Pamokos "Pirmasis termodinamikos dėsnis. Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas šiluminiams procesams" pristatymas. Didaktinis tikslas: suformuluoti pirmąjį termodinamikos dėsnį ir apsvarstyti jo pritaikymą įvairiuose procesuose Pamoka tema pirmasis tų dėsnis.

08.11.2019 Strazdas

Ugdymo tikslas: pasiekti, kad studentai įsisavintų šilumos procesų energijos tvermės ir transformacijos dėsnį – pirmąjį termodinamikos dėsnį; parodyti praktinę įstatymo reikšmę

Pagrindinės žinios ir gebėjimai: žinoti dėsnio formulavimą, adiabatinio proceso apibrėžimą ir gebėti interpretuoti gamtos reiškinius remiantis termodinamikos dėsniais

Organizacinis momentas (informacinis pamokos planas) 1 SKAIDRĖ
Studijuotos medžiagos kartojimas: grafike įvardykite įvairius procesus, kiekvienam skyriui pasirinkite formules, atsakykite į klausimus 2 - 4 SKAIDRĖS

1. Kodėl abiejose srityse temperatūra nesikeičia?

2. Kas nutinka kiekvienoje vietoje esančioms molekulėms?

3. Kokiais atvejais Q> 0 ir Q<0?

4. Kokia medžiagos būklė šiose srityse?

5. Apibrėžkite izoprocesus.

6. Kas vadinama vidine energija ir nuo ko ji priklauso?

7. Kada veikia dujos? Nuo ko priklauso darbo ženklas?

8. Kas vadinamas šilumos kiekiu?

9. Kokiomis formulėmis apskaičiuojame šilumos kiekį?

3. Problemų sprendimas. Kol vyksta žodinė apklausa, likę mokiniai toliau sprendžia problemas

šilumos kiekio apskaičiavimas pagal variantus 5 SKAIDRĖ

Problemų sprendimo tikrinimas
Kartojimas: būdai keistis vidinė energija
Kartojimas: energijos tvermės dėsnis ir jo pasireiškimo gamtoje pavyzdžiai
Pirmasis termodinamikos dėsnis: apibrėžimas ir formulė (užsirašykite)
Pirmasis izochorinio proceso termodinamikos dėsnis (užsirašykite)
Pirmasis izoterminio proceso termodinamikos dėsnis (užsirašykite)
Pirmasis izobarinio proceso termodinamikos dėsnis (užsirašykite)
Adiabatinis procesas (užsirašykite). Apsvarstykite pavyzdžius
Šilumos balanso lygtis (užsirašykite)
Šilumos balanso lygties uždavinio sprendimo pavyzdys (užsirašykite)
Pamokos santrauka:

1. Pirmojo dėsnio formulavimas

2. Kaip keičiasi lygtis skirtingiems procesams?

3. Koks procesas vadinamas adiabatiniu?

4. Adiabatinių procesų pavyzdžiai?

5. Kodėl atmosfera atvėsta nutolusi nuo Žemės paviršiaus?

15. Namų darbai:

Žinokite įstatymo formuluotę

Pirmasis termodinamikos dėsnis

Fig. 3.9.1 sutartinai vaizduoja energijos srautus tarp pasirinktos termodinaminės sistemos ir aplinkinių kūnų. Q> 0 reikšmė, jei šilumos srautas nukreiptas į termodinaminę sistemą. Reikšmė A> 0, jei sistema atlieka teigiamą poveikį aplinkiniams kūnams.

3.9.1 pav.

Energijos mainai tarp termodinaminės sistemos ir aplinkinių kūnų dėl šilumos mainų ir atliekamo darbo.

Jei sistema keičiasi šiluma su aplinkiniais kūnais ir atlieka darbą (teigiamą arba neigiamą), tai keičiasi sistemos būsena, tai yra, keičiasi jos makroskopiniai parametrai (temperatūra, slėgis, tūris). Kadangi vidinę energiją U vienareikšmiškai lemia sistemos būseną apibūdinantys makroskopiniai parametrai, iš to išplaukia, kad šilumos mainų procesus ir darbo atlikimą lydi sistemos vidinės energijos ΔU pokytis.

