Технологическая карта урока физики :"Законы термодинамики"

Технологическая карта урока

Дата: 26.02.2021

Предмет: Физика

Группа: 11

Тема урока: Законы термодинамики.           

 Преподаватель: Болдова Н.П.

Цели для ученика: Познакомиться с законами термодинамики.	Цели для учителя:, Образовательная- сформулировать закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления, привести данные об истории открытия закона,  развивать умение решения задач с использованием закона сохранения энергии для тепловых процессов, рассмотреть изопроцессы с новой  энергетической точки зрения, дать понятие об адиабатном процессе, втором законе термодинамики, познакомить учащихся с алгоритмом решения задач на применение уравнения теплового баланса. Развивающая – развивать логическое мышление учеников, умение анализировать  процессы природы; расширить и систематизировать знания, показать их практическую направленность, показать мировоззренческую интерпретацию в современной научной картине мира.  Воспитательная –  формировать мировоззрение, создать условия для повышения интереса к изучаемому материалу и предмету в целом.
Тип урока: Урок новых знаний
Опорные понятия, термины: Изопроцессы, термодинамика, теплота, энергия, работа, термодинамическая шкала.	Личностно-ориентированные технологии обучения.
	Оборудование: тетради, раздаточный материал, интерактивная доска

Этапы урока	Деятельность преподавателя	Деятельность учащихся	Ожидаемый результат
Организационный момент	Приветствует, проверяет готовность к занятию.	Приветствуют преподавателя, проверяют уровень своей готовности к уроку	Готовность класса к уроку .Готовность учащихся к активной учебной деятельности
Актуализация опорных знаний, формулировка темы	Организует фронтальный опрос по пройденному материалу (проверка домашнего задания) В процессе беседы вопросами подводит учащихся к формулировке темы урока - Как вычислить количество теплоты, нужное для нагревания тел до определенной температуры? - Что называется удельной теплоемкостью? - Как вычислить количество теплоты, нужное для превращения жидкости массой m, взятой при температуре кипения, в пар? - Какая величина является удельной теплотой парообразования? Конденсации? - Какую формулу применяют для расчета количества теплоты, необходимого  для того, чтобы расплавить кристаллическое тело массой m, взятое при температуре плавления. - Какая величина называется удельной теплотой плавления? - В каких случаях в формулах используется знак минус ( – )?	Отвечают на вопросы. В процессе беседы формулируют тему урока	Актуализация знаний, отработка умений
Изучение нового	Изложение нового материала  1.Просмотр видеоролика: https://youtu.be/yDH68PY0R-0 2. Приложение 1. 3. Эксперимент. Возьмем пробирку с плотно закрытой пробкой со стеклянной трубкой малого диаметра, в которой оставьте 1-2 капли подкрашенной воды, чтобы образовался небольшой столбик воды вблизи пробирки. Установите пробирку в лапке штатива в горизонтальном положении. С помощью руки нагрейте воздух в пробирке и наблюдайте за столбиком воды в трубке. Затем отпустите руки и вновь понаблюдайте за перемещением столбика воды. Результаты опыта объясните.	Совместно с преподавателем чертят схемы, составляют опорный конспект. Принимают участие в эксперименте	Формирование визуального ряда
Закрепление, отработка знаний	1.Предлагает решить  качественную задачу. Обращали ли вы внимание на туманное облачко, которое появляется у горлышка бутылки с охлажденной газированной водой сразу, после ее открывания? Чем это вызвано? (В бутылке с газированной водой всегда имеется немного сжатого газа.  При открывании бутылки, газ адиабатически  расширяется, совершая против сил атмосферного давления, работу. В результате температура газа понижается, внутренняя энергия его уменьшается. Водяной пар, который содержится в газе, конденсируется в виде туманного облачка). 2.Предлагаются к решению задачи: Задача 1. В цилиндре под поршнем находится 1,25 кг воздуха. Для его нагревания на 40С при постоянном давлении было затрачено 5 кДж теплоты. Определите изменение внутренней энергии воздуха,   молярная масса которого   0,029   кг/ моль. Задача 2. 0,2 кг азота нагревают при постоянном давлении от 20 до 800С. Какое количество теплоты поглощается при этом? Какую работу производит газ?         Удельная теплоемкость азота  С = 108 Дж/кг ·0К	Решают качественную задачу. Выполняют задания у доски и в тетрадях.	Формирование умений применять знания Формирование компетенций
Подведение итогов урока, рефлексия.Д/з	Открытый микрофон. «На уроке я узнал (а) о… Особенно интересным было… Не понятным осталось…» Конспект.	Анализируют то, что узнали на уроке.	Показать отношение к уроку. Учатся самооценке.

