Закон сохранения энергии тепловых процессов – Урок по физики для 10 класса «Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам»

Презентация к уроку (физика) на тему: Закон сохранения энергии в тепловых процессах.

Слайд 1

Закон сохранения энергии в тепловых процессах.

Слайд 2

Цель урока: Систематизация и обобщение ранее полученных знаний по данной теме. Задачи урока: Заинтересовать учащихся исследовательской деятельностью; — Развивать логическое мышление и умения обобщать; — Научиться сопоставлять и изменять полученные знания на практике и в быту; — Воспитывать чувство коллективизма, взаимопомощи, умение работать в группах.

Слайд 3

“Может собственным Платоном И быстрых разумом Невтонов Российская земля рожать ” М.В. Ломоносов.

Слайд 4

Про теплоту начнем рассказ Всё вспомним, обобщим сейчас Энергия работа до кипения. Чтоб лени наблюдалось испарение Мозги не доведём мы до плавления, Их тренируем до изнеможения. В учении проявляем мы старание, Идей научных видя обоняние! Задачу мы любую одолеем, И другу подсобить всегда сумеем. Историю науки изучаем И Ломоносова великим почитаем, И проявляем мы себя в труде Как двигатель с высоким КПД! Но как же жизнь бывает непроста С той дамой, что зовётся Теплота!

Слайд 5

Что называется внутренней энергией ? Какими способами можно изменить внутреннюю энергию ? С теплопередачей непосредственно связано такое понятие, как количество теплоты. Что же такое количество теплоты ?

Слайд 6

Задание: Давайте охарактеризуем изученные нами тепловые процессы, именно формулами. Сейчас вам будут розданы листы с заданиями в виде таблиц, которые вы должны заполнить. Время работы 3 минуты. После этого вы сделаете взаимопроверку и каждый оценит работу рядом сидящего.

Слайд 7

Знаете ли вы, что физик Вальтер Нернст увлекался разведением карпов? Однажды кто – то глубокомысленно заметил: “Странный выбор. Кур разводить и то интереснее”. Учёный невозмутимо ответил: “Я развожу таких животных, которые находятся в тепловом равновесии с окружающей средой. Разводить теплокровных – это значит обогревать на свои деньги мировое пространство”. Справедливо ли замечание ученого? На этот и другие вопросы нам ответят законы термодинамики.

Слайд 8

Блиц — опрос: А что такое термодинамика ? Сформулируем принципы, которые носят название законов термодинамики . Можно ли создать вечный двигатель? Ну, коль вечный невозможно создать, то, что такое реально существующие тепловые двигатели? Из каких основных частей состоит любой тепловой двигатель ? Назовите основные виды тепловых двигателей.

Слайд 9

Человек очень расточительно использует энергию топлива, которую дарит нам природа . Мы, как не благодарные дети, проматываем наследство, накапливавшееся по крохам в течении миллионов лет . Природа поступает более мудро. Как же она решает энергетическую проблему? На этот вопрос вы ответите в своих проектах.

Слайд 10

Проект № 1 “ Виды топлива” 1. Рассмотрите источники тепла, которые нас окружают. Источниками тепла мы считаем газовую плитку, костёр, сгорание бензина, мазута, кокса в котельных. Горение – это экзотермическая реакция, которая идёт с выделением тепла. Гидроэлектростанции и тепловые станции тоже являются источниками тепла, так как дают до 70% всей электроэнергии, а это электроплитки, электрокамины и другие электро-обогреватели .

Слайд 11

2. Проанализируйте виды топлива, Проанализировав горение сухого горючего, свечи, растительного масла, горение эфира и пользуясь таблицей № 1 разделите виды топлива на 3 группы: твёрдое, жидкое, газообразное. Оказывается, из множества видов твёрдого топлива, наибольшее количество тепла выделяет бурый челябинский уголь, 14300 кДж на 1 кг топлива, и металлическое ракетное горючее: магний 24830 кДж алюминий 31000 кДж бериллий 66600 кДж. Из жидких видов: керосин осветит 43100 кДж на 1 кг жидкого топлива и дизельное топливо — 42700 кДж. Газообразное топливо отличается выделением большого количества энергии на 1 кг горючего топлива. Но самое большое количество энергии выделяется при сгорании водорода -119700 кДж.

Слайд 12

20 деревянных лучин, термометр, весы с разновесами. Используйте их для составления задачи, в которой бы упоминалось сгорание. На сколько повысится температура воздуха в большой пещере объемом 10 м на 15 м на 5 м, если там сгорят 20 деревянных лучин, массой 800 г? Начальная температура воздуха около 14?С.

Слайд 13

Проект №2 “ Отопление и обогрев” 1. Каким способом обычно, осуществляется обогрев жилых и промышленных помещений? Как можно исследовать конвекцию в помещении? Какие еще существуют способы теплопередачи?

Слайд 14

2. Докажите с помощью приборов, что нагрев жидкости, стоящей на огне происходит конвективным способом. Колба с водой нагревается на спиртовке, на дне — кристаллы марганца, закрепленные кусочком пластилина. 3. Составьте задачу, в которой бы учитывался обогрев какого-то предмета известными вам способами теплопередачи . 1. В предыдущем опыте сгорело 10 грамм спирта. На нагрев затрачено 30% полученной теплоты. На сколько повысилась температура одного литра воды? 2. Температура воды в отопительном котле 90?С. Начальная температура воды 10?С. В котле помещается 5м3 воды. Сколько мазута расходуется на разогрев и поддержание температуры такого котла, если потери составляют 15%? Считать, что разогрев происходит один раз.

Слайд 15

Проект №3 “ Приготовление пищи” 1. Какие тепловые способы приготовления пищи вам известны? В каждом случае укажите источник тепловой энергии и способ передачи теплоты к продуктам. В дыму, на огне, на пару, в печи, на костре. 2. Большая часть нашей пищи готовится в кипящей воде. Как заставить картофель свариться быстрее? Чтобы ваш картофель сварился быстрее, надо перед варкой бросить в кастрюлю с картофелем и водой кусочек сливочного масла. Нагреваясь, оно растопится и покроет поверхность воды тонкой пленкой. Эта защитная пленка будет препятствовать процессу испарения воды. А процесс испарения всегда сопровождается уменьшением температуры жидкости и ее количества.

Слайд 16

3. Предложите или найдите в литературе какое- либо усовершенствование приготовления пищи. Конфорку электрической плитки можно сделать из нагревательных элементов в виде колец. В электрическую цепь будут включаться только те кольца, размер которых соответствует дну кастрюли . 4. Придумайте задачу, в которой упоминается процесс приготовления пищи. Сколько березовых дров необходимо собрать для костра туристам, чтобы вскипятить ведро родниковой воды? Температура воды в роднике 9°С . Считать, что потерь тепла не существует.

Слайд 17

Проект № 4 “Теплопередача и закон сохранения энергии” 1. Предложите опыты с простым школьным оборудованием для демонстрации разных видов теплопередачи и объясните их схематически. Кипячение воды в бумажной коробочке, нагревание термометра на расстоянии от источника тепла (лампа, плитка, отклеивание кнопок от нагреваемого пламени стержня).

Слайд 18

2. При изменении температуры тело может изменять свои механические свойства: длину, объем, плотность, упругость, хрупкость. Приведите примеры. Опыты: нагревание монеты трением, металлической спицы в пламени (одним концом спица упирается в огонь или касается его), нагревание воздуха в колбе с жидкостью (движется столбик жидкости в трубке). 3. Как определить температуру предмета, нагретого в пламени, если у вас имеется еще калориметр с холодной водой, термометр, весы с разновесами, таблицы?

Слайд 19

Проект №5 “Энергия и теплота в живой природе” 1. Главный закон, которому подчиняются все тепловые процессы – закон сохранения энергии. Все живые организмы затрачивают в процессе жизнедеятельности много энергии (движение, питание, охота). Откуда они берут энергию?

Слайд 20

Рассматриваются химические реакции внутри клетки. Вся серия этих реакций называется внутренним дыханием (тканевым, клеточным). Оно подразделяется на аэробное и анаэробное. Первое связано с распадом некоторых веществ при участии кислорода и происходит с большим выделением энергии, второе – с бескислородным превращением глюкозы. Дыхание живых существ иногда называют медленным горением.

Слайд 21

Проект №6 “Тепловые механизмы и двигатели” 1. Приведите примеры механизмов, использующих при своей работе тепловую энергию. Укажите в каждом случае источник энергии, путь ее преобразования. В своей жизни мы постоянно встречаемся с разнообразными двигателями. Они приводят в движение автомобили и самолеты, трактора и корабли, железнодорожные массивы и ракеты. работа тепловых машин связана с потреблением различных видов энергии. Конструкция первых паровых машин имела основные части всех последующих тепловых машин: нагреватель, в котором освобождалась энергия топлива, водяной пар как рабочее тело и поршень с цилиндром, преобразующий энергию пара в механическую работу, а также охладитель, необходимый для снижения температуры и давления пара.

Слайд 22

2. Опишите самое простое строение паровой машины. Самое простое строение паровой машины создал Герон Александрийский во II в. до н.э. Она состояла из подставки, на которой был водружен сосуд с ручками и наполненный водой. Устройство, которой помещалось в воду, напоминало колбу. С четырех сторон помещались трубки. Когда дрова горели, вода закипала и пар фонтаном бил из верхней трубки. Это была самая древняя паровая машина.

Слайд 23

3. Покажите на опыте, используя оборудование школьной лаборатории, как можно совершить работу, за счет преобразования тепловой энергии. В пробирке помещена вода, которая закипает, получая количество теплоты от сгорания спирта. И пар выбивает пробку из пробирки. Так совершается работа после превращения энергии. 4.Предложите задачу, в которой используется работа любого теплового устройства.

