случае согласно первому закону
термодинамики U=0 (U1
= U2). Внутренняя энергия изолированной
системы остаётся неизменной (сохраняется).

Учитывая, что A/ = — А, получим Q=A/ + U

Количество теплоты, переданное системе, идёт на
изменение её внутренней энергии и на совершение
системой работы над внешними телами.

Невозможность создания вечного двигателя —
устройства, способного совершать неограниченное
количество работы без затрат топлива или
каких-либо других материалов. Если к системе не
поступает теплота (Q=0), то работа A/ согласно
первому началу термодинамики Q=A/ + U может быть совершена
только за счёт убыли внутренней энергии: A/
= — U.
После того как
запас энергии окажется исчерпанным, двигатель
перестанет работать.

Нельзя говорить, что в системе содержится
определённое количество теплоты или работы. Как
работа, так и количество теплоты являются
величинами, характеризующими изменение
внутренней энергии системы в результате того или
иного процесса, и выражаются эти величины в
джоулях. Откройте 207-ую страницу учебника и
рассмотрите рисунки 165,166. Внутренняя энергия
системы может изменится одинаково как за счет
совершения системой работы, так и за счёт
передачи окружающим телам какого-либо
количества теплоты. Например, нагретый воздух в
цилиндре может уменьшить свою энергию остывая,
без совершения работы (рис 165). Но может потерять
точно такое же количество энергии, перемещая
поршень, без отдачи теплоты окружающим телам. Для
этого стенки цилиндра и поршень должны быть
теплонепроницаемыми (рис 166)

СЛАЙДЫ

Применение первого закона термодинамики к
изопроцессам


Название процессаГрафик изопроцесса в координатах р, V.
Работа газа, количество теплоты
Запись закона и физический смысл

Изотермическое расширение

A/>0,
Q>0

V

Q = A/

U=0

Всё переданное газу тепло идёт на совершение им
же работы.

Изотермическое сжатие

A/<0, Q<0

V

— Q = — A/

А = — Q

U=0

При совершении работы внешними силами газ
отдаёт тепло окружающей среде.

Изобарное нагревание

(расширение)

A/>0, Q>0

V

A/ = p1(V2 — V1) = p1?V

U=Q+A

Q=A/ + ?U

U>0

Подводимое к газу тепло идёт на увеличение его
внутренней энергии и на совершение газом работы

Изобарное охлаждение

(сжатие)

A/<0, Q<0

V

U= — A/ — Q

U= A — Q

U<0

Внутренняя энергия уменьшается за счёт того,
что над газом совершается работа и газ отдаёт
тепло окружающей среде

Изохорное нагревание

Q>0, A/ = 0

V

U= Q

U>0

Внутренняя энергия газа увеличивается за счёт
подводимого тепла

Изохорное охлаждение

Q<0, A/ = 0

V

U= — Q

U<0

Внутренняя энергия уменьшается за счёт того,
что газ отдаёт тепло окружающей среде

Адиабатное расширение

(охлаждение)

A/>0

U= — A/

U<0

Внутренняя энергия газа уменьшается за счёт
того, что сам газ совершает работу. Газ
охлаждается.

Адиабатное сжатие

(нагревание)

A/<0

U= A

U>0

Внутренняя энергия газа увеличивается только
за счёт работы внешних сил

Далее смотрим видеофильм «адиабатное
расширение и сжатие».

5. Закрепление материала

Задача №1

Определите процессы, в которых участвует
термодинамическая система идеальный газ, и
прочитайте уравнение первого закона
термодинамики для каждого случая?

а)

Ответ: происходит теплопередача, и над
газом совершается работа, то есть изменяется
объём, давление, температура, внутренняя энергия
газа: U=Q+A.

б)

Ответ: газу сообщается количество теплоты,
следовательно газ совершает работу, то есть
объём газа увеличивается; в зависимости от
значений Q и А происходит изменение внутренней
энергии: U=Q-A.

в)

Ответ: газ нагревается, внутренняя энергия
увеличивается, давление увеличивается, объём
остаётся прежним: U=Q.

г)

Ответ: газ охлаждается, и над ним
совершается работа, то есть возможно изменение
внутренней энергии: U=А
— Q.

д)

Ответ: газ охлаждается, температура его
уменьшается, внутренняя энергия тоже
уменьшается: ?U= — Q.

е)

Ответ: система остаётся в равновесном
состоянии: U=0.

Задача №2

Устно с фронтальным обсуждением может быть
рассмотрен пример решения задач из учебника (см.
с. 221-222).

Задача №3

Вопросы для коллективного решения:

1. Можно ли считать человека термодинамической
системой? (да)

2. В каких процессах обычно участвует система? (теплообмен
с окружающими системами, работа при действии
человека на другие системы
)

3. За счёт чего поддерживается постоянная
температура (внутренняя энергия) человека? (за
счёт поступления энергии от других систем в
форме пищи
)

4. Как записать первый закон термодинамики для
системы «человек»? (U=Qпищи
— Qтеплообмена — A).

6. Подведение итогов. Рефлексия

Сегодня на уроке мы изучили первый закон
термодинамики, раскрыли его физическое
содержание при рассмотрении конкретных
процессов, изучили новый изопроцесс — адиабатный,
научились использовать первый закон
термодинамики для описания газовых процессов. На
следующем уроке мы будем решать задачи на
применение первого закона термодинамики к
различным процессам.

Чтобы понять, на сколько интересен и полезен
материал, который мы изучали на уроке, выполните
задание №2

Задание 2

Оцените сегодняшний урок: 0 — нет, 1 — да.

— Вам было интересно на уроке?________

— Вы узнали что-то новое?_____________

— Был ли доступен изучавшийся материал?_______

— Вы его поняли?_________

— Готовы ли вы работать над материалом на
следующих уроках?_________

Количество баллов________

7. Д/з

 81,82

Литература

  1. Физика: Учеб. для 10 кл. образоват. учреждений / Г.
    Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. — 12изд. —
    М. : Просвещение, 2004. — 336 с.
  2. Физика в 10 классе: Модели уроков: Кн. для учителя
    / Ю. А. Сауров. — М. : Просвещение, 2005. — 256 с.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *