Первый закон термодинамики - Сайт Гимназии им. А.С. Пушкина

Первый закон термодинамики. Применение первого
закона термодинамики к изопроцессам.
Тип: урок объяснения нового материала.
Класс: 10
Цели урока:
образовательная:
 ввести первый закон термодинамики как закон сохранения энергии
термодинамической системы,
 раскрыть его физическое содержание при рассмотрении конкретных
процессов,
 ввести понятие об изотермическом, изобарном, изохорном, адиабатном
процессе,
 сформировать умения использовать первый закон термодинамики для
описания газовых процессов;
развивающие:





развитие памяти,
быстроты реакции,
творческих способностей,
умения применять полученные знания на практике,
развитие познавательного интереса.
воспитывающие:
 формирование коммуникативных качеств, культуры общения,
 воспитывать мировоззрение учащихся на основе метода научного
познания природы,
 воспитывать наблюдательность,
 воспитывать целеустремленность, настойчивость в достижении
поставленной цели.
Оборудование к уроку: мультимедийный проектор, экран, таблица.
План урока.
Этапы урока
1. Оргмомент
2. Проверка д/з
3. Фронтальный опыт
4. Изучение новой темы
5. Закрепление
материала
6. Рефлексия
7. Д/з
Время, мин.
1
6
7
20
6
3
2
Приёмы и методы
устный опрос
рассказ, демонстрации,
записи в тетрадях,
диалог
Устный опрос, диалог
ответы на вопросы
Ход урока.
1. Оргмомент.
- Здравствуйте, сегодня мы продолжаем изучение главы «Основы
термодинамики». План на урок. Сначала повторим изученный материал
прошлого урока, затем перейдём к изучению нового материала,
2.
Проверка д/з







Какой раздел в физике называется термодинамикой?
От каких физических величин зависит внутренняя энергия тела?
Чему равна внутренняя энергия идеального одноатомного газа ?
Назовите два способа изменения внутренней энергии?
Как рассчитать работу газа?
Что называют количеством теплоты?
От чего зависит удельная теплоемкость вещества?
3. Фронтальный опыт.
Фронтальный опыт «Изменение внутренней энергии тела при совершении
работы»
Приборы и материалы: пробирка химическая, термометр лабораторный,
цилиндр измерительный с холодной водой, лист бумаги.
Порядок выполнения работы
1.Налейте в пробирку 10мл воды и измерьте её температуру.
2.Закройте пробирку пробкой (или большим пальцем если нет пробки) и
заверните в бумагу. Энергично встряхивайте воду в пробирке в течение
40секунд (время засеките по секундомеру в часах или мобильном).
3.Откройте пробирку и снова измерьте температуру воды.
4.Ответьте на вопросы: а) как изменилась внутренняя энергия воды во
время опыта? б) каким способом вы изменяли внутреннюю энергию воды
в опыте? в) зачем пробирку с водой необходимо было заворачивать в
бумагу во время опыта? г) что можно сказать о зависимости изменения
внутренней энергии тела от совершённой работы?
4.Изучение новой темы
В термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести
которых практически не меняется. Механическая энергия таких тел
остаётся постоянной, изменяться может лишь внутренняя энергия каждого
тела. Первый закон термодинамики был открыт в середине 19 века
немецким учёным врачом Майером (1814-1878), английским учёным
Д.Джоулем(1818 – 1889) и получил наиболее точную формулировку в
трудах немецкого учёного Г Гельмгольца (1821-1894).
Поразительная особенность: в этой группе ученых двое врачей, Майер
и Гельмгольлц.
Один, задумался о природе теплоты, когда наблюдал в тропиках цвет
крови людей, другой, изучая физические основы зрения и слуха
человека. Именно ему принадлежит честь, опираясь на выводы Майера и
Джоуля, облечь в конечную форму закон сохранения и превращения
энергии:
« Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает:
количество энергии вечно и неизменно. Она только
переходит из одной формы в другую»
(Падает, например, молот на кусок свинца и свинец нагревается –
потенциальная энергия молота переходит в кинетическую, затем
механическая энергия превратилась во внутреннюю энергия тела). Закон
сохранения и превращения энергии, распространённый на тепловые
явления, носит название первого закона термодинамики.