Слайд 24

Расскажите о каком-либо приборе, устройстве, которое работает за счет тепловой энергии окружающей среды. Не один из источников энергии, известных на сегодня не в состоянии в будущем полностью взять на себя удовлетворение растущих потребностей человека. Для этого необходимо больше внимания уделить альтернативным источникам или источникам, работающим на энергии окружающей среды. Уже существует, например, “солнечные батареи”, которые превращают солнечную энергию в электрический ток при помощи фотоэлементов. Много проектов создано для использования силы приливов, силы ветров, силы гейзеров. Существуют и проекты использования разности температур между поверхностными слоями воды тропических морей и температурой воды на больших глубинах.

Слайд 25

Желаю успехов во всех ваших начинаниях. Удачи и спасибо всем за урок. Голубева Е.С. Занимательное естествознание. Нескучный учебник. — СПб.: “Тритон”, 2007 . Ковалева С.Я. Закон сохранения энергии в тепловых процессах // Еженедельная газета издательского дома “Первое сентября”, № 33, 1-7 сентября 2012 . Ланина. И.Я. Сто игр по физике. — М.:, “Просвещение”, 2005 . Перельман Я.И. Занимательная физика. — М.:, “Наука”, 2001 . Увицкая Е.С. Использование биологического материала на уроках физики. // Еженедельная газета издательского дома “ Первое сентября”, № 31, 16-22 августа 2012 .

Урок по физики для 10 класса «Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам»

Тема: «Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам

»

Цели и задачи урока:

Образовательная: Организовать деятельность учащихся по закреплению основных понятий термодинамики;

Развивающая: Создать условия для решения олимпиадных задач по теме;

Воспитательная: Содействовать развитию внимательности, инициативности, трудолюбия, творческих способностей;

Тип урока: урок применения знаний и умений;

Форма проведения урока: практикум.

Межпредметные связи: математика, химия

Ожидаемый результат:

  • владеть изученными на уроке терминами на казахском, русском и английском языках;

  • уметь применять полученные знания для решения олимпиадных задач;

Структура урока:

  1. Организация начала урока

  2. Актуализация опорных знаний

  3. Объяснение нового материала

  4. Закрепление новых знаний

  5. Задание на дом

  6. Подведение итогов урока.

  7. Рефлексия

Ход урока:

  1. Организация начала урока

Здравствуйте уважаемые участники нашего онлайн занятия. Вас приветствует город Астана, Назарбаев Интеллектуальная школа физико-математического направления на уроке физики в 10 классе. Прежде чем мы с вами начнем беседу, я хочу, чтобы вы сели поудобнее, отвлеклись от посторонних дел и погрузились в удивительный мир физики. Сегодня мы с вами продолжаем изучать тему: «Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам». Цель нашего занятия – научиться решать олимпиадные задачи по данной теме.

Глоссарий к нашему уроку:

Термодинамика

Термодинамика

Thermodynamics

Система

Жүйе

System

Идеальный газ

Идеалды газ

Рerfect gas

Макроскопические параметры

Макроскопиялық параметрлер

Macroscopic parameters

Изопроцесс

Изопроцесс

Izoprotsess

Температура

Температура

Temperature

Давление

Қысым

Pressure

Объем

Көлем

Volume

Работа

Жұмыс

Work

  1. Актуализация опорных знаний

Прежде чем мы приступим непосредственно к изучению темы нашего урока, давайте мы с вами вспомним то, что вы проходили раннее. Для этого вам необходимо взять ручку и листок бумаги для того, чтобы вы могли поставить себе баллы. За каждый правильный ответ вы ставите себе один балл. Давайте ответим на следующие вопросы.

  • На что расходуется количество теплоты, переданное системе, согласно первому закону термодинамики?

Ответ: На прошлом уроке мы с вами говорили о первом законе термодинамики. Первый закон термодинамики называют еще законом сохранения энергии для тепловых процессов. Он определяет количественное соотношение между изменением внутренней энергии hello_html_1f1cc2e9.gif, количеством теплоты hello_html_m734340a9.gif, подведенным к ней, и суммарной работой внешних сил hello_html_m695ee3d9.gif, действующих на систему.

Первый закон термодинамики: изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, подведенного к системе извне, и работе внешних сил действующих на нее.

hello_html_15f8d666.gif

Количество теплоты, поглощаемое телом, считают положительным, а выделяемое — отрицательным.

Для изолированной системы, которая не обменивается теплотой с окружающими телами (те есть при hello_html_m583ce748.gif) и над которой не совершается работа внешних сил (hello_html_490439f0.gif)

hello_html_m51bdf993.gif

или

hello_html_37c3164f.gif

Или другими словами внутренняя энергия замкнутой изолированной системы сохраняется.

