Открытый урок физики на тему "Первый закон термодинамики" (10 класс)

• 1 слайд

  МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ
  ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
  ГОРОДА КАЛИНИНГРАДА
  ШКОЛА-ИНТЕРНАТ ЛИЦЕЙ-ИНТЕРНАТ
  (МАОУ ШИЛИ)
  
  Первый закон
  термодинамики
  Учитель физики и астрономии
  Михальцевич Г.В.
  Урок физики в 10 классе
  

• 2 слайд

  График процесса нагревания
  

• 3 слайд

  1. Почему на двух участках
  не меняется температура?
  2. Что происходит с молеку-
  лами на каждом участке?
  3. В каких случаях Q>0 и Q<0?
  4. В каком состоянии находится вещество на этих участках?
  Вопросы:
  

• 4 слайд

  1. Дать определение изопроцессам.
  2. Что называется внутренней энергией и от чего она зависит?
  3. В каком случае газ совершает работу? От чего зависит знак работы?
  4. Что называется количеством теплоты?
  5. Какие формулы мы применяем при расчете количества теплоты?
  Вопросы:
  

• 5 слайд

  Какое количество теплоты выделится, если стоградусный водяной пар массой 10г превратить в лед с температурой
  - 5ºС?
  Какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы лед массой 1,2кг, имеющего температуру - 30ºС, превратить в пар с температурой 100ºС?
  Задача:
  

• 6 слайд

  1. Совершение работы
  (трение, удар, деформация).
  Внутренняя энергия увеличивается, если над телом совершается работа, и уменьшается, если тело само совершает работу.
  2. Теплопередача – изменение внутренней энергии без совершения работы, происходит от тел с более высокой температуры к телам с более низкой температурой.
  Внутренняя энергия более холодного тела увеличивается за счет другого тела, у которого внутренняя энергия уменьшается.
  Способы изменения
  внутренней энергии
  

• 7 слайд

  Примеры изменения внутренней энергии:
  1. Нагрев тел при трении.
  2. Понижении температуры при
  расширении газа.
  3. Энергия топлива.
  4. Энергия Солнца.
  Закон сохранения энергии
  

• 8 слайд

  ∆U = Q + Aвс
  Изменение внутренней энергии системы при переходе в новое состояние возможно за счет переданной теплоты или работы внешних сил.
  
  Q = ∆U + Aг
  Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение её внутренней энергии и на совершение работы газом.
  Первый закон
  термодинамики
  

• 9 слайд

  – процесс при котором объём не изменяется
  (например, закрытый сосуд с газом)
  ∆V = 0 A = p∆V А = 0
  ∆U = Q
  
  Если газ получает теплоту, то его внутренняя энергия увеличивается и температура повышается. Если газ отдает теплоту, то наоборот.
  Изохорный процесс
  

• 10 слайд

  – процесс, при котором температура не изменяется
  ∆Т = 0 ∆U = 3/2νR∆T ∆U = 0
  Q = A
  
  Если газ получает теплоту, то он совершает положительную работу и расширяется, если газ отдает теплоту, то его объем уменьшается.
  Изотермический процесс
  

• 11 слайд

  – процесс, проходящий при постоянном давлении (обычно при атмосферном)
  
  p = const ∆T≠ 0 ∆V≠ 0
  Q = ∆U + A
  
  Переданное газу количество теплоты идет на изменение температуры и объема газа.
  Изобарный процесс
  

• 12 слайд

  – процесс в теплоизолированной системе
  ( если процессы в системе протекают достаточно быстро, то заметного теплообмена не происходит)
  Q = 0 ∆U = – A
  
  Примеры: а) накачивание камеры;
  б) двигатель Дизеля;
  в) охлаждение атмосферного воздуха.
  Адиабатный процесс
  

• 13 слайд

  Уравнение теплового баланса
  Q1 + Q2 + Q3 +….. = 0
  
  Сколько теплоты отдают нагретые тела, столько же теплоты получают в процессе теплообмена холодные тела.
  Теплообмен в замкнутой системе
  

• 14 слайд

  Какая установится температура, если в воду массой 800г при температуре 45ºС бросить кусок льда массой 50г с температурой 0ºС?
  Задача:
  

• 15 слайд

  Дано: СИ Решение:
  m1 = 800г = 0,8кг Отдано водой
  t1 = 45ºC Q1 = m1c(t – t1)
  m2 = 50г = 0,05кг Получено льдом
  t2 = 0ºC Q2 = m2λ Q3 = m2c(t - t2)
  t - ? Уравнение теплового
  c = 4200Дж/кг·К баланса
  λ = 340000Дж/кг Q1+Q2+Q3 = 0
  Задача:
  

• 16 слайд

  m1c(t – t1) + m2λ + m2c(t - t2) = 0
  Задача:
  

• 17 слайд

  Формулировка первого закона.
  Изменение уравнения для разных процессов.
  Изучение адиабатного процесса.
  Примеры адиабатных процессов.
  
