10 класс Информационный лист по теме «Термодинамика» Содержание папки с конспектами

10 класс
Информационный лист по теме «Термодинамика»
Содержание папки с конспектами
 Схема «Структура и содержание термодинамики»
 Конспект «Внутренняя энергия и способы ее изменения»
 Конспект «Тепловые двигатели»
 Таблица «Из истории развития термодинамики»
 Таблица «Сопоставление механической энергии и внутренней»
Технологическая карта контроля
Внутренняя энергия
 Вопросы для устного зачета по теме «Внутренняя энергия»
 Текст «Защита от холода»
Количество теплоты
 Вопросы для устного зачета по теме «Количество теплоты»
 Текст «Ледяная магия»
Работа в термодинамике
 Вопросы для устного зачета по теме «Работа в термодинамике»
 Примеры решения задач «Работа в термодинамике»
Законы термодинамики
 Вопросы для устного зачета по теме «Законы термодинамики»
Тепловые двигатели
 Вопросы для устного зачета по теме «Тепловые двигатели»
Схема
СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ТЕРМОДИНАМИКИ
ТЕРМОДИНАМИКА
Средства
описания
Что изучает?
Свойства макротел и явления,
опираясь на общие законы
термодинамики в рамках модели
«термодинамическая система»
Типичные явления
- тепловое равновесие
- теплоемкость
- изменение агрегатного
состояния вещества
-
Основные понятия
давление
объем
температура
работа
количество теплоты
внутренняя энергия
Законы термодинамики
Таблица
ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ
Год
Автор
Введенные представления
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
Вопросы для устного зачета по теме «Внутренняя энергия»
1. Макроскопические тела
2. Внутренняя энергия как функция состояния: определение, обозначение, формула, единицы
измерения.
3. Примеры превращения механической энергии во внутреннюю.
4. Отличие внутренней энергии идеального газа от внутренней энергии реального газа. Внутренняя
энергия идеального газа: вывод формулы.
5. Способы изменения внутренней энергии:
- работа: определение, эксперимент, рисунок
- теплопередача: определение, виды. Виды теплопередачи в природе и технике.
𝑼 = 𝑬кин молекул + 𝑬потенц молекул
Для идеального газа
𝟑
𝒎
𝟑
𝟑𝒎
𝑼 = 𝑬кин молекул = 𝑵 ∙ 𝒌𝑻 = 𝑵𝑨 𝒌𝑻 =
𝑹𝑻
𝟐
𝑴
𝟐
𝟐𝑴
∆𝑼 =
𝟑𝒎
𝑹∆𝑻
𝟐𝑴
Схема
СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ
Химические
реакции
Теплопередача
Работа
трение
эндотермические
деформация
экзотермические
теплопроводность
Виды
Определение
Опыты
В каких средах
происходят
Где лучше?
Перенос вещества
Особенности
Объяснение с точки
зрения МКТ
Учет и применение
конвекция
излучение
Таблица
ВИДЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
Теплопроводность
Конвекция
Излучение
Таблица
СОПОСТАВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИЙ
Энергия
Процесс
Изменение энергии
Мера
Формула
МЕХАНИЧЕСКАЯ
Кинетическая
Потенциальная
ВНУТРЕННЯЯ
Механическая работа
Работа
Механическая работа
Теплопередача
Работа
Количество теплоты
Текст
ЗАЩИТА ОТ ХОЛОДА
Реакции животных на разный тепловой режим жизнеобеспечения разнообразны. И все
они направлены на регулирование уровня теплопередачи. Животные с высоким уровнем
обменных процессов — птицы и млекопитающие — поддерживают постоянную температуру
тела даже при значительных колебаниях температуры внешней среды. Тепло выделяется при
биохимических реакциях внутри организма. Снижению теплопотерь способствуют
опущение, оперение, шерстный покров, жировые отложения, темный окрас покрова.
Обратите внимание на птиц. Мелкие пташки — воробьи, синицы, снегири — зимой
похожи на пушистые комочки с торчащими острыми клювиками. Они распушили свое
оперение и окружили себя неподвижным слоем плохо проводящего тепло воздуха. Мудрая
природа распорядилась так, что относительная длина перьев у маленьких птиц больше, чем у
крупных. Маленькие птицы теряют больше тепла, им нужна лучшая защита от холода.