Pirmasis termodinamikos dėsnis yra termodinaminės sistemos energijos tvermės ir transformacijos dėsnio apibendrinimas. Jis suformuluotas taip:

Neizoliuotos termodinaminės sistemos vidinės energijos pokytis ΔU yra lygus skirtumui tarp sistemai perduoto šilumos kiekio Q ir sistemos atliekamo darbo A virš išorinių kūnų.

Santykis, išreiškiantis pirmąjį termodinamikos dėsnį, dažnai rašomas kitokia forma:

Sistemos gaunamas šilumos kiekis naudojamas jos vidinei energijai keisti ir išoriniams kūnams dirbti.

Pirmasis termodinamikos dėsnis yra eksperimentinių faktų apibendrinimas. Pagal šį dėsnį energija negali būti sukurta ar sunaikinta; jis perduodamas iš vienos sistemos į kitą ir keičiasi iš vienos formos į kitą. Svarbi pirmojo termodinamikos dėsnio pasekmė yra teiginys apie tai, kad neįmanoma sukurti mašinos, galinčios atlikti naudingą darbą, nenaudodamos energijos iš išorės ir be jokių pokyčių pačios mašinos viduje. Tokia hipotetinė mašina vadinama pirmosios rūšies perpetuum mobile. Daugybė bandymų sukurti tokią mašiną visada baigėsi nesėkme. Bet kuri mašina gali atlikti teigiamą darbą A ant išorinių kūnų tik gaudama tam tikrą šilumos kiekį Q iš aplinkinių kūnų arba sumažindama savo vidinę energiją ΔU.

Pirmąjį termodinamikos dėsnį taikykime izoprocesams dujose.

Izochoriniame procese (V = const) dujos neveikia, A = 0. Todėl

Q = ΔU = U (T2) - U (T1).

Čia U (T1) ir U (T2) yra pradinės ir galutinės dujų vidinės energijos. Idealių dujų vidinė energija priklauso tik nuo temperatūros (Džaulio dėsnis). Izochorinio šildymo metu dujos sugeria šilumą (Q> 0), o jų vidinė energija didėja. Atvėsus šiluma perduodama išoriniams kūnams (Q< 0).
Izobariniame procese (p = const) dujų atliktas darbas išreiškiamas ryšiu

A = p (V2 - V1) = pΔV.

Pirmasis izobarinio proceso termodinamikos dėsnis suteikia:

Q = U (T2) - U (T1) + p (V2 - V1) = ΔU + pΔV.

Kai izobarinis plėtimasis Q> 0, dujos sugeria šilumą ir dujos atlieka teigiamą darbą. Esant izobariniam suspaudimui Q< 0 - тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.
Izoterminiame procese dujų temperatūra nekinta, todėl nekinta ir dujų vidinė energija, ΔU = 0.

Pirmasis izoterminio proceso termodinamikos dėsnis išreiškiamas ryšiu

Šilumos kiekis Q, kurį dujos gauna izoterminio plėtimosi procese, virsta išorinių kūnų darbu. Esant izoterminiam suspaudimui, išorinių jėgų, veikiančių dujas, darbas virsta šiluma, kuri perduodama aplinkiniams kūnams.

Kartu su izochoriniais, izobariniais ir izoterminiais procesais termodinamika dažnai atsižvelgia į procesus, kurie vyksta nesant šilumos mainų su aplinkiniais kūnais. Indai su karščiui nepralaidžiomis sienelėmis vadinami adiabatiniais apvalkalais, o dujų išsiplėtimo ar susitraukimo procesai tokiuose induose – adiabatiniais.

Modelis. Adiabatinis procesas.

Adiabatiniame procese Q = 0; todėl pirmasis termodinamikos dėsnis įgauna formą

tai yra, dujos veikia dėl savo vidinės energijos praradimo.

Plokštumoje (p, V) dujų adiabatinio plėtimosi (arba susitraukimo) procesas pavaizduotas kreive, vadinama adiabatu. Adiabatinio plėtimosi metu dujos atlieka teigiamą darbą (A> 0); todėl jo vidinė energija mažėja (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).

3.9.2 pav.

Idealiųjų dujų izotermų (raudonų kreivių) ir adiabatų (mėlynųjų kreivių) šeimos.

