Цели урока:
- углубить знания об изопроцессах, отработать навыки решения задач по данной теме, развивать коммуникативные умения, навыки, учить самооценке.
Ход урока
Подготовка к работе в группах.
Работа с классом (устно).
Что называется внутренней энергией?
Как можно изменить внутреннюю энергию газа?
Как определить количество теплоты, необходимое для нагревания тела?
Написать уравнение теплового баланса для трех тел.
Когда количество теплоты отрицательно?
Как определить работу газа при расширении?
Чем отличается работа газа от работы внешних сил?
Сформулировать первый закон термодинамики для работы внешних сил.
Сформулировать первый закон термодинамики для работы газа.
Применение первого закона термодинамики к изохорному процессу.
Применение первого закона термодинамики к изобарному процессу.
Применение первого закона термодинамики к изотермическому процессу.
Какой процесс называется адиабатным?
Применение первого закона термодинамики к адиабатному процессу.
Работа в группах.
Каждая группа получает лист, на котором указаны теоретические задания и задачи. Теоретическая часть содержит пять вопросов. Группа берет для подготовки к ответу вопрос, соответствующий ее номеру. В практической части содержится десять задач по две на каждую из указанных тем в теории. Задачи расположены беспорядочно. Это означает, что учащиеся должны сначала найти задачи, соответствующие их теоретическому вопросу, затем решить. Дополнительные данные для решения задач берутся из справочников.
После окончания работы групп вызываются по два ученика по очереди от каждой группы: один отвечает теорию, другой пишет краткое условие одной задачи на доске. (Другая задача этой группы может быть проверена выборочно на этом же уроке или на следующем.) Отвечать теорию и объяснять задачи должны уметь все члены группы; поощряется использование дополнительного материала в теоретической части.
Задачи в тетрадях пишут все ученики.
Четкая организация работы приводит к активной деятельности всех ребят. Координаторы групп в конце урока сдают листы, на которых отмечают вклад членов группы в ее работу.
Деятельность групп и отдельных учеников окончательно оценивает учитель.
Образец листа.
Теоретическая часть
1. Изохорный процесс.
2. Изотермический процесс.
3. Изобарный процесс.
4. Адиабатный процесс.
5. Теплообмен в замкнутой системе.
Практическая часть
1. В цилиндре под поршнем находится 1.25 кг воздуха. Для его нагревания на 40С при постоянном давлении было затрачено 5 кДж теплоты. Определите изменение внутренней энергии газа.
2. 0,02 кг углекислого газа нагревают при постоянном объеме. Определите изменение внутренней энергии газа при нагревании от 200С до 1080С (с = 655 Дж/(кг К)).
3. В теплоизолированном цилиндре с поршнем находится азот массой 0,3 кг при температуре 200С. Азот, расширяясь, совершает работу 6705 Дж. Определите изменение внутренней энергии азота и его температуру после расширения (с = 745 Дж/(кг К)).
4. Газу сообщают количество теплоты, в результате чего он изотермически расширяется от объема 2 л до объема 12 л. Начальное давление равно 1,2 106 Па. Определите работу, совершенную газом.
5. В стеклянную колбу массой 50 г, где находилось 185 г воды при 200С, вылили некоторое количество ртути при 1000С, и температура воды в колбе повысилась до 220С. Определите массу ртути.
6. 1,43 кг воздуха занимают при 00С объем 0,5м3. Воздуху сообщили некоторое количество теплоты и он изобарно расширился до объема 0,55м3. Найти совершенную работу, количество поглощенного тепла, изменения температуры и внутренней энергии воздуха.
7. В цилиндре под поршнем находится 1,5 кг кислорода. Поршень неподвижен. Какое количество теплоты необходимо сообщить газу, чтобы его температура повысилась на 80С? Чему равно изменение внутренней энергии? (сv= 675 Дж/(кг К))
8. В цилиндре под поршнем находится 1,6 кг кислорода при температуре 170С и давлении 4·105 Па. Газ совершил работу при изотермическом расширении 20Дж. Какое количество теплоты сообщено газу? Чему равно изменение внутренней энергии газа? Каков был первоначальный объем газа?
9. Сколько теплоты выделится при конденсации 0,2 кг водяного пара, имеющего температуру 1000С, и при охлаждении полученной из него воды до 200С?
