Обратимые и необратимые процессы. Энтропия. Второй закон термодинамики

Раздел долгосрочного плана:

Раздел 10.1С – Тепловая физика -термодинамика

Школа:

Дата: _______________________

ФИО учителя:

Класс: 10 ____

Количество присутствующих: ______

отсутствующих: ____

Тема урока

Обратимые и необратимые процессы. Энтропия. Второй закон термодинамики.

Цели обучения, которые достигаются на данном уроке (ссылка на учебную программу)

10.3.3.3 - описывать цикл Карно для идеального теплового двигателя;

10.3.3.4 - применять формулу КПД теплового двигателя прирешении задач.

Цели урока

-       знает формулировку второго закона термодинамики;

-       может объяснить смысл второго закона термодинамики;

-       применяет второй закон термодинамики при анализе термодинамических процессов.

Критерии оценивания

-        знает формулировку второго закона термодинамики;

-        может объяснить смысл второго закона термодинамики;

-        применяет второй закон термодинамики при анализе термодинамических процессов.

Языковые цели

Лексика и терминология, специфичная для предмета:

қайтымдылық

қайтымсыздық

тәртіп бұзылуы

Серия полезных фраз для диалога/письма:

Привитие ценностей

Гуманность

В течение всего урока прививать открытость, сотрудничество, уважение, толерантность в отношениях с одноклассниками

Привитие ценностей осуществляется посредством/через обсуждение ключевых моментов темы в группах.

Межпредметные связи

Связь с математикой: работа с формулами, стандартный вид чисел, физические величины и их единицы измерения.

Ключевые навыки

Критическое мышление через создание проблемной ситуации

Предварительные знания

Внутренняя энергия, способы изменения внутренней энергии, Первый закон термодинамики.

Ход урока

Запланированные этапы урока

Запланированная деятельность на уроке

Ресурсы

Начало урока 10 мин.

Обсуждение структурной задачи.

(W) Задание 1. На графике представлен процесс перехода идеального газа постоянной массы из состояния 1 -2-3-1. В первом состоянии газ находится под давлением 0,8∙10⁵ Па, занимая объем 5 м³. Находясь в 3 состоянии он занимает объем в два раза больше чем в первом и имеет температуру 800 К.

(I)                Начертите данный процесс в координатах P(V).

(II)             Определить количество вещества данного газа (60,2 моль)

(III)          Определить температуру газа и объем во втором состоянии (1600 К, 10 м³).

(IV)          Определить объем газа в состоянии 3 (10 м³).

(V)             Какую работу совершил газ во время изобарного расширения? (4∙10⁵ Дж)

Вопрос: как изменилась внутренняя энергия газа за цикл? Можем ли мы утверждать, что тогда за цикл, газ получил количество теплоты, равное 4*10⁵ Дж? (нет, так как на участке 3-1 внешние силы совершали работу над газом, а во время изохорного охлаждения он отдавал тепло).

Очень важно проговорить каждый этап работы над структурной задачей!!!!

Обсуждение темы урока: Обратимые и необратимые процессы. Энтропия. Второй закон термодинамики.

Цели обучения и критерии оценивания:

o   знает формулировку второго закона термодинамики;

o   может объяснить смысл второго закона термодинамики;

o   применяет второй закон термодинамики при анализе термодинамических процессов.

Инструктивная карта.

Презентация.

Середина урока

20 мин.

В начале урока вернуться к понятию обратимого и необратимого циклов.

(Т) С какими циклами мы чаще всего сталкиваемся в реальной жизни? По каким циклам работают тепловые машины?

В отсутствие трения все механические процессы протекали бы обратимо. Таким образом, равновесные обратимые процессы являются абстракцией из-за существующих трения и теплообмена.

Если бы это было возможно, то процесс был бы обратимым.

А что такое обратимый процесс?

Обратимым называют процесс, допускающий возможность возвращения системы в первоначальное состояние без каких-либо изменений в окружающей среде.