Приложение 1

1. Историческая справка.

В середине ХIХ века на основе работ, выполненных несколькими учеными (независимо друг от друга) был сформулирован закон сохранения энергии для тепловых процессов. Этот закон, позднее, получил название: «Первого закона термодинамики». Немецкий ученый Р. Майер выдвинул теоретические предпосылки закона. Английский физик Д. Джоуль провел его опытные обоснования и измерения. Немецкий ученый Г. Гельмгольц получил математическую формулу закона, обобщил и распространил полученные результаты на все явления природы.

2. Формулировка 1-го закона термодинамики для случаев, если:

а) работа совершается над газом: ΔU = Q + A;

б) работу совершает газ: ΔU = Q – A;                     

       Со­всем недав­но мы изу­ча­ли тему «Закон со­хра­не­ния ме­ха­ни­че­ской энер­гии» и убе­ди­лись, что при опре­де­лен­ных усло­ви­ях пол­ная ме­ха­ни­че­ская энер­гия тел, вхо­дя­щих в си­сте­му, может со­хра­нять­ся. Есть и усло­вия, при ко­то­рых она не со­хра­ня­ет­ся, это тот слу­чай, если в си­сте­ме дей­ству­ют так на­зы­ва­е­мые дис­си­па­тив­ные силы, при­ме­ром такой силы яв­ля­ет­ся сила тре­ния. В этом слу­чае пол­ная ме­ха­ни­че­ская энер­гия умень­ша­ет­ся, од­на­ко, как по­ка­зы­ва­ют на­блю­де­ния, тем­пе­ра­ту­ра тел, вхо­дя­щих в си­сте­му, рас­тет.

       Могут на­блю­дать­ся и в неко­то­ром смыс­ле про­ти­во­по­лож­ные про­цес­сы. На­при­мер, вылет проб­ки из бу­тыл­ки с га­зи­ро­ван­ной водой, ме­ха­ни­че­ская энер­гия проб­ки при этом, без­услов­но, воз­рас­та­ет, а вот со­дер­жи­мое бу­тыл­ки при этом охла­жда­ет­ся (см. рис. 1).

Рис. 1. При­мер про­цес­сов, на­блю­да­е­мых при вы­ле­те проб­ки из бу­тыл­ки

 Переход одного вида энергии в другую

       За ис­клю­че­ни­ем дви­же­ния небес­ных тел, нет таких яв­ле­ний, в ко­то­рых ме­ха­ни­че­ское дви­же­ние не со­про­вож­да­лось бы на­гре­ва­ни­ем или охла­жде­ни­ем окру­жа­ю­щих тел. Когда тело бла­го­да­ря тре­нию оста­но­ви­лось, его ки­не­ти­че­ская энер­гия на пер­вый взгляд про­па­ла, од­на­ко это лишь на пер­вый взгляд. На самом деле со­хра­не­ние имеет место с аб­со­лют­ной точ­но­стью, Ме­ха­ни­че­ская энер­гия тела ушла на на­грев среды (рис. 2), вы это мо­же­те на­блю­дать, по­те­рев ла­до­ни друг о друга.

Рис. 2. Пе­ре­ход од­но­го вида энер­гии в дру­гой вид

       Но что это зна­чит на языке мо­ле­кул? А вот что (рис. 3): ки­не­ти­че­ская энер­гия тела пе­ре­ш­ла в ки­не­ти­че­скую энер­гию мо­ле­кул среды. А что про­ис­хо­дит в том слу­чае, если мы тол­чем в ступ­ке лед? Ведь тер­мо­метр в этом слу­чае все­гда по­ка­зы­ва­ет ноль, т. е. ка­за­лось бы, ме­ха­ни­че­ская ра­бо­та про­ис­хо­дит, а внут­рен­няя энер­гия не из­ме­ня­ет­ся. Куда она де­лась? И здесь ответ нам ясен: лед пре­вра­тил­ся в воду, зна­чит, ме­ха­ни­че­ская энер­гия пошла на раз­рыв свя­зей между мо­ле­ку­ла­ми (рис. 4). Т. е., как и в преды­ду­щем слу­чае, из­ме­ни­лась внут­рен­няя энер­гия.