10. Цилиндр с газом помещен в теплонепроницаемую оболочку. Как будет изменяться температура газа, если постепенно увеличивать объем цилиндра? Чему равно изменение внутренней энергии газа, если будет совершена работа над газом 6000 Дж?
Автономное учреждение
профессионального образования
Ханты-Мансийского автономного округа – Югры
«СУРГУТСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»
Кузмауль Мария Сергеевна, преподаватель физики
Тема урока: Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам
Цель : ввести первый закон термодинамики как закон сохранения энергии термодинамической системы, раскрыть его физическое содержание при рассмотрении изопроцессов, сформировать умения использовать первый закон термодинамики для описания газовых процессов.
Задачи:
образовательные: изучить первый закон термодинамики как закон сохранения энергии термодинамической системы, раскрыть его физическое содержание при рассмотрении конкретных процессов, ввести понятие об изотермическом, изобарном, изохорном, адиабатном процессе, сформировать умения использовать первый закон термодинамики для описания газовых процессов.
развивающие: развить навыки применения первого закона термодинамики при решении задач, научить составлять алгоритм решения задач, развить познавательного интерес.
воспитывающие: воспитывать мировоззрение учащихся на основе метода научного познания природы.
Оборудование к уроку : мультимедийный проектор, экран, таблица, пробирка с пробкой, термометр, вода, лист бумаги, таблица "удельная теплоемкость различных веществ".
Тип урока: комбинированный
Методы ведения урока: письменный опрос, беседа, метод алгоритмизации, использование ИКТ.
План урока.
Этапы урокаВремя, мин.
Приёмы и методы
1. Организационный момент
2. Проверка знаний
Письменный опрос, практическая работа.
3. Изучение новой темы
Рассказ, демонстрации, записи в тетрадях, диалог
4. Закрепление материала (Решение задач)
Решение задач, ответы на вопросы
5. Рефлексия
Ответы на вопросы
6. Домашнее задание с комментариями
Ход урока
Организационный момент урока.
Здравствуйте, сегодня мы продолжаем изучение главы «Основы термодинамики». Для начала повторим изученный материал прошлого урока, затем перейдём к изучению нового материала.
2. Проверка знаний по темам: "Кристаллические и аморфные тела. Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии":
I . Провести письменный опрос на 2 варианта:
1 вариант2 вариант
1. Что такое кристаллические тела?
1. Что такое аморфные тела?
2. Перечислите свойства кристаллических тел.
2. Перечислите свойства аморфных тел.
3. На доске приведен список различных тел: эбонит, жемчуг, пластмасса, алмаз, соль, стекло, каучук, графит, полиэтилен, янтарь, сода.
выбрать из списка аморфные тела
Ответ: эбонит, пластмасса, стекло, каучук, полиэтилен.
выбрать из списка кристаллические тела
Ответ: алмаз, соль, жемчуг, сода, графит
4. Общее задание (для всех вариантов) - объяснить на основе проведенного опыта наблюдаемые явления:
«Изменение внутренней энергии тела»
Опыт № 1. Приборы и материалы: 1) пробирка химическая, закрытая пробкой; 2) термометр; 3) цилиндр измерительный с носиком 100 мм с холодной водой; 4) лист бумаги; 5) таблица «Удельная теплоемкость веществ».
Порядок выполнения работы
Налейте в пробирку немного воды (8-10 г) и измерьте ее температуру.
Закройте пробирку пробкой и заверните в бумагу. Энергично встряхивайте воду в пробирке в течение 30-40 с.
Откройте пробирку и снова измерьте температуру воды.
Вычислите изменение внутренней энергии воды.
Результаты измерений и вычислений запишите в тетрадь.
Ответьте на вопросы:
Как изменялась внутренняя энергия воды во время опыта?
Каким способом вы изменяли внутреннюю энергию воды в опыте?
Зачем пробирку с водой необходимо было заворачивать в бумагу во время опыта?
Что можно сказать о зависимости изменения внутренней энергии тела от совершенной работы?
Опыт №2. Потрите ладони друг об друга. Что вы чувствуете? Почему ладони греются? (учащиеся объясняют, что внутренняя энергия изменяется за счёт совершения работы).
3. Изучение нового материала.
1). Повторить материал о внутренней энергии, способах изменения внутренней энергии и формулы расчета количества теплоты. Систематизировать материал темы в виде схемы, ответив на вопросы:
Что называем внутренней энергий?
