Решение задач на применение уравнения теплового баланса

Модель урока по физике на тему: «Решение задач на применение уравнения
теплового баланса», 8 класс
Автор
учитель физики высшей категории МОУ СОШ№112 Калининского
района городского округа г. Уфа РБ Кирова Лилия Фаритовна
Координаты автора 450050, г.Уфа, ул.Черниковская,д.27, кв. 9,
моб.т.8-927-31-76-254
Краткая аннотация урока
Данный урок является одним из ключевых уроков
при изучении раздела
физики «Термодинамика», так как на примере решения задач формируется
понимание закона сохранения энергии применительно к тепловым процессам.
Разнообразные дидактические ресурсы, используемые на уроке, обеспечивают
лучшее усвоение обучающимися учебного материала.
Рассматриваемые задачи соответствую требованиям ЭГЕ.
План урока:
1. Вывод уравнения теплового баланса.
2. Решение задачи № 1 с использованием компьютерной анимации.
3. Решение задач № 2, № 3 с использованием слайдов.
Мультимедийные ресурсы: презентация Microsoft Office PowerPoint. 2003.,
компьютерная анимация в программе Macromedia Flash .
Оборудование урока : проектор, компьютер, экран.
План- конспект урока
Тема урока: Решение задач на применение уравнения теплового баланса.
Цель урока: выяснить физическое содержание закона сохранения энергии для
тепловых процессов, повторить, углубить и обобщить знания по теме в ходе решения
задач, активизировать познавательную деятельность учащихся на уроках физики.
Ход урока.
Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: путем совершения работы
и путем теплообмена. Математическое выражение закона сохранения энергии
записывается так:
U=A+Q
Данное соотношение справедливо для изолированных систем. Система называется
изолированной, если теплообмен и совершаемая работа происходят только между
телами данной системы.
Для такой системы изменение внутренней энергии всегда равно нулю:
U=0
При этом суммарная работа в системе тоже равна нулю:
А=0
Следовательно, равно нулю и суммарное количество ,отданного и полученного
телами тепла:
Q=0
Таким образом, уравнение теплового баланса представляет собой математическое
выражение закона сохранения энергии при теплообменах в замкнутой системе без
совершения работы.
При этом одни тела системы нагреваются, другие охлаждаются или совершаются
фазовые переходы, при которых возможно как выделение, так и поглощение энергии.
Итак, формулировка закона сохранения энергии при составлении уравнения
теплового баланса выглядит так.
Слайд № 1
Уравнение теплового баланса.
В изолированной системе сумма количеств теплоты,
выделяемых одними телами,
равно сумме количеств теплоты, поглощаемых другими:
Qполуч.= - Qотд.
Слайд № 2
Границы применимости.
1.Только для изолированных систем:
Теплообмен происходит только между телами системы.
2.Изменение внутренней энергии происходит без совершения работы.
Для изолированных систем, внутри которых не совершается работа.
Как можно применить этот закон? Если привести в соприкосновение два тела разной
температуры, то, во-первых, теплообмен будет протекать до тех пор, пока
температуры тел не сравняются, и, во-вторых, одно тело будет передавать тепла
ровно столько, сколько второе тело получит.
При решении задач на уравнение теплового баланса следует опираться на следующие
правила:
Слайд № 3
Алгоритм решения задач с применением уравнения теплового баланса (УТБ)
1.Установить, у каких тел внутренняя энергия уменьшается, у каких –
возрастает.
2.Выяснить, какие агрегатные превращения происходят в результате
теплообмена.
3.Составить уравнение для тел, энергия которых возрастает. (Qполуч.=…)
4.Составить уравнение для тел, энергия которых уменьшается.(Qотд.= …)
5.Приравнять полученные суммы.
Рассмотрим возможное построение решения на примере такой задачи:
Слайд № 4
В калориметре, теплоемкостью которого можно пренебречь,
находится кусок льда массой 0,5 кг при температуре -10°С.
Какова должна быть масса пара, имеющего температуру 100°С,
который необходимо впустить в калориметр,
чтобы образовавшаяся вода имела температуру 20°С?
Слайд № 5
Калориметр-это два цилиндрических сосуда с разными диаметрами.
Между их дном и стенками- воздушный зазор,
который уменьшает теплоотдачу в окружающую среду.
Конечная температура системы 20
.Следовательно, весь пар сконденсировался, а
лед растаял.
Представьте, что у нас появилась возможность заглянуть «внутрь» вещества и
наблюдать за их превращениями.
Демонстрация компьютерной анимации к задаче.
В процессе показа ведется беседа с учащимися.
