Познавательные цели и задачи урока
- Повторить и закрепить понятия: внутренняя энергия, тепловое движение, способы изменения внутренней энергии, вечный двигатель первого рода.
- Повторить и закрепить знания законов сохранения энергии, «нулевого», первого законов термодинамики.
- Дать понятие вечного двигателя второго рода, на основании эксперимента, познакомить со вторым и третьим законом термодинамики.
Развивающие цели и задачи урока
- Развивать мышление учащихся, формировать у них умение самостоятельно приобретать и применять знания.
- Научить наблюдать физические явления и уметь делать выводы.
- Способствовать развитию логического мышления.
Воспитательные цели и задачи урока
- Прививать любовь и интерес к изучению физики как непрофильному предмету в классах гуманитарного профиля.
- Установить межпредметные связи уроков физики с уроками профильных предметов.
Структура урока
- Блок целеполагания (определение общих целей урока и целеполагание на каждом последующем этапе урока).
- Блок-модуль теории на уроке.
- Блок-модуль предписаний умений и навыков.
- Блок-модуль психолого-педагогических связей «учитель-ученик».
Материально-техническое оснащение урока
- Оборудование для технического эксперимента «Тепловая машина».
- Математический маятник, сосуд с водой на электрической плитке – модели необратимых процессов в природе.
- Учебник для учащихся гуманитарных классов. 10-ый класс. Яворский Б.М., Тихомирова С.А. Дидактическая литература: С.А. Тихомирова сборник задач по физике для гуманитарных классов.
План урока
- Устный опрос учащихся по домашнему заданию.
- Постановка эксперимента «Тепловая машина», создание проблемной ситуации.
- Формулирование второго закона термодинамики в различных интерпретациях.
- Самостоятельное изучение формулировки третьего закона термодинамики.
- Закрепление нового материала и материала, изученного на предыдущих уроках. Практическое применение законов термодинамики.
- Самостоятельная работа учащихся, выполнение тестовых заданий.
- Самопроверка качества выполнения самостоятельной работы, самодиагностика учащихся.
- Подведение итогов урока, домашнее задание, выставление оценок учащимся.
Ход урока
1. Опрос учащихся по домашнему заданию
- Что изучает термодинамика?
- Что принимают за «нулевой » закон термодинамики?
- Что такое внутренняя энергия?
- Назовите способы изменения внутренней энергии.
- Приведите примеры изменения внутренней энергии при совершении работы, когда
и когда 
- Сформулируйте закон сохранения энергии.
- Как называется закон сохранения энергии в применении к тепловым процессам?
- Сформулируйте первый закон термодинамики.
- Что понимают под вечным двигателем первого рода?
2. Постановка эксперимента
Попробуем создать тепловую машину (длинный стеклянный сосуд с водой – горячей в нижней части и холодной в верхней), проверим ее работу в соответствии законами термодинамики.
Учитель и лаборант ставят эксперимент, по ходу разбирают принцип работы, учащиеся делают зарисовку установки в тетради, указывая основные элементы: рабочее тело (воздух в пипетке), нагреватель (сосуд с горячей водой), холодильник (сосуд с холодной водой). См. Приложение, фото №1.
Следует отметить следующие закономерности:
- Если вода в нижнем резервуаре будет иметь температуру воздуха в пипетке, воздух не сможет получить количество теплоты, что противоречило бы первому закону термодинамики, следовательно, он не сможет совершить работу, т.е. подняться вверх. Делаем вывод: наша установка не является вечным двигателем первого рода.
- Получая энергию от нагревателя, газ в пипетке нагревается, расширяется и под действием силы Архимеда, поднимается вверх. Учащиеся замечают, что, не отдавая некоторое количество теплоты холодильнику, т.е. воде в верхнем резервуаре, газ не смог бы остыть, сжаться и уже под действием силы тяжести опуститься вниз. А значит, процесс не был бы периодическим.
3. Формулирование второго закона термодинамики в различных интерпретациях
Запрещая вечный двигатель первого рода, первый закон термодинамики допускает создание такой тепловой машины периодического действия, которая была бы способна превратить в полезную работу все подводимое тепло. Такую машину называют вечным двигателем второго рода (двигатель, совершающий работу за счет охлаждения какого-либо тела). Если бы это было возможным, человечество получило бы неограниченный источник энергии, черпая его из океанов, охлаждая последние. Однако, охлаждение океана, как только его температура становится ниже температуры окружающей среды, означала бы переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, а такой процесс сам собой идти не может. Второй закон термодинамики указывает направление процессов в природе.
