Открытый урок в 8-м классе по теме: "Тепловой баланс. Решение задач"

Урок рассчитан на 2 часа. Этот урок является обобщающим по теме: “Тепловые явления”.

При подготовке данного урока заранее даются темы двух докладов (темы и планы докладов приведены в тексте), выбирается группа учеников, которые будут выполнять эксперимент.

Цель урока:

1. Обобщить знания по теме: “Тепловые явления” на примере теоретического и практического решения задачи на тепловой баланс.
2. Проверить: знания по теме: “Тепловые явления”, умение решать задачи на тепловой баланс, навыки выполнения лабораторных опытов.

Задачи урока: Привить навыки обращения с физическими измерительными приборами.

План урока.

1. Обобщающая беседа по теме: “Вычисление количества теплоты”.
2. Теоретическое решение задач на тепловой баланс.
3. Практическое решение задачи.
4. Нахождение КПД тепловой установки.
5. Доклады по темам: “Образование облаков. Осадки”, “Роса. Туман”.
6. Подведение итогов.

Обобщающая беседа по теме: “Тепловые явления”.

На предыдущих уроках мы познакомились с понятием теплового баланса.

В любой замкнутой системе соблюдается закон сохранения полной энергии. E=W+U+Q

В тепловых явлениях изменение механической энергии может не происходить, поэтому, рассматривая процессы, происходящие в атмосфере, можно рассматривать только изменение внутренней энергии вещества и количества теплоты.

Любые процессы, в которых изменяется внутренняя энергия, называются тепловыми. К ним относятся нагревание и охлаждение, испарение и конденсация, плавление и кристаллизация.

Количество теплоты, которое поглощается или выделяется в данных процессах, вычисляется с учетом массы тела и его свойств.

Количество теплоты при нагревании или охлаждении тела рассчитывается по формуле

Q= cm T ,

где с - удельная теплоемкость вещества, которая зависит от его свойств и находится экспериментально, m - масса, Т - изменение температуры.

В процессе плавления (кристаллизации) количество теплоты, потребляемое (выделяемое) телом, вычисляется с учетом того, что данное явление сопровождаются разрушением (восстановлением) межмолекулярных связей. В этом случае вся энергия, полученная телом, уходит на это. Q= m , где m - масса вещества, - удельная теплота плавления (кристаллизации), зависящая от свойств веществ, определяется с помощью эксперимента. Этот процесс всегда происходит при температуре плавления, и т.к. она постоянна, то Т = 0.

При кипении (конденсации) все количество теплоты, подводимое (выделяемое) к телу, затрачивается, также как и в процессе плавления (кристаллизации), на разрыв межмолекулярных связей, но для этого требуется несколько меньшая энергия, чем при плавлении (кристаллизации). Изменение температуры не происходит. Следовательно, и количество теплоты тоже потребуется другое.

Q = mr,

где m - масса тела,
r - удельная теплота парообразования, определяемая взаимодействием молекул в жидкости (экспериментально).

Если в системе присутствует нагреватель, работающий на топливе, то количество теплоты, выделяемое сгорающим топливом Q = m_тq, где m_т – масса топлива, q –удельная теплота сгорания данного топлива (определяется экспериментально).

В замкнутой теплоизолированной системе обмен энергией между телами происходит без потери тепла, т.е. теплообмен с окружающей средой не происходит. Таким образом, уравнение теплового баланса для такой системы запишется

Q = Q _i,

где Q - количество теплоты, выделяемое в системе,
Q_i - количество теплоты, которое поглощается телами, составляющими эту систему.

Чтобы это стало более понятно, давайте решим несколько задач:

1. Смесь, состоящую из 2,51 кг льда и 7,53 кг воды, при общей температуре 0° С нужно нагреть до температуры 50° С, пропуская через нее пар при температуре 100° С. Определить необходимое для этого количество (в г) пара. Удельная теплоемкость воды 4200 Дж/(кг*°С), удельная теплота парообразования воды 2,3 МДж/ кг, удельная теплота плавления льда 330 кДж/кг.
2. В ванну влито 80 л воды при температуре 10° С. Сколько литров воды при 100° С нужно прибавить в ванну, чтобы температура смеси была 25° С.
3. Какое количество теплоты потребовалось для получения дистиллированной воды объемом 5 л, если вода в дистиллятор поступила при температуре 14° С? (Потерями энергии принебречь).
4. Сколько льда, взятого при 0° С, расплавится, если ему сообщить такое количество теплоты, которое выделится при конденсации водяного пара, масса которого равна 8 кг, а температура равна 100° С, при нормальном атмосферном давлении.
5. Сколько спирта нужно сжечь для того, чтобы нагреть 100 г воды, взятой при температуре 0° С, и испарить ее. Внешними потерями энергии пренебречь.