Нагревание тела может происходить без сообщения ему какого-либо
количества теплоты, а только за счет совершения работы, что мы и
наблюдали в проделанном опыте. Либо за счёт теплообмена с окружающими
телами.
В общем случае при переходе системы из одного состояния в другое
внутренняя энергия изменяется одновременно как за счёт совершения
работы, так и за счёт передачи теплоты.
Первый закон термодинамики: Изменение внутренней энергии
системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме
работы внешних сил и количества теплоты переданного системе:
ΔU=Q+A.
Если система изолирована (замкнутая) то есть над ней не совершается работа
(А=0) и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q=0). То в
этом случае согласно первому закону термодинамики ΔU=0 (U1 = U2).
Внутренняя энергия изолированной системы остаётся неизменной
(сохраняется).
Учитывая, что A/ = - А, получим Q=A/ + ΔU
Количество теплоты, переданное системе, идёт на изменение её
внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними
телами.
Невозможность создания вечного двигателя – устройства, способного
совершать неограниченное количество работы без затрат топлива или какихлибо других материалов. Если к системе не поступает теплота (Q=0), то
работа A/ согласно первому началу термодинамики Q=A/ + ΔU может быть
совершена только за счёт убыли внутренней энергии: A/ = - ΔU. После того
как запас энергии окажется исчерпанным, двигатель перестанет работать.
Нельзя говорить, что в системе содержится определённое количество
теплоты или работы. Как работа, так и количество теплоты являются
величинами, характеризующими изменение внутренней энергии системы в
результате того или иного процесса, и выражаются эти величины в джоулях.
Откройте 207-ую страницу учебника и рассмотрите рисунки 165,166.
Внутренняя энергия системы может изменится одинаково как за счет
совершения системой работы, так и за счёт передачи окружающим телам
какого-либо количества теплоты. Например, нагретый воздух в цилиндре
может уменьшить свою энергию остывая, без совершения работы (рис 165).
Но может потерять точно такое же количество энергии, перемещая поршень,
без отдачи теплоты окружающим телам. Для этого стенки цилиндра и
поршень должны быть теплонепроницаемыми (рис 166)
Применение первого закона термодинамики к изопроцессам
Изохорный
процесс
Не
изменяемый
параметр
процесса
Уравнение
процесса
V = const
A=0
∆U = Q
Название процессов в термодинамике
Изотермичес Изобарный
Адиабатный
кий процесс
процесс
процесс
Q = const
T = const
∆U = 0
Q = A/
P = const
∆U = Q + A
∆U = A
Двигатель
внутреннего
сгорания
Двигатель Дизеля,
образование облаков
в атмосфере
A/ > 0
График
процесса
Примеры в
природе и
технике
Теплообмен в
природе
Название процесса
Изотермический
При
нагревании
газа он
расширяется
Работа газа,
количество теплоты
Изотермическое
расширение
/
Запись закона и
физический смысл
Q = A/
ΔU=0
A >0, Q>0
Т= const
Всё переданное газу
тепло идёт на
совершение им же
работы
Изотермическое сжатие
- Q = - A/
A/<0, Q<0
А=-Q
ΔU=0
При совершении работы
внешними силами газ
отдаёт тепло
окружающей среде.