В термодинамике наибольший интерес представляет преобразование внутренней энергии в работу, совершаемую газом. Как было сказано раннее, эта работа отличается от работы внешних сил только знаком:

hello_html_7f6043bb.gif(1)

С учетом соотношения (1) первый закон термодинамики можно сформулировать и так:

Количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами

hello_html_56b842ee.gif

Количество теплоты, сообщаемое газу для изменения его состояния, зависит от способа перехода газа из одного состояния в другое. При разных процессах, связывающих два состояния тела, количество подведенной теплоты будет различным.

Ответ: Как вы помните, изобарный процесс – это процесс, проходящий при постоянном давлении. При данном процессе количество теплоты идет и на совершение работы газом и на изменение его внутренней энергии.

hello_html_m5b42d0b2.gif

Ответ: Как было сказано раннее, наибольший интерес представляет процесс преобразования внутренней энергии газа в работу. Поэтому, для наиболее эффективного преобразования внутренней энергии газа в совершаемую им работу следует предотваратить возможные потери внутренней энергии в результате теплопередачи окружающим телам. Поэтому систему теплоизолируют.

Теплоизолированная система – это система не обменивающаяся энергией с окружающими телами.

В теплоизолированной системе происходит так называемый адиабатный процесс.

Так как нет теплообмена с окружающей средой, следовательно

hello_html_m583ce748.gif

и первый закон термодинамики для адиабатного процесса будет иметь в следующий вид

hello_html_m73e68fd1.gif

или

hello_html_1a6721cf.gif

При адиабатном расширении hello_html_6d181b85.gif, следовательно hello_html_m4d715f1f.gif. Это означает, что газ совершает работу над внешними телами за счет уменьшения своей внутренней энергии.

  • Почему при изобарном расширении газа от объема V1 до объема V2 требуется большее количество теплоты, чем при изотермическом процессе?

Ответ: Для изобарного расширения газа от объема hello_html_3b3976c8.gif до объема hello_html_47a4975e.gif требуется большее количество теплоты, чем при изотермическом процессе, так как при изобарном процессе меняется температура газа, а при изотермическом не меняется.

Ответ: При адиабатном сжатии температура возрастает, так как над системой совершается работа, которая увеличивает внутреннюю энергию тела. А как вы помните, внутренняя энергия тела зависит от температуры, и при увеличении внутренней энергии тела, соответственно, увеличивается температура. Если же газ совершает работу, то изменение внутренней энергии отрицательно, так как газ совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии. Следовательно, температура газа будет понижаться.

Тест «Проверь себя!»

1. Чему равно изменение внутренней энергии одного моля идеального одноатомного газа, если Т1=Т, а Т2=2Т?
А.) RТ; Б.) 2RТ; В.) 3RТ; Г.) 1,5RТ.

2. Какую работу совершает газ, расширяясь изобарно при давлении 2 ∙ 105 Па от объёма V1=0,1 м3 до объёма V2=0,2 м3?
А.) 2 ∙ 106 Дж; Б.) 200 кДж; В.) 0,2 ∙ 105 Дж.

3. Термодинамической системе передано количество теплоты, равное 2000 Дж, и над ней совершена работа 500 Дж. Определите изменение его внутренней энергии этой системы.

А.) 2500 Дж; Б.) 1500 Дж; В.) ∆U=0.

4. В цилиндре под поршнем находится воздух, массой 29 кг. Какую работу совершит воздух при изобарном расширении, если температура его увеличилась на 100 К. Массу поршня не учитывать.
А.) 831 Дж; Б.) 8,31 кДж; В.) 0,83 МДж.

5. Какая физическая величина вычисляется по формуле hello_html_m5a4ae7d.gif?

А.) количество теплоты в идеальном газе;
Б.) давление идеального газа;
В.) внутренняя энергия одноатомного идеального газа;
Г.) внутренняя энергия одного моля идеального газа.

  1. Объяснение нового материала

Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии остается неизменным при любых ее превращениях. Но данный закон не учитывает, какие энергетические превращения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, никогда не протекают в действительности. Нагретые тела остывают, передавая свою энергию окружающим телам, обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, но на самом деле не происходит. Число примеров можно привести неограниченное количество. Все примеры говорят о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законе термодинамики. Все процессы в природе текут в одном определенном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, например – старение организмов, диффузия. Рассмотрим понятие обратимого процесса.

Обратимым называется процесс, который отвечает следующим условиям:

— его можно провести в двух противоположных направлениях;

— в каждом из этих случаев система и окружающие ее тела проходят через одни и те же промежуточные состояния;

— после проведения прямого и обратного процессов система и окружающие ее тела возвращаются к исходному состоянию.

Всякий процесс, не удовлетворяющий хотя бы одному из этих условий, является необратимым.

Реальные тепловые процессы также необратимы.

Примеры:

При диффузии выравнивание концентраций происходит самопроизвольно. Обратный же процесс сам по себе никогда не пойдет: никогда самопроизвольно смесь газов, например, не разделится на составляющие ее компоненты. Следовательно, диффузия — необратимый процесс.