Какими способами можно изменить внутреннюю энергию?
Что называется работой?
Что называем количеством теплоты?
Назовите процессы, сопровождающиеся выделением и поглощением тепла.
2). Изучение новой темы
Устная информация:
К середине XIX в. многочисленные опыты доказали, что механическая энергия никогда не пропадает бесследно. Падает, например, молот на кусок свинца, и свинец нагревается вполне определенным образом. Силы трения тормозя тела, которые при этом разогреваются
На основании множества подобных наблюдений и обобщения опытных фактов был сформулирован закон сохранения энергии:
Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.
Закон сохранения энергии управляет всеми явлениями природы и связывает их воедино. Он всегда выполняется абсолютно точно, неизвестно ни одного случая, когда бы этот великий закон не выполнялся.
Этот закон был открыт в середине XIX в. немецким ученым, врачом по образованию Р. Майером (1814-1878), английским ученым Д. Джоулем (1818-1889) и получил наиболее точную формулировку в трудах немецкого ученого Г. Гельмгольца (1821 - 1894).
Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.
В термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести которых практически не меняется. Механическая энергия таких тел остается постоянной, изменяться может лишь внутренняя энергия каждого тела.
Под запись:
Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:
∆U = A + Q .
Часто вместо работы А внешних тел над системой рассматривают работу А" системы над внешними телами. Учитывая, что А"=-А, первый закон термодинамики можно записать так:
Q =∆ U + A ′
Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами .
ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ К РАЗЛИЧНЫМ ПРОЦЕССАМ
Учащиеся записывают в виде таблицы полученную информацию от преподавателя.
(Комментарий: форма таблицы роздана на парты заранее, преподаватель работает с доской.).
Q=∆U+A′или
∆U=A+Q
Смотреть формулировку 1 закона термодинамики.
Адиабатный
Q = const
∆U = A
Изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы
С помощью первого закона термодинамики можно делать важные заключения о характере протекающих процессов. Рассмотрим различные процессы, при которых одна из физических величин остается неизменной (изопроцессы). Пусть система представляет собой идеальный газ. Это самый простой случай.
Изотермический процесс.
При изотермическом процессе (Т= const ) внутренняя энергия идеального газа не меняется. Согласно формуле все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы: Q = A " .
Если газ получает теплоту ( Q >0), то он совершает положительную работу (А">0). Если, напротив, газ отдает теплоту окружающей среде (термостату), то Q <0 и А"<0. Работа же внешних сил над газом в последнем случае положительна.
Изохорный процесс.
При изохорном процессе объем газа не меняется, и поэтому работа газа равна нулю. Изменение внутренней энергии равно количеству переданной плоты: ∆ U = Q .
Если газ нагревается, то Q >0 и ∆ U >0, его внутренняя энергия, увеличивается. При охлаждении газа Q <0 и ∆ U = U 2 - U l <0, изменение внутренней энергии отрицательно и внутренняя энергия газа уменьшается.
Изобарный процесс.
При изобарном процессе (P = const ) передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии и на совершение им работы при постоянном давлении.
Q =∆ U + A ′
Адиабатный процесс.
Рассмотрим теперь процесс, протекающий в системе, которая не обменивается теплотой с окружающими телами.
Процесс в теплоизолированной системе называют адиабатным.
При адиабатном процессе Q =0 и согласно уравнению изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы:
∆U = A .
Конечно, нельзя окружить систему оболочкой, абсолютно не допускающей теплопередачу. Но в ряде случаев можно считать реальные процессы очень близкими к адиабатным. Для этого они должны протекать достаточно быстро, так, чтобы за время процесса не произошло заметного теплообмена между системой и окружающими телами.
4. Закрепление (Решение задач).
Рассмотрим различные примеры задач на использование и применение первого закона термодинамики
В закрытом баллоне находится газ. При охлаждении его внутренняя энергия уменьшилась на 500 кДж. Какое количество теплоты отдал газ? Совершил ли он работу?Дано: ΔU = -500 Дж;
Найти: Q - ? А - ?
V = const - изохорный процесс
1) ∆U=Q - 1 закон термодинамики для нашего условия.
Q = -500 Дж
2) Т. к. объём не меняется: А = Р ΔV → А = 0 - газ работу не совершает.
