Инфоурок / Начальные классы / Конспекты / Урок по физике по теме "УРОК РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Тема: «Первый закон термодинамики Применение первого закона термодинамики к изопроцессам в газе.»"
Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

Педагогическая деятельность в соответствии с новым ФГОС требует от учителя наличия системы специальных знаний в области анатомии, физиологии, специальной психологии, дефектологии и социальной работы.

Только сейчас Вы можете пройти дистанционное обучение прямо на сайте "Инфоурок" со скидкой 40% по курсу повышения квалификации "Организация работы с обучающимися с ограниченными возможностями здоровья (ОВЗ)" (72 часа). По окончании курса Вы получите печатное удостоверение о повышении квалификации установленного образца (доставка удостоверения бесплатна).

Автор курса: Логинова Наталья Геннадьевна, кандидат педагогических наук, учитель высшей категории. Начало обучения новой группы: 27 сентября.

Подать заявку на этот курс    Смотреть список всех 216 курсов со скидкой 40%

Урок по физике по теме "УРОК РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Тема: «Первый закон термодинамики Применение первого закона термодинамики к изопроцессам в газе.»"

библиотека
материалов

УРОК РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ


Тема: «Первый закон термодинамики Применение первого закона термодинамики к изопроцессам в газе.»



Цель урока: Закрепить понятие первого закона термодинамики-

закона сохранения энергии распространённого на тепловые

явления.

Развивать навыки решения различными способами задач

на применение первого закона термодинамики, в том числе к

изопроцессам.

Рассмотреть изопроцессы с новой энергетической точки зрения.

Формировать умение выполнять термодинамическое описание

процессов.

Развивать умение работы с различными источниками информации,

способность анализировать и систематизировать информацию.


ХОД УРОКА


1. Оргмомент

2. Актуализация знаний

1.Какая из приведённых ниже формул является математическим выражением первого закона термодинамики?


а/ hello_html_7c8b865d.gif

б/ hello_html_6dad0d6d.gif

в/ hello_html_mc93bb7c.gifhello_html_m53d4ecad.gif


2.Чему равна работа газа при изохорном переходе системы из состояния с давлением

1 кПа в состояние с давлением 3 кПа?


а/ hello_html_5eeb3737.gif

б/ hello_html_m35fd0b99.gifhello_html_m53d4ecad.gif

в/ hello_html_3789e0c0.gif


3.Изменится ли внутренняя энергия газа при его изотермическом расширении?


а/ увеличится

б/ уменьшится

в/ не изменится.


4.Какая из приведённых ниже формул позволяет рассчитать работу газа при изобарном процессе?


а/ hello_html_mc93bb7c.gif

б/ hello_html_821834f.gifhello_html_m53d4ecad.gif

в/ hello_html_7c8b865d.gif


5.Внутрення энергия идеального одноатомного газа некоторой массы….


а/ зависит только от температуры

б/ зависит только от объёма

в/ зависит от температуры и объёма


6.В процессе адиабатического расширения газ совершает работу, равную 3 кДж. Чему равно изменение внутренней энергии газа?


а/ hello_html_61f9e9f1.gif

б/ hello_html_68e7e2aa.gif

в/ hello_html_m5274cba.gif


3. Решение задач.


Закон сохранения энергии был установлен в середине Х1Х века на основе работ, выполненных несколькими знаменитыми учёными. Немецкий учёный Р. Майер высказал теоретические положения, англичанин Д.Джоуль провёл экспериментальные исследования, а немецкий физик Г.Гельмгольц вывел математическое выражение закона, обобщил и распространил полученные результаты на все явления.

Формулировка 1 закона термодинамики для случаев, если:

а/работа совершается над газом ΔU=Q

б/газ сам совершает работу ΔU=Q


Докажем с помощью 1 закона термодинамики невозможность создания вечного двигателя.

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

Так, Леонардо да Винчи (1452-1519г.г.) писал: «О, искатели постоянного двигателя, сколько пустых проектов создали вы в подобных поисках» И в 1775 году Французская академия наук заявила: « Построение вечного двигателя абсолютно невозможно», -и проекты вечных двигателей рассматривать перестала.


Например:


Какую работу совершил газ, взятый в количестве двух молей при изобарном нагревании на 50 градусов Кельвина и как при этом изменилась их внутренняя энергия?


Решение:

hello_html_m32165e5c.gif


Разноуровневые задачи на применение 1 закона термодинамики к изопроцессам.


1 уровень


1.При изотермическом расширении газ совершил работу 50 Дж. Найдите изменение его внутренней энергии и количество теплоты, переданное ему в этом процессе.


2.Идеальный газ нагрели в закрытом сосуде, передавая ему 150 Дж теплоты. Какую работу совершил газ? Как в этом процессе изменилась его внутренняя энергия?



3.В изотермическом процессе газу было передано 150 Дж теплоты. Какую работу совершил газ в этом процессе? Как изменилось его давление, если объём увеличился в 2

раза?


4.Температура 2 моль идеального газа, находящегося в закрытом сосуде, увеличилась с 20 ˚ С до 100˚ С. Какое количество теплоты было передано газу в этом процессе?


5.При изохорном охлаждении внутренняя энергия уменьшилась на 350 Дж. Какую работу совершил при этом газ? Какое количество теплоты было передано газом окружающим телам?


6.При адиабатном расширении 5 моль водорода была совершена работа в 68 кДж. Найдите изменение внутренней энергии газа и количество теплоты, которым обменивались тела в этом процессе.


7.При адиабатном сжатии газа над ним была совершена работа в 200 Дж. На сколько и как изменилась при этом внутренняя энергия газа?


2 уровень


1.При охлаждении идеальный газ, находящийся в герметическом сосуде, передал окружающим телам 200 Дж теплоты. Найдите температуру газа в конце процесса, если сначала его температура была равна 200˚ С. Количество вещества в сосуде 5 моль.


2.Какое количество теплоты потребуется, чтобы изобарно увеличить температуру

2 моль идеального газа с 20˚ С до 120˚ С?


3.Какое количество теплоты будет отдано холодильнику при изобарном сжатии

5 моль идеального газа от 5 л до 3л при нормальном атмосферном давлении? Каким будет в этом процессе изменение внутренней энергии газа?


4.Для изобарного нагревания 800 моль газа на 500 К газу сообщили количество теплоты 9,4 МДж. Определите работу газа и приращение его внутренней энергии.


5.В вертикальном цилиндре под тяжёлым поршнем находится кислород массой

2 кг. Для повышения температуры на 5 К ему сообщили количество теплоты 9160 Дж. Найдите работу, совершённую газом при расширении, и увеличение его внутренней энергии.

Молярная масса кислорода 32 · 10hello_html_m76dcaf4f.gif кг/моль


hello_html_5516c151.gif6.Кислород массой 0,1 кг сжимается адиабатически. Температура газа при этом возрастает от 273 К до 373К. Чему равно приращение внутренней энергии и работа, совершённая при сжатии газа?



7.На рисунке изображен циклический

процесс, проведённый с неизменной массой

идеального газа. Опишите характер теплообмена

газа в каждом процессе, составляющем цикл.


8.Какую работу совершил газ и как при этом изменилась его внутренняя энергия при изобарном нагревании газа в количестве 2 моль на 50 К? Какое количество теплоты получил газ в процессе теплообмена?

3 уровень


1.Найдя по таблицам значение удельной теплоёмкости воздуха сp

и зная молярную массу М, вычислите во сколько раз больше количества теплоты потребуется для изобарного нагревания, чем для изохорного. Масса воздуха и разность температур в обоих случаях одинаковы.


2.Какая часть количества теплоты, сообщённой одноатомному газу в изобарном процессе, идёт на увеличение внутренней энергии и какая часть – на совершение работы?



3.Доказать, что при постоянном давлении удельная теплоёмкость одноатомного

гhello_html_5c0d1363.gifаза, молярная масса которого М, находится по формуле сp =hello_html_7ad7450a.gif. Найти удельную теплоёмкость гелия при постоянном давлении.




4.На рисунке представлен циклический процесс,

проведённый с одним молем идеального газа. Дайте

название каждой стадии процесса, укажите, как

изменяются термодинамические параметры газа

при переходе из одного состояния в другое,

напишите уравнения этих процессов и

изобразите их в координатных осях р, V и V, Т.

Опишите характер теплообмена системы

сhello_html_mbb32802.gif окружающими телами.




5.На рисунке изображён график

циклического процесса, проведённого

с одним молем идеального газа.

