Внутренняя энергия. Работа в термодинамике. Первое начало термодинамики

Цели:

1. Учебные:

• вести понятие внутренней энергии, работы в термодинамике;
• ознакомить учащихся с первым началом термодинамики;
• формировать общеучебные навыки работы с компьютером и исследовательских умений.

2. Развивающие:

• содействовать развитию речи, мышления, овладению методами научного исследования: анализа и синтеза.

3. Воспитательные:

• формировать познавательный интерес;
• формирование положительной мотивации к учению;
• воспитание дисциплинированности, эстетического восприятия мира.

Организационные формы и методы обучения:

• традиционные – беседа на вводном этапе урока;
• инновационные – изучение нового учебного материала с помощью компьютера.

Средства обучения:

• инновационные – компьютер, мультимедийный проектор, компьютерная программа урока физики от Кирилла и Мефодия;
• печатные – тестовые задания.

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Повторение домашнего задания.

• По характеру относительного расположения частиц, тв. тела делятся на какие виды? (Кристаллы, аморфные тела, композиты.)
• Что из себя представляют кристаллы? (В кр. телах молекулы, атомы и ионы расположены в определенном порядке в форме кристаллической решетки образуя дальний порядок. Примеры: железо, серебро, медь, лед, графит, алмаз, соль, сахар.)
• Что из себя представляют аморфные тела? (Аморфные тела не имеют строгого порядка в расположении молекул, они расположены в форме кристаллической решетки образуя ближний порядок. Примеры: стекло, канифоль, смола, каучук, пластмасса, свечи, парафин.)
• Что из себя представляют композиты? (Доклад, используя интернет-ресуры подготовила Иванова Вероника.)

Доклад.

Композиты – это твердые тела, атомы в которых располагаются трехмерно упорядоченно в определенной области пространства с регулярной периодичностью. Композиты, такие, как дерево, бетон, фибергласс, кость, кровеносные сосуды и др. состоят из различных, связанных друг с другом материалов.

Созданы композиционные материалы, механические свойства которых превосходят естественные материалы. Композиты состоят из матрицы и наполнителей. В качестве матрицы применяются полимерные, металлические, углеводородные или керамические материалы. Наполнители могут состоять из нитевидных кристаллов, волокон или проволоки. В частности, к композиционным материалам относят железобетон и железографит.

Железобетон – один из основных видов строительных материалов. Он представляет собой сочетание бетона и стальной арматуры.

Железографит – металлокерамический материал, состоящий из железа и графита. Из него отливают подшипники, втулки для разных узлов машин и механизмов.

Стеклопластик – также композиционный материал, представляющий собой смесь стеклянных волокон и отвердевшей смолы.

Кости человека и животных представляют собой композиционный материал, состоящий из двух совершенно различных компонентов: коллагена и минерального вещества.

Коллаген – один из главных компонентов соединительной ткани (из него в основном состоят наши сухожилия). Большая часть минерального компонента кости – соли кальция.

• Перечислите основные свойства кристаллических тел?(Сохраняет обьем и форму, анизотропны.)
• Перечислите основные свойства аморфных тел? (Сохраняет обьем и форму при низких температурах, с повышением температуры ведут себя как вязкие жидкости, изотропны.)
• Что представляет из себя монокристалл? Монокристалл – твердое тело, частицы которого образуют единую кр. решетку.
• Что представляет из себя поликристалл? Поликристалл – твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов.
• Решение теста на компьютере возле доски (Дмитриев Сергей):
  1. Какие из нижеперечисленных свойств характерно только для аморфных тел (отсутствие определенной температуры плавления).
  2. Анизотропия – это… (зависимость физических свойств от выбранного направления внутри кристалла).
  3. Кристаллическое состояние тв. тела (более энергетически устойчиво, чем аморфное).
  4. Два кубика из стекла и кристалла кварца опустили в горячую воду. Сохранят ли они свою форму. (Сохранит лишь стекло)
  5. Почему в таблицах не указывается температура плавления стекла (т.к. стекло аморфно и не имеет определенной температуры плавления).

3. Объяснение нового материала.

Термодинамика – это раздел физики, исследующий свойства макроскопических тел с энергетических позиций.

Макроскопические параметры – Р, V, T.

Внутренняя энергия зависит от агрегатного состояния вещества.