Termodinamikoje išvesta idealių dujų adiabatinio proceso lygtis. Koordinatėse (p, V) ši lygtis turi formą

Šis santykis vadinamas Puasono lygtimi. Čia γ = Cp / CV yra adiabatinis eksponentas, Cp ir CV yra dujų šiluminė talpa procesuose esant pastoviam slėgiui ir pastoviam tūriui (žr. §3.10). Vienaatominėms dujoms – dviatomėms – daugiaatomėms

Dujų darbas adiabatiniame procese tiesiog išreiškiamas pradinės ir galutinės būsenos T1 ir T2 temperatūromis:

A = CV (T2 - T1).

Adiabatinis procesas taip pat gali būti vadinamas izoprocesais. Termodinamikoje svarbus vaidmuo vaidina fizinį dydį, vadinamą entropija (žr. §3.12). Bet kurio kvazistatinio proceso entropijos pokytis yra lygus sistemos gautai sumažintai šilumai ΔQ / T. Kadangi bet kurioje adiabatinio proceso vietoje ΔQ = 0, šio proceso entropija išlieka nepakitusi.

Adiabatinis procesas (kaip ir kiti izoprocesai) yra kvazistatinis procesas. Visos tarpinės dujų būsenos šiame procese yra artimos termodinaminės pusiausvyros būsenoms (žr. §3.3). Bet kuris adiabato taškas apibūdina pusiausvyros būseną.

Ne kiekvienas procesas, atliekamas adiabatiniame apvalkale, ty be šilumos mainų su aplinkiniais kūnais, atitinka šią sąlygą. Nekvazistatinio proceso, kai tarpinės būsenos yra nesubalansuotos, pavyzdys yra dujų išsiplėtimas į tuštumą. Fig. 3.9.3 pavaizduotas standus adiabatinis apvalkalas, susidedantis iš dviejų susisiekiančių indų, atskirtų vožtuvu K. Pradinėje būsenoje dujos užpildo vieną iš indų, o kitame inde – vakuumą. Atidarius vožtuvą, dujos išsiplečia, užpildo abu indus ir susidaro nauja pusiausvyros būsena. Šiame procese Q = 0, nes nevyksta šilumos mainai su aplinkiniais kūnais, o A = 0, nes apvalkalas nedeformuojamas. Iš pirmojo termodinamikos dėsnio išplaukia: ΔU = 0, t.y. vidinė dujų energija išlieka nepakitusi. Kadangi idealių dujų vidinė energija priklauso tik nuo temperatūros, dujų temperatūra pradinėje ir galutinėje būsenoje yra vienoda – plokštumos taškai (p, V, reiškiantys šias būsenas, yra toje pačioje izotermoje. Visos tarpinės dujų būsenos yra nesubalansuotos ir negali būti pavaizduotos diagramoje.

Pamokos tikslai:

gilinti žinias apie izoprocesus, lavinti šios temos problemų sprendimo įgūdžius, ugdyti bendravimo įgūdžius, įgūdžius, mokyti savęs vertinti.

Per užsiėmimus

Pasiruošimas darbui grupėse.

Darbas su klase (žodžiu).

Kas vadinama vidine energija?

Kaip galima pakeisti vidinę dujų energiją?

Kaip nustatyti šilumos kiekį, reikalingą kūnui sušildyti?

Parašykite trijų kūnų šilumos balanso lygtį.

Kada šilumos kiekis yra neigiamas?

Kaip nustatyti dujų darbą plėtimosi metu?

Kuo skiriasi dujų ir išorinių jėgų darbas?

Suformuluokite pirmąjį termodinamikos dėsnį išorinių jėgų darbui.

Suformuluokite pirmąjį dujų darbo termodinamikos dėsnį.

Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas izochoriniam procesui.

Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas izobariniam procesui.

Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas izoterminiam procesui.

Koks procesas vadinamas adiabatiniu?

Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas adiabatiniam procesui.

Grupinis darbas.

Kiekviena grupė gauna lapą, kuriame nurodomos teorinės užduotys ir užduotys. Teorinėje dalyje yra penki klausimai. Grupė paima klausimą, atitinkantį jos numerį, kad pasiruoštų atsakymui. Praktinėje dalyje yra dešimt uždavinių, po du kiekvienai teorijoje nurodytai temai. Užduotys išdėstytos atsitiktine tvarka. Tai reiškia, kad studentai pirmiausia turi rasti problemas, atitinkančias jų teorinį klausimą, o tada išspręsti. Papildomi duomenys problemoms spręsti paimti iš žinynų.

