Презентація до уроку "Перший закон термодинаміки. Застосування першого закону термодинаміки до теплових процесів". Дидактична мета: сформулювати перший закон термодинаміки і розглянути його застосування при різних процесах.

08.11.2019 Молочниця

Виховна мета: домогтися засвоєння учнями закону збереження та перетворення енергії для теплових процесів – першого закону термодинаміки; показати практичну значущість закону

Основні знання та вміння: знати формулювання закону, визначення адіабатного процесу та вміти інтерпретувати природні явища на основі законів термодинаміки

Оргмомент (повідомити про план уроку) СЛАЙД 1
Повторення вивченого матеріалу: дати назви різним процесам на графіку, вибрати формули для кожної ділянки, відповісти на запитання. СЛАЙДИ 2 - 4

1. Чому на двох ділянках не змінюється температура?

2. Що відбувається з молекулами на кожній ділянці?

3. У яких випадках Q>0 та Q<0?

4. У якому стані перебуває речовина цих ділянках?

5. Дати визначення ізопроцесів.

6. Що називається внутрішньою енергією та від чого вона залежить?

7. У якому разі газ виконує роботу? Чому залежить знак роботи?

8. Що називається кількістю теплоти?

9. Які формули застосовуємо при розрахунку кількості теплоти?

3. Розв'язання задач. Поки проводиться усне опитування, інші учні вирішують завдання на

розрахунок кількості теплоти за варіантами СЛАЙД 5

Перевірка розв'язання задач
Повторення: способи зміни внутрішньої енергії
Повторення: закон збереження енергії та приклади його прояву у природі
Перший закон термодинаміки: визначення та формула (записати)
Перший закон термодинаміки для ізохорного процесу (записати)
Перший закон термодинаміки для ізотермічного процесу (записати)
Перший закон термодинаміки для ізобарного процесу (записати)
Адіабатний процес (записати). Розглянути приклади
Рівняння теплового балансу (записати)
Зразок розв'язання задачі на рівняння теплового балансу (записати)
Підсумки уроку:

1. Формулювання першого закону

2. Як змінюється рівняння для різних процесів?

3. Який процес називається адіабатним?

4. Приклади адіабатних процесів?

5. Чому атмосфера охолоджується при віддаленні від поверхні Землі?

15. Домашнє завдання:

Знати формулювання закону

Перший закон термодинаміки

На рис. 3.9.1 умовно зображені енергетичні потоки між виділеною термодинамічною системою та оточуючими тілами. Величина Q > 0 якщо тепловий потік спрямований у бік термодинамічної системи. Величина A > 0, якщо система здійснює позитивну роботу над оточуючими тілами.

Малюнок 3.9.1.

Обмін енергією між термодинамічною системою та оточуючими тілами внаслідок теплообміну та роботи.

Якщо система обмінюється теплом з оточуючими тілами і виконує роботу (позитивну чи негативну), змінюється стан системи, т. е. змінюються її макроскопічні параметри (температура, тиск, об'єм). Оскільки внутрішня енергія U однозначно визначається макроскопічними параметрами, що характеризують стан системи, то звідси випливає, що процеси теплообміну та виконання роботи супроводжуються зміною U внутрішньої енергії системи.

Перший закон термодинаміки є узагальненням закону збереження та перетворення енергії для термодинамічної системи. Він формулюється так:

Зміна U внутрішньої енергії неізольованої термодинамічної системи дорівнює різниці між кількістю теплоти Q, переданої системі, і роботою A, досконалої системою над зовнішніми тілами.

Співвідношення, яке виражає перший закон термодинаміки, часто записують в іншій формі:

Кількість теплоти, отримане системою, йде зміну її внутрішньої енергії та виконання роботи над зовнішніми тілами.

Перший закон термодинаміки є узагальненням досвідчених фактів. Відповідно до цього закону, енергія не може бути створена або знищена; вона передається від однієї системи до іншої і перетворюється з однієї форми на іншу. Важливим наслідком першого закону термодинаміки є твердження про неможливість створення машини, здатної робити корисну роботу без споживання енергії ззовні та без будь-яких змін усередині самої машини. Така гіпотетична машина одержала назву вічного двигуна (perpetuum mobile) першого роду. Численні спроби створити таку машину незмінно закінчувалися провалом. Будь-яка машина може виконувати позитивну роботу A над зовнішніми тілами лише за рахунок отримання певної кількості теплоти Q від навколишніх тіл або зменшення ΔU своєї внутрішньої енергії.

