в каком классе проходят термодинамику

В каком классе проходят термодинамику

В современный период работы школы, когда необходимо удержать интерec учащихся к знаниям, добиться хороших результатов по предмету, одним из эффективныж методов обучения является лекционно-семинарский метод с применением тематических зачетов. Эта форма обучения требует большой подготовки учителя к занятиям, увеличивает активность учащихся на уроке, повышает их интерес к предмету, приучает слушать и записывать учебную лекцию.

Форма занятий принимается учениками, на семинарах нет пассивных. Семинары, в основном, проводятся групповым методом под руководством консультантов, здесь есть и существенный недостаток: много времени отнимает работа с консультантами во внеурочное время. Лекционно- семинарская форма обучения позволяет изучать тему на более высоком уровне, производить взаимоопрос учащихся, вовлекать всех в работу на уроке, учитывая их способности, дает навыки коллективной работы в группе.

При прохождении темы: » Термодинамика » было прочитано 4 лекции, проведено 3 семинара, конференция, урок по решению задач и тестовый зачет. План лекции записывался на пленке кодоскопа или доске. Последовательно раскрывался каждый пункт плана. Лекция сопровождалась необходимыми демонстрациями.

Темы лекций:

1. Внутренняя энергия и способы ее изменения: работа и количество теплоты.
2. Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам в газе.
3. Необходимость тепловых процессов в природе. Второй закон термодинамики.
4. Тепловые двигатели. Общие принципы работы. КПД двигателя.

Урок N 1. Лекция N 1.

ТЕМА:Внутренняя энергия и способы ее изменения.
ЦЕЛЬ: Дать термодинамическую трактовку понятия » Внутренняя энергия » и способы ее изменения.
РАЗВИВАЮЩАЯ: Расширить понятие энергии тела или системы тел.

План лекции

1. Молекулярно-кинетическая трактовка внутренней энергии.

4. Работа в термодинамике.

5. Вывод формулы работы газа при изобарном расширении.

6. Знак работы и ее геометрическое истолкование.

Краткое содержание лекции

Молекулярно-кинетическая теория объясняет свойства тел и явления, происходящие в веществе, исходя из рассмотрения характера движения и взаимодействия молекул или атомов. МКТ достигла в этом значительных успехов. Однако в ряде случаев методы МКТ оказываются очень сложными для количественного описания явлений. Очень трудно на основе МКТ вывести количественную связь между параметрамиреального газа, жидкости и твердого тела, так как следует учитывать силы,действующие между частицами.

Термодинамика опирается на некоторые общие законы (» начала «), которые являются обобщением огромного числа опытных фактов.

U =	3	kT	m	NA	=	3	m	RT;
	2					2

Изменение U =	3	m	RT	=> U = f ( T )
	2

U	1	( от рода вещества ) ( у сложных молекул учитывают вращение молекул )

V, так как меняется расстояние между молекулами => U

Изменить внутреннюю энергию тела, можно приведя его в соприкосновение с другим телом, имеющим более высокую или более низкую температуру.

Изменение внутренней энергии при изменении объема газа.

а) При накачивании воздуха в велосипедную шину он нагревается. Молекулы газа получают энергию от поршня (аналогия: нога футболиста и мяч).

б) При расширении газа, молекулы при столкновении с удаляющимся поршнем уменьшают свою скорость и энергию.

в) Вычисление работы. Работа газа.

расширение газа :

При сжатии внешние силы передают энергию, при расширении газ совершает работу, его энергия уменьшается. Графическое (геометрическое) истолкование работы.

При изменении объема газа часто меняется и его давление. Пусть давление газа уменьшается, выделим небольшие изменения объема V и на концы каждого участка опустим перпендикуляры. Если V достаточно малы, то получившиеся полоски можно считать прямоугольниками. Площадь каждого из них равна pV. Из таких малых прямоугольников складывается вся площадь под графиком зависимости давления от объема. Значит площадь под кривой и выражает в выбранном масштабе работу силы давления газа при его расширении от V 1 до V 2

A’ = S abcd

Количественную меру изменения внутренней энергии при теплообмене называют количеством теплоты.

c v	=	Q v	=	U
		m T		m T

c p	=	Q p	=	U + A’	=	U	+	A’	= cv	+	A’
		m T		m T		m T		m T			m T

c p > c v

c p	= cv	+	R

Теплоемкость моля вещества С = c; c p = c v + R
Так связаны молярные теплоемкости.

Агрегатные превращения вещества (8 класс) ученики разбирают дома в порядке повторения.

Урок N 2. Лекция N 2.

