Урок по физики «Работа в термодинамике, количество теплоты»

Тема урока: «Работа в термодинамике, количество теплоты»

Цель урока:

образовательные: формирование представления о работе в термодинамике и количестве теплоты, организация усвоения основных понятий по данной теме;

развивающие: наблюдение и анализ физических явлений, изложение мыслей вслух, формирование знаний о физической теории;

воспитывающие: воспитывать у учащихся ответственность, трудолюбие и самостоятельность.

Оборудование и ТСО: компьютер, телевизор.

Методы обучения:

Словесный метод: рассказ, объяснение;

Наглядный метод: презентация;

Практический метод: решение задач.

Литература:

Для учителя: календарно-тематическое планирование, Физика 10 класс Е. В. Громыко, В. И. Зенькович, А. А. Луцевич, И. Э. Слесарь. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты. 
Для ученика: учебник по физике для 10 класса.

Этапы урока	Время
Организационный момент	2 мин.
Актуализация знаний	5 мин.
Изучение нового материала	23 мин.
Выходной контроль	10 мин.
Рефлексия	4 мин.
Домашнее задание	1 мин.

Ход урока       

      I.            Организационный этап

Приветствие. Выяснить какие вопросы возникли при подготовке к уроку. Ознакомить учащихся с темой урока.

   II.            Актуализация знаний

Давайте вспомним с вами, что мы проходили на предыдущем уроке:

1. Что такое Термодинамика?

2.Что мы называем внутренней энергией?

3.Какими способами можно изменить внутреннюю энергию системы?

4.Какой газ обладает большей внутренней энергией – идеальный или реальный? (слайд 3)

Теперь приступим к изучению нового материала

III. Изучение нового материала

Количество теплоты

Как известно, при различных механических процессах происходит изменение механической энергии W_мех. Мерой изменения механической энергии является работа сил, приложенных к системе:

При теплообмене происходит изменение внутренней энергии тела. Мерой изменения внутренней энергии при теплообмене является количество теплоты.

Количество теплоты - это мера изменения внутренней энергии, которую тело получает (или отдаёт) в процессе теплообмена. (слайд 4)

Таким образом, и работа, и количество теплоты характеризует изменение энергии, но не тождественны энергии. Они не характеризуют само состояние системы, а определяют процесс перехода энергии из одного вида в другой (от одного тела к другому) при изменении состояния и существенно зависят от характера процесса.

Основное различие между работой и количеством теплоты состоит в том, что работа характеризует процесс изменения внутренней энергии системы, сопровождающем превращением энергии из одного вида в другой (из механической во внутреннюю). Количество теплоты характеризуют процесс передачи внутренней энергии от одних тел к другим (от более нагретых к менее нагретым), не сопровождающихся превращением энергии.

Опыт показывает, что количество теплоты, для нагревания тела массой  от температурыдо температуры , рассчитывается по формуле:

,

где с - удельная теплоёмкость вещества;

Единицей удельной теплоёмкости в СИ является джоуль на килограмм-кельвин . (слайд 5)

Удельная теплоёмкость с численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу массой в 1 кг, чтобы нагреть его на 1 К.

Теплоёмкость тела С_Т  численно равна количеству теплоты, необходимому для изменения температуры тела на 1 К:

Единицей теплоёмкости тела в СИ является джоуль на килограмм .(слайд 6)

Для превращения жидкости в пар при неизменной температуре необходимо затратить количество теплоты:

где L - удельная теплота парообразования. При конденсации пара выделяется такое же количество теплоты.

Для того чтобы расплавить кристаллическое тело массой m при температуре плавления, необходимо телу сообщить количество теплоты:

где  - удельная теплота плавления. При кристаллизации тела такое же количество теплоты выделяется.

Количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива массой m,

где  - удельная теплота сгорания.

Единица удельных теплот парообразования, плавления и сгорания в СИ - джоуль на килограмм . (Слайды 6-9)

Да­вай­те най­дем ра­бо­ту, ко­то­рую со­вер­шит газ при изо­бар­ном рас­ши­ре­нии.

Пусть газ на­хо­дит­ся под по­движ­ным порш­нем. Он на­гре­ва­ет­ся и рас­ши­ря­ет­ся, при этом пор­шень под­ни­ма­ет­ся. Газ и до рас­ши­ре­ния, и после был под дав­ле­ни­ем ат­мо­сфе­ры и дав­ле­ни­ем од­но­го и того же порш­ня, то есть дав­ле­ние дей­стви­тель­но не ме­ня­лось и про­цесс изо­бар­ный (рис. 1).(слайд 10)

Рис. 1. Газ до рас­ши­ре­ния и после

Ра­бо­та по опре­де­ле­нию равна силе, умно­жен­ной на пе­ре­ме­ще­ние: .

Ра­бо­ту по пе­ре­ме­ще­нию порш­ня на вы­со­ту  вы­пол­ня­ет сила, с ко­то­рой газ дей­ству­ет на пор­шень. Эту силу можно вы­ра­зить через па­ра­метр, ко­то­рый мы ис­поль­зу­ем при опи­са­нии со­сто­я­ния газа – дав­ле­ние. Дав­ле­ние, по опре­де­ле­нию, равно силе, де­лен­ной на пло­щадь: . Тогда сила равна: .(слайд 11)

Помня, что объем ци­лин­дра – это пло­щадь ос­но­ва­ния, умно­жен­ная на вы­со­ту, под­ста­вим в фор­му­лу для ра­бо­ты: .

В итоге фор­му­ла для на­хож­де­ния ра­бо­ты газа при изо­бар­ном про­цес­се при­мет сле­ду­ю­щий вид: . (слайд 12)

Это ра­бо­та, ко­то­рую вы­пол­нял газ (то есть вы­пол­ня­ла сила, с ко­то­рой газ дей­ство­вал на пор­шень). По тре­тье­му за­ко­ну Нью­то­на, эта сила по мо­ду­лю равна силе, с ко­то­рой пор­шень дей­ство­вал на газ, и про­ти­во­по­лож­на ей по на­прав­ле­нию. Обо­зна­чим силу, дей­ство­вав­шую на газ: . Ее ра­бо­та равна: .

Если  мы счи­та­ли ра­бо­той, ко­то­рую со­вер­шил газ, то  – ра­бо­та, со­вер­шен­ная над газом. Часто эти ра­бо­ты обо­зна­ча­ют на­о­бо­рот:  –  ра­бо­та газа,  – ра­бо­та над газом. Это не имеет прин­ци­пи­аль­но­го зна­че­ния, глав­ное – усло­вить­ся об обо­зна­че­ни­ях и в рам­ках за­да­чи поль­зо­вать­ся имен­но ими.

От­но­си­тель­но ра­бо­ты, со­вер­ша­е­мой газом, можно сде­лать общий вывод: при рас­ши­ре­нии газа ра­бо­та, про­из­во­ди­мая газом, по­ло­жи­тель­на, т.к. сила дав­ле­ния на­прав­ле­на в сто­ро­ну пе­ре­ме­ще­ния (рас­ши­ре­ния) (рис. 2); при сжа­тии ра­бо­та газа от­ри­ца­тель­на, т.к. сила и пе­ре­ме­ще­ние (сжа­тие) на­прав­ле­ны про­ти­во­по­лож­но (рис. 3). Ра­бо­та внеш­них сил, на­о­бо­рот, по­ло­жи­тель­на при сжа­тии газа и от­ри­ца­тель­на при рас­ши­ре­нии. При сжа­тии газа его внут­рен­няя энер­гия уве­ли­чи­ва­ет­ся за счёт ра­бо­ты внеш­них сил. При рас­ши­ре­нии сам газ со­вер­ша­ет ра­бо­ту, по­это­му те­ря­ет часть внут­рен­ней энер­гии. (Слайды 13-14)

Рис. 2. Рас­ши­ре­ние газа  Сжа­тие газа

Графическое определение работы

Гео­мет­ри­че­ски фор­му­ла  при неко­то­ром  дает пло­щадь пря­мо­уголь­ни­ка abcd на гра­фи­ке (рис. 3). (слайд 15)

Рис. 3. Гра­фик за­ви­си­мо­сти дав­ле­ние от объ­е­ма (изо­бар­ный про­цесс)

В общем слу­чае дав­ле­ние не под­дер­жи­ва­ет­ся по­сто­ян­ным. На­при­мер, в изо­тер­ми­че­ском про­цес­се дав­ле­ние ме­ня­ет­ся об­рат­но про­пор­ци­о­наль­но объ­ё­му. Но и в этом слу­чае ра­бо­та газа  равна пло­ща­ди под кри­вой (рис. 4).

Рис. 4. Гра­фик за­ви­си­мо­сти дав­ле­ния от объ­е­ма (изо­тер­ми­че­ский про­цесс)

Эту пло­щадь можно вы­чис­лить, раз­бив из­ме­не­ние объ­е­ма на малые участ­ки, вы­чис­лив пло­ща­ди малых по­ло­сок (по­хо­жих на пря­мо­уголь­ни­ки) и про­сум­ми­ро­вав эти пло­ща­ди (рис. 5).

Рис. 5. Раз­бив­ка объ­е­ма на малые участ­ки

Про­це­ду­ра, смысл ко­то­рый я опи­сала, на­зы­ва­ет­ся ин­те­гри­ро­ва­ни­ем. Её вы бу­де­те изу­чать на ма­те­ма­ти­ке в 11 клас­се, по­это­му сей­час я про­сто при­ве­ду го­то­вую фор­му­лу для ра­бо­ты в изо­тер­ми­че­ском про­цес­се: .

В изо­хор­ном про­цес­се – объём оста­ёт­ся по­сто­ян­ным, а зна­чит, ра­бо­та не со­вер­ша­ет­ся.

IV. Закрепление новой темы

Фронтальный опрос

V. Рефлексия

Ответьте на вопросы и запишите ответы в тетрадь:

1. Что такое количество теплоты?

2. В каких единицах измеряется теплоёмкость тела?

3. Зависит ли работа от вида процесса? (слайд 16)

VI.  Домашнее задание