Например, кинофильм. Разбивается ваза. Прокрутив пленку в обратном порядке, мы увидим, как ваза вновь собирается из осколков. Этот процесс не противоречит закону сохранения энергии и законам механики. Кроме второго закона термодинамики. Процесс превращения вазы в осколки необратим. Самопроизвольно обратное превращение невозможно. Наиболее типичные необратимые процессы:
- Переход механической энергии во внутреннюю (математический маятник).
- Переход теплоты от горячего тела к холодному (на плитке нагревается вода в сосуде).
Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе.
Все процессы в природе протекают в одном направлении. И самопроизвольно в обратном направлении протекать не могут. Самые трагические из них - старение и смерть организмов. Обратный переход возможен только при участии другого тела, за счет его энергии. В случае математического маятника, необходимо периодически его толкать, например, рукой. В холодильных установках - тепло переходит от холодного тела к нагретому за счет электрической энергии.
Как и первый закон термодинамики, второй закон имеет несколько формулировок. В учебнике на странице 20 первая формулировка принадлежит английскому ученому С. Карно (учащиеся зачитывают). Вторая формулировка - немецкого физика Р. Клаузеуса (учащиеся зачитывают). Существуют и другие формулировки. Все они выражают в сущности одно и тоже и поэтому равноценны.
Еще раз обращаемся к установке тепловой машины. Вопрос к учащимся: до каких пор машина будет работать? Легко заметить, что пока есть разница температур (есть возможность получать часть тепла от нагревателя и отдавать часть тепла холодильнику), пипетка будет двигаться вверх и вниз, т.е. совершать периодическое движение.
На демонстрационном столе стоит книга «Произведения русских писателей XVIII-XIX вв.». Открываем драму Островского «Гроза», к изучению которой учащиеся 10 гуманитарного класса только что приступили на уроках литературы. Обращаем внимание на персонаж Кулигин с созвучной Кулибину фамилией. Вопрос классу: чем он занимался? И что вы ему посоветуете? (Можно зачитать отрывок из произведения). См. Приложение, фото №2.
Идея вечного движения захватывала умы человечества еще в средние века. Действительно, примером может служить непрекращающееся движение Луны вокруг Земли, Земли вокруг Солнца. Вот и возникла идея найти источник вечного движения и на Земле. Но еще Леонардо да Винчи высказывался по этому поводу о невозможности создания perpetuum mobile.
4. Самостоятельное изучение формулировки третьего закона термодинамики
Экспериментальное изучение свойств веществ при сверхнизкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273 оС), привело к установлению третьего закона термодинамики, который называется принципом недостижимости абсолютного нуля температуры. На 20-21 страницах учебника зачитаем формулировку третьего закона термодинамики и выпишем в тетрадь.
5. Закрепление нового материала и материала, изученного на предыдущих уроках. Практическое применение законов термодинамики
Дидактический материал. С.А. Тихомирова стр.50, задание 113. Стихотворение Баратынского. Какие виды энергии использует пироскаф для своего движения? (Используется энергия пара и ветра). См. Приложение, фото №3.
Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами энергии еще недостаточно. Необходимо уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока. Человечеству нужны двигатели - устройства, способные совершить работу. Большую часть механической и электрической энергии вырабатывают тепловые двигатели. Пока равной замены им нет.
6. Самостоятельная работа учащихся, выполнение тестовых заданий (См. Приложение)
Время выполнения - 10 минут.
7. Самопроверка качества выполнения самостоятельной работы, самодиагностика учащихся
Учащиеся сдают учителю выполненную работу, оставляя условия заданий на столе, и коллективно проверяют правильность выполнения. Разбираются допущенные ошибки. Учащиеся выставляются оценки с учетом работы над правильностью выполнения заданий.
8. Подведение итогов урока, домашнее задание, выставление оценок учащимся
Домашнее задание: выучить самое важное главы 1: ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ. Страницы 24 и 25 учебника.