ТЕМА: Первый Закон термодинамики. Применение первого Закона термодинамики к изопроцессам в газе.
ЦЕЛЬ: Установить связь между изменением внутренней энергии системы, работой и количеством теплоты, сообщенной системе. Рассмотреть случаи применения первого закона термодинамики.
ВОСПИТАТЕЛЬНАЯ: Показать сохраняемость энергии на примере первого закона термодинамики.

План лекции :

1. Закон сохранения энергии.

2. Количество теплоты и работа, как мера изменения внутренней энергии тела

3. Формулировка и уравнение первого закона темодинамики.

4. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам в газе.

5. Адиабатный процесс.

Из механики известно, что в замкнутой системе механическая энергия сохраняется. Сумма кинетической и потенциальной энергии постоянна.

Однако в реальных условиях, при наличии трения и неупругих соударений, механическая энергия не остается постоянной. Так, если навстречу друг другу движутся два тела равной массы с одинаковыми по модулю скоростями, то после неупругого соударения их кинетическая энергия превратиться в нуль. Но при этом возрастет их внутренняя энергия, ибо при неупругом соударении температура тел повышается.

Проделаем опыт: Резким ударом по рукоятке воздушного огнива сожмем воздух в цилиндре. После прекращения действия внешней силы, сжатый воздух расширится и выбросит поршень из цилиндра. Этот опыт покаэывает, что возможны превращения различных видов энергии: сначала механическая энергия превращается во внутреннюю энергию сжатого газа, затем внутренняя энергия газа превращается в механическую энергию поступательного движения поршня.

Анализ результатов опытов и наблюдений природных явлений, выполненных к середине XIX века, привел немецкого ученого Р.Майера, английского ученого Д-Джоуля и немецкого ученого Г.Гельмгольца к выводу о существовании закона сохранения энергии: При любых взаимодействиях тел энергия не исчезает бесследно и не возникает из ничего. Энергия только передается от одного тела к другому или превращается из одной формы в другую. Внутренняя энергия U системы, изолированной от любых взаимодействий с внешней средой, не изменяется при любых взаимодействиях внутри системы.

Следовательно для изолированной системы U = const или U = 0

В термодинамике рассматривают тела, положение центра тяжести которых, практически не изменяется и механическая энергия таких тел остается постоянной. При переходе системы из одного состояния в другое внутренняя энергия может изменяться, как за счет совершения работы, так и за счет передачи теплоты. Изменение внутренней энергии системы, при переходе ее из одного состояния в другое, равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе: U = A + Q

Внутренняя энергия изолированной системы неизменна.

Применим первый закон термодинамики к изопроцессам.

1. Изотермический процесс.

При изотермическом расширении и сжатии температура газа не меняется.
T = const, U = 0; Q = A’
Если Q > 0 система получает тепло ; A’ > 0 газ совершает положительную работу.
Q 0. Работа внешних сил положительна.

2. Изохорный процесс.

I. Вопросы для обсуждения.

II. Решение задач

Дома : упр. 4 (3,4), р N 546.

Урок N 4. Семинар N 2.

ЦЕЛЬ: Закрепить знания на первый закон термодинамики и применение его к изопроцессам.
ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ:

1. Закон сохранения и превращения энергии.

2. Первый закон термодинамики. Формулировка и уравнение. Физический смысл первого закона термодинамики.

3. Применение первого закона термодинамики для изопроцессов:

4. Адиабатный процесс и условия его протекания.
Решение задач упр. 6 (11,12) Р N 547 и 549 ( 1986 года издания)

Дома: Р N 542, 546, 552.

Урок N 5.

Дано: m; V o

Решение: mV o = 2mV x

По закону сохранения энергии	mV o 2	=	2m ( cT + r )
	4

V 0 =
V 0 =

Дома : Упр. 6 ( 5, 8, 13 )

Урок N 6. Лекция N 3.

ТЕМА:Необратимость тепловых процессов в природе. Второй закон термодинамики.
ЦЕЛЬ: Указать на направленность процессов в природе. Дать понятие о втором законе термодинамики.
ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ: В мировоззренческом плане указать на невозможность тепловой смерти Вселенной.

Содержание :

1. Проблема 1. Все ли процессы могут протекать в природе, хотя с точки зрения I закона термодинамики, возможны. Этот закон «запрещает» лишь получение большей работы, чем было затрачено энергии.

2. Рассмотрим следующие процессы :

а) Передача тепла от горячего тела холодному.

б) Сжатый газ, находящийся под поршнем, расширяется до тех пор, пока его давление не станет равным внешнему давлению. Газ займет весь предоставленный объем. Сжать газ можно только действуя внешней силой. При этом в окружающих телах произойдут изменения: тело, которое сжимает газ, совершает работу, а следовательно и теряет некоторую энергию. Примеры необратимых процессов.