Теплообмен, как показывает опыт, также является односторонне направленным процессом. В результате теплообмена энергия передается сама по себе всегда от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему сам по себе никогда не происходит.

Необратимым является также процесс превращения механической энергии во внутреннюю при неупругом ударе или при трении.

Между тем из первого закона термодинамики направленность и тем самым необратимость тепловых процессов не вытекает. Первый закон термодинамики требует лишь, чтобы количество теплоты, отданное одним телом, в точности равнялось количеству теплоты, которое получит другое. А вот вопрос о том, от какого тела, от горячего к холодному или наоборот, перейдет энергия, остается открытым.

Направленность реальных тепловых процессов определяется вторым законом термодинамики, который был установлен непосредственным обобщением опытных фактов. Это постулат. Немецкий ученый Р. Клаузиус дал такую формулировку второго закона термодинамики: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

КЛАУЗИУС Рудольф Юлиус Эмануэль (1822-1888), немецкий физик-теоретик, один из создателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории теплоты. Работы Клаузиуса относятся к области молекулярной физики, термодинамики, теории паровых машин, теоретической механики, математической физики. Он первым проанализировал идеи С.Карно и, развивая их, сформулировал принцип эквивалентности теплоты и работы. В 1850 независимо от У.Ранкина получил соотношение между теплотой и работой (первое начало термодинамики) и разработал идеальный термодинамический цикл паровой машины (цикл Ранкина — Клаузиуса). В том же году (одновременно с У.Томсоном) дал первую формулировку второго начала термодинамики: «Теплота не может сама собою перейти от более холодного тела к более теплому». В 1865 ввел понятие энтропии, установил ее важнейшее свойство. Клаузиус внес большой вклад в развитие молекулярно-кинетической теории теплоты. Его работы способствовали введению в физику статистических методов, благодаря чему удалось с единых позиций объяснить такие разные явления в газах, как внутреннее трение, теплопроводность, диффузия.

Никола Леонар Сади Карно французский физик и военный инженер, один из основателей термодинамики. Сади Карно скоропостижно скончался в возрасте всего 36 лет от холеры. Карно интересовался многими новыми промышленно-технологическими разработками того времени. Занявшись теоретическим обоснованием принципов работы паровых машин, Карно стал одним из пионеров термодинамики, предложив свою знаменитую модель идеального двигателя. Свои идеи Сади Карно опубликовал в 1824 г. в форме фундаментального трактата «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В нём Карно рассмотрел в общем виде вопрос о «получении движения из тепла». Анализируя идеальный круговой процесс (известный сейчас как цикл Карно), он впервые пришёл к выводу о том, что полезная работа производится только при переходе тепла от нагретого тела к более холодному. Карно высказал также положение, что величина работы обусловлена разностью температур нагревателя и холодильника и не зависит от природы вещества, работающего в тепловой машине (теорема Карно). В своих рассуждениях Карно придерживался теории теплорода, однако в дальнейшем, как явствует из его записок, изданных посмертно, он от неё отказался

Уильям Томсон

В круг научных интересов Томсона входили термодинамика, гидродинамика, электромагнетизм, теория упругости, теплота, математика, техника. В 1851 г. У. Томсон сформулировал (независимо от Р. Клаузиуса) 2-е начало термодинамики. В его работе «О динамической теории теплоты» излагалась новая точка зрения на теплоту, согласно которой «теплота представляет собой не вещество, а динамическую форму механического эффекта». Поэтому «должна существовать некоторая эквивалентность между механической работой и теплотой». Томсон указывает, что этот принцип, «по-видимому, впервые… был открыто провозглашен в работе Ю. Майера «Замечания о силах неживой природы». Далее он упоминает работу Дж. Джоуля, исследовавшего численное соотношение, «связывающее теплоту и механическую силу».

Томсон утверждает, что вся теория движущей силы теплоты основана на двух положениях, из которых первое восходит к Джоулю и формулируется следующим образом: «Во всех случаях, когда равные количества механической работы получаются каким бы то ни было способом исключительно за счёт теплоты или бывают израсходованы исключительно на получение тепловых действий, всегда теряются или приобретаются равные количества теплоты».

Итак, из второго закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя второго рода, т.е. двигателя, который бы совершал работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

Тепловой двигатель.

Развитие техники зависит от умения использовать громадные запасы внутренней энергии. Использовать эту энергию- это значит совершать за счет ее полезную работу. Рассмотрим источники, которые совершают работу за счет внутренней энергии.

Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую. Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Работа любого теплового двигателя циклична.

