Урок по физике 10 класс. Температура и тепловое равновесие

Тема урока: Температура и тепловое равновесие.  

Цель урока: формировать знания о температуре как одном из термодинамических параметров, связь   температурных шкалах Кельвина и Цельсия , измерение температуры с помощью термометров.

Задачи урока:

образовательные: Ввести понятие термодинамических параметров, термодинамического процесса, температуры, термометра.

развивающие: - развивать логическое мышление, умение планировать свою работу обобщать и делать выводы, используя новую информацию и имеющийся жизненный опыт, а так же умение рефлексировать;

воспитательные: Воспитывать интерес в изучении материала

Тип урока: урок «открытия» нового знания, обретения новых умений и навыков

Методы обучения: проблемный, эвристический (поисково-творческий), деятельностный, словесный, наглядный.

Вопросы классу

1. Почему газы при высокой температуре можно считать идеальными?

(Чем выше температура газа, тем больше кинетическая энергия теплового движения молекул, а значит, газ более близок к идеальному.)

2. Почему при высоком давлении свойства реальных газов отличаются от свойств идеального? (С ростом давления уменьшается расстояние между молекулами газа и их взаимодействием уже нельзя пренебречь.)

3. Назовите основные положения МКТ. (В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:1. Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов («элементарных молекул»). Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы. 2.Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении. 3. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.)

4.Что называют относительной атомной массой? (относительная атомная масса элемента-это величина, показывающая, во сколько раз масса его атома больше одной двенадцатой массы атома углерода.)

5.Что такое моль и чему равна постоянная Авогадро?( Моль — количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равна относительной атомной (молекулярной) массе.

Моль — единица количества вещества в СИ (одна из основных единиц СИ).

В 1 моле содержится столько молекул (атомов или других частиц вещества), сколько атомов содержится в 0,012 кг нуклида углерода ¹²С с атомной массой 12.

Из этого определения следует, что в одном моле любого вещества содержится одно и то же число атомов или молекул.

Число это называется постоянной Авогадро и обозначается N_A:

 N_A = 6,022054(32) · 10²³ моль^-1.

 Постоянная Авогадро (число Авогадро) — это число атомов (молекул, или других структурных элементов вещества), содержащихся в 1 моле.

Постоянная Авогадро — одна из фундаментальных физических констант. Она входит в некоторые другие постоянные, например, в постоянную Больцмана.)

3. Постановка цели деятельности

Почему важно изучать газы, уметь описывать процессы, которые в них происходят? Обоснуйте ответ, используя усвоенные знания по физике, собственный жизненный опыт.

4. Изучение нового материала

4.1 Температура и тепловое равновесие

Под термодинамическими параметрами понимают физические величины, которые характеризуют свойства макротела (макросистем) в целом. К ним относятся: давление газа, объем, температура.

Термодинамический процесс представляет собой явление изменения какого – то термопараметра или переход системы из одного состояния в другое.

К микротелам относятся: объем молекулы (атома), масса молекулы, скорость молекулы, концентрация числа молекул. Тепловое равновесие – такое состояние тела, при котором его макроскопические параметры не меняются длительное время.

Таким образом, температура характеризует состояние термодинамического равновесия изолированной системы тел.

Температура — это мера кинетической энергии теплового движения молекул.

Температура — скалярная величина; в СИ измеряется в Кельвинах (К).

Основные свойства температуры

Тепловое (термодинамическое) равновесие – состояние тела или системы тел, при котором его термодинамические параметры (p, V, m  и др.) остаются неизменными сколь угодно долго. Температура - характеристика внутреннего состояния макроскопической системы – состояния теплового равновесия. Температура – термодинамический параметр, одинаковый во всех частях термодинамической системы, находящейся в тепловом равновесии. Температуры тел, находящихся в тепловом контакте, выравниваются.

Измерение температуры.

1. Тело необходимо привести в тепловой контакт с термометром.
2. Термометр должен иметь массу значительно меньше массы тела.
3. Показание термометра следует отсчитывать после наступления теплового равновесия.

4.2 Абсолютная температура.

2. Температурные шкалы. Измерение температуры

Температура измеряется с помощью термометров, действие которых основано на явлении термодинамического равновесия, т.е. термометр — это прибор для измерения температуры путем контакта с исследуемым телом. При изготовлении термометров разного типа учитывается зависимость от температуры разных физических явлений: теплового расширения, электрических и магнитных явлений и т.п.