в) Превращение механической энергии во внутреннюю.

г) Затухание колебаний маятника.

д) Процесс диффузии.

Механические процессы, протекающие без трения обратимы ( в консервативных системах). Реальные процессы в природе, протекающие с трением, необратимы. Процесс превращения механической энергии во внутреннюю необратим. Процессы, обратные которым самопроизвольно не происходят, называются необратимыми. Необратимыми называют такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном определенном направлении, в обратном направлении они могут протекать только как одно из звеньев более сложного процесса.

При наличии сильного состава класса можно кратко рассказать, используя диафильм » Необратимость тепловых процессов «, на ничтожно малую вероятность тепловых процессов.

Второй закон термодинамики указывает направление воэможныж энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе.

Закон был установлен на основании обобщения опытных фактов. Несколько формулировок.

Невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих или окружающих телах. Разумеется, совершая работу за счет внешнего источника энергии, можно отбирать энергию у холодного тела к горячему. Это, например, происходит в холодильниках, где такой процесс совершается за счет работы двигателя, потребляющего электрическую энергию.

Второй закон термодинамики носит вероятностный характер. В отличии от закона сохранения энергии, который может быть применен к отдельным атомам и молекулам, второй закон термодинамики применим лишь к системам,состоящим из очень большого числа частиц. Для таких систем необратимость процессов объясняется тем, что обратный переход должен был бы привести систему в состояние с ничтожно малой вероятностью, практически неотличимой от невозможности.

Второй закон термодинамики позволяет понять, почему некоторые источники энергии, находящиеся вокруг нас бесполезны. Заманчивым кажется использование почти безграничного запаса внутренней энергии, содержащейся в атмосфере и водах океанов. Нетрудно оценить, каким запасом внутренней энергии обладает окружающая Землю атмосфера, масса которой, примерно 10 18 кг.

Еще большим запасом внутренней энергии обладают моря и океаны. Масса воды в Мировом океане 10 21 кг. Охлаждение только на один градус привело бы к выделению энергии порядка 10 24 Дж. Это в 10 000 раз больше всей энергии, вырабатывающейся на Земном шаре за год.

Однако эту внутреннюю энергию не причисляют к энергетическим запасам.

Ведь для получения работы за счет этой энергии необходимо иметь столь же огромный холодильник, который принимал бы часть этого огромного количества теплоты и при этом не нагревался сам до температуры океана.

Но работа двигателя без холодильника запрещена вторым законом термодинамики.

Тепловые процессы необратимы, из утверждения Клаузиуса следует, что со временем энергия Вселенной преобразуется в энергию теплового движения, а последняя путем теплообмена перераспределится между телами и во всех участках мира установится одинаковая температура. Вселенная придет в состояние равновесия, при которых исчезнут причины, вызывающие те или иные процессы. Энергия системы потеряет способность превращаться в другие виды. Не смогут преобразовать теплоту в работу и тепловые машины, для их действия нужно иметь различно нагретые тела. Наступит «тепловая смерть» Вселенной.

Ошибка в постановке вопроса о «тепловой смерти» Вселенной заключается в следующем: второе начало термодинамики установлено для термодинамической системы конечных размеров. Вселенную же нельзя рассматривать как такую систему. К ней нельзя применять понятия «изолированная система», «равновесное состояние». Обобщение, сделанное Клаузисом о тепловой смерти Вселенной, выходит ва границы применимости термодинамики и поэтому незаконно.

Урок N 7. Лекция N 4.

ТЕМА: Тепловые двигатели. КПД теплового двигателя.
ЦЕЛЬ: Раскрыть физические принципы действия тепловых двигателей. Ввести понятие КПД двигателя.

План изложения (развернутый)

1. Использование внутренней энергии топлива. Определение теплового двигателя.

2. Основные принципы работы теплового двигателям

а) тепловой двигатель совершает работу в результате перехода энергии от горячего тела к холодному. Газ расширяется, движет поршень, движение поршня передается валу двигателя. Для сжатия газа поршень должен переместиться под действием внешней силы в противоположном направлении. Это движение совершается за счет кинетической энергии маховика. Если работа при сжатии газа под действием внешней силы по абсолютному значению равна работе, совершаемой при расширении гаэа, то общая работа за весь цикл будет равна нулю. Отсюда следует, что если мы хотим получить полезную работу, то работа сжатия должна быть меньше работы расширения.

б) Нагреватель. Его роль.

Aст 0

Полезная работа численно равна площади фигур между кривыми.

в) Роль холодильника. Газ перед сжатием должен охладиться.