Застосуємо перший закон термодинаміки до ізопроцесів у газах.

У ізохорному процесі (V = const) газ роботи не здійснює, A = 0. Отже,

Q = U = U(T2) - U(T1).

Тут U(T1) та U(T2) - внутрішні енергії газу в початковому та кінцевому станах. Внутрішня енергія ідеального газу залежить від температури (закон Джоуля). При ізохорному нагріванні тепло поглинається газом (Q > 0) і його внутрішня енергія збільшується. При охолодженні тепло віддається зовнішнім тілам (Q< 0).
В ізобарному процесі (p = const) робота, що здійснюється газом, виражається співвідношенням

A = p(V2 - V1) = pV.

Перший закон термодинаміки для ізобарного процесу дає:

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

При ізобарному розширенні Q > 0 - тепло поглинається газом і газ робить позитивну роботу. При ізобарному стисканні 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 ізотермічному процесі температура газу не змінюється, отже не змінюється і внутрішня енергія газу, ΔU = 0.

Перший закон термодинаміки для ізотермічного процесу виражається співвідношенням

Кількість теплоти Q, отриманої газом у процесі ізотермічного розширення, перетворюється на роботу над зовнішніми тілами. При ізотермічному стиску роботи зовнішніх сил, вироблена над газом, перетворюється на тепло, яке передається оточуючим тілам.

Поряд із ізохорним, ізобарним та ізотермічним процесами в термодинаміці часто розглядаються процеси, що протікають у відсутність теплообміну з оточуючими тілами. Судини з теплонепроникними стінками називаються адіабатичними оболонками, а процеси розширення чи стиснення газу таких судинах називаються адиабатическими.

Модель. Адіабатичний процес.

У адіабатичному процесі Q = 0; тому перший закон термодинаміки набуває вигляду

тобто газ здійснює роботу за рахунок зменшення його внутрішньої енергії.

На площині (p, V) процес адіабатичного розширення (або стиснення) газу зображується кривою, яка називається адіабатою. При адіабатичному розширенні газ здійснює позитивну роботу (A > 0); тому його внутрішня енергія зменшується (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).

Малюнок 3.9.2.

Сімейства ізотерм (червоні криві) та адіабат (сині криві) ідеального газу.

У термодинаміці виводиться рівняння адіабатичного процесу ідеального газу. У координатах (p, V) це рівняння має вигляд

Це співвідношення називають рівнянням Пуассона. Тут γ = Cp/CV – показник адіабати, Cp та CV – теплоємності газу в процесах з постійним тиском та з постійним об'ємом (див. §3.10). Для одноатомного газу для двоатомного для багатоатомного

Робота газу в адіабатичному процесі просто виражається через температури T1 та T2 початкового та кінцевого станів:

A = CV(T2 – T1).

Адіабатичний процес також можна віднести до ізопроцесів. У термодинаміці важливу рольграє фізична величина, що називається ентропією (див. §3.12). Зміна ентропії в якомусь квазістатичному процесі дорівнює наведеному теплу ΔQ/T, отриманому системою. Оскільки на будь-якій ділянці адіабатичного процесу ΔQ = 0, ентропія у цьому процесі залишається незмінною.

Адіабатичний процес (як і інші ізопроцеси) є процесом квазистатическим. Усі проміжні стани газу цьому процесі близькі до станів термодинамічного рівноваги (див. §3.3). Будь-яка точка на адіабату визначає рівноважний стан.

Не всякий процес, проведений в адіабатичній оболонці, тобто без теплообміну з оточуючими тілами, задовольняє цю умову. Прикладом неквазістатичного процесу, у якому проміжні стани нерівноважні, може бути розширення газу порожнечу. На рис. 3.9.3 зображена жорстка адіабатична оболонка, що складається з двох сполучених судин, розділених вентилем K. У початковому стані газ заповнює один із судин, а в іншій посудині - вакуум. Після відкриття вентиля газ розширюється, заповнює обидві судини, і встановлюється новий рівноважний стан. У цьому вся процесі Q = 0, т.к. немає теплообміну з оточуючими тілами, та A = 0, т.к. оболонка недеформована. З першого закону термодинаміки випливає: ΔU = 0, тобто внутрішня енергія газу залишилася незмінною. Так як внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури, температури газу в початковому і кінцевому станах однакові - точки на площині (p, V, що зображують ці стани, лежать на одній ізотермі. Всі проміжні стани газу нерівноважні і їх не можна зобразити на діаграмі).