  Выводы:
  

• 18 слайд

  §80, 81
  Знать формулировки закона.
  Домашнее задание:
  

• 19 слайд

  Интерактивное учебное пособие «Наглядная физика». МКТ и термодинамика. Издательство «Экзамен», Москва, 2012
  1С: Школа. Физика, 7–11. Библиотека наглядных пособий. Под. ред. Ханнанова Н.К.–М.: Дрофа.2004.
  Открытая физика [текст, рисунки] http://www.physics.ru
  Основные законы термодинамики http://www.youtube.com/watch?v=DQbugn1g0_c
  Фестиваль педагогических идей https://festival.1september.ru/articles/508649/‎
  6. Сайт «Открытая физика» http://www.college.ru/physycs/courses/op25part1/content/chapter3/section/paragraph3/ theory .html
  ЕК ЦОР Первый закон термодинамики http:// school-collection.edu.ru/catalog/res/2c161bdf-5373-2380-bf1a.../view/
  Уравнение теплового баланса http://iclass.home-edu.ru/file.php/213/11/111.htm
  
  Использованные источники:
  

Первый закон термодинамики

На рис. 3.9.1 условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную работу над окружающими телами.

Рисунок 3.9.1. Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы.

Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.

ΔU = Q – A.

Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:

Q = ΔU + A.

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.

Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней энергии.

Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.

1.    В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0. Следовательно,

Q = ΔU = U(T2) – U(T1).

2.    Здесь U(T₁) и U(T₂) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).

3.    В изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается соотношением

A = p(V2 – V1) = pΔV.

4.    Первый закон термодинамики для изобарного процесса дает:

Q = U(T2) – U(T1) + p(V2 – V1) = ΔU + pΔV.

5.    При изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T₂ < T₁; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

6.    В изотермическом процессе температура газа не изменяется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU = 0.

Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением

Q = A.

Количество теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического расширения, превращается в работу над внешними телами. При изотермическом сжатии работа внешних сил, произведенная над газом, превращается в тепло, которое передается окружающим телам.

Наряду с изохорным, изобарным и изотермическим процессами в термодинамике часто рассматриваются процессы, протекающие в отсутствие теплообмена с окружающими телами. Сосуды с теплонепроницаемыми стенками называются адиабатическими оболочками, а процессы расширения или сжатия газа в таких сосудах называются адиабатическими.

Модель. Адиабатический процесс.

В адиабатическом процессе Q = 0; поэтому первый закон термодинамики принимает вид

A = –ΔU,

т. е. газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии.

На плоскости (p, V) процесс адиабатического расширения (или сжатия) газа изображается кривой, которая называется адиабатой. При адиабатическом расширении газ совершает положительную работу (A > 0); поэтому его внутренняя энергия уменьшается (ΔU < 0). Это приводит к понижению температуры газа. Вследствие этого давление газа при адиабатическом расширении убывает быстрее, чем при изотермическом расширении (рис. 3.9.2).

Рисунок 3.9.2. Семейства изотерм (красные кривые) и адиабат (синие кривые) идеального газа.

В термодинамике выводится уравнение адиабатического процесса для идеального газа. В координатах (p, V) это уравнение имеет вид

pVγ = const.

Это соотношение называют уравнением Пуассона. Здесь γ = C_p / C_V – показатель адиабаты, C_p и C_V – теплоемкости газа в процессах с постоянным давлением и с постоянным объемом (см. §3.10). Для одноатомного газа для двухатомного для многоатомного

Работа газа в адиабатическом процессе просто выражается через температуры T₁ и T₂ начального и конечного состояний:

A = CV(T2 – T1).

Адиабатический процесс также можно отнести к изопроцессам. В термодинамике важную роль играет физическая величина, которая называется энтропией (см. §3.12). Изменение энтропии в каком-либо квазистатическом процессе равно приведенному теплу ΔQ / T, полученному системой. Поскольку на любом участке адиабатического процесса ΔQ = 0, энтропия в этом процессе остается неизменной.