3. КПД двигателя. A’ = |Q 1 |-|Q 2 |

КПД двигателя всегда меньше 100 %.

5. Пути повышения КПД:

1) повышение температуры нагревателя;

2) понижение температуры холодильника ;

3) уменьшение потерь энергии в частях двигателя.

ТЕМА: Принцип действия реальных тепловых двигателей. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды (конференция).
ЦЕЛЬ: Рассмотреть конкретные тепловые двигатели, их роль в современной жизни, об охране окружающей среды при эксплуатации двигателей.

I. Заслушивание сообщений учащихся.

1. Принципы действия и устройство реальных тепловых двигателей.

а) карбюраторный внутреннего сгорания;

в) паровая и газовая турбины;

г) реактивные двигатели.

2. Применение тепловых двигателей в хозяйственной деятельности.
3. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.
4. Современные проблемы теплотехники.

Во время заслушивания сообщений учащиеся заполняют таблицу и задают вопросы докладчикам. Учитель обобщает и корректирует ответы учащихся.

Дополнения учителя :

Урок N 9. Семинар N 3.

ТЕМА: Обобщение знаний по необратимости тепловых процессов и второго закона термодинамики (групповой метод).

I. Обсудить вопросы:

II. Решить задачи :

Дома : подготовиться к зачету.

Урок N 10.

Источник

Первый закон термодинамики. Как рассказать просто о сложном?

Термодинамика — раздел физики, в котором изучаются процессы изменения и превращения внутренней энергии тел, а также способы использования внутренней энергии тел в двигателях.

1. Определение первого закона термодинамики

Термодинамика — раздел физики, в котором изучаются процессы изменения и превращения внутренней энергии тел, а также способы использования внутренней энергии тел в двигателях. Собственно, именно с анализа принципов первых тепловых машин, паровых двигателей и их эффективности и зародилась термодинамика. Можно сказать, что этот раздел физики начинается с небольшой, но очень важно работы молодого французского физика Николя Сади Карно.

Самым важным законом, лежащим в основе термодинамики является первый закон или первое начало термодинамики. Чтобы понять суть этого закона, для начала, вспомним что называется внутренней энергией. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ тела — это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых оно состоит. Нам хорошо известно, что внутреннюю энергию тела можно изменить, изменив температуру тела. А изменять температуру тела можно двумя способами:

Нам, также известно, что работа, совершаемая газом, обозначается А_г, а количество переданной или полученной внутренней энергии при теплообмене называется количеством теплоты и обозначается Q. Внутреннюю энергию газа или любого тела принято обозначать буквой U, а её изменение, как и изменение любой физической величины, обозначается с дополнительным знаком Δ, то есть ΔU.

Сформулируем ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ для газа. Но, прежде всего, отметим, что когда газ получает некоторое количество теплоты от какого-либо тела, то его внутренняя энергия увеличивается, а когда газ совершает некоторую работу, то его внутренняя энергия уменьшается. Именно поэтому первый закон термодинамики имеет вид:

Так как работа газа и работа внешних сил над газом равны по модулю и противоположны по знаку, то первый закон термодинамики можно записать в виде:

Понять суть этого закона довольно просто, ведь изменить внутреннюю энергию газа можно двумя способами: либо заставить его совершить работу или совершить над ним работу, либо передать ему некоторое количество теплоты или отвести от него некоторое количество теплоты.

2. Первый закон термодинамики в процессах

Применительно к изопроцессам первый закон термодинамики может быть записан несколько иначе, учитывая особенности этих процессов. Рассмотрим три основных изопроцесса и покажем, как будет выглядеть формула первого закона термодинамики в каждом из них.

3. Применение

Первое начало термодинамики (первый закон) имеет огромное значение в этой науке. Вообще понятие внутренней энергии вывело теоретическую физику 19 века на принципиально новый уровень. Появились такие понятия как термодинамическая система, термодинамическое равновесие, энтропия, энтальпия. Кроме того, появилась возможность количественного определения внутренней энергии и её изменения, что в итоге привело учёных к пониманию самой природы теплоты, как формы энергии.

Ну, а если говорить о применении первого закона термодинамики в каких-либо задачах, то для этого необходимо знать два важных факта. Во-первых, внутренняя энергия идеального одноатомного газа равна: а во-вторых, работа газа численно равна площади фигуры под графиком данного процесса, изображённого в координатах p—V. Учитывая это, можно вычислять изменение внутренней энергии, полученное или отданное газом количество теплоты и работу, совершённую газом или над газом в любом процессе. Можно также определять коэффициент полезного действия двигателя, зная какие процессы в нём происходят.

Источник