Рис. 3. Пе­ре­ход ки­не­ти­че­ской энер­гии тела в ки­не­ти­че­скую энер­гию среды

Рис. 4. Из­ме­не­ние внут­рен­ней энер­гии, раз­рыв свя­зей между мо­ле­ку­ла­ми, что при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию воды

       Каж­дый раз, когда нам ка­жет­ся, что ме­ха­ни­че­ская энер­гия ку­да-то ис­чез­ла, она пе­ре­хо­дит во внут­рен­нюю энер­гию тела. В за­мкну­той си­сте­ме одни тела могут те­рять энер­гию, дру­гие тела могут при­об­ре­тать эту энер­гию, од­на­ко пол­ная сумма всей ме­ха­ни­че­ской энер­гии тел и внут­рен­ней энер­гии тел си­сте­мы оста­ет­ся неиз­мен­ной.

       Те­перь рас­смот­рим два мо­мен­та вре­ме­ни: в пер­вый мо­мент тела по­ко­и­лись, потом про­ис­хо­ди­ли ка­кие-то со­бы­тия, а те­перь тела снова по­ко­ят­ся. Мы уве­ре­ны в том, что внут­рен­няя энер­гия всех тел, вхо­див­ших в си­сте­му, оста­лась неиз­мен­ной:

      Но одни тела по­те­ря­ли энер­гию, а дру­гие при­об­ре­ли. Это могло про­изой­ти двумя спо­со­ба­ми: либо одно тело со­вер­ши­ло над дру­гим ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту, до­пу­стим, сжало его или рас­тя­ну­ло, либо одно тело пре­да­ло дру­го­му тепло. Тепло и ра­бо­та яв­ля­ют­ся двумя фор­ма­ми, ко­то­ры­ми энер­гия может пе­ре­да­вать­ся от од­но­го теля к дру­го­му, раз­ни­ца лишь в спо­со­бе этой пе­ре­да­чи. Пе­ре­да­ча тепла про­ис­хо­дит бес­по­ря­доч­ны­ми уда­ра­ми мо­ле­кул, а пе­ре­да­ча ме­ха­ни­че­ской энер­гии со­сто­ит в том, что мо­ле­ку­лы од­но­го тела строй­но, как бы дви­га­ясь ше­рен­гой, пе­ре­да­ют свою энер­гию дру­го­му телу.

 Первый закон термодинамики

        Внут­рен­нюю энер­гию си­сте­мы можно со­вер­шить двумя спо­со­ба­ми: со­вер­шить над си­сте­мой ра­бо­ту и/или пе­ре­дать си­сте­ме неко­то­рое ко­ли­че­ство теп­ло­ты. Это утвер­жде­ние, толь­ко вы­ра­жен­ное в стро­гой ма­те­ма­ти­че­ской фор­му­ле, и по­лу­чи­ло на­зва­ние пер­во­го за­ко­на тер­мо­ди­на­ми­ки. Ино­гда встре­ча­ют­ся опре­де­ле­ния «пер­вое на­ча­ло тер­мо­ди­на­ми­ки».

Из­ме­не­ние внут­рен­ней энер­гии си­сте­мы равно раз­но­сти между ко­ли­че­ством теп­ло­ты, под­ве­ден­ным к си­сте­ме, и ра­бо­той, со­вер­шен­ной си­сте­мой:

ΔU = Q – A

А – ра­бо­та, со­вер­шен­ная си­сте­мой,

Q – ко­ли­че­ство теп­ло­ты, пе­ре­дан­ной си­сте­ме от внеш­них тел,

ΔU – это из­ме­не­ние внут­рен­ней энер­гии.