Теплопроизводительная способность живого существа зависит от объема тела, а
потери тепла — от площади их поверхности. У мелких животных и детенышей соотношение
потерь тепла к его притоку больше, чем у крупных, т.е. они поставлены в худшие условия.
Дети должны замерзать быстрее, чем взрослые, но их спасает большая подвижность.
Человек, находясь вне жилища, защищается от холода аналогично: с помощью
хорошей одежды, высококалорийного питания и двигательной активности.
Вопросы и задания
1. Назовите отличительную особенность теплопроводности как вида теплопередачи.
Почему воздух является плохим проводником тепла?
2. В сильный мороз птицы чаще замерзают на лету, чем сидя на месте. Чем это можно
объяснить? Почему в холодную погоду многие животные спят, свернувшись клубком?
3. У человека замерзают быстрее всего конечности, уши и нос, так как эти части тела
имеют тонкие стенки. А еще почему?
4. Когда человеку холодно, его тело покрывается мурашками, он начинает дрожать. Какую
роль играют эти защитные механизмы для увеличения внутренней энергии человека?
КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ
Вопросы для устного зачета по теме «Количество теплоты»
1. Количество теплоты как функция процесса: определение, обозначение, единицы измерения.
2. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела или отдаваемое телом при его
охлаждении: формула, анализ
3. Теплоемкость и удельная теплоемкость: физический смысл, единицы измерения.
4. Количество теплоты, затраченное на превращение в пар жидкости массой m и выделяемое при
конденсации пара в жидкость: формула, анализ
5. Удельная теплота парообразования физический смысл, единицы измерения.
6. Количество теплоты, затрачиваемое на плавление кристаллического тела массой m или
выделяемое при отвердевании этого тела: формула, анализ.
7. Удельная теплота плавления: физический смысл, единицы измерения.
8. Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива массой m: формула, анализ.
9. Удельная теплота сгорания топлива: физический смысл, единицы измерения.
10. Уравнение теплового баланса.
Текст
ЛЕДЯНАЯ МАГИЯ
Между внешним давлением и точкой замерзания (плавления) воды наблюдается интересная
зависимость. С повышением давления до 2200 атмосфер она падает: с увеличением давления на
каждую атмосферу температура плавления понижается на 0,0075 °С. При дальнейшем увеличении
давления точка замерзания воды начинает расти: при давлении 3530 атмосфер вода замерзает при –
17 °С, при 6380 атмосферах – при 0 °С, а при 20670 атмосферах – при 76 °С. В последнем случае
будет наблюдаться горячий лед.
При давлении в 1 атмосферу объем воды при замерзании резко возрастает примерно на 11%.
В замкнутом пространстве такой процесс приводит к возникновению громадного избыточного
давления. Вода, замерзая, разрывает горные породы, дробит многотонные глыбы.
В 1872 г. англичанин Боттомли впервые экспериментально обнаружил явление режеляции
льда. Проволоку с подвешенным на ней грузом помещают на кусок льда. Проволока постепенно
разрезает лед, имеющий температуру 0 °С, однако после прохождения проволоки разрез затягивается
льдом, и в результате кусок льда остается целым.
Долгое время думали, что лед под лезвиями коньков тает потому, что испытывает сильное
давление, температура плавления льда понижается и лед плавится. Однако расчеты показывают, что
человек массой 60 кг, стоя на коньках, оказывает на лед давление примерно в 15 атм. Это означает,
что под коньками температура плавления льда уменьшается только на 0,11 °С. Такого повышения
температуры явно недостаточно для того, чтобы лед стал плавиться под давлением коньков при
катании, например, при –10 °С.
Ответьте на вопросы к тексту и выполните задания:
1. Как зависит температура плавления льда от внешнего давления?
2. Приведите два примера, которые иллюстрируют возникновение избыточного давления при
замерзании воды.
3. Попробуйте объяснить своими словами, что может означать термин «режеляция».
4. При протекании какого процесса может выделяться теплота, которая идет на плавление
льда при катании на коньках? (Ответ. В 1936 г. Бауден и Хьюз доказали, что в случае катания на
коньках или лыжах решающее значение имеет плавление льда под действием теплоты,
выделяющейся при трении.)
𝑸 = 𝒄 ∙ 𝒎 ∙ ∆𝑻
𝑸=𝝀∙𝒎
𝑸=𝒒∙𝒎
𝑸=𝑳∙𝒎
РАБОТА В ТЕРМОДИНАМИКЕ
Вопросы для устного зачета по теме «Работа в термодинамике»
1. Отличие работы, совершаемой внешними телами над газом, от работы газа
2.
