Конспект урока физики по теме "Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа в термодинамике"

Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа в термодинамике Цели:  1. Учебные: ­ ­ ­ 2. Развивающие: 3. Воспитательные: вести понятие внутренней энергии, работы в термодинамике; ознакомить учащихся с первым началом термодинамики; содействовать развитию речи, мышления, овладению методами научного исследования: анализа и синтеза.  ­ формировать познавательный интерес; ­ формирование положительной мотивации к учению; ­ воспитание дисциплинированности, эстетического восприятия мира.  Ход урока 1. Организационный момент. 2. Повторение домашнего задания. ­ По характеру относительного расположения частиц, тв. тела делятся на какие виды?  (Кристаллы, аморфные тела, композиты.) ­ Что из себя представляют кристаллы? (В кр. телах молекулы, атомы и ионы расположены в определенном порядке в форме кристаллической решетки образуя дальний порядок.  Примеры: железо, серебро, медь, лед, графит, алмаз, соль, сахар.)  ­ Что из себя представляют аморфные тела? (Аморфные тела не имеют строгого порядка в  расположении молекул, они расположены в форме кристаллической решетки образуя  ближний порядок. Примеры: стекло, канифоль, смола, каучук, пластмасса, свечи,  парафин.) 3. Объяснение нового материала.              Термодинамика – это наука о тепловых явлениях.  В противоположность молекулярно­кинетической теории, которая делает выводы на основе  представлений о молекулярном строении вещества, термодинамика исходит из наиболее общих  закономерностей тепловых процессов и свойств макроскопических систем. Выводы термодинамики  опираются на совокупность опытных фактов и не зависят от наших знаний о внутреннем устройстве  вещества, хотя в целом ряде случаев термодинамика использует молекулярно­кинетические модели  для иллюстрации своих выводов. Термодинамика рассматривает изолированные системы тел, находящиеся в состоянии  термодинамического равновесия. Это означает, что в таких системах прекратились все наблюдаемые  макроскопические процессы. Важным свойством термодинамически равновесной системы является  выравнивание температуры всех ее частей. Если термодинамическая система была подвержена внешнему воздействию, то в конечном итоге  она перейдет в другое равновесное состояние. Такой переход называется термодинамическим  процессом. Если процесс протекает достаточно медленно (в пределе бесконечно медленно), то  система в каждый момент времени оказывается близкой к равновесному состоянию. Процессы,  состоящие из последовательности равновесных состояний, называются квазистатическими. Одним из важнейших понятий термодинамики является внутренняя энергия тела. Все  макроскопические тела обладают энергией, заключенной внутри самих тел. С точки зрения  молекулярно­кинетической теории внутренняя энергия вещества складывается из кинетической  энергии всех атомов и молекул и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. В  частности, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий всех частиц газа,  находящихся в непрерывном и беспорядочном тепловом движении. Отсюда вытекает закон Джоуля,  подтверждаемый многочисленными экспериментами. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от объема Молекулярно­кинетическая теория приводит к следующему выражению для внутренней энергии  одного моля идеального одноатомного газа (гелий, неон и др.), молекулы которого совершают только  поступательное движение:  Изменение  U =  m 3 2    R T 3  m U =    R T ; Поскольку потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от расстояния  между ними, в общем случае внутренняя энергия U тела зависит наряду с температурой T также и от  объема V:  2 U = U (T, V). Таким образом, внутренняя энергия U тела однозначно определяется макроскопическими  параметрами, характеризующими состояние тела. Она не зависит от того, каким путем было  реализовано данное состояние. Принято говорить, что внутренняя энергия является функцией  состояния. Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами.  Существует   два   способа   изменения   внутренней   энергии:   теплопередача   и   совершение механической   работы   (например,   нагревание   при   трении   или   при   сжатии,   охлаждение   при расширении).  Внутренняя энергия тела может изменяться, если действующие на него внешние силы совершают  работу (положительную или отрицательную). Например, если газ подвергается сжатию в цилиндре под поршнем, то внешние силы совершают над газом некоторую положительную работу A'. В то же время  силы давления, действующие со стороны газа на поршень, совершают работу A = –A'. Если объем газа  изменился на малую величину ΔV, то газ совершает работу pSΔx = pΔV, где p – давление газа, S –  площадь поршня, Δx – его перемещение (рис. 3.8.1). При расширении работа, совершаемая газом,  положительна, при сжатии – отрицательна. В общем случае при переходе из некоторого начального  состояния (1) в конечное состояние (2) работа газа выражается формулой: A = pΔV Работа газа при расширении Работа численно равна площади под графиком процесса на диаграмме (p, V). Величина работы  зависит от того, каким путем совершался переход из начального состояния в конечное. На рисунке  изображены три различных процесса, переводящих газ из состояния (1) в состояние (2). Во всех трех  случаях газ совершает различную работу. Три различных пути перехода из состояния (1) в состояние (2). Во всех трех случаях газ  совершает разную работу, равную площади под графиком процесса     Процессы, изображенные на рисунке, можно провести и в обратном направлении; тогда работа A  просто изменит знак на противоположный. Процессы такого рода, которые можно проводить в обоих  направлениях, называются обратимыми. Если работа совершается над телом, то его внутренняя энергия увеличивается, если же тело  само совершает работу, это ведет к уменьшению его внутренней энергии.       