Ответ: Q = -500 Дж; А = 0
знак «-» показывает, что газ выделяет количество теплоты
Задача-вопрос (качественный)
В сосуд, на дне которого была вода, накачали воздух. Когда открыли кран и сжатый воздух вырвался наружу, сосуд заполнился водяным туманом. Почему это произошло?
Если открыть кран, то воздух начнет расширяться и выходить наружу. Данный процесс происходит очень быстро и его можно рассматривать как адиабатное расширение. А при адиабатном расширении согласно первому закону термодинамики внутренняя энергия газа уменьшается а значит и температура уменьшается. При понижении температуры пар в сосуде становится насыщенным и происходит конденсация
Чте ние условия, анализ задачи (использование общих закономерностей) и решение.
Вспомнить что такое конденсация, насыщенный пар.
Графический
Идеальный газ переходит из состояния 1 в состояние 4 так, как показано на рисунке. Вычислите работу, совершаемую газом.
Вся работа, совершенная газом равна сумме работ на отдельных участках.
Для определения работы на каждом участке графика определяем:
какой параметр постоянный, исходя из этого определяем запись 1 закона термодинамики к данному процессу
На основе рассмотренных примеров решения задач учащиеся пытаются составить общий алгоритм решения задач. Затем преподаватель включается в деятельность и совместно с учащимися вносит корректировки в составление алгоритма.
Общий алгоритм решения задач по термодинамике
1. Внимательно прочитать условие задачи, определить тип задачи;
2. Записать краткое условие задачи;
3. Перевести единицы измерения в СИ (если требуется);
4. Определить параметры p,V и T, характеризующие каждое состояние газа. Записать 1 закон термодинамики для необходимого процесса, дополнительные формулы, если потребуются (для расчета внутренней энергии, работы, количества теплоты, газовые законы);
6. Провести математические преобразования и расчёты;
7. Проанализировать полученный результат и записать ответ.
5. Рефлексия
Сегодня на уроке мы изучили первый закон термодинамики, раскрыли его физическое содержание при рассмотрении изопроцессов – изотермического, изобарного, изохорного, адиабатного, научились использовать первый закон термодинамики для описания газовых процессов.
6. Домашнее задание: изучить § 78, 79, выучить конспект в тетради, выполнить упр.15 (№7,8)
Список литературы:
Каменецкий С.Е., Орехов В.П. Методика решения задач по физике в средней школе: Пособие для учителей. - М.: Просвещение, 1971. - 448 с.
Усова А.В. Практикум по решению физических задач: пособие для студентов физ.-мат. ф-тов/ А.В. Усова, Н.Н. Тулькибаева. - М.: Просвещение, 2001. - 208 с.
Цель урока: сформулировать закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления, привести данные об истории открытия закона, развивать умение решения задач с использованием закона сохранения энергии для тепловых процессов.
Ход урока
Проверка домашнего задания методом выполнения самостоятельной работы
Вариант – 1
1. Что называют внутренней энергией тела?
2. Формула для вычисления работы газа.
3. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа от каких величин находится в зависимости?
4. 4. Какая физическая величина вычисляется по формуле 3Р V/2 ?
5. При постоянном давлении 105 Па объем воздуха, находящийся в квартире, увеличился на 20дм³. Газ при этом совершил работу, найти чему она равна? (2 кДж)
Вариант – 2
1. Что называется количеством теплоты?
2. Запишите формулу для расчета внутренней энергии.
3. Когда работа газа считается положительной, а в когда – отрицательной?
4. Какая физическая величина вычисляется по формуле 3 γ RT/2?
5. Какую работу
Совершают внешние силы при сжатии газа от 0,3 м³ до 0,1 м³, если давление при этом остается неизменным и равным 100 кПа? (20 кДж)
Обсуждение вопросов
1. Как вычислить количество теплоты, нужное для нагревания тел на определенную температуру?
2. Что называется удельной теплоемкостью?
3. Как вычислить количество теплоты, нужное для превращения жидкости массой m, взятой при температуре кипения, в пар?
4. Какая величина является удельной теплотой парообразования? Конденсации?
5. Какую формулу применяют для расчета количества теплоты, нужного для того, чтобы расплавить кристаллическое тело массой m, взятое при температуре плавления.
6. Какая величина является удельной теплотой плавления?
7. В каких случаях в формулах используется знак минус (–)?