      Пер­вое на­ча­ло тер­мо­ди­на­ми­ки было сфор­му­ли­ро­ва­но за­дол­го до того, как в науке укре­пи­лось по­ня­тие мо­ле­кул, т. е. еще не была из­вест­на мо­ле­ку­ляр­но-ки­не­ти­че­ская тео­рия. По­это­му пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки часто носит на­зва­ние фе­но­ме­но­ло­ги­че­ско­го, т. е. та­ко­го, ко­то­рый от­но­сит­ся к тому или иному яв­ле­нию.

       По боль­шо­му счету можно ска­зать, что пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки яв­ля­ет­ся рас­ши­ре­ни­ем и уточ­не­ни­ем за­ко­на со­хра­не­ния энер­гии.

 Обсуждение первого закона термодинамики

       Те­перь на­ста­ло время пе­рей­ти к об­суж­де­нию этого за­ко­на, по­нять, а как же он может быть по­ле­зен для нас, кроме как при ре­ше­нии задач, для этого от­дель­но по­го­во­рим про каж­дое сла­га­е­мое, вхо­дя­щее в фор­му­лу: внут­рен­няя энер­гия, точ­нее, ее из­ме­не­ние, ра­бо­та и ко­ли­че­ство теп­ло­ты.

       Начнем с внут­рен­ней энер­гии. В даль­ней­шем, если это особо не ого­во­ре­но, в ка­че­стве тер­мо­ди­на­ми­че­ской си­сте­мы будем рас­смат­ри­вать иде­аль­ный газ в ка­ком-ли­бо со­су­де. Внут­рен­няя энер­гия си­сте­мы за­ви­сит от ве­ли­чин дав­ле­ния, объ­е­ма и тем­пе­ра­ту­ры:

       А из­ме­не­ние внут­рен­ней энер­гии будет опре­де­лять­ся толь­ко на­чаль­ным и ко­неч­ным со­сто­я­ни­ем и не будет за­ви­сеть от того, каким об­ра­зом си­сте­ма пе­ре­ш­ла из од­но­го со­сто­я­ния в дру­гое:

       Вспо­ми­на­ем, что в иде­аль­ном газе мы пре­не­бре­га­ем вза­и­мо­дей­стви­ем между мо­ле­ку­ла­ми, т. е. внут­рен­няя энер­гия опре­де­ля­ет­ся толь­ко сум­мой ки­не­ти­че­ских энер­гий каж­дой из мо­ле­кул. Да­вай­те вспом­ним, что сред­няя ки­не­ти­че­ская энер­гия дви­же­ния мо­ле­кул опре­де­ля­ет­ся толь­ко тем­пе­ра­ту­рой. Тогда можем смело за­пи­сать вы­ра­же­ние для внут­рен­ней энер­гии:

,

где v – ко­ли­че­ство ве­ще­ства,

R – уни­вер­саль­ная га­зо­вая по­сто­ян­ная,

T – тем­пе­ра­ту­ра,

i – число сте­пе­ней сво­бо­ды мо­ле­кул газа.

       Таким об­ра­зом, мы можем ска­зать, что внут­рен­няя энер­гия иде­аль­но­го газа за­ви­сит толь­ко от тем­пе­ра­ту­ры.

       Пе­ре­хо­дим к ве­ли­чине ра­бо­ты. Ра­бо­та, как и ко­ли­че­ство теп­ло­ты, вхо­дя­щее в левую часть урав­не­ния для пер­во­го за­ко­на тер­мо­ди­на­ми­ки, не яв­ля­ют­ся ха­рак­те­ри­сти­ка­ми со­сто­я­ния си­сте­мы, а за­ви­сят от про­цес­са пе­ре­хо­да, это ло­гич­но. На­при­мер, пе­ре­ход си­сте­мы из со­сто­я­ния один в со­сто­я­ние два (рис. 5) может осу­ществ­лять­ся раз­ны­ми спо­со­ба­ми, в част­но­сти по пути а или по пути b. При этом из­ме­не­ние внут­рен­ней энер­гии будет одним и тем же для обоих про­цес­сов, а вот ра­бо­та и ко­ли­че­ство теп­ло­ты будут раз­ли­чать­ся:

Рис. 5. Пе­ре­ход си­сте­мы из состо­я­ния 1 в состо­я­ние 2

       Обо­зна­чим через  ра­бо­ту, вы­пол­ня­е­мую самой си­сте­мой, иде­аль­ным газом, про­тив внеш­них сил. На­при­мер, если газ рас­ши­ря­ет­ся, дви­гая пор­шень в со­су­де, то этот газ со­вер­ша­ет ра­бо­ту про­тив сил тя­же­сти порш­ня и про­тив сил ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния, дей­ству­ю­щих на пор­шень с внеш­ней сто­ро­ны (рис. 6).

Рис. 6. Дей­ствие внеш­них сил на пор­шень с иде­аль­ным газом

       Со­вер­шен­но оче­вид­но, что согласно тре­тье­му за­ко­ну Нью­то­на эта ра­бо­та будет равна ра­бо­те внеш­них сил, взя­той с об­рат­ным зна­ком:

       Тогда урав­не­ние для пер­во­го за­ко­на тер­мо­ди­на­ми­ки можно пе­ре­пи­сать в виде:

        Сло­вес­ная фор­му­ли­ров­ка этого вы­ра­же­ния будет зву­чать так: со­об­щен­ная си­сте­ме теп­ло­та идет на из­ме­не­ние ее внут­рен­ней энер­гии и на со­вер­ше­ние си­сте­мой ме­ха­ни­че­ской ра­бо­ты про­тив внеш­них сил.

 Вывод

       Те­перь видна и прак­ти­че­ская поль­за. Во­прос фор­му­ли­ру­ет­ся сле­ду­ю­щим об­ра­зом: можно ли со­здать такое устрой­ство, ко­то­рое при пе­ре­да­че ему неко­то­ро­го ко­ли­че­ства теп­ло­ты пре­вра­тит это ко­ли­че­ство теп­ло­ты в по­лез­ную ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту? Ответ из­ве­стен, такие устрой­ства су­ще­ству­ют, и на­зы­ва­ют­ся они теп­ло­вы­ми дви­га­те­ля­ми. Фак­ти­че­ски,  стоит за­да­ча – как мак­си­маль­но эф­фек­тив­но пре­вра­тить ко­ли­че­ство теп­ло­ты, ко­то­рое мы пе­ре­да­ем та­ко­му теп­ло­во­му дви­га­те­лю, в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту.

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

Q = ΔU + A

            Опорный конспект

Первый закон термодинамики

Количество теплоты, которое отдано системе, идет на увеличение ее внутренней энергии и совершение  работы системой над внешними телами

Q = А - ΔU

Изменение  внутренней энергии системы во время  ее перехода из одного состояния в другое  равно сумме работы внешних сил над системой и количеству теплоты, отданному системе

ΔU = А′ - Q

       В изохорном процессе газ работы не совершает, и ΔU = Q. В изобарном процессе A = pΔV = p (V₂ – V₁). В изотермическом процессе ΔU = 0, и A = Q; вся теплота, переданная телу, идет на работу над внешними телами. Графически работа равна площади под кривой процесса на плоскости p, V.

Рис. 7. Первое начало термодинамики для изохорного процесса.

Рис.8. Первое начало термодинамики для изобарного процесса.

Рис. 9. Первое начало термодинамики для изотермического процесса.

Рис.10. Первое начало термодинамики для адиабатного процесса.

            Адиабатным называется  процесс, при котором системе не передается тепло из окружающей среды: Q = 0. В адиабатном процессе вся работа совершается за счет внутренней энергии газа.

Применение І  закона  термодинамики к  газовым процессам

Название процесса	Закон	Количес-тво тепло- ты	Работа газа	Изменение внутренней   энергии	І  закон  термо-динамики	График
Изотерми- ческий	РV = const	> 0	> 0	0	Q = A
		< 0	< 0	0
Изохорный	= const	> 0	0	> 0	Q =ΔU
		< 0	0	< 0
Изобарный	= const	> 0	> 0	> 0	Q = A + ΔU
		< 0	< 0	< 0
Адиабатный	РVγ = const	0	> 0	< 0	A′= ΔU
		0	< 0	> 0

3. Объяснение невозможности создания вечного двигателя.

