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.

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?

Вопросы для повторения:

• Что такое внутренняя энергия?
• Назовите способы изменения внутренней энергии.
• Как определить работу газа?
• Как определить количество теплоты?
• Объясните физический смысл удельных величин.

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе.

• Количество теплоты, переданное системе идет на совершение системой работы и изменение её внутренней энергии

• Изотермический процесс

(T = const) :  U =0

Т.к. ΔT=0, Δ U=0 и тогда Q= A.

Если Q

Применение I закона термодинамики к изопроцессам

• Изобарный процесс:

(p = const, Δp=0 )

A = p  V = vR  T

0 " width="640"
0, то ΔU 0 – нагрев газа, если Q " width="640"

Изохорный процесс.

1. Что такое изохорный процесс?

2. Т.к. ΔV=0, → А=0 →ΔU=Q

• Если Q 0, то ΔU 0 – нагрев газа, если Q

Применение I закона термодинамики к изопроцессам

• Изохорный процесс:

( V = const): A = 0

0, то Δ U0 – нагрев газа, если Q" width="640"

Т.к. ΔV=0, то А=0 и ΔU=Q

Если Q0, то Δ U0 – нагрев газа, если Q

Применение I закона термодинамики к изопроцессам

• Адиабатный процесс: процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой.

Q=0

Температура меняется только за счет совершения работы

Адиабатный процесс

• Адиабатными можно считать все быстропротекающие процессы и процессы, происходящие в теплоизолированной среде.

Адиабата круче любой пересекающей её изотермы

Термодинамика циклического процесса.

Для произвольного циклического процесса 1–2–3–4–1 работа газа, совершенная им за цикл, численно равна площади фигуры, ограниченной диаграммой цикла в координатах p – V

Необратимость процессов в природе .

• Необратимые – процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направлении. В обратном направлении они могут протекать только как одно из звеньев более сложного процесса.

Что произойдет с колебаниями маятников с течением времени?

• Все процессы в природе НЕОБРАТИМЫ!

II закон термодинамики.

• Формулировка Клаузиуса (1850): невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходило бы от тел менее нагретых к телам более нагретым.
• Формулировка Томсона (1851): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии.
• Формулировка Клаузиуса (1865): все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.
• Формулировка Больцмана (1877): замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Невозможен самопроизвольный выход системы из положения равновесия. Больцман ввел количественную меру беспорядка в системе, состоящей из многих тел – энтропию .

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 4 0 С 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 20 0 С до 108 0 С (с = 655 Дж/(кг К)).
3. В теплоизолированном цилиндре с поршнем находится азот массой 0,3 кг при температуре 20 0 С. 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 10 6 Па. Определите работу, совершенную газом.
5. В стеклянную колбу массой 50 г, где находилось 185 г воды при 20 0 С, вылили некоторое количество ртути при 100 0 С, и температура воды в колбе повысилась до 22 0 С. Определите массу ртути.
6. 1,43 кг воздуха занимают при 0 0 С объем 0,5м 3 . Воздуху сообщили некоторое количество теплоты и он изобарно расширился до объема 0,55м 3 . 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 8 0 С? Чему равно изменение внутренней энергии? (с v = 675 Дж/(кг К))
8. В цилиндре под поршнем находится 1,6 кг кислорода при температуре 17 0 С и давлении 4·10 5 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 100 0 С, и при охлаждении полученной из него воды до 20 0 С?
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?

План-конспект урока по теме:

« Первый закон термодинамики»

Абрамова Тамара Ивановна, учитель физики

Цели: 1. Образовательная - сформулировать 1 закон термодинамики; рассмотреть следствия, вытекающие из него.

2. Развивающая – развитие способов мыслительной деятельности (анализ, сравнение, обобщение), развитие речи (владение физическими понятиями, терминами), развитие познавательного интереса учащихся.

3. Воспитательная – формирование научного мировоззрения, воспитание устойчивого интереса к предмету, положительного отношения к знаниям.

Организационные формы и методы обучения:

• Традиционные – беседа на вводном этапе урока

• Проблемные – изучение нового учебного материала путем постановочных вопросов

Средства обучения:

• Инновационные – компьютер, мультимедийный проектор
• Печатные – тестовые задания

Ход урока:

1. Организационный момент
2. Повторение домашнего задания :

• Какими способами можно изменить внутреннюю энергию системы? (за счет совершения работы, либо за счет теплообмена с окружающими телами)
• Как находится работа газа и работа внутренних сил над газом при постоянном давлении? (А г = -А внеш= р ΔV)
• Мука из-под жерновов выходит горячей. Хлеб из печи вынимают также горячим. Чем вызывается в каждом из этих случаев увеличение внутренней энергии муки и хлеба? (Муки- совершением работы, хлеба- за счет теплообмена)
• В медицинской практике часто используются согревающие компрессы, грелки, а также массаж. Какие способы изменения внутренней энергии при этом используются? (теплообмен и совершение работы)

1. Объяснение нового материала:

Вы знаете, что механическая энергия никогда не пропадает бесследно.

Разогревается кусок свинца под ударами молотка, нагревается холодная чайная ложка, опущенная в горячий чай.

На основании наблюдений и обобщений 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 был открыт в середине ХIX века немецким ученым Р. Майером, английским ученым Д.Джоулем. Точную формулировку закона дал немецкий ученый Г.Гельмгольц.

Мы рассматривали процессы, в которых внутренняя энергия системы изменялась либо за счет работы, либо за счет теплообмена с окружающими телами (слайд 1)

А как изменяется внутренняя энергия системы в общем случае? (слайд 2)

I закон термодинамики формулируется именно для общего случая:

ΔU = Aвнеш + Q

А газа = - А внеш,

Q = ΔU + Aг

Следствия:

1. Система изолирована (А= О, Q=0)

Тогда Δu = u2-u1=0, или u1=u2 - Внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной

1. Невозможность создания вечного двигателя – устройства, способного совершать работу без затрат топлива .

Q = ΔU + Aг, Q=0,

Аг= - ΔU. Исчерпав запас энергии двигатель перестанет работать.

1. Закрепление

(работа с навигатором – вывод обобщается)

Решение задачи 1

Проверка ответа (слайд 3)

Решение задачи 2

Проверка ответа (слайд 4)

1. Заключение (слайд 5)
2. Рефлексия

(Кому понравился урок – поднимаем руки с жестом «палец вверх», (слайд 6), кому не понравился- поднимаем руки с жестом «палец вниз» (слайд 7)

1. Домашнее задание : п. 78, упр. 15 (2,6)

Навигатор

По теме: « I Закон термодинамики».

Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления.

Изменения внутренней энергии:

ПРОБЛЕМА:

Как изменяется внутренняя энергия в общем случае?

ΔU = А внеш + Q

Вывод:

1. Изменение внутренней энергии системы при переходе системы из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе.
2. Аг= - А внеш