Изучение нового материала
1. Историческая справка
В середине 19 века на основе работ, выполненных несколькими учеными (независимо друг от друга) был сформулирован закон сохранения энергии для тепловых процессов. Этот закон, позднее, получил название: «Первого закона термодинамики». Немецкий ученый Р. Майер выдвинул теоретические предпосылки закона. Английский физик Д. Джоуль провел его опытные обоснования и измерения. Немецкий ученый Г. Гельмгольц получил математическую формулу закона, обобщил и распространил, полученные результаты на все явления природы.
2. Формулировка 1-го закона термодинамики для случаев, если:
а) работа совершается над газом: Δ U = Q + A;
б) работу совершает газ: Δ U = Q – A;
3. Объяснение невозможности создания вечного двигателя.
Если Q = 0; то ΔU = – A или – ΔU = A. То есть двигатель перестанет работать, если будет исчерпан весь запас внутренней энергии. Первый закон термодинамики объясняет теоретическую невозможность создания вечного двигателя. Но еще до открытия этого закона многовековая практика привела ученых к выводу: нельзя совершать работу без затраты внешней энергии.
Так еще Леонардо да Винчи писал: «О, искатели постоянного двигателя, сколько пустых проектов создали вы в подобных поисках».
В 1775 году Французская академия наук заявила: « Построение вечного двигателя абсолютно невозможно», – и перестала рассматривать любые проекты вечных двигателей.
Закрепление изученного материала
Задача. Чему равна работа, совершенная газом, взятым в количестве 2моль, если нагревание его на 50 К происходит при V = соnst? Изменилась ли его внутренняя энергия при этом?
Решение. Aʹ= P ΔV = m К ΔT/M = γ RΔT; Aʹ = 2·8,31·50 = 831 (Дж)
ΔU = 3 m RΔT/2 M = 3γ RΔT/2 ΔU = 1246 (Дж)
Q = ΔU + Aʹ Q = 2077 (Дж)
Подведем итоги урока.
Домашнее задание: §80, упр. 15 №3, 11.
- Цель урока: продолжить формирование умения выполнять термодинамическое описание процессов: вычисление работы, количества теплоты, внутренней энергии и других параметров системы, развивать навыки самостоятельно мыслить, решать задачи...
- Цель урока: проконтролировать знания и умения учащихся, приобретенные ими при изучении данной темы. Ход урока Организационный момент. Выполнение контрольной работы. Вариант – 1 (уровень –...
- Цель урока: сформировать представление о внутренней энергии тела как функции состояния тела, установить зависимость внутренней энергии идеального газа от макроскопических параметров, продолжить формирование умения применять...
- Цель урока: вывести формулу для определения работы расширяющегося газа при постоянном давлении, познакомить учащихся с геометрической интерпретацией работы для изобарного процесса и в случае, когда...
- Цель урока: продолжить изучение 1-го закона термодинамики, рассмотреть изопроцессы с новой, энергетической точки зрения, дать понятие об адиабатическом процессе, познакомить учащихся с алгоритмом решения задач...
- Цель урока: установить зависимость между двумя термодинамическими параметрами при неизменном значении третьего, формировать умение объяснять законы с молекулярной точки зрения, научится изображать графики изопроцессов. Ход...
- Цель урока: выяснить условия работы тепловых двигателей, обосновать невозможность создания вечного двигателя второго рода, сформировать понятие об идеальной тепловой машине Карно, формировать умение рассчитывать КПД...
- Люди учатся у животных Индия, в которой родился Киплинг, была английской колонией. И маленький Редьярд чувствовал себя бабу, властелином двух миров – мира белых господ...
- Цель урока: ознакомить учащихся со вторым законом термодинамики, устанавливающим реально возможное направление протекания процессов в макроскопических системах, объяснить факт необратимости процессов в природе на основе...