A/ = p1(V2 – V1) = p1∙ΔV
Изобарный
Изобарное нагревание
p= const
(расширение)
ΔU=Q+A
A/>0, Q>0
Q=A/ + ΔU
ΔU>0
Изобарное охлаждение
Подводимое к газу
тепло идёт на
увеличение его
внутренней энергии и
на совершение газом
работы
ΔU= - A/ - Q
(сжатие)
ΔU= A - Q
A/<0, Q<0
ΔU<0
Внутренняя энергия
уменьшается за счёт
того, что над газом
совершается работа и
газ отдаёт тепло
окружающей среде
ΔU= Q
Изохорный
Изохорное нагревание
V= const
Q>0, A/ = 0
ΔU>0
Изохорное охлаждение
Внутренняя энергия
газа увеличивается за
счёт подводимого тепла
ΔU= - Q
Q<0, A/ = 0
ΔU<0
Внутренняя энергия
уменьшается за счёт
того, что газ отдаёт
Адиабатный
Q=0
тепло окружающей
среде
Адиабатное расширение
ΔU= - A/
( охлаждение)
A/>0
Адиабатное сжатие
ΔU<0
Внутренняя энергия
газа уменьшается за
счёт того, что сам газ
совершает работу. Газ
охлаждается.
ΔU= A
(нагревание)
ΔU>0
A/<0
Внутренняя энергия
газа увеличивается
только за счёт работы
внешних сил
Рассмотрим теплообмен внутри системы, состоящей из нескольких тел,
имеющих первоначально различные температуры, например теплообмен
между водой в сосуде и опущенным в воду горячим железным шариком.
Система изолированная. Никакой работы внутри не совершается. Согласно
первому закону термодинамики
5.
Закрепление.
1. Как формируется первый закон термодинамики?
2. С какими изопроцессами вы познакомились?
3. Как записывается уравнение теплового баланса?
4. Можно ли считать человека термодинамической системой?
5. За счёт чего поддерживается постоянная температура (внутренняя
энергия) человека?
6. Подведение итогов. Рефлексия
Сегодня на уроке мы изучили первый закон термодинамики, раскрыли его
физическое содержание при рассмотрении конкретных процессов, изучили
изопроцессы – изотермический, изобарный, изохорный, адиабатный,
научились использовать первый закон термодинамики для описания газовых
процессов. На следующем уроке мы будем решать задачи на применение
первого закона термодинамики к различным процессам.
Чтобы понять, на сколько интересен и полезен материал, который мы
изучали на уроке, выполните задание №2
Задание 2
Оцените сегодняшний урок: 0 – нет, 1 – да.
- Вам было интересно на уроке?________
- Вы узнали что-то новое?_____________
- Был ли доступен изучавшийся материал?_______
- Вы его поняли?_________
- Готовы ли вы работать над материалом на следующих уроках?_________
Количество баллов________
6. Дома: § 80,81
Итоги урока: Комментарии учителем домашнего задания. В качестве
итога приводятся слова А.С.Пушкина
О, сколько нас открытий чудных
Готовит просвещенья дух,
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог изобретатель!
Тест « Первый закон термодинамики и его применение к различным
процессам»
Ответы к бланковому тесту:
1 2 3 4 5 6
В А А Б В В
1.Над телом совершена работа внешними силами, и телу передано
некоторое количество теплоты. Чему равно изменение внутренней
энергии тела? Выберите правильный ответ.
A. ∆U = A
B. ∆U = Q
C. ∆U = A + Q
2.Тело получило некоторое количество теплоты и совершило работу.
Чему равно изменение внутренней энергии тела? Выберите правильный
ответ.
A. ∆U = Q - А
B. ∆U = A - Q
C. ∆U = A + Q
3. Как называется процесс, для которого первый закон термодинамики
имеет вид: ∆U = Q
Выберите правильный ответ.
A. Изохорный.
B. Изотермический
C. Изобарный.
4. Как называется процесс, для которого первый закон термодинамики
имеет вид: A + Q = 0
Выберите правильный ответ.
A. Изохорный.
B. Изотермический
C. Изобарный
5. Как называется процесс, для которого первый закон термодинамики
имеет вид: ∆U = A
Выберите правильный ответ.
A. Изохорный.
B. Изотермический
C. Адиабатный
6. Как называется процесс, для которого первый закон термодинамики
имеет вид: ∆U = p ∆V + Q?
Выберите правильный ответ.
A. Изохорный
B. Изотермический
C. Изобарный