В отличие от газа, жидкости и твердые тела мало изменяют свой объем, так что во многих случаях  работой, совершаемой при расширении или сжатии, можно пренебречь. Однако, внутренняя энергия  жидких и твердых тел также может изменяться в результате совершения работы. При механической  обработке деталей (например, при сверлении) они нагреваются. Это означает, что изменяется их  внутренняя энергия. Другим примером может служить опыт Джоуля (1843 г.) по определению  механического эквивалента теплоты (рис. 3.8.3). При вращении вертушки, погруженной в жидкость,  внешние силы совершают положительную работу (A' > 0); при этом жидкость из­за наличия сил  внутреннего трения нагревается, т. е. увеличивается ее внутренняя энергия. В этих двух примерах  процессы не могут быть проведены в противоположном направлении. Такие процессы называются  необратимыми. Упрощенная схема опыта Джоуля по определению механического эквивалента теплоты Внутренняя энергия тела может изменяться не только в результате   совершаемой работы, но и  вследствие теплообмена.  Теплопередача — это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым.  Теплопередача бывает трех видов:  теплопроводность  (непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися  частицами взаимодействующих  тел или частей одного и того же тела); конвекция  (перенос   энергии   потоками   жидкости   или   газа)   и  излучение  (перенос   энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче является  количество теплоты ( ).  При тепловом контакте тел внутренняя энергия одного из них может увеличиваться, а другого –  уменьшаться. В этом случае говорят о тепловом потоке от одного тела к другому.  Количеством теплоты Q, полученным телом, называют изменение внутренней энергии тела в  результате теплообмена или Q ­ энергия, которую тело теряет или приобретает при передаче тепла. Передача энергии от одного тела другому в форме тепла может происходить только при  наличии разности температур между ними. Тепловой поток всегда направлен от горячего тела к холодному. Количество теплоты Q является энергетической величиной. В СИ количество теплоты  измеряется в единицах механической работы – джоулях (Дж). Формула количества теплоты зависит от протекающего процесса. При теплообмене не происходит превращения энергии из одной формы в другую, часть  внутренней энергии от горячего тела передается холодному  t,   oС Q = c m ( t2 Q = c m ( T2­T1 ) = c m  T,    К c ­ удельная теплоемкость вещества. o ) = c m  o­t1 Удельная теплоемкость вещества ­ это количество теплоты, которое получает или отдает 1 кг  вещества при изменении его температуры на 1 К.        Удельная теплоемкость зависит от рода вещества и от того, при каком процессе осуществляется  теплопередача.  Сv ­ удельная теплоемкость при постоянном объеме;  Сp ­ удельная теплоемкость при постоянном давлении для идеального газа.  Дж кг∙ K [c] =  1 Формулы количества теплоты при некоторых процессах:    Количество теплоты при нагревании и охлаждении.       Количество теплоты при плавлении или кристаллизации.   Количество теплоты при кипении, испарении жидкости и конденсации пара.          Количество теплоты при сгорании топлива. Количество теплоты всегда передается от более горячих тел к более холодным до достижения ими  одинаковой температуры (теплового равновесия), если нет иных процессов, кроме теплопередачи. В замкнутой системе тел выполняется уравнение теплового балланса: Q1 + Q2 + ... = 0 ­ количество  теплоты, которое теряют горячие тела, равно количеству тепла, получаемому холодными. 4. Закрепление. Решение тестов. Выберите ответы вместо многоточия и закончите фразы: 1) Количество теплоты – количественная характеристика изменения внутренней энергии системы путем ...      а) совершения работы           б) передачи электроэнергии       в) совершения работы и теплообмена      г) теплообмена 2) Внутренняя энергия – это ...  а) энергия, зависящая только от внутреннего состояния системы.  б) энергия тел, входящих в термодинамическую систему. в) кинетическая энергия движения молекул. г) потенциальная энергия атомов. Вопросы 1­4: 1) Какое определение ошибочно?     Внутренней энергией тела называется ... а) энергия этого тела за вычетом механической энергии тела как целого. б) сумма кинетической и потенциальной энергии всех частиц, составляющих тело. в) сумма кинетических энергии молекул.  г) все определения неправильны. 2) Внутренней энергию можно изменить: а) можно изменить только путем теплопередачи.                б) нельзя изменить.    в) можно изменить только путем совершения работы.        г) можно изменить путем совершения работы и теплопередачи.  3) Термодинамическая система – это ... а) совокупность тел с разными температурами. б) тела, обладающие высокой температурой. в) совокупность макроскопических тел, обменивающихся друг с другом веществом.  г) совокупность макроскопических тел и полей, обменивающихся друг с другом и внешней средой энергией и веществом. 4) Наука, исследующая свойства макроскопических тел с энергетических позиций, называется ... а) молекулярно­кинетическои теорией.  б) динамикой.   в) термодинамикой.     г) энергодинамикои. 6. Домашнее задание. Параграфы 75­77.