Обобщающий урок по теме «термодинамика» Ум заключается не только в знании, но и умении прилагать знание на деле. Аристотель Цель урока: повторить основные понятия темы «Термодинамика», продолжить формирование умений описывать термодинамические процессы физическими величинами и законами, раскрыть роль и значение тепловых двигателей в современной цивилизации, уделить внимание контролю знаний учащихся. Ход урока: 1)Фронтальный опрос; 2)Выполнение заданий на соответствия; 3)кроссворд; 4)Решение задач; 5)Тест 6)Итог урока, д/з 1. Что такое внутренняя энергия тела? Ответ: Внутренняя энергия тела U - это физическая величина, равная сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул тела и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом. 2. По какой основной формуле мы можем рассчитать внутреннюю энергию идеального одноатомного газа? Ответ: U 3 m 2 M RT внутренняя энергия одноатомного идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре. 3. Если газ не одноатомный, то изменится ли формула? U 3 m 2 M RT Ответ: Если газ не одноатомный, то коэффициент перед температурой будет не, а другой, так как 3 сложные молекулы не только 2 движутся поступательно, но и вращаются. 4. Как определяется работа газа в термодинамике? Ответ: A" = pΔV работа, совершаемая газом, определяется давлением газа и изменением объема. его 5. Что такое количество теплоты? Ответ: Количество теплоты Q - это мера изменения внутренней энергии при теплообмене. 6. Напишите формулы для нахождения количества теплоты и объясните, какие величины входят в формулы. Ответ: 1. Q = cm Δ t – при нагревании и охлаждении тела массой m; с – удельная теплоёмкость тела; 2. Q = ± r m – при испарении и конденсации; r – удельная теплота парообразования; 3. Q = ± λ m – при плавлении и кристаллизации; λ – удельная теплота плавления. 7. Сформулируйте первый закон термодинамики. Ответ: ΔU = A + Q (Q = ΔU + A´) Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе. 8. О чём говорит второй закон термодинамики? Ответ: невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах (Клаузиус). 9. Тепловые машины - что это за устройства? Ответ: Тепловые машины - устройства, которые превращают внутреннюю энергию топлива в механическую. 10. Как можно рассчитать КПД тепловой машины? Ответ: η= Q1 Q 2 - КПД теплового двигателя Q 1 равен отношению работы газа к количеству теплоту, полученного от нагревателя. 11. Какую роль и значение имеют тепловые двигатели в современной цивилизации? К каждой позиции первого столбца подберите позицию второго столбца Р Т V m M ν R NA k t 10C 1 г/моль 1 кг 1 м3 1К 1,38*10-3Дж/К 6,02*1023моль-1 8,31 Дж/(моль*К) 1 моль-1 1 Па Поставьте соответствие между физическими величинами и единицами их измерения (в СИ) 1.масса газа [ Дж] 2.внутренняя энергия [Па] 3.давление газа [м3 ] 4.Количество вещества [ кг] 5.объем газа 6. абсолютная температура [моль] [K] Вспомним понятия!!! Кроссворд(в программе exele) Задача 2. Определите работу газа в циклическом процессе, показанном на рисунке. Решение А=S А =0 Дж 12 А23=0,5*0,1=0,05 Дж А31=0,05+(0,2-0,1)/2=0,1 Дж А=0,05 Дж Ответ А=0,05 Дж Задача 1. В одном цикле работы теплового двигателя его рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты 1,5 МДж. Какое количество теплоты оно отдает за цикл холодильнику, если КПД двигателя 0,2? Чему равна работа, совершаемая этим двигателем за 1 цикл? Ответ Решение η=(Q1- IQ2I)/Q1 Q2=(1- η) Q1 Q2=(1-0,2)*1,5МДж=1,2 МДж η=A/Q1 А= η*Q1 А= 0,2*1,5 МДж=0,3 МДж Ответ: 1,2 МДж; 0,3 МДж Определить температуру в конце такта сжатия в двигателе, если при этом давление увеличивается в 50 раз, а объем уменьшается в 15 раз Тест. Вариант.1 1. Над телом совершена работа внешними силами, и телу передано кол-во теплоты. Чему равно изменение внутренней энергии тела? А) ΔU = A Б) ΔU = Q В) ΔU = A + Q Г) ΔU = А - Q Д) ΔU = Q - A Вариант 2. 1. Тело получило количество теплоты и совершило работу. Чему равно изменение внутренней энергии тела? А) ΔU = Q - A‘ Б) ΔU В) ΔU Г) ΔU Д) ΔU = A" – Q = A" + Q = A" =Q Вариант 1. Вариант 2. 