Pasibaigus grupių darbui, paeiliui iš kiekvienos grupės kviečiami po du mokinius: vienas atsako į teoriją, kitas lentoje užrašo trumpą vienos problemos teiginį. (Kita šios grupės užduotis gali būti patikrinta pasirinktinai toje pačioje pamokoje arba kitoje.) Visi grupės nariai turi mokėti atsakyti į teoriją ir paaiškinti užduotis; panaudojimas papildomos medžiagos teorinėje dalyje.

Visi mokiniai rašo užduotis į sąsiuvinius.

Aiškus darbo organizavimas skatina aktyvų visų vaikinų veiklą. Pamokos pabaigoje grupės koordinatoriai atverčia lapą, kuriame pažymi grupės narių indėlį į jos darbą.

Grupių ir atskirų mokinių veiklą galiausiai įvertina mokytojas.

Pavyzdinis lapas.

Teorinė dalis

1. Izochorinis procesas.

2. Izoterminis procesas.

3. Izobarinis procesas.

4. Adiabatinis procesas.

5. Šilumos perdavimas uždaroje sistemoje.

Praktinė dalis

1. Cilindre po stūmokliu yra 1,25 kg oro. Norint jį pašildyti iki 40C esant pastoviam slėgiui, sunaudota 5 kJ šilumos. Nustatykite dujų vidinės energijos kitimą.

2. 0,02 kg anglies dvideginio kaitinama esant pastoviam tūriui. Nustatykite dujų vidinės energijos kitimą kaitinant nuo 200C iki 1080C (c = 655 J / (kg K)).

3. Termiškai izoliuotame cilindre su stūmokliu yra 0,3 kg svorio azoto, kurio temperatūra 200C. Azotas, besiplečiantis, atlieka 6705 J darbą. Nustatykite azoto vidinės energijos ir jo temperatūros kitimą išsiplėtus (c = 745 J / (kg K)).

4. Dujoms tiekiamas šilumos kiekis, dėl kurio jos izotermiškai plečiasi nuo 2 litrų tūrio iki 12 litrų tūrio. Pradinis slėgis yra 1,2 106 Pa. Apibrėžkite dujų atliekamą darbą.

5. Į 50 g sveriančią stiklinę kolbą, kurioje buvo 185 g 200C temperatūros vandens, buvo supiltas tam tikras 1000C temperatūros gyvsidabrio kiekis, kolboje vandens temperatūra pakilo iki 220C. Nustatykite gyvsidabrio masę.

6. 0,5 m3 tūrį 00C temperatūroje užima 1,43 kg oro. Orui buvo suteiktas tam tikras šilumos kiekis ir jis izobariškai išsiplėtė iki 0,55 m3 tūrio. Raskite tobulą darbą, sugeriamos šilumos kiekį, temperatūros pokyčius ir vidinę oro energiją.

7. Cilindre po stūmokliu yra 1,5 kg deguonies. Stūmoklis stovi. Kiek šilumos turi būti tiekiama dujoms, kad jų temperatūra pakiltų 80C? Kam lygus vidinės energijos pokytis? (cv = 675 J / (kg K))

8. Cilindre po stūmokliu yra 1,6 kg deguonies esant 170C temperatūrai ir 4 · 105 Pa slėgiui. Dujos atliko darbą esant 20 J izoterminiam plėtimuisi. Kiek šilumos perduodama dujoms? Kaip keičiasi dujų vidinė energija? Koks buvo pradinis dujų tūris?

9. Kiek šilumos išsiskirs kondensuojantis 0,2 kg vandens garų, kurių temperatūra 1000C, o iš jo gautą vandenį atvėsus iki 200C?

10. Dujų balionas yra uždengtas karščiui atspariu apvalkalu. Kaip pasikeis dujų temperatūra, jei baliono tūris bus palaipsniui didinamas? Kaip pasikeis dujų vidinė energija, jei dirbama su 6000 J dujomis?

Peržiūros klausimai:

Kas yra vidinė energija?
Kokie yra būdai pakeisti vidinę energiją?
Kaip nustatyti dujų veikimą?
Kaip nustatyti šilumos kiekį?
Paaiškinkite konkrečių vertybių fizinę reikšmę.

Sistemos vidinės energijos pokytis jai pereinant iš vienos būsenos į kitą yra lygus išorinių jėgų darbo ir sistemai perduodamos šilumos kiekio sumai.