Каждый цикл состоит из разных процессов:

— получение энергии от нагревателя;

— рабочего хода;

— передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

Наличие нагревателя, рабочего тела, холодильника – принципиально

необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.

hello_html_m902de76.png

hello_html_m1b2a112d.png

Задача 1

Над одним молем идеального одноатомного газа совершают процесс 1-2-3-4-1 (см.рис.), причем газ получает от нагревателя за один цикл количество теплоты Q. Какое количество теплоты будет порлучать за один цикл газ, если совершать над ним процесс 2-3-4-А-В-С-2? Известно, что Т3=16Т1, Т24, В – точка пересечения изотермы Т= Т2 с прямой 1-3, проходящей через начало координат pV – диаграммы. Ответ выразить через Q.hello_html_m14b54b5a.png

Решение:

Рассмотрим сначала исходный цикл и выразим сообщаемое газу количество теплоты через другие параметры системы. Из первого начала термодинамики (∆Q = ∆U + ∆A) следует, что теплота сообщается газу на участках 1–2 и 2–3. Значит, количество теплоты, сообщённое газу за один цикл:

1-2 процесс изохорный, следовательно, все количество теплоты, полученное в данном процессе, идет на увеличение внутренней энергии

hello_html_m3bac462e.gif

2-3 процесс изобарный, следовательно, количество теплоты, полученное в данном процессе, идет и на увеличение внутренней энергии и на совершение работы газом:

hello_html_m4131d35d.gif

А по уравнению М-К

hello_html_m7beb6643.gif

Тогда

hello_html_17152430.gif

И полное количество теплоты во все процессе 1-2-3-4-1 равно:

hello_html_me8d761c.gif

Выразим температуру Т2 через Т1. Для этого рассмотрим участки 1-2 и 2-4

1-2 процесс изохорный, следовательно

hello_html_m7892e368.gif

3-4 тоже процесс изохорный, следовательно:

hello_html_m55c74edc.gif

Причем р23, р14 , Т24

Тогда получаем

hello_html_m7892e368.gif hello_html_310c5f74.gif

И

hello_html_34218a8.gif

Отсюда Т2

hello_html_m43fedcfd.gif

По условию задачи Т3=16Т1, находим, что Т2=4Т1 . Теперь количество теплоты Q также можно выразить через Т1

hello_html_m3b1ee5ef.gif

Рассмотрим далее цикл 2-3-4-А-В-С-2. Теплота Q1 сообщается газу на участках С-2, 2-3 и А-В. Очевидно, что

hello_html_69e00da7.gif

Где hello_html_m64b98e17.gif, а hello_html_mb45cd32.gif. Для того, чтобы сравнить Q1 и Q, выразим ТА, ТВ, и ТС через Т1. По аналогии ЧС циклом 1-2-3-4 и с учетом того, что ТВ = Т2 = 4Т1 можно утверждать, что в цикле 1-С-В-А-1

hello_html_md0e41e5.gif

Подставив найденные значения температур в выражение для Q1,получим:

hello_html_1d346b95.gif

Учитывая, что hello_html_3bb8c687.gif, приходим к окончательному ответу hello_html_m2eb64961.gif

Рефлексия.

Для того, чтобы понять, продуктивен ли был урок для вас, вы можете ответить на вопросы, которые вы видите на экране…. Если большая часть ответов положительная, то значит наш урок прошел продуктивно, и на следующем уроке я жду вас в это же время для решения задач.

Подведение итогов урока.

Мы с вами сегодня изучили решали совместно задачи на первый закон термодинамики, а также освоили понятие теплового двигателя, разобрали второй закон термодинамики и понятие необратимости процессов. В начале урока вы ставили себе балл за каждый правильный ответ.

Если Вы получили сумму баллов «6» или меньше не отчаивайтесь, почитайте учебник, например Мякишев Г.Я., Синяков А.З. том «Молекулярная физика и термодинамика» стр. 158-161.

Домашнее задание

Для закрепления знаний вам необходимо выполнить следующие задания:

Задача 1

В вертикальном цилиндре под тяжелым поршнем находится кислород массы m=2 кг. Для повышения температуры кислорода на ∆Т=5 К ему было сообщено количество теплоты Q=9160 Дж. Найти удельную теплоемкость кислорода с, работу А, совершаемую им при расширении, и увеличение его внутренней энергии ∆U. Молярная масса кислорода М=0,032 кг/моль.

Задача 2.

Два одинаковых сосуда соединены трубкой, объемом которой можно пренебречь. Система наполнена газом и находится при температуре 300 К. Когда один из сосудов был нагрет, а другой оставлен при прежней температуре, давление в системе увеличилось в 1,5 раза. На сколько градусов был нагрет один из сосудов?

Задача 3.

Баллон емкостью 40 л содержит сжатый воздух под давлением 18 МПа при 270 С. Какой объем (в литрах) воды можно вытеснить из цистерны подводной лодки воздухом этого баллона, если лодка находится на глубине 20 м, где температура 70С? Атмосферное давление 0,1 МПа, g=10 м/с2.

f10_3_сохранение_энергии_тепловые_процессы

2013-2014 уч. год, №3, 10 кл. Физика.

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

в координатах p , V . Площадь заштрихованного прямоугольника численно равна p V2 V1 , т. е. работе, совершѐнной газом.