В 1787 году Ж. Шарль из эксперимента установил прямую пропорциональную зависимость давления газа от температуры. Из опытов следовало, что при одинаковом нагревании давление любых газов изменяется одинаково.

Бесконтактные измерения температуры осуществляются пирометрами (квазимонохроматическими, спектрального отношения и полного излучения). Контактные методы измерения более просты и точны, чем бесконтактные. Но для измерения температуры необходим непосредственный контакт с измеряемой средой и телом. И в результате этого может возникать, с одной стороны, искажение температуры среды в месте измерения и с другой несоответствие температуры чувствительного элемента и измеряемой среды.

Серийно выпускаемые термометры и термопреобразователи охватывают диапазон температур от — 260 до 2200°С и кратковременно до 2500°С. Бесконтактные средства измерения температуры серийно выпускаются на диапазон температур от 20 до 4000°С.

Термометры стеклянные

Принцип действия основан на зависимости объемного расширения жидкости от температуры. Отличаются высокой точностью, простотой устройства и дешевизной. Однако стеклянные термометры хрупки, как правило, не ремонтопригодны, не могут передавать показания на расстояние.

Основными элементами конструкции являются резервуар с припаянным к нему капилляром, заполненные частично термометрической жидкостью, и шкала.

Конструктивно различаются палочные термометры со шкалой, вложенной внутрь стеклянной оболочки. У палочных термометров шкала наносится непосредственно на поверхность толстостенного капилляра. У термометров с вложенной шкалой капилляр и шкальная пластина с нанесенной шкалой, заключены в защитную оболочку, припаянную к резервуару.

Стеклянные термометры расширения выпускаются для измерения температур от -100 до 600°С.

Выпускаются также ртутные электроконтактные термометры, предназначенные для сигнализации или поддержания заданной температуры. Термометры выпускаются с заданным постоянным контактом (ТЗК) или с подвижным контактом (ТПК).

Точность показаний термометров зависит от правильности их установки. Важнейшим требованием, предъявляемым при установке, является обеспечение наиболее благоприятных условий притока тепла от измеряемой среды к термобаллону и наименьший отвод тепла от остальной части термометра во внешнюю среду. Большей частью термометры устанавливают в защитную оправу.

Различают такие виды термометров: жидкостные, термопары, газовые, термометры сопротивления.Вещества, которые используются для измерения температуры тел, - термодинамическими.

Основные виды шкал:

В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия — особая точка для метеорологии, поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.

Шкала Фаренгейта. В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F - 32), то есть изменение температуры на 1 °F соответствует изменению на 5/9 °С. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.

Шкала Реомюра Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Шкала Кельвина

В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д.

 Сравнение температурных шкал

Термометры.

1. Жидкостный термометр (ртуть: температура от -38до 260⁰С; глицерин: от – 50 до 100⁰С) – тепловое расширение.
2. Термопара (температура от -269 до 2300⁰ С).
3. Термисторы (зависимость сопротивления от температуры).
4. Манометрические (зависимость давления от температуры).
5. Газовые термометры – тепловое расширение.
6. Акустические, магнитные и др.

Рассмотрим основные виды термометров:

7. Спиртовые или ртутные
8. Газовые
9. Электрические
10. Пирометры

4.3 Связь средней кинетической энергии теплового движения молекул с абсолютной температурой. Постоянная Больцмана

Температура – мера средней кинетической энергии движения молекул

Опытным путем р = nkT, где - k=1,38×10^-23Дж/К, коэффициент пропорциональности - постоянная Больцмана. Постоянная Больцмана связывает температуру со средней кинетической энергией движения молекул в веществе. Это одна из наиболее важных постоянных в МКТ. Температура прямо пропорциональна средней кинетической энергии теплового движения частиц вещества.

5.Проверка понимание и осмысления нового материала, и применение нового материала на практике - Какие физические тела – макроскопическими?

- Что вы понимаете под микроскопическими телами?

- Какие параметры – макроскопическими?

- В чем физический смысл температуры?

- Какое состояние – тепловым равновесием?

- Какая величина является его характеристикой?

- Какая температура – абсолютным 0 температуры?

2. Выразите в К: 27С, -175С, 100С, 0С

Выразите в С: 4К, 180К, 310К, 420К.

6 Рефлексия.«Что узнали? Что поняли? Что не поняли?»

7.Домашнее задание: §45, упр. 1,2.