Вопрос классу:

Вероятно, с вами случалось такое, что вы ломали яйцо или случайно разбивали чашку или тарелку?

Но вы когда-нибудь видели, как сломанное яйцо или разбитая тарелка снова становится целым?

Почему нет? Почему некоторые явления возможны, а другие нет?

(Т) Ответ заключается в энтропии.

Энтропия определяет беспорядок системы - количество различных способов, которыми могут располагаться частицы в системе.

У сломанного яйца больше энтропия, чем у целого яйца.

Твердые тела имеют низкую энтропию, жидкости имеют более высокую энтропию, чем твердые тела, а газы имеют самую высокую энтропию.

Энтропия увеличивается с температурой, а также с объемом.

В термодинамике энтропия - это величина, определяемая соотношением:

,

где S- энтропия. Т.е. изменение энтропии равно количеству теплоты, переданному в процессе, к температуре, при которой происходил этот процесс.

(G) Задание 2. Решите задание в парах. При решении студенты обсуждают решение в парах, затем проводится общее обсуждение с учителем.

Предположим, что чашка кофе с температурой 80 0С охлаждаясь в комнате с температурой 20 0С, теряет Q =1000 Дж тепла.

А) Определите изменение энтропии ΔS чашки кофе.

В) Определите изменение энтропии ΔS воздуха в комнате. 

С) Определите полную энтропию системы.

Подводим студентов к самостоятельному формулированию вывода.

(Т) Делаем вывод: Общая энтропия системы всегда должна увеличиваться. Это означает, что события, подобные разбиванию яйца, необратимы.

Яйцо не может самопроизвольно вернуться в более упорядоченное состояние.

Горячая чашка кофе охлаждается....

..... но холодная чашка кофе никогда самопроизвольно не нагреется.

Если бы охлаждение было обратимым, холодный кофе мог бы самопроизвольно нагреваться, получая тепловую энергию из воздуха.

Процессы, связанные с потоком тепла, необратимы.

Тепло переносится самопроизвольно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда не наоборот.

Разбить яйца и сделать яичницу не сложно, воссоздать же сырые яйца из готовой яичницы — невозможно. Запах из открытого флакона духов наполняет комнату — однако обратно во флакон его не соберешь.

Почему?

Причина такой необратимости процессов, происходящих во Вселенной, кроется во втором начале термодинамики, который, при всей его кажущейся простоте, является одним из самых трудных и часто неверно понимаемых законов классической физики.

Второй закон термодинамики фиксирует направление времени только вперед, в направлении увеличения энтропии.

Второй закон иногда называют «стрелой времени».

(W) Вопрос классу: Проанализируйте и объясните повседневные примеры, иллюстрирующие второй закон термодинамики: возрастание энтропии.

Примеры ответов:

Сломанное окно никогда самопроизвольно не восстановится.

Пролитое молоко никогда не потечет обратно в стекло.

Новая колода карт никогда не может быть перетасована обратно в первоначальном порядке

(T) Опыт показывает, что разные виды энергии не равноценны в отношении способности превращаться в другие виды энергии.

Второе начало термодинамики имеет несколько формулировок.

Если, например, паровая машина совершает работу за счет теплоты, полученной от парового котла, то при этом совершаемая работа не является единственным результатом процесса, так как часть теплоты обязательно уходит в атмосферу вместе с отработанным паром.

Эта формулировка накладывает ограничение на превращение внутренней энергии в механическую. Невозможно построить машину (вечный двигатель второго рода), которая совершала бы работу только за счет получения теплоты из окружающей среды.

(G) Задание 3. Решите задания в парах. Студенты после совместного обсуждения и решения задания в парах сверяют свои ответы с ответами соседней пары.

