Основы термодинамики. 10-й класс

Разделы: Физика

Класс: 10

Цели урока:

  1. Формирование у обучающихся умения учиться, способности к саморазвитию.
  2. Приобретение опыта экспериментальных исследований.
  3. Повышение мотивации обучения.
  4. Развитие творческих способностей, логического мышления.
  5. Отработка навыков решения задач.
  6. Расширение политехнических знаний и умений.
  7. Развитие любознательности и изобретательности.

Тип урока: урок обобщения и систематизации знаний, проводится в течение 2 часов

Структура урока:

  1. Подготовка к активному усвоению.
  2. Всесторонняя проверка знаний.
  3. Закрепление знаний.
  4. Итог урока.

Методы работы: творческий, частично поисковый.

Формы работы: коллективные.

Технические средства обучения:

  • компьютер, мультимедийный проектор;
  • лаборатория «L-микро»;
  • мультимедийная презентация (Приложение1).

Ход урока

1. Подготовка к активному усвоению. (Приложение1.Слайд 1)

Мы закончили изучение теории, которая получила название термодинамика. На основании этой теории мы смогли с вами объяснить свойства газов без учета их внутреннего строения.

Цель нашего сегодняшнего урока. (Слайды 2-3)

Повторить полученные знания по этой теме, обобщить их, найти им применение при решении некоторых интересных задач. Для этого нужны не только ваши знания, но и ваши любознательность, наблюдательность, а главное желание думать.

Дерзайте ныне ободрены
Раченьем вашим показать,
Что может собственных Платонов
И быстрых разумом Невтонов
Российская земля рожать.

М.В. Ломоносов

2. Всесторонняя проверка знаний.

Начнем с фундаментального закона природы – закона сохранения и превращения энергии (фронтальный опрос по вопросам).

  1. Сформулировать закон сохранения и превращения энергии.
  2. Какие виды энергии вам известны?
  3. Что представляет собой внутренняя энергия?
  4. Снаряд, движущийся на высоте, кроме внутренне энергии, обладает еще ...
    Что произойдет с внутренней энергией, при его падении на землю?
    В результате, каких процессов произошло изменение внутренней энергии?
    В результате еще, каких процессов может произойти изменение внутренней энергии?
  5. Как формулируется закон сохранения энергии применительно к тепловым процессам?
  6. Приведите примеры превращения механической энергии во внутреннюю.

Я приведу выдержку из трудов Р. Бойля: «Когда кузнец поспешно выковывает гвоздь или какую-нибудь вещь из железа, металл при этом необыкновенно сильно нагревается, и так как здесь, кроме сильных ударов молотка ничего особенного не происходит, то эти удары приводят частицы железа в движение, железо, будучи предварительно холодным, делается теплым, благодаря внутренним движениям частиц».

  1. А как бы вы объяснили процесс нагревания железного гвоздя?

Экспериментальная задача №1. (Слайды 4-5)

На основании этого попробуем оценить долю механической энергии перешедшей во внутреннюю энергию свинцового образца при ударе молотка. (Слайд 6)

Для решения этой задачи необходимо выяснить (Слайд 7):

  1. В результате, каких процессов происходит изменение внутренней энергии.
  2. Записать первый закон термодинамики для данного случая.
  3. Выразить величины, входящие в уравнения, выбрав необходимые формулы.
  4. Сделать расчет и оценить результат.
  • Как вы думаете, в чем заключаются потери энергии? (Контакт между образцом и наковальней способствует быстрому охлаждению – потери энергии.)

Мы увидели, что внутренняя энергия не является какой-то постоянной величиной, и у одного и того же тела она может изменяться.

Рассмотрим еще один способ изменения внутренней энергии, но уже без совершения работы. И этот способ называется ... (Теплопередача.)

Экспериментальная задача №2. (Слайд 8)

В этом опыте энергия воде и спирту сообщается путем одновременного нагревания в одинаковых условиях. Для этого в пробирки налили равные массы воды и спирта, поместили датчики температуры. Пробирки опустили в горячую воду на одинаковую глубину. На экране монитора появились две кривые роста температуры.

  • О чем свидетельствует рост температуры данных веществ?

Задание. (Слайды 9-10)

Сравнить две кривые нагрева спирта и воды. Оценить величину теплоемкости спирта и воды.

  • Какое вещество обладало большей внутренней энергией вначале эксперимента?

Вначале спирт нагревается заметно быстрее воды, затем скорость нагрева спирта замедляется и останавливается. Далее температура спирта не изменяется, что свидетельствует о начале кипения. Если пробирки вынуть из воды, то можно зафиксировать поведение температуры при остывании. Спирт остывает быстрее, чем вода. Можно сделать вывод, что скорость нагрева и остывания воды, а значит и быстрота изменения внутренней энергии зависит от теплоемкости.

  • Можно ли утверждать, что работа и количество теплоты – это некоторые особые формы энергии в природе? Почему? (Работа и количество теплоты – это мера изменения внутренней энергии.)

Задача на закрепление. (Слайды 11-12)

Медленно нагревающемуся газу, находящемуся в цилиндрическом сосуде с подвижным поршнем сообщили 6 МДж теплоты. Определить изменение внутренней энергии газа, если измеренное в конце процесса давление было равно 8 МПа, а объем изменился на 0,5 м3.