         Если Q = 0; то ΔU = – A или – ΔU = A. То есть двигатель перестанет работать,  если будет исчерпан весь запас внутренней энергии.  Первый закон термодинамики объясняет теоретическую невозможность создания вечного двигателя. Но еще до открытия этого закона многовековая практика привела ученых к выводу: нельзя совершать работу без затраты внешней энергии.

Так, еще Леонардо да Винчи писал: «О, искатели постоянного двигателя, сколько пустых проектов создали вы в подобных поисках».

В 1775 году Французская академия наук заявила: «Построение вечного двигателя абсолютно невозможно», – и перестала рассматривать любые проекты вечных двигателей.

       4. Рассмотрим процессы теплообмена между телами в замкнутой системе.

Q1 + Q1+ Q3+… = 0 – уравнение теплового баланса.

Каждое слагаемое уравнения может быть как положительным, так и отрицательным.

Если тело получило  какое–то количество теплоты, то теплоту, принято считать положительной, а если отдало, то теплота – отрицательная величина.

Второй закон термодинамики

Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном направлении. В обратном направлении они самопроизвольно протекать не могут.

        Необратимыми называются такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном определенном направлении.

       Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений. Немецкий ученый Р. Клаузиус (1822-1888) сформулировал этот закон так:  невоз­мож­но пе­ре­дать энер­гию (теп­ло­ту) от менее на­гре­той си­сте­мы к более на­гре­той без од­но­вре­мен­но­го из­ме­не­ния этих двух си­стем или окру­жа­ю­щих тел.

       То есть можно го­во­рить о необ­ра­ти­мо­сти теп­ло­вых про­цес­сов – нель­зя об­ра­тить их вспять от их есте­ствен­но­го про­те­ка­ния (кроме тех слу­ча­ев, когда об­ра­ти­мый про­цесс яв­ля­ет­ся ча­стью более слож­но­го про­цес­са).

5. Решение задач

Задача1 Дано:

m = 1,25 кг;

∆t⁰ = 4⁰С;

 

Q = 5 кДж = 5 · 10³ Дж;

 μ = 0,029 кг/ моль;

 R = 8,31 Дж/моль ·⁰К

Найти:

∆U - ?

Решение:

Запишем первый закон термодинамики в виде:

Q = ∆U +

 где Q – количество теплоты, переданное системе, которое идет на изменение внутренней энергии системы ∆U и на совершение системой работы  над внешними телами.

Тогда измерение внутренней энергии ∆U = Q - .

Работа системы Р∆V.

         Воспользуемся уравнением Менделеева–Клапейрона для двух состояний системы:

Р₁ V₁ =  RТ_1;         Р₂ V₂ =  RТ₂. Так как Р₁ = Р₂, то

Р(V₂ - V₁) =  R(Т₂ - Т₁), или Р∆V =  R∆Т

Тогда работа системы

 =  R∆Т;  = []

        Изменение внутренней энергии:

∆U = Q -  R∆Т;

∆U = 5  · 10³ –  · 8,31·4 = 3667 Дж.

       Ответ:   ∆U = 3667 Дж = 3,567 кДж.

Задача 2 Дано:

m = 0,2 кг;

Р =

20⁰ С;

Т₁ = 293⁰ К;

  80⁰ С

Т₂ =  353⁰К;

μ = 28. 10 ^-3 кг/моль;

С = 10 ^-3 Дж/кг ·⁰К

R = 8,31 Дж/моль ·⁰К

Найти:

Q - ?

 -?

Решение:

Количество теплоты, полученное при нагревании азота:

Q = С · m∆Т; Тогда    = Р∆V =  R∆Т.

При данных условиях задачи для измерения температуры можно использовать шкалу Цельсия, так как берется изменение температуры:

∆Т = Т₂ - Т₁ = ∆t⁰, а ∆t⁰ =  -

Q = 10 ³ · 0,2 · 60 = 12 ·10³   Дж = 12 кДж.

 =   60 ≈ 3,6 ·10³ Дж = 3,6 кДж.

 Ответ: Q = 12 кДж;  = 3,6 кДж.