2. Идеальному газу передаётся количество теплоты таким образом, что в любой момент времени переданное количество теплоты равно работе, совершённой газом. Какой процесс осуществлен? А) Адиабатный Б) Изобарный В) Изохорный Г) Изотермический Д) Это мог быть любой процесс Е) Никакого процесса не было 2. Идеальный газ передал окружающим телам кол-во теплоты таким образом, что в любой момент времени переданное количество теплоты равно изменению внутренней энергии тела. Какой процесс был осуществлен? А) Изотермический Б) Изохорный В) Изобарный Г) Адиабатный Д) Это мог быть любой процесс Е)Никакого процесса не было Вариант 1. 3. Идеальный газ переходит из состояния 1 в состояние 2 в процессе, представленном на диаграмме p –V рисунка 1. Какая работа совершена в этом процессе? Вариант 2. 3. Идеальный газ переходит из состояния 1 в состояние 2 в процессе, представленном на диаграмме p –V рисунка 1. Какая работа совершена в этом процессе? А) Газ совершил работу 200 Дж. Б) Внешние силы совершили работу над газом 200 Дж. В) Газ совершил работу 400 Дж. Г) Внешние силы совершили работу над газом 400 Дж. Д) Работа равна нулю. А) Газ совершил работу 200 Дж. Б) Внешние силы совершили работу над газом 200 Дж. В) Газ совершил работу 400 Дж. Г) Внешние силы совершили работу над газом 400 Дж. Д) Работа равна нулю. Вариант 1. 4. Что служит рабочим телом в двигателе автомобиля? А) Воздух Б) Вода В) Бензин Г) Поршень Д)Цилиндр Вариант 2. 4. Что служит рабочим телом в реактивном двигателе самолёта? А) Турбина Б) Вода В) Горючее Г) Воздух Д) Крылья Вариант 1. 5. Какое максимально возможное КПД тепловой машины, использующей нагреватель с температурой 427°С и холодильник с температурой 27°С? А) ~ 0,06 Б) ~ 0,57 В) ~ 0,94 Г) ~ 0,43 Д) ~ 0,70 Вариант 2. 5. Какое максимально возможное КПД тепловой машины, использующей нагреватель с температурой 527°С и холодильник с температурой 27°С? А) ~ 0,95 Б) ~ 0,73 В) ~ 0,38 Г) ~ 0,63 Д) ~0,05 Вариант 1. 6. Идеальный одноатомный газ неизменной массы совершает циклический процесс, показанный на рисунке. За цикл от нагревателя газ получает количество теплоты Qн=8 кДж. Чему равна работа газа за цикл? р 1 Вариант 2. 6. Один моль одноатомного идеального газа совершает процесс 1-2-3,где Т0=100к. На участке2-3 к газу подводят количество теплоты Q=2,5 кДж. Найдите отношение работы А123, совершаемой газом в ходе процесса, к количеству теплоты Q123, поглощенному газом т 3т 2 2Ро 0 Ро т 0 3 v 0 3v 0 v р Д/з Повторить понятия, формулы. Индивидуальные задания по задачнику.
Воспитательная цель: добиться усвоения учащимися закона сохранения и превращения энергии для тепловых процессов - первого закона термодинамики; показать практическую значимость закона
Основные знания и умения: знать формулировку закона, определение адиабатного процесса и уметь интерпретировать природные явления на основе законов термодинамики
Оргмомент (сообщить план урока) СЛАЙД 1
Повторение изученного материала: дать названия различным процессам на графике, выбрать формулы для каждого участка, ответить на вопросы СЛАЙДЫ 2 - 4
1. Почему на двух участках не меняется температура?
2. Что происходит с молекулами на каждом участке?
3. В каких случаях Q>0 и Q<0?
4. В каком состоянии находится вещество на этих участках?
5. Дать определение изопроцессам.
6. Что называется внутренней энергией и от чего она зависит?
7. В каком случае газ совершает работу? От чего зависит знак работы?
8. Что называется количеством теплоты?
9. Какие формулы мы применяем при расчете количества теплоты?
3. Решение задач. Пока производится устный опрос, остальные учащиеся решают задачи на
расчет количества теплоты по вариантам СЛАЙД 5
Проверка решения задач
Повторение: способы изменения внутренней энергии
Повторение: закон сохранения энергии и примеры его проявления в природе
Первый закон термодинамики: определение и формула (записать)
Первый закон термодинамики для изохорного процесса (записать)
Первый закон термодинамики для изотермического процесса (записать)
Первый закон термодинамики для изобарного процесса (записать)
Адиабатный процесс (записать). Рассмотреть примеры
Уравнение теплового баланса (записать)
Образец решение задачи на уравнение теплового баланса (записать)
Итоги урока:
1. Формулировкапервого закона
2. Как изменяется уравнение для разных процессов?