Мы рассмотрели с вами закон сохранения и превращения энергии. Именно возможность взаимного превращения всех форм энергии обуславливает богатство и разнообразие явлений природы. Для иллюстрации этого великого закона природы рассмотрим несколько примеров.

Солнечные лучи несут определенный запас энергии. Падая на поверхность Земли, лучи нагревают ее. Энергия солнечных лучей при этом превращается во внутреннюю энергию почвы и тел, находящихся на поверхности Земли. Последняя передается окружающему Землю воздуху; воздушные массы приходят в движение, появляется ветер – происходит превращение в механическую энергию (кинетическую).

Часть энергии солнечных лучей поглощается на поверхности Земли листьями растений, при этом в растениях происходят сложные химические реакции, в результате которых образуются органические соединения – происходит превращение в химическую энергию.

В настоящее время наука овладела возможностями превращения внутриатомной энергии в другие виды энергии, нужные для практики.

Понятие циклического процесса

Взгляните на портрет! (Слайд 13) Молодой офицер, страстный любитель музыки и вообще искусства, неутомимый спортсмен, С. Карно находил время для занятия науками, историей и политической экономикой.

С особым интересом он работал над теорией тепла, написав работу «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Он задался целью «улучшения тепловой машины, повышения ее КПД». В книге описан круговой (циклический) тепловой процесс, который оказался единственным циклом, дающим предельный, теоретически возможный КПД.

Но мы пока остановимся на процессе, который сможем смоделировать в лабораторных условиях.

Задание. (Слайд 14)

В координатных осях (P, V) построить:

  1. Изохорное уменьшение давления при охлаждении газа.
  2. Изотермическое увеличение объема газа.
  3. Изохорный рост давления при увеличении температуры.
  4. Изотермическое уменьшение объема.

Экспериментальная задача №3 – проверка правильности построения графика процесса (Слайды 15-16)

  1. Рассмотреть, как изменяется внутренняя энергия газа на различных участках.
  2. На каких участках цикла совершаемая газом работа и количество теплоты положительны, а на каких отрицательны?
  3. На каких участках совершается большая работа? Почему?
  4. Как определить работу газа, совершаемую за цикл?
  5. Какое количество теплоты получил воздух массой 52 мг, находящийся в закрытом сосуде, при нагревании на 500С?
  6. Построить процесс в координатных осях (Р, Т). (Решения см. слайды 17-21)
  • Цикл Карно, совершаемый определенной массой газа, состоит из ... (двух изотермических и двух адиабатных процессов, чередующихся друг с другом).

Рассмотрим задачу на определение КПД идеальной тепловой машины.

Задача. (Слайды 22-23)

Идеальный тепловой двигатель совершает за один цикл работу А = 7,4 •104Дж. Температура нагревателя и холодильника равны Т1 = 373 К и Т2 = 273 К. определить количество теплоты Q1, получаемое рабочим веществом, и количество теплоты Q2, отдаваемое им холодильнику.

3. Закрепление знаний. (Слайд 24-25)

Тестирование.

1. Внутреннюю энергию воды определяет ее:

  1. температура.
  2. фазовое состояние.
  3. масса.

А. только1; Б. только 2; В. только 3; Г. 1, 2, 3.

2. Взяли одинаковые массы азота и кислорода при одинаковых температурах. Какое вещество обладает большей внутренней энергией?

А. азот; Б. кислород; В. энергия одинакова.

3. Веществам одинаковой массы, удельные теплоемкости которых приведены ниже, при температуре 200С передается количество теплоты, равное 100 Дж. Какое из веществ нагреется до более высокой температуры?

А. золото – 0,13 кДж/кг К; Б. серебро – 0,23 кДж/кг К; В. вода – 4,19 кДж/кг К.

4. Одна и та же масса веществ, приведенных в задании 2 при температуре 200С, охлаждается до 50С. Какое из веществ отдаст наибольшее количество теплоты?

А. золото; Б. серебро; В. вода.

5. Газу передано 100 Дж теплоты, а внешние силы совершили над ним работу 300 Дж. Чему равно изменение внутренней энергии?

А. 400 Дж; Б. 100 Дж; В. 200 Дж.

6. Первый закон термодинамики записан следующим образом Q = ΔU + A. В ходе процесса проведенного с газом внутренняя энергия уменьшилась, при этом газ сжали. При этом обязательно:

А. Q > 0, A < 0; Б. Q < 0, A < 0; В. Q > 0; A > 0.

7. При каких из указанных ниже процессов газ не совершает работы?

А. изохорное нагревание; Б. изобарное сжатие; В. изотермическое расширение.

8. Как изменяется внутренняя энергия идеального газа при его изотермическом сжатии?

А. увеличивается; Б. уменьшается; В. не изменяется.

9. В каком из процессов перехода идеального газа из состояния 1 в состояние 2, изображенном на диаграмме, газ совершает наибольшую работу?

А. а; Б. б; В. в трех процессах одинакова.

10. Сравнить КПД тепловых машин:

А. η1 > η2; Б. η1 < η2; В. одинаковы.

4. Подведение итогов урока, выставление оценок. (Слайд 26)

«Везде исследуйте, всечасно,
Что есть велико и прекрасно,
Чего еще не видел свет.»

Желаю вам успеха!