Sistemai perduotas šilumos kiekis patenka į sistemą atlikti darbus ir keisti jos vidinę energiją

Izoterminis procesas

(T = pastovus) :  U =0

Nes ΔT = 0, Δ U = 0 ir tada Q = A.

Jei Q

Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas izoprocesams

Izobarinis procesas:

(p = pastovus, Δp = 0 )

A = p  V = vR  T

0 "plotis = 640"

0, tada ΔU 0 - dujinis šildymas, jei Q "plotis = 640"

Izochorinis procesas.

1. Kas yra izochorinis procesas?

2. Nes ΔV = 0, → А = 0 → ΔU = Q

Jei Q 0, tai ΔU 0 yra dujinis šildymas, jei Q

Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas izoprocesams

Izochorinis procesas:

( V = pastovus): A = 0

0, tada Δ U0 - dujinis šildymas, jei Q "plotis = 640"

Nes ΔV = 0, tada A = 0 ir ΔU = Q

Jei Q0, tai Δ U0 yra dujinis šildymas, jei Q

Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas izoprocesams

Adiabatinis procesas: procesas, vykstantis be šilumos mainų su aplinka.

Q = 0

Temperatūra keičiasi tik dėl atliekamo darbo

Adiabatinis procesas

Visi greiti procesai ir procesai, vykstantys termiškai izoliuotoje aplinkoje, gali būti laikomi adiabatiniais.

Adiabatas yra statesnis už bet kurią jį kertančią izotermą.

Ciklinio proceso termodinamika.

Savavališkam cikliniam procesui 1–2–3–4–1 cikle dujų atliktas darbas yra skaitiniu būdu lygus ciklo diagramos apribotam figūros plotui koordinatėmis p – V

Gamtoje vykstančių procesų negrįžtamumas .

Negrįžtami – procesai, galintys spontaniškai vykti tik viena kryptimi. Priešinga kryptimi jie gali tęstis tik kaip viena iš sudėtingesnio proceso grandžių.

Kas atsitiks su švytuoklių siūbavimu laikui bėgant?

Visi procesai gamtoje NEAPGRAMINAMAS!

II termodinamikos dėsnis.

Klausiaus formuluotė(1850): procesas, kurio metu šiluma savaime pereitų iš mažiau įkaitintų kūnų į labiau įkaitintus kūnus, neįmanomas.
Tomsono formuluotė(1851): neįmanomas žiedinis procesas, kurio vienintelis rezultatas būtų darbo gamyba sumažinant vidinę energiją.
Klausiaus formuluotė(1865): visi spontaniški procesai uždaroje nepusiausvyros sistemoje vyksta ta kryptimi, kuria didėja sistemos entropija; šiluminės pusiausvyros būsenoje ji yra didžiausia ir pastovi.
Boltzmanno formuluotė(1877): uždara daugelio dalelių sistema spontaniškai pereina iš labiau tvarkingos būsenos į mažiau tvarkingą. Savaiminis sistemos išėjimas iš pusiausvyros padėties yra neįmanomas. Boltzmannas įvedė kiekybinį sutrikimo matą sistemoje, kurią sudaro daugybė kūnų. entropija .

gilinti žinias apie izoprocesus,

lavinti šios temos problemų sprendimo įgūdžius,

ugdyti bendravimo įgūdžius, įgūdžius,

mokyti savigarbos.

Per užsiėmimus.

Pasiruošimas darbui grupėse.

Darbas su klase (žodžiu).

Kas vadinama vidine energija?

Kaip galima pakeisti vidinę dujų energiją?

Kaip nustatyti šilumos kiekį, reikalingą kūnui sušildyti?

Parašykite trijų kūnų šilumos balanso lygtį.

Kada šilumos kiekis yra neigiamas?

Kaip nustatyti dujų darbą plėtimosi metu?

Kuo skiriasi dujų ir išorinių jėgų darbas?

Suformuluokite pirmąjį termodinamikos dėsnį išorinių jėgų darbui.

Suformuluokite pirmąjį dujų darbo termodinamikos dėsnį.

Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas izochoriniam procesui.

Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas izobariniam procesui.

Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas izoterminiam procesui.

Koks procesas vadinamas adiabatiniu?

Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas adiabatiniam procesui.