3. Какой процесс называется адиабатным?
4. Примеры адиабатных процессов?
5. Почему охлаждается атмосфера при удалении от поверхности Земли?
15. Домашнее задание:
Знать формулировки закона
Первый закон термодинамики
На рис. 3.9.1 условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную работу над окружающими телами.
Рисунок 3.9.1.
Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы.
Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.
Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:
Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.
Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:
Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.
Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней энергии.
Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.
В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0. Следовательно,
Q = ΔU = U(T2) - U(T1).
Здесь U(T1) и U(T2) - внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).
В изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается соотношением
A = p(V2 - V1) = pΔV.
Первый закон термодинамики для изобарного процесса дает:
Q = U(T2) - U(T1) + p(V2 - V1) = ΔU + pΔV.
При изобарном расширении Q > 0 - тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 - тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.
В изотермическом процессе температура газа не изменяется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU = 0.
Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением
Количество теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического расширения, превращается в работу над внешними телами. При изотермическом сжатии работа внешних сил, произведенная над газом, превращается в тепло, которое передается окружающим телам.
Наряду с изохорным, изобарным и изотермическим процессами в термодинамике часто рассматриваются процессы, протекающие в отсутствие теплообмена с окружающими телами. Сосуды с теплонепроницаемыми стенками называются адиабатическими оболочками, а процессы расширения или сжатия газа в таких сосудах называются адиабатическими.
Модель. Адиабатический процесс.
В адиабатическом процессе Q = 0; поэтому первый закон термодинамики принимает вид
т. е. газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии.
На плоскости (p, V) процесс адиабатического расширения (или сжатия) газа изображается кривой, которая называется адиабатой. При адиабатическом расширении газ совершает положительную работу (A > 0); поэтому его внутренняя энергия уменьшается (ΔU < 0). Это приводит к понижению температуры газа. Вследствие этого давление газа при адиабатическом расширении убывает быстрее, чем при изотермическом расширении (рис. 3.9.2).
Рисунок 3.9.2.
Семейства изотерм (красные кривые) и адиабат (синие кривые) идеального газа.
В термодинамике выводится уравнение адиабатического процесса для идеального газа. В координатах (p, V) это уравнение имеет вид
Это соотношение называют уравнением Пуассона. Здесь γ = Cp / CV - показатель адиабаты, Cp и CV - теплоемкости газа в процессах с постоянным давлением и с постоянным объемом (см. §3.10). Для одноатомного газа для двухатомного для многоатомного
Работа газа в адиабатическом процессе просто выражается через температуры T1 и T2 начального и конечного состояний:
A = CV(T2 - T1).
Адиабатический процесс также можно отнести к изопроцессам. В термодинамике важную роль играет физическая величина, которая называется энтропией (см. §3.12). Изменение энтропии в каком-либо квазистатическом процессе равно приведенному теплу ΔQ / T, полученному системой. Поскольку на любом участке адиабатического процесса ΔQ = 0, энтропия в этом процессе остается неизменной.
Адиабатический процесс (так же, как и другие изопроцессы) является процессом квазистатическим. Все промежуточные состояния газа в этом процессе близки к состояниям термодинамического равновесия (см. §3.3). Любая точка на адиабате описывает равновесное состояние.
Не всякий процесс, проведенный в адиабатической оболочке, т. е. без теплообмена с окружающими телами, удовлетворяет этому условию. Примером неквазистатического процесса, в котором промежуточные состояния неравновесны, может служить расширение газа в пустоту. На рис. 3.9.3 изображена жесткая адиабатическая оболочка, состоящая из двух сообщающихся сосудов, разделенных вентилем K. В первоначальном состоянии газ заполняет один из сосудов, а в другом сосуде - вакуум. После открытия вентиля газ расширяется, заполняет оба сосуда, и устанавливается новое равновесное состояние. В этом процессе Q = 0, т.к. нет теплообмена с окружающими телами, и A = 0, т.к. оболочка недеформируема. Из первого закона термодинамики следует: ΔU = 0, т. е. внутренняя энергия газа осталась неизменной. Так как внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, температуры газа в начальном и конечном состояниях одинаковы - точки на плоскости (p, V, изображающие эти состояния, лежат на одной изотерме. Все промежуточные состояния газа неравновесны и их нельзя изобразить на диаграмме.