Цель урока:
- рассмотреть направленность физических процессов,
- расширить область изучения физических процессов на все естественные науки,
- сделать вывод о необратимости природных процессов в реальных условиях,
- второй закон термодинамики.
Данный урок является интегрированным по содержанию (химия, биология, математика), способствует формированию естественнонаучной картины мира, построен с применением исследовательского подхода и использованием групповых форм учебной деятельности обучающихся.
Ход урока:
1. Задания на повторение (заранее записаны на доске, по аналогии устного счета в математике), рассматривающие:
- графики изопроцессов;
- закон сохранения энергии;
- первое начало термодинамики.
Следствие из первого начала термодинамики – в изолированной системе возможны лишь такие процессы, при которых энергия сохраняется. А все ли физические процессы возможны, которые не противоречат первому началу термодинамики?
2. Рассмотрим процессы, по которым мы можем провести мини-эксперимент. Для этого проведем опыты по группам:
- Калориметр с холодной водой и нагретое тело;
- Расширение сжатого в цилиндре газа;
- Диффузия;
- Колебания математического маятника;
- Скатывание шарика по наклонному желобу.
Задания записаны на карточках, приборы подготовлены комплектами для каждого опыта на отдельных лотках.
Вопросы, рассматриваемые в ходе эксперимента:
- пронаблюдать явление (нагревание воды – охлаждение цилиндра, диффузия, расширение газа в цилиндре, …);
- какие изменения энергии происходят в процессе;
- возможность проведения данного процесса “наоборот”;
- причины невозможности обратимости процесса;
- вывод.
3. Анализ результатов проведённых экспериментов. Выводы по группам:
- В замкнутой системе тел устанавливается тепловое равновесие – энергия от горячих тел переходит холодным.
- Сжатый газ расширяется до тех пор, пока его давление не станет равным внешнему давлению. Но никогда газ самопроизвольно не сожмется. Сжать газ можно, только действуя на него внешней силой. При этом в окружающих его телах происходит изменения: тело, сжимающее газ, совершает работу, следовательно потеряет некоторую энергию.
- Концентрация газов, жидкостей во всех частях сосуда одинакова. Никогда не происходит самопроизвольного разделения смеси.
Заслушав мини-отчеты по результатам эксперимента, делаем общий вывод: некоторые процессы (№1, 2, 3) первому началу термодинамики не противоречат, но в жизни самопроизвольно не происходят.
Определение необратимости физических процессов записываем в тетрадь: “Процессы, обратные которым самопроизвольно не происходят, называются необратимыми”.
4. Для закрепления показать несколько кадров из фильма “Необратимость тепловых процессов”.
5. Продолжаем делать выводы по практическим заданиям:
- Лишь чисто механические движения, т.е. движения, происходящие без трения, обратимы.
Рассмотреть (вспомнить) химические и биологические процессы, имеющие определенную направленность: обратимые и необратимые химические реакции, процессы старения (проблемы омоложения), время (изобретение машины времени), и т.п. (можно заранее попросить детей найти и подготовить материал).
Общий вывод – реальные процессы в природе необратимы.
Под запись в тетрадь второе начало термодинамики.
Заслушать доклад о Больцмане.
В чем же причина необратимости природных процессов?
Для ответа на данный вопрос рассмотрим модель распределения молекул в сосуде с заслонкой (на магнитной доске). Пусть n – число молекул, N – число возможных распределений молекул по половинкам сосуда. Выведем формулу N = 2n.. Например, если n=10, то одно из 1024 состояний соответствует тому, что газ соберется в правую половинку. Очевидно, вероятность такого события настолько ничтожна, что практически оно неосуществимо (график).
6. Общие выводы:
- Необратимость носит статистический характер.
- Необратимый процесс такой, обратимость которого маловероятна.
Пример:
Телу передается определенное количество тепла за счет совершенной работы: переход упорядоченного движения макроскопического тела в беспорядочное движение молекул – вероятен. А обратный переход количества теплоты в работу – беспорядочного движения молекул в упорядоченное движение макроскопического тела маловероятен.
Следовательно, понятие необратимости процессов имеет смысл, только пока мы имеем дело с макроскопическими телами, т.е. состоящими из большого числа молекул.
7. Заключение.
Все процессы природы в замкнутой системе протекают в сторону увеличения вероятностного состояния системы.
8. Задание на дом:
- Обязательно: рассмотреть примеры из жизни с точки зрения обратимости и вероятности, описать.
- По желанию: подготовить сообщение о каком-либо “вечном двигателе”.