«Обратите внимание, температура льда повышается, интенсивность колебаний
молекул увеличивается. Как изменяется энергия теплового движения молекул?
Изменяется ли энергия взаимодействия молекул? Почему?»
«Теперь мы наблюдаем процесс плавления. Температура не изменяется, но данный
процесс сопровождается поглощением энергии. Изменяется ли энергия теплового
движения молекул? Изменяется ли энергия взаимодействия молекул? По какому
признаку вы можете судить об этом?»
Аналогично комментируем процесс нагревания воды, полученной в результате
плавления льда.
Наблюдаем за процессами, происходящими с паром, опираясь на график, составляем
уравнение теплового баланса:
Qполуч.=Cл mл(0
-(-10
Qотд.= -Lmп+Cв mп (20
Cл mл(0
+10
)+ л mл+Cв mл(20
-100
-0
)
)
)+ л mл+Cв mл(20
-0
)=-(-Lmп+Cв mп (20
-100
))
Решив это уравнение относительно mп и выполнив вычисление, найдём mп =83г.
А если в задаче не задано конечное состояние системы, как составить уравнение
теплового баланса?
В зависимости от численных значений данных одни процессы могут протекать,
другие - нет.
Решение таких задач необходимо начинать с выявления происходящих первыми
процессов, в результате которых выделяется и поглощается теплота.
Затем рассчитывают соответствующие количества теплоты, сравнивают их,
определяя направления протекания следующих возможных процессов и т.д.
Для примера рассмотрим следующую задачу.
Слайд № 6
В калориметр с куском льда массой m1 =1 кг.
При температуре t1 = - 20 °С впустили m2 =0,1 кг. пара, имеющего
температуру t2 = 100 °С
Определите установившуюся температуру.
Анализ решения.
Конечное состояние системы в условиях не задано. Следовательно, невозможно
определить, конденсируется ли весь пар, нагреется ли лед до температуры плавления,
а если нагреется, то будет ли плавиться и т.д. Поэтому составить уравнение
теплового баланса невозможно. Первые процессы, которые будут протекать, это
конденсация пара и нагревание льда.
С их рассмотрения и начинается решение задачи.
При конденсации всего пара выделилось бы количество теплоты
Q1 =
m2
Q1 =2, 3 × 106 Дж/кг × 0, 1 кг = 2, 3 × 105 Дж
Для нагревания льда до температуры плавления (0
Q1'= Cл m1 (0
-(-20
)
) требуется
Q1'=2, 1× 103 Дж/кг × К ×1кг × 20
= 4, 2× 104 Дж
Из сравнения этих двух количеств теплоты видно, что Q1> Q1'. Отсюда ясно, что лед
нагреется до 0
Q2' =
и начнет таять. Для таяния всего льда требуется
m1
Q2'=330 × 103 Дж/кг 1 кг = 3,3 × 105 Дж
Q1'+ Q2'=3, 72 × 105 Дж
Q1' + Q2' > Q1 ; Следовательно, количество теплоты, выделившееся только при
конденсации пара, не обеспечит таяния всего льда и вода, полученная их пара, будет
охлаждаться. При охлаждении воды до 0
Q2 = Cв m2 (0
-100
выделилось бы
)
Q2 = - 4, 2 103 Дж/кг × К × 0,1 кг × 100
= 4,2 × 104 Дж
Q1 + Q2 = 2, 72 × 105 Дж
Так как Q1 + Q2< Q2', то конденсация пара и охлаждение полученной воды до 0
не обеспечат таяния всего куска льда. Следовательно, растает только часть льда, и в
калориметре будем иметь воду и лед при 0
.
Рассмотрим следующую и последнюю задачу на уроке.
Слайд № 7
В результате теоретических расчетов ученик пришел к следующему выводу: при
смешивании двух одинаковых по массе порций воды, температура которых
соответственно равна 20 °С и 60 °С,
температура смеси составляет 40 °С . . .
Далее ученик провел эксперимент:
Слайд № 8
Налил в две пробирки по 5 г холодной и подогретой воды, убедился, что
температура обеих порций воды имеет нужные значения, и слил обе порции в
третью пробирку.
Слайд № 9
Пробирку с водой он несколько раз встряхнул, чтобы вода перемешалась, и
измерил температуру воды жидкостным термометром. Она оказалась 34 °С.
Какой вывод можно сделать из эксперимента?
Если предположения учащихся не верны, то еще раз обратиться к
формулировке уравнения теплового баланса (слайд 1), комментируя границы
применимости закона.
Выводы урока, Д/З