Рассмотрим решение последней задачи практически и теоретически.

Дано:

m_в =100 г = 0,1 кг;
t₁ = 0° С;
t₂ = 100° С;
c = 4200 Дж/кг*°С;
q = 29 МДж/кг;
r = 29·10⁶ Дж/ кг.
m _с - ?

Решение:

Количество теплоты, выделяемое при сгорании спирта, полностью затрачивается на нагревание, плавление и испарение воды:

1. Q_у = Q₁ + Q₂, где Q_с - теплота, выделяемая при сгорании спирта, Q₁ –кол-во теплоты, требуемое для нагревания воды от 0° С до температуры кипения, Q₂ - кол-во теплоты, требующееся для превращения воды в пар.
2. Кол-во теплоты, выделяемое при сгорании спирта Q_с = m_сq
3. Кол-во теплоты, требуемое для нагревания воды Q₁ = m c (t₂ - t₁)
4. Кол-во теплоты, требуемое для испарения воды Q₂ = m_пr
5. С учетом всех формул записываем уравнение теплового баланса m_сq = m_в c_в (t_кип - t_пл) + m_п r

Из выражения теплового баланса можно найти массу спирта, требующуюся для данного процесса.

Ответ: для этого процесса потребуется сжечь 10 г спирта.

Эту же задачу предлагается решить экспериментально и сравнить результаты.

Для этого нужно собрать установку, изображенную на рисунке 1, и провести опыт, целью которого будет являться определение массы спирта, сгоревшего в спиртовке.

Оборудование: штатив с кольцом, лапкой и муфтами; термометр; спиртовка; спички; внутренний стакан от калориметра; весы лабораторные с разновесами; измерительный цилиндр.

Цель опыта: определить массу спирта, сгоревшего при нагревании и парообразовании воды.

Ход работы:

1. Определить массу спиртовки со спиртом до начала опыта.
2. С помощью мензурки и весов отмерить 100 г воды и влить во внутренний стакан калориметра.
3. Измерить температуру воды (убедиться, что ее температура 0 ° С).
4. Нагреть и испарить воду.
5. Определить массу спиртовки со спиртом по окончании опыта.
6. Найти массу сгоревшего спирта.

Далее классу предлагается сравнить результаты, полученные теоретически и практически, и вычислить коэффициент полезного действия данной тепловой установки.

Дано: m_т = 0.1 кг; m _пр - опр.эксперимент. - ?

Решение:

1. КПД тепловой установки равен отношению количества теплоты, полезного (нужного для нагревания и испарения воды), и количества теплоты, затраченного (выделившегося при сгорании спирта).
2. Q_п = m_тq - полезное кол-во теплоты, рассчитанное теоретически.
3. Q_з = m_прq - затраченное кол-во теплоты, определенное экспериментально.
4. Подставив выражения 2 и 3 в 1, получим:

Даже при максимальном уменьшении потерь тепла, КПД практически не может быть более 60%, т.к. полностью изолировать систему (вода - спирт) не удается.

В атмосфере Земли происходят подобные явления. Вы знаете, что испарение может происходить при любой температуре. Благодаря этому, осуществляется круговорот воды в природе. Предлагаю на эту тему послушать доклад “Образование облаков. Осадки”.

План доклада:

1. Испарение и конденсация воды.
2. Образование облаков.
3. Виды облаков.
4. Формирование осадков.

Но в природе конденсация воды происходит не только непосредственно в атмосфере Земли, но и вблизи ее поверхности. Это такие явления, как роса, иней и туман. У нас есть еще один доклад “Роса. Туман”, предлагаю его послушать.

План доклада:

1. Сравнение удельных теплоемкостей почвы и воздуха.
2. Утренняя роса.
3. Вечерняя роса.
4. Туман.

Итак, на этом уроке мы вспомнили закон сохранения энергии в тепловых процессах, выяснили, что в реальных условиях нельзя пренебрегать потерями энергии, т.к. при любом тепловом процессе система не является замкнутой, а сообщается с атмосферой. И это нужно учитывать. Рассчитали КПД реального нагревателя. Оказалось, что он не превышает 60%.

Атмосфера Земли, так же является тепловой системой, и поэтому в ней происходят парообразования и конденсации, что приводит к образованию облаков и выпадению осадков.