Применение первого закона термодинамики к изопроцессам

Разделы: Физика

Цель урока: Установить связь между изменениями внутренней энергии, работы и количеством теплоты для изопроцессов.

Задачи урока:

1) образовательные задачи:

  • углубление, обобщение и систематизация знаний по первому закону термодинамики;
  • применение полученных знаний при решении качественных и расчетных задач;

2) воспитательные задачи:

  • формирование активной жизненной позиции;
  • формирование информационной культуры;

3) развивающие задачи:

  • развитие алгоритмического мышления, памяти, внимания;
  • развитие умения применять знания на практике;
  • развитие умений действовать самостоятельно;

Оборудование урока: компьютеры, мультимедийный проектор, диски “ Microsoft Office в школе”, “Открытая физика”

Ход урока

1. Орг. момент

2. Опрос.

Для изучения новой темы нам необходимо повторить следуюшие вопросы:

  1. Что называют изопроцессом?
  2. Что называют изотермическим процессом?
  3. Что называют изобарным процессом?
  4. Что называют изохорным процессом?
  5. Формула изменения внутренней энергии.
  6. Формула работы для изохорного, изобарного, изотермического процессов.
  7. Закон сохранения энергии.
  8. Первый закон термодинамики.

3. Объяснение нового материала.

На прошлых уроках, изучая газовые законы, мы составили таблицу 1( рис.1) ( Приложение 1). Обратите внимание на 5 столбик этой таблицы, где приведено геометрическое истолкование работы для различных изопроцессов. Это пригодится сегодня нам для нашего урока.

Выведем формулы первого закона термодинамики для различных процессов.

1) Изотермическое сжатие

Для вывода 1 закона термодинамики воспользуемся интерактивной моделью изотермического сжатия ( рис.2) и графическим истолкованием работы для процесса ( рис.3)

рис. 2

рис.3

 

рис.4

Для изотермического процесса T- const, T=0, а значит U= 3/2 v RT=0 ( внутренняя энергия не изменяется). Над газом совершается работа А>0, а тепло выделяется Q<0.

Первый закон термодинамики U=A+Q выглядит так:

0 = -Q + A

Над газом совершается работа, при этом газ выделяет тепло во внешнюю среду ( внутренняя энергия не изменяется)

А блок –схема 1 закона для изотермического сжатия приведена на рис. 4

2) Изотермическое расширение

Для вывода 1 закона термодинамики воспользуемся интерактивной моделью изотермического расширения ( рис.5) и графическим истолкованием работы для процесса( рис.6)

 

рис.5

рис.6

рис.7

Для изотермического процесса T- const, T=0, а значит U=0 ( внутренняя энергия не изменяется). Газ совершает работу А<0, а тепло поглощается (Q>0).

Первый закон термодинамики выглядит так:

Q = A

Газ совершает работу за счет поглощения тепла из внешней среды ( внутренняя энергия не изменяется)

Блок - схема первый закона термодинамики для изотермического сжатия представлена на рис. 7

3) Изобарное нагревание.

Воспользуемся интерактивной моделью и (пронаблюдаем изобарное нагревание) ( рис. 8) и графическим представлением работы ( рис. 9)

рис.8

рис.9

рис.10

При изобарном нагревании температура увеличивается ( T>0 ), внутренняя энергия увеличивается (U>0), газ совершает работу , тепло поглощается.

Первый закон термодинамики выглядит так:

Q = U – A

Газ получает тепло из внешней среды. Полученная таким образом энергия тратится на увеличение внешней энергии и на совершение работы.

В итоге блок - схема первого закон термодинамики выглядит как на рис.10

4) Изобарное охлаждение

Пронаблюдав процесс изобарного охлаждения на интерактивной модели ( рис.11) и воспользовавшись рис.12 можем сделать вывод:

рис.11

рис.12

рис.13

при изобарном охлаждении температура уменьшается ( T<0 ), внутренняя энергия уменьшается ( U<0), над газом совершается работа , тепло выделяется.

Первый закон термодинамики выглядит так:

U = -Q + A

Над газом совершается работа, при этом газ выделяет тепло во внешнюю среду, а его внутренняя уменьшается .

Блок – схема для 1 закона термодинамики для этого случая представлен на рис. 13

5) Изохорное нагревание

Изохорное нагревание пронаблюдаем на интерактивной модели ( рис14) и воспользуемся графиком на рис 15. Вывод:

рис. 14

рис. 15

рис. 16

При изохорном нагревании ( T>0 ), внутренняя энергия увеличивается (U>0) , работа A=pV равна нулю, т.к. V=0, а тепло поглощается (Q>0).

Первый закон термодинамики выглядит так:

U=Q

Газ увеличивает свою внутреннюю энергию за счет теплоты, полученной из внешней среды.

Интерпретация 1 закона термодинамики для изохорного нагревания представлена на рис. 16

6) Изохорное охлаждение

Изохорное охлаждение пронаблюдаем на интерактивной модели ( рис17) и графиком на рис 18. Вывод:

 

рис. 17

рис. 18

рис. 19

При изохорном охлаждении ( T<0 ), внутренняя энергия уменьшается(U<0 , работа A=pV равна нулю, т.к. V=0, а тепло выделяется (Q<0).

Первый закон термодинамики выглядит так:

- U=-Q

Газ выделяет тепло во внешнюю среду; при этом его внутренняя энергия уменьшается.

7) Адиабатное сжатие

Адиабатным называется процесс изменения объема и давления газа при отсутствии теплообмена с окружающими телами.

  • Примеры адиабатных процессов:
  • сжатие воздуха в воздушном огниве;
  • сжатие воздуха в дизеле;

Пронаблюдаем процесс адиабатное сжатие и построение адиабаты на интерактивной модели процесса. ( рис. 20 и рис.21)

рис. 20

рис. 21

рис. 22

 При адиабатном сжатии температура увеличивается( T>0 ), внутренняя энергия увеличивается (U>0), над газом совершается работа А>0, а количество теплоты равно нулю.

Первый закон термодинамики выглядит так:

U=A

Над газом совершается работа, при этом внутренняя энергия газа увеличивается.

8) Адиабатное расширение

Пронаблюдаем адиабатное расширение и построение адиабаты на интерактивной модели процесса. ( рис. 23 и рис. 24 )

рис. 23

рис.24

рис.25

При адиабатном расширении температура уменьшается ( T<0 ), внутренняя энергия уменьшается ( U<0), газ совершает работу ( А<0), а количество теплоты равно нулю.

Первый закон термодинамики выглядит так:

0= - U+A

Газ совершает работу только за счет своей внутренней энергии. ( Внутренняя энергия при этом уменьшается)

Мы познакомились с новым процессом – адиабатным, а для всех процессов записали первый закон термодинамики.

В результате у нас получилась таблица 2 (рис. 26)( Приложение 2)

3. Закрепление нового материала.

Заполнение теста на компьютере. ( тестер с диска “ Microsoft Office в школе”)

( Вариант прилагается).( Приложение 3)

Д/З. §

  • Дополнить таблицу №2
  • Написать сообщения о проявлениях первого закона термодинамики в быту и природе.
  • Сделать сообщение о двигателях Дизеля.

Использованные материалы:

  1. Диск “ Открытая физика”
  2. Тестер с диска “ Microsoft Office в школе”
  3. “ Физика в таблицах и схемах” О.В. Яневская
  4. “Задания для контроля знаний. Термодинамика” А.З Перлин и др. газета “Физика” №47/1995