Цілі уроку:

поглибити знання про ізопроцеси, відпрацювати навички розв'язання задач на цю тему, розвивати комунікативні вміння, навички, вчити самооцінці.

Хід уроку

Підготовка до роботи у групах.

Робота з класом (усно).

Що називається внутрішньою енергією?

Як можна змінити внутрішню енергію газу?

Як визначити кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання тіла?

Написати рівняння теплового балансу для трьох тіл.

Коли кількість теплоти є негативною?

Як визначити роботу газу під час розширення?

Чим відрізняється робота газу від зовнішніх сил?

Сформулювати перший закон термодинаміки до роботи зовнішніх сил.

Сформулювати перший закон термодинаміки до роботи газу.

Застосування першого закону термодинаміки до ізохорного процесу.

Застосування першого закону термодинаміки до ізобарного процесу.

Застосування першого закону термодинаміки до ізотермічного процесу.

Який процес називається адіабатним?

Застосування першого закону термодинаміки до адіабатного процесу.

Робота у групах.

Кожна група отримує аркуш, на якому вказані теоретичні завдання та завдання. Теоретична частина містить п'ять запитань. Група бере для підготовки до відповіді питання, яке відповідає її номеру. У практичній частині міститься десять завдань по дві на кожну із зазначених тем у теорії. Завдання розташовані безладно. Це означає, що учні повинні спочатку знайти завдання, що відповідають їхньому теоретичному питанню, потім вирішити. Додаткові дані для вирішення завдань беруться із довідників.

Після закінчення роботи груп викликаються по два учні по черзі від кожної групи: один відповідає теорію, інший пише коротку умову одного завдання на дошці. (Інше завдання цієї групи може бути перевірена вибірково на цьому ж уроці або на наступному.) Відповідати теорію та пояснювати завдання повинні вміти всі члени групи; заохочується використання додаткового матеріалуу теоретичній частині.

Завдання у зошитах пишуть усі учні.

Чітка організація роботи призводить до активної діяльності всіх дітей. Координатори груп наприкінці уроку здають аркуші, де відзначають внесок членів групи у її роботу.

Діяльність груп та окремих учнів остаточно оцінює вчитель.

Зразок аркуша.

Теоретична частина

1. Ізохорний процес.

2. Ізотермічний процес.

3. Ізобарний процес.

4. Адіабатний процес.

5. Теплообмін у замкнутій системі.

Практична частина

1. У циліндрі під поршнем 1.25 кг повітря. Для його нагрівання на 40С при постійному тиску було витрачено 5 кДж теплоти. Визначте зміну внутрішньої енергії газу.

2. 0,02 кг вуглекислого газу нагрівають при постійному обсязі. Визначте зміну внутрішньої енергії газу при нагріванні від 200С до 1080С (з = 655 Дж/(кг К)).

3. У теплоізольованому циліндрі з поршнем знаходиться азот масою 0,3 кг за температури 200С. Азот, розширюючись, виконує роботу 6705 Дж. Визначте зміну внутрішньої енергії азоту та її температуру після розширення (з = 745 Дж/(кг К)).

4. Газу повідомляють кількість теплоти, у результаті він ізотермічно розширюється від об'єму 2 л до об'єму 12 л. Початковий тиск дорівнює 1,2 106 Па. Визначте роботу, виконану газом.

5. У скляну колбу масою 50 г, де було 185 г води при 200С, вилили деяку кількість ртуті при 1000С, і температура води в колбі підвищилася до 220С. Визначте масу ртуті.

6. 1,43 кг повітря займають за 00С обсяг 0,5м3. Повітря повідомили деяку кількість теплоти і він ізобарно розширився до об'єму 0,55 м3. Знайти досконалу роботу, кількість поглиненого тепла, зміни температури та внутрішньої енергії повітря.

7. У циліндрі під поршнем знаходиться 1,5 кг кисню. Поршень нерухомий. Яку кількість теплоти необхідно повідомити газу, щоб її температура підвищилася на 80С? Чому дорівнює зміна внутрішньої енергії? (Сv = 675 Дж / (кг К))

8. У циліндрі під поршнем знаходиться 1,6 кг кисню при температурі 170С та тиску 4·105 Па. Газ здійснив роботу при ізотермічному розширенні 20Дж. Яку кількість теплоти повідомлено газу? Чому дорівнює зміна внутрішньої енергії газу? Яким був початковий обсяг газу?