Адиабатический процесс (так же, как и другие изопроцессы) является процессом квазистатическим. Все промежуточные состояния газа в этом процессе близки к состояниям термодинамического равновесия (см. §3.3). Любая точка на адиабате описывает равновесное состояние.

Не всякий процесс, проведенный в адиабатической оболочке, т. е. без теплообмена с окружающими телами, удовлетворяет этому условию. Примером неквазистатического процесса, в котором промежуточные состояния неравновесны, может служить расширение газа в пустоту. На рис. 3.9.3 изображена жесткая адиабатическая оболочка, состоящая из двух сообщающихся сосудов, разделенных вентилем K. В первоначальном состоянии газ заполняет один из сосудов, а в другом сосуде – вакуум. После открытия вентиля газ расширяется, заполняет оба сосуда, и устанавливается новое равновесное состояние. В этом процессе Q = 0, т.к. нет теплообмена с окружающими телами, и A = 0, т.к. оболочка недеформируема. Из первого закона термодинамики следует: ΔU = 0, т. е. внутренняя энергия газа осталась неизменной. Так как внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, температуры газа в начальном и конечном состояниях одинаковы – точки на плоскости (p, V, изображающие эти состояния, лежат на одной изотерме. Все промежуточные состояния газа неравновесны и их нельзя изобразить на диаграмме.

Расширение газа в пустоту – пример необратимого процесса. Его нельзя провести в противоположном направлении.

Рисунок 3.9.3. Расширение газа в пустоту.

МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ

ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ГОРОДА КАЛИНИНГРАДА

ШКОЛА-ИНТЕРНАТ ЛИЦЕЙ-ИНТЕРНАТ

(МАОУ ШИЛИ)

(урок физики в 10 классе)

Учитель физики и  астрономии

Михальцевич Галина Валентиновна

Калининград, 2016

Первый закон термодинамики

            Цель:   

     сформулировать  первый закон термодинамики и рассмотреть его

                                         применение при различных процессах.

Задачи:

     знать формулировку закона, определение адиабатного процесса и уметь

                                          интерпретировать природные явления на основе законов термодинамики;      

     добиться усвоения учащимися закона сохранения и превращения энергии

                                         для тепловых процессов – первого закона термодинамики; показать

                                         практическую значимость закона.

1.      Оргмомент  (сообщить план урока )                                                                             СЛАЙД № 1 

2.      Повторение изученного материала: дать названия различным процессам на графике, выбрать формулы для каждого участка, ответить на вопросы                        СЛАЙДЫ № 2 – 4  

  1. Почему на двух участках не меняется температура?

 2. Что происходит с молекулами на каждом участке?

 3. В каких случаях Q>0    и    Q<0?

 4. В каком состоянии находится вещество на этих участках?

 5. Дать определение изопроцессам.

 6. Что называется внутренней энергией и от чего она зависит?

 7.  В каком случае газ совершает работу? От чего зависит знак работы?

 8. Что называется количеством теплоты?

 9. Какие формулы мы применяем при расчете количества теплоты?

       3.  Решение задач. Пока производится устный опрос, остальные учащиеся решают задачи на

              расчет количества теплоты по вариантам                                                                 СЛАЙД №5 

4.      Проверка решения задач

5.      Повторение: способы изменения внутренней энергии

6.      Повторение: закон сохранения энергии и примеры его проявления в природе

7.      Первый закон термодинамики: определение и формула (записать)

8.      Первый закон термодинамики для изохорного процесса (записать)

9.      Первый закон термодинамики для изотермического процесса (записать)

10.  Первый закон термодинамики для изобарного процесса (записать)

11.  Адиабатный процесс (записать). Рассмотреть примеры

12.  Уравнение теплового баланса (записать)

13.  Образец решение задачи на уравнение теплового баланса (записать)

14.  Итоги урока:

1. Формулировка  первого закона

2. Как изменяется уравнение для разных процессов?

3. Какой процесс называется адиабатным?

4. Примеры адиабатных процессов?

5. Почему охлаждается атмосфера при удалении от поверхности Земли?

   15. Домашнее задание:

  §80, 81

 Знать формулировки закона

Интернет-источники:

1.        http://www.college.ru/physycs/courses/op25part1/content/chapter3/section/paragraph3/     theory .html

2.      http://school-collection.edu.ru/collection/

3.      http://www.youtube.com/watch?v=DQbugn1g0_c

4.      http://element.ru/trefil/thermodynamics_II