3.
4.
5.
Работа газа в изобарном процессе. Рисунок. Формула.Графическое определение работы.
Работа газа при изохорном процессе.
Работа газа при изотермическом процессе.
Общий случай
⃗⃗⃗̂𝒔
⃗)
𝑨 = 𝑭 ∙ 𝒔 ∙ 𝒄𝒐𝒔(𝑭;
𝑨 = 𝒑 ∙ 𝑺 ∙ ∆𝒍
𝑨 = 𝒑 ∙ ∆𝑽
𝑨 ≞ 𝑺фиг под гр 𝒑(𝑽)
Примеры решения задач
РАБОТА В ТЕРМОДИНАМИКЕ
Задача 1. На рисунке показана изобара газа в координатах р,
V. Определите работу, совершенную газом в процессе расширения.
Решение:
А = p (V2 –V1)= 3 ˑ105 Па(6м3 – 2 м3) = 12 ˑ105 Дж = 1,2 МДж.
Задача 2. Идеальный газ переходит из состояния 1 в состояние 4 так,
как показано на рисунке. Вычислите работу, совершаемую газом.
A  6 105 (3  1) 103  4 105 (6  3) 103  24 102  2,4кДж.
А  А12  А23  А34
А12  р1 (V2  V1 )
А23  0, т.к.V  0
A34  p3 (V4  V3 )
Задача 3. Идеальный газ, масса которого т и молярная масса μ, расширяется изобарно при
некотором давлении. Начальная температура газа Т1, конечная Т2. Определить работу,
совершаемую газом.
Решение:
Работа в изобарном процессе
A  A12  A34
Из уравнения Менделеева—Клапейрона
Оказалось, что работу в изобарном процессе можно выразить не только через изменение объема по
формуле
но и через изменение температуры:
Полученный результат следует иметь в виду, так как он часто используется при решении более
сложных задач.
Ответ:
Задача 4. Газ, занимающий объем V1 = 2 м3 при давлении Р1 = 4·105 Па, совершает круговой
процесс, состоящий из нескольких этапов. Сначала газ изохорически охлаждается до
температуры, при которой его давление равно P2 = 105 Па. Затем он изобарически охлаждается
до состояния, из которого возвращается в начальное состояние таким образом, что его
давление изменяется с изменением объема по закону Р = αV (α - постоянная величина).
Нарисуйте график данного кругового процесса на РV-диаграмме и найдите совершенную газом
работу.
Решение:
Как следует из условия задачи, состояния газа 1 и 3 изображаются
точками, лежащими на прямой Р = αV, проходящей через начало координат.
Это означает, что
Р1 = αV1 и Р3 = αV3
С учетом того, что P2 = P3, получаем
(м3).
Работа при круговом процессе численно равна площади фигуры,
ограниченной графиком этого процесса, в данном случае - площади
треугольника 123.
,
подставляя V3, получаем
(Дж).
Ответ: работа в данном круговом процессе равна 2,25 ·105 Дж.
Задача 5. Найдите работу, совершенную одним молем идеального газа в круговом процессе,
изображенном на рис. 2, если P2/P1 = 2, T1 = 280 К, T2 = 360 К.
Решение:
Прежде
всего,
изобразим
проведенный
с
газом
процесс
в
координатах PV (рис.3).
Работа, совершенная газом, численно равна площади, ограниченной графиком
процесса.
.
Пользуясь уравнением состояния идеального газа и замечая, что PA = PD = P1,
находим:
,
.
Далее получаем:
Ответ:
ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Вопросы для устного зачета по теме «Законы термодинамики»
1. Закон сохранения энергии для тепловых процессов.
2.
3.
4.
5.
6.
Эквивалентность количества теплоты, механической работы, затраченной энергии.
Первый закон термодинамики: формулировка, математическая запись.
Первый закон термодинамики для изопроцессов.
Адиабатный процесс. I закон термодинамики для адиабатного процесса
II закон термодинамики.
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Вопросы для устного зачета по теме «Тепловые двигатели»
1. Тепловой двигатель: определение, назначение, строение (основные части и их назначение),
рисунок
2. Идеальная тепловая машина. КПД идеальной тепловой машины: формула, анализ, график.
3. КПД реального теплового двигателя: формула, анализ.
4. Виды тепловых двигателей.
5. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.