9. Скільки теплоти виділиться при конденсації 0,2 кг водяної пари, що має температуру 1000С, та при охолодженні отриманої з неї води до 200С?

10. Циліндр із газом поміщений у теплонепроникну оболонку. Як змінюватиметься температура газу, якщо поступово збільшувати об'єм циліндра? Чому дорівнює зміна внутрішньої енергії газу, якщо буде виконано роботу над газом 6000 Дж?

Питання для повторення:

Що таке внутрішня енергія?
Назвіть способи зміни внутрішньої енергії.
Як визначити роботу газу?
Як визначити кількість теплоти?
Поясніть фізичне значення питомих величин.

Зміна внутрішньої енергії системи при переході її з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил та кількості теплоти, переданої системі.

Кількість теплоти, передана системі йде на вчинення системою роботи та зміну її внутрішньої енергії

Ізотермічний процес

(T = const) :  U =0

Т.к. ΔT=0, U=0 і тоді Q= A.

Якщо Q

Застосування I закону термодинаміки до ізопроцесів

Ізобарний процес:

(p = const, Δp=0 )

A = p  V = vR  T

0 "width="640"

0, ΔU 0 – нагрівання газу, якщо Q " width="640"

Ізохорний процес.

1. Що таке ізохорний процес?

2. Т.к. ΔV=0, → А=0 →ΔU=Q

Якщо Q 0 то ΔU 0 – нагрівання газу, якщо Q

Застосування I закону термодинаміки до ізопроцесів

Ізохорний процес:

( V = const): A = 0

0, то Δ U0 – нагрівання газу, якщо Q" width="640"

Т.к. ΔV=0, то А=0 та ΔU=Q

Якщо Q0, то Δ U0 – нагрівання газу, якщо Q

Застосування I закону термодинаміки до ізопроцесів

Адіабатний процес: процес, що відбувається без теплообміну із навколишнім середовищем.

Q=0

Температура змінюється лише за рахунок виконання роботи

Адіабатний процес

Адіабатними можна вважати всі швидкоплинні процеси та процеси, що відбуваються в теплоізольованому середовищі.

Адіабата крутіший за будь-яку ізотерму, що її перетинає.

Термодинаміка циклічного процесу.

Для довільного циклічного процесу 1–2–3–4–1 робота газу, виконана ним за цикл, чисельно дорівнює площі фігури, обмеженою діаграмою циклу в координатах p – V

Необоротність процесів у природі .

Необоротні - процеси, які можуть спонтанно протікати тільки в одному напрямку. У зворотному напрямку вони можуть протікати тільки як одна з ланок складнішого процесу.

Що станеться з коливаннями маятників із часом?

Усі процеси у природі НЕЗворотні!

ІІ закон термодинаміки.

Формулювання Клаузіуса(1850): неможливий процес, у якому тепло мимовільно переходило від тіл менш нагрітих до тіл нагрітішим.
Формулювання Томсона(1851): неможливий круговий процес, єдиним результатом якого було б виконання роботи за рахунок зменшення внутрішньої енергії.
Формулювання Клаузіуса(1865): всі мимовільні процеси в замкнутій нерівноважній системі відбуваються у напрямі, у якому ентропія системи зростає; у стані теплової рівноваги вона максимальна та постійна.
Формулювання Больцмана(1877): замкнута система багатьох частинок мимовільно переходить з більш упорядкованого стану менш упорядковане. Неможливий мимовільний вихід системи із становища рівноваги. Больцман ввів кількісний захід безладу в системі, що складається з багатьох тіл. ентропію .

поглибити знання про ізопроцеси,

відпрацювати навички вирішення завдань на цю тему,

розвивати комунікативні вміння, навички,

вивчати самооцінці.

Хід уроку.

Підготовка до роботи у групах.

Робота з класом (усно).

Що називається внутрішньою енергією?

Як можна змінити внутрішню енергію газу?

Як визначити кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання тіла?

Написати рівняння теплового балансу для трьох тіл.

Коли кількість теплоти є негативною?

Як визначити роботу газу під час розширення?

Чим відрізняється робота газу від зовнішніх сил?

Сформулювати перший закон термодинаміки до роботи зовнішніх сил.

Сформулювати перший закон термодинаміки до роботи газу.

Застосування першого закону термодинаміки до ізохорного процесу.

Застосування першого закону термодинаміки до ізобарного процесу.

Застосування першого закону термодинаміки до ізотермічного процесу.

Який процес називається адіабатним?

Застосування першого закону термодинаміки до адіабатного процесу.