1.Необратимый процесс - это

a)      процесс, который может происходить как в прямом, так и в обратном направлении

b)     процесс, обратный которому самопроизвольно не происходит

c)      процесс, происходящий без воздействия внешних тел

2. Выберите формулировку, не относящуюся ко второму закону термодинамики

a)      Количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы.

b)     Теплота сама по себе не может перейти от более холодного тела к более теплому

c)      В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, совершенная за счет охлаждения теплового резервуара

d)     Невозможно сконструировать машину, которая будет только переносить теплоту с более холодного тела на более теплое

3. Второе начало термодинамики отражает...

a)     направленность термодинамических процессов в замкнутых системах

b)    сохранение энергии в термодинамических процессах

c)     превращение энергии из одного вида в другой в термодинамике

d)    способность внутренней энергии самопроизвольно преобразовываться в работу

(I) Задание 4. Решите задачи самостоятельно.

1.      Определите изменение энтропии при плавлении 63,5 г меди, если теплота плавления меди равна 12980 Дж/моль, а температура плавления меди 1083 °С.

2.      Используя справочные данные, рассчитайте изменение энтропии при протекании реакции при стандартных условиях H₂SO₄ + 3H₂S = 4S + 4H₂O

(G) Задание 5. Решите задания в парах. Студенты после совместного обсуждения и решения задания в парах сверяют свои ответы с ответами соседней пары, доказывают правильность и ложность утверждений

Определите, какие утверждения являются истинными, а какие - ложными.

1.      Газу сообщили теплоту 200 Дж, и он совершил работу 700 Дж. Внутренняя энергия газа увеличивается на 500 Дж.

2.      Газ получил количество тепла 1300 Дж, изменение его внутренней энергии составляет 600 Дж. В этом случае газ совершил работу 700 Дж.

3.      Над газом внешние силы совершали работу 500 Дж, в то же время он отдал окружающим телам 300 Дж тепла. Внутренняя энергия увеличилась на 0,2 кДж.

4.      Газ получил 600 Дж тепла в процесс теплопередачи, совершив работу 0,05 кДж. Внутренняя энергия газа увеличилась на 550 Дж.

5.      В результате адиабатического расширения внутренняя энергия газа уменьшилась на 0,8 МДж, газ совершил работу 800 кДж.

Презентация

Презентация

Презентация

Презентация

Инструктивная карта

Презентация

Презентация

Презентация

Инструктивная карта

Инструктивная карта

Инструктивная карта

Конец урока

4 мин

Рефлексия по оценки уровня усвоения учащимися темы.

«What is your level?»

Дифференциация – каким образом Вы планируете оказать больше поддержки? Какие задачи Вы планируете поставить перед более способными учащимися?

Оценивание – как Вы планируете проверить уровень усвоения материала учащимися?

Здоровье и соблюдение техники безопасности

Поддержку планирую осуществить через общеклассное обсуждение результатов работы с текстом Интернет- источниками, предложенные вопросы к тексту, индивидуальное консультирование.

Общение в парах, индивидуальные консультации

Создание благоприятной психологической атмосферы, соответствие заданий уровню подготовленности учащихся, смену видов деятельности, консультирование.

Какие задачи Вы планируете поставить перед более способными учащимися?

Оказание консультационной помощи учащимся, испытывающим затруднения

Учащиеся будут:

Большинство учащихся будут:

Некоторые учащиеся будут:

- объяснять смысл первого и второго законов термодинамики.

Находить энтропию системы в результате химического процесса на основании химической формулы.

Рефлексия по уроку

Используйте данный раздел для размышлений об уроке. Ответьте на самые важные вопросы о Вашем уроке из левой колонки.

Были ли цели урока/цели обучения реалистичными?

Все ли учащиеся достигли ЦО?

Если нет, то почему?

Правильно ли проведена дифференциация на уроке?

Выдержаны ли были временные этапы урока?

Какие отступления были от плана урока и почему?

Общая оценка

Какие два аспекта урока прошли хорошо (подумайте, как о преподавании, так и об обучении)?

1:

2:

Что могло бы способствовать улучшению урока (подумайте, как о преподавании, так и об обучении)?

1:

2:

Что я выявил(а) за время урока о классе или достижениях/трудностях отдельных учеников, на что необходимо обратить внимание на последующих уроках?