Если в тепловом процессе изменяется не только объѐм газа V , но и его давление p , то работу газа уже нельзя подсчитывать по фор-

муле A p V . В случае, когда процесс описывается зависимостью

p V , работу газа можно рассчитать, используя графический ме-

тод, суть которого состоит в следующем.

При незначительном изменении V объѐма газа его давление p

изменяется на очень малую величину, т. е. остаѐтся практически по-

стоянным. Поэтому элементарную (малую) работу

V , совершае-

мую газом, можно подсчитывать по формуле A p V .

p 1

 

p

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

pi

 

 

 

2

 

V

 

 

 

V

0

V1

V2

0

V1

V

V2

 

 

 

 

 

i

 

Пусть квазистатический процесс расширения газа из состояния 1 в состояние 2 изображается линией, соединяющей точки 1 и 2, как показано на рис. 3. Работа, совершѐнная газом в этом процессе, численно равна площади заштрихованной криволинейной трапеции

(фигура V112V2 ), ограниченной сверху графиком процесса, а снизу –

осью абсцисс (размерность этой «площади» – джоуль).

Докажем это, рассмотрев переход газа из состояния 1 в состояние 2 не по кривой, а по ломаной, состоящей из N отрезков изохор и изобар (рис. 4). Работа на i-ой изобаре (на рисунке i = 2) равна

Ai pi Vi . Суммируя площади под всеми изобарами, получим

площадь фигуры под ломаной, которую можно приближѐнно считать равной работе газа при расширении:

Эту работу можно вычислить поточнее, если увеличить число изобар и изохор ломаной (увеличить N и уменьшить Vi ). Пло-

щадь под ломаной при этом возрастѐт, так как к площади заштрихованной фигуры добавятся новые площади. Если число изобар и изохор устремить к бесконечности так, чтобы длина отрезков любой

2013, ЗФТШ МФТИ, Кузьмичѐв Сергей Дмитриевич

Силы трения и закон сохранения энергии — урок. Физика, 8 класс.

Присматриваясь к движению подпрыгивающего на земле мячика, можно обнаружить, что после каждого удара он поднимается на несколько меньшую высоту, чем раньше, то есть полная механическая энергия не остаётся постоянной, а понемногу убывает.

 

 

Причина заключается в возникновении сил трения: сопротивления воздуха, в котором движется мячик, и внутреннего трения в самом материале мячика и поверхности, на которой он подпрыгивает.

При наличии трения закон сохранения механической энергии всегда нарушается, и полная энергия тел уменьшается. За счёт этой убыли энергии и совершается работа против сил трения.

Пример:

При движении лодки, которую оттолкнули от берега пруда, потенциальная энергия лодки остаётся постоянной, но из-за сопротивления воды уменьшается скорость движения лодки, то есть её кинетическая энергия.

В природе все движения (за исключением движений в вакууме, например, движений небесных тел) сопровождаются трением. Поэтому при таких движениях закон сохранения механической энергии нарушается, и это нарушение происходит всегда в одну сторону — в сторону уменьшения полной механической энергии. Совершённая против сил трения работа не переходит полностью в кинетическую или потенциальную энергию тел. Из-за этого суммарная механическая энергия тел уменьшается.

Однако работа против сил трения не исчезает бесследно. Прежде всего, движение тел при наличии трения ведёт к их нагреванию. Например, первобытные люди добывали огонь быстрым трением сухих кусков дерева друг о друга.

 

 

Нагревание происходит также при совершении работы против сил внутреннего трения, например, при многократном изгибании проволоки.

Нагревание при движении, связанном с преодолением сил трения, часто бывает очень сильным. Так, при торможении гоночного автомобиля тормозные диски сильно нагреваются.

 

 

При спуске корабля со стапелей на воду для уменьшения трения стапеля обильно смазываются, и всё же нагревание так велико, что смазка дымится, а иногда даже загорается.

 

 

При движении тел в воздухе с небольшими скоростями, например, при движении брошенного камня, сопротивление воздуха невелико, на преодоление сил трения затрачивается небольшая работа, и камень практически не нагревается. Но быстро летящая пуля разогревается значительно сильнее.

Мелкие метеориты, влетающие с огромными скоростями (десятки километров в секунду) в атмосферу Земли, испытывают такую большую силу сопротивления среды, что полностью сгорают в атмосфере.

 

 

Нагревание в атмосфере искусственного спутника Земли, возвращающегося на Землю, так велико, что на нём приходится устанавливать специальную тепловую защиту.

 

 

Кроме нагревания, трущиеся тела могут испытывать и другие изменения. Например, они могут измельчаться, растираться в пыль, может происходить плавление, то есть переход тел из твёрдого в жидкое состояние: кусок льда может расплавиться в результате трения о другой кусок льда или о какое-либо иное тело.

Если движение тел связано с преодолением сил трения, то оно сопровождается двумя явлениями:
1. сумма кинетической и потенциальной энергий всех участвующих в движении тел уменьшается;
2. происходит изменение состояния тел, в частности может происходить нагревание.

Помимо потенциальной энергии тяготения и упругости и кинетической энергии тело обладает и энергией, зависящей от его состояния — внутренней энергией.

 

Обрати внимание!

Внутренняя энергия тела зависит от его температуры, от того, является ли тело твёрдым, жидким или газообразным, как велика его поверхность, является ли оно сплошным или мелко раздробленным и так далее. В частности, чем температура тела выше, тем больше его внутренняя энергия.

Хотя при движениях, связанных с преодолением сил трения, механическая энергия систем движущихся тел уменьшается, но зато возрастает их внутренняя энергия. Так, при торможении поезда уменьшение его кинетической энергии сопровождается увеличением внутренней энергии тормозных колодок, бандажей колёс, рельсов, окружающего воздуха и так далее в результате нагревания этих тел.

Это относится также и к тем случаям, когда силы трения возникают внутри тела, например, при разминании куска воска, при неупругом ударе свинцовых шаров, при перегибании куска проволоки.

 

Обрати внимание!

Силы трения занимают особое положение в вопросе о законе сохранения механической энергии.

Если сил трения нет, то закон сохранения механической энергии соблюдается: полная механическая энергия системы остаётся постоянной.

Если же действуют силы трения, то энергия уже не остаётся постоянной, а убывает при движении, но при этом всегда растёт внутренняя энергия.

С развитием физики обнаруживались всё новые виды энергии: световая энергия, энергия электромагнитных волн, химическая энергия, проявляющаяся при химических реакциях, ядерная энергия.

Оказалось, что совершаемая над телом работа равна сумме всех видов энергии тела; работа же, совершаемая некоторым телом над другими телами, равна убыли суммарной энергии данного тела.

Для всех видов энергии возможен переход энергии из одного вида в другой, переход энергии от одного тела к другому, но что при всех таких переходах общее — энергия всех видов остаётся всё время строго постоянной. В этом заключается всеобщность закона сохранения энергии.

Хотя общее количество энергии остаётся постоянным, количество полезной для нас энергии может уменьшаться и в действительности постоянно уменьшается. Переход энергии в другую форму может означать переход её в бесполезную для нас форму. В механике чаще всего это — нагревание окружающей среды, трущихся поверхностей и тому подобное. Такие потери не только невыгодны, но и вредно сказываются на самих механизмах.

Характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии, которая определяется отношением полезно использованной энергии Eпол к общему (суммарному) количеству энергии Eобщ, полученному системой, называется коэффициентом полезного действия (КПД) этой системы.

Обозначается КПД буквой η, измеряется чаще всего в процентах и, согласно определению, может быть найден по формуле:

 

η=EполEобщ⋅100%.

Закон сохранения энергии при тепловых процессах

План урока физики 8 класс.

Тема урока: Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах.

Школа: КГУ «Андреевская СШ».

Дата:15.09.15

ФИО учителя: Заляев И.И.

Класс: 8

Количество присутствующих: 6

Количество отсутствующих: 0

Цели обучения, которые необходимо достичь на данном уроке:

Научиться применять уравнение теплового баланса для вычисления температур тел при теплообмене.

Цели обучения

Все учащиеся смогут:

  • Знать уравнение закона сохранения энергии, понятие изолированной системы;

  • Объяснить явления тепловых процессов

Большинство учащихся будут уметь:

Некоторые учащиеся смогут

  • Сравнивать процессы в разных системах

  • Смоделировать и объяснить процесс в изолированной и неизолированной системе

Языковая цель

Учащиеся могут:

  • дать определение количества теплоты, температура, удельная теплоемкость, различать теплопередачу по ее видам.

Ключевые слова и фразы: Закон сохранения энергии, внутренняя энергия, работа, изолированная система.

Стиль языка, подходящий для диалога/письма в классе:научный

Вопросы для обсуждения:

Где быстрее закипит вода в закрытом или открытом сосуде?

Можете ли вы сказать, почему…?

Подсказки: испарение, количество теплоты.

Предыдущее обучение

Количество теплоты.

План

Планируемые сроки

Планируемые действия

Ресурсы

Начало урока

5 мин

Приветствие, разминка, деление на группы посредством расчета.

Видео танца

Середина урока

10 мин

10 мин

10 мин

5 мин

Изучение нового материала по плану:

Каждой группе на стол ставится лабораторный материал горелка, часы две колбы с водой одинаковой температуры одна колба с пробкой. Ученикам предлагается провести опыт с помощью часов определить в какой колбе вода закипит быстрее.

После опыта каждой команде предлагается время для осмысления. Дети при помощи учебника или интернета должны вывести понятие изолированная система, вывести формулу закона сохранения энергии.

Система называется изолированной, если теплообмен и совершаемая работа происходят только между телами данной системы.

E=w+u

Это соотношение называют законом сохранения энергии.