Внутренняя энергия тел – суммарная кинетическая энергия движения и взаимодействия молекул.

Два способа изменения внутренней энергии

При изменении внутренней энергии термодинамическая система переходит из одного состояния в другое.

Существует два способа изменения внутренней энергии системы:

1) Теплообмен, когда тело получает или отдает некоторое количество теплоты в процессе теплопередачи.

2) Совершение механической работы:

а) над телом (U). Опыт с электронным термометром, бруском и монетой.

b) самим телом (U).

Так внутренняя энергия металлической монеты может быть увеличена при нагревании ее на огне, либо за счет трения о деревянную поверхность.

Совершая работу, можно изменить внутреннюю энергию.

Внутренняя энергия и работа.

Если работа совершается над телом, то его внутренняя энергия увеличивается, если же тело само совершает работу, это ведет к уменьшению его внутренней энергии.

Когда газ, закачанный под давлением в баллон, совершает работу, например, выбивает пробку, то он охлаждается, поскольку при совершении работы уменьшается его внутренняя энергия.

Работа может совершаться за счет внутренней энергии.

А¹ = р∆V – работа газа.

А¹ = -А = р∆V – работа внешних сил.

Q = ∆U + А¹

А¹ – Первое начало термодинамики.

Невозможность вечного двигателя.

Первое начало термодинамики объясняет невозможность построения вечного двигателя первого рода, который должен бы был работать неограниченно долго без затрат энергии.

Если к системе не подводится энергия в виде тепла, значит, работа совершается этой системой только за счет внутренней энергии. Однако величина этой энергии не безгранична, поэтому система с течением времени перестанет совершать работу, и, значит, существование вечного двигателя невозможно.

Первое начало термодинамики можно применить для рассмотрения различных термодинамических процессов.

4. Закрепление.

Дано:

Q = 500 Дж

А = -300 Дж

Найти: ∆U.

Решение:

Q = ∆U + А¹

∆U = Q – А¹ = 500 + 300 = 800 Дж.

5. Решение тестов.

Выберите ответы вместо многоточия и закончите фразы:

1) Количество теплоты – количественная характеристика изменения внутренней энергии системы путем ...

а) совершения работы.
б) передачи электроэнергии.
в) совершения работы и теплообмена.
г) теплообмена.

2) Внутренняя энергия – это ...

а) энергия, зависящая только от внутреннего состояния системы.
б) энергия тел, входящих в термодинамическую систему.
в) кинетическая энергия движения молекул.
г) потенциальная энергия атомов.

3) Если газу передано количество теплоты 500 Дж, а он совершил отрицательную работу 300 Дж, то изменение внутренней энергии газа равно ...

а) 400 Дж.
б) 800 Дж.
в) 200 Дж.

Вопросы 1-5:

1) Какое определение ошибочно? Внутренней энергией тела называется ...

а) энергия этого тела за вычетом механической энергии тела как целого.
б) сумма кинетической и потенциальной энергии всех частиц, составляющих тело.
в) сумма кинетических энергии молекул.
г) все определения неправильны.

2) Внутренней энергию можно изменить:

а) можно изменить только путем теплопередачи.
б) нельзя изменить.
в) можно изменить только путем совершения работы.
г) можно изменить путем совершения работы и теплопередачи.

3) Термодинамическая система – это ...

а) совокупность тел с разными температурами.
б) тела, обладающие высокой температурой.
в) совокупность макроскопических тел, обменивающихся друг с другом веществом.
г) совокупность макроскопических тел и полей, обменивающихся друг с другом и внешней средой энергией и веществом.

4) Наука, исследующая свойства макроскопических тел с энергетических позиций, называется ...

а) молекулярно-кинетическои теорией.
б) динамикой.
в) термодинамикой.
г) энергодинамикои.

5) Математическое выражение первого начала термодинамики...

а) А = ∆U + Q.
б) ∆U = А + Q.
в) Q = ∆U + A.
д) Q = ∆U.

6. Домашнее задание. Параграфы 77-80.

Р-546

Какую работу совершил воздух массой 290 г при его изобарном нагревании на 20 К и какое количество теплоты ему при этом сообщили.

Q = ∆U + А

А = р∆V = R∆T = 1660 Дж

∆U = R∆T = А = 2490 Дж

Q =1660 + 2490 = 4150 Дж (Q = ст∆Т = 5800 Дж)