Как меняются термодинамические

параметры при переходе газа

из одного состояния в другое?

Отдаёт или получает тепло газ

на каждой стадии процесса?


6. В баллоне емкостью 1л находится кислород под давлением 10 МПа и при температуре 300 К. К газу подводят 8,35 кДж теплоты. Определите температуру и давление газа после нагревания.


4. Итоги урока. Индивидуальное домашнее задание (формируется на основе задач 1-3 уровня).







































Тема. Решение задач по теме "Первый закон термодинамики".

Цели:

    • помочь учащимся осмыслить физическое содержание первого закона термодинамики;

    • рассматривая качественные задачи, показать, что проявления действия первого закона термодинамики имеют место в окружающем мире;

    • на примере решения конкретных расчетных задач научить учащихся применять первое начало термодинамики к описанию изопроцессов в идеальном газе.

Ход занятия

В ходе проведения занятия необходимо рассмотреть ряд качественных задач и далее решить несколько расчетных задач по мере возрастания их сложности.

Прежде чем приступить к выполнению задания, следует записать математическую формулу первого закона термодинамики; вскрыть физический смысл всех входящих в него величин и определиться с правилом знаков; рассмотреть вопрос о графическом смысле работы в термодинамике; повторить понятие теплоемкости.

Качественные задачи

  1. Можно ли передать системе некоторое количество теплоты, не вызывая при этом повышения ее температуры?

  2. Почему при холостых выстрелах ствол пушки нагревается сильнее, чем при стрельбе снарядами?

  3. После сильного шторма вода в море становится теплее. Почему?

  4. Один поэт так писал о капле: "Она жила и по стеклу текла, но вдруг ее морозом оковало, и неподвижной льдинкой капля стала, а в мире поубавилось тепла". Вы согласны с поэтом?

  5. Мука из жерновов выходит горячей, хлеб вынимают из печи также горячим. Чем вызывается увеличение энергии в каждом из этих случаев?

  6. Почему климат островов умереннее и ровнее, чем климат материков?

Примеры решения расчетных задач

Задача 1.

Идеальный газ с показателем адиабатыhello_html_m148053dd.pngрасширили по закону Р = αV, где α = const. Первоначальный объем газа V1. В результате расширения объем увеличился в η раз. Найдите приращение внутренней энергии газа.

Решение:

Изменение внутренней энергии идеального газа равно

hello_html_4139d85d.png

(1)

Начальное состояние газа подчиняется уравнению

hello_html_4e27daea.png

(2)

Конечное состояние - соответственно, уравнению

hello_html_m7f1dd42e.png

(3)

Принимая во внимание, что PV и V2V1 , уравнения (2) и (3) можно записать в виде

hello_html_m7fdff4c2.png

(4)

hello_html_m1860e60b.png

(5)

Вычитая из (5) (4), находим

hello_html_m59824d23.png

(6)

Подставляя (6) в (1), получаем

hello_html_386c7675.png

(7)

Найдем CV черезhello_html_m148053dd.png, используя соотношения

hello_html_504424ff.png

(8)

иhello_html_m7f48d04a.png

(9)

Из (8) и (9) для CV находим

hello_html_m2960daa1.png

(10)

Подставляя (10) в (7), получаем

hello_html_e55dd5c.png

(11)

Ответ: изменение внутренней энергии равно hello_html_e55dd5c.png

Очевидно, что hello_html_m10b26698.png, то есть внутренняя энергия газа в этом процессе увеличивается.

Задача 2.

Газ, занимающий объем V1 = 2 м3 при давлении Р1 = 4·105 Па, совершает круговой процесс, состоящий из нескольких этапов. Сначала газ изохорически охлаждается до температуры, при которой его давление равно P2 = 105 Па. Затем он изобарически охлаждается до состояния, из которого возвращается в начальное состояние таким образом, что его давление изменяется с изменением объема по закону Р = αV (α - постоянная величина). Нарисуйте график данного кругового процесса на РV-диаграмме и найдите совершенную газом работу.

Решение:

Кhello_html_m42ca9d2e.pngак следует из условия задачи, состояния газа 1 и 3 изображаются точками, лежащими на прямой Р = αV, проходящей через начало координат (рис. 1). Это означает, что

Р1 = αV1 и Р3 = αV3

С учетом того, что P2 = P3, получаем

hello_html_65c3b222.png3).

Работа при круговом процессе численно равна площади фигуры, ограниченной графиком этого процесса, в данном случае - площади треугольника 123.

hello_html_66c6b236.png,

подставляя V3, получаем

hello_html_m63abe241.png(Дж).

Ответ: работа в данном круговом процессе равна 2,25 ·105 Дж.



Задача 3.

Найдите работу, совершенную одним молем идеального газа в круговом процессе, изображенном на рис. 2, если P2/P1 = 2, T1 = 280 К, T2 = 360 К.

Решение:

Пhello_html_m3e318c58.pngрежде всего, изобразим проведенный с газом процесс в координатах PV (рис.3).

Работа, совершенная газом, численно равна площади, ограниченной графиком процесса.

hello_html_m688bd925.png.

Пользуясь уравнением состояния идеального газа и замечая, что PA = PD = P1, находим:


hello_html_10c0380.png

hello_html_m55f502b6.pnghello_html_12de0214.png,

hello_html_426f12be.pnghello_html_62389f7.png.

Далее получаем:

hello_html_m7c5e7d7b.png

Ответ: hello_html_m360ba919.png

Задача 4.

Сhello_html_mcd165be.png одним молем идеального одноатомного газа проводят процесс, показанный на рис. 4. Найдите теплоемкость газа в точке A. В какой точке процесса теплоемкость максимальна?

Решение:

Из определения теплоемкости, первого начала термодинамики и формулы внутренней энергии моля идеального газа находим

hello_html_6638cb4d.png.

Вычислим отношениеhello_html_2c3496b2.pngв точке Аhello_html_2fd42bd7.pngзаданного процесса. Для этого рассмотрим бесконечно малый участок процесса от точкиА до близкой точки

hello_html_3160b693.png.

Очевидно, что для заданного процессаhello_html_7f884afc.pngP иhello_html_7f884afc.pngV имеют разные знаки.

Найдем аналитическое выражение процесса, представленного на рисунке. Очевидно, что он представляется линейной функцией вида

hello_html_1f2a5adc.png.

Введем обозначенияhello_html_2fd883f2.pngиhello_html_m5540e846.png. По данным графика заданного процесса имеем

hello_html_m6fd9d002.png

Линейная зависимость принимает вид

hello_html_m63cfd73f.png.

Таким образом, аналитическое уравнение представленного на рисунке процесса имеет вид

hello_html_m57768e62.png.

(1)

В точке A

hello_html_19efc1e8.png.

(2)

В точке B

hello_html_62b56bf.png.

(3)

Вычитая (2) из (3), получаем для малых приращений

hello_html_m197dae9a.png.

(4)

Далее из уравнения состояния моля идеального газа имеем

hello_html_4e2f0ddc.png

(5)

hello_html_m3bbcd047.png.

(6)

Раскроем скобки и вычтем (5) из (6), пренебрегая при этом малой поправкойhello_html_7f884afc.pngPhello_html_7f884afc.pngV

hello_html_37e5c3e1.png.

(7)

Исключив из (4) и (7)hello_html_7f884afc.pngP, находим

hello_html_d804d9e.png

(8)

Теплоемкость в точке A равна

hello_html_7d590397.png.

(9)

Подставляя в (9)hello_html_m1cc703fb.pngокончательно получаем

hello_html_m36534729.png

Ответ:hello_html_7dac064.png.

График данного процесса касается изотермы в точке (1,5P0, 1,5V0). Теплоемкость газа в левой окрестности этой точки стремится к бесконечности, следовательно, максимальна.

Задачи для самостоятельной работы

1hello_html_45f93bfd.png. Над газом совершают два тепловых процесса, переводя его из одного и того же начального состояния и нагревая до одинаковой конечной температуры (рис. 5). При каком процессе газу сообщается большее количество теплоты?

Ответ: большее количество теплоты подводится в том процессе, где конечный объем газа больше.


hello_html_m12830283.png

2. Один моль идеального газа, находящийся при нормальных условиях, переводят из состояния 1 в состояние 2 двумя способами: 1–>3–>2 и 1–>4–>2 (рис. 6). Найдите отношение количеств теплоты, которые необходимо сообщить 1 молю газа в этих двух процессах.

Ответ:hello_html_m4bdf6e6.png


hello_html_76334c67.png

3. Некоторое количество одноатомного газа занимает объем V1 = 0,1 м3 при давлении Р1 = 2 ·105 Па. Если газ переходит из этого состояния в конечное состояние 2 сначала при изобарическом, а затем при изохорическом нагревании, то он совершает работу А1 = 4·104 Дж. Если же переход осуществляется непосредственно по прямой 1-2, то работа газа А2 = 5 ·104 Дж. Найдите давление и объем газа в конечном состоянии 2, а также количества теплоты, полученные газом в обоих случаях (рис. 7).

Ответ: V=0,3(м3), P=3 ·105(Па), Q1=5,05 ·104(Дж), Q2=6,05 ·104(Дж).


hello_html_m70ba048c.png

4. Идеальный одноатомный газ, занимавший при давлении Р1 = 105 Па объем V1 = 2 м3, расширяется таким образом, что график процесса расширения изображается на PV-диаграмме отрезком прямой (рис. 8). Найдите объем и давление газа в конце расширения, если известно, что газ в этом процессе получил количество теплоты Q = 3,5 ·105 Дж и совершил работу А = 1,1·105 Дж.

Ответ: P2 = 1,2 ·105 Па, V2 = 3 м2.


hello_html_m1781f58a.png

5. Четыре моля газа совершают процесс, изображенный на рис. 9. На каком участке работа газа максимальна?

Ответ: работа газа максимальна на участке 3-4.



Рекомендуемая литература

  1. Бутиков Е.И., Кондратьев А.С. Физика. Т. 3. Строение и свойства вещества. - М.: Физматлит: Лаборатория базовых знаний; СПб.: Невский диалект, 2001. - С. 131-147.

  2. Белолипецкий С.Н., Еркович О.С., Казаковцева В.А. и др. Задачник по физике. - М.: Физматлит, 2005. - С. 81-92.

  3. Готовцев В.В. Лучшие задачи по механике и термодинамике. - М.; Ростов н/Д: Издательский центр "Март", 2004. - С. 248-254.




Самые низкие цены на курсы переподготовки

Специально для учителей, воспитателей и других работников системы образования действуют 50% скидки при обучении на курсах профессиональной переподготовки.

После окончания обучения выдаётся диплом о профессиональной переподготовке установленного образца с присвоением квалификации (признаётся при прохождении аттестации по всей России).

Обучение проходит заочно прямо на сайте проекта "Инфоурок", но в дипломе форма обучения не указывается.

Начало обучения ближайшей группы: 27 сентября. Оплата возможна в беспроцентную рассрочку (10% в начале обучения и 90% в конце обучения)!

Подайте заявку на интересующий Вас курс сейчас: https://infourok.ru

Краткое описание документа:

Цель урока:Закрепить  понятие первого закона термодинамики-

                         закона сохранения энергии распространённого  на тепловые

                         явления.

             Развивать навыки решения   различными  способами задач

             на применение   первого закона термодинамики, в том числе к

            изопроцессам.

             Рассмотреть изопроцессы с новой энергетической  точки зрения.

            Формировать умение выполнять  термодинамическое описание

             процессов.

             Развивать умение работы с различными источниками информации,

 

             способность анализировать и систематизировать информацию. 

Закон сохранения энергии был установлен в середине  Х1Х века на основе работ, выполненных несколькими  знаменитыми учёными. Немецкий учёный Р. Майер высказал теоретические  положения, англичанин Д.Джоуль провёл экспериментальные исследования, а немецкий  физик Г.Гельмгольц вывел математическое выражение закона, обобщил и распространил полученные результаты на все явления.

Общая информация

Номер материала: 445442

Похожие материалы

2017 год объявлен годом экологии и особо охраняемых природных территорий в Российской Федерации. Министерство образования и науки рекомендует в 2017/2018 учебном году включать в программы воспитания и социализации образовательные события, приуроченные к году экологии.

Учителям 1-11 классов и воспитателям дошкольных ОУ вместе с ребятами рекомендуем принять участие в международном конкурсе «Законы экологии», приуроченном к году экологии. Участники конкурса проверят свои знания правил поведения на природе, узнают интересные факты о животных и растениях, занесённых в Красную книгу России. Все ученики будут награждены красочными наградными материалами, а учителя получат бесплатные свидетельства о подготовке участников и призёров международного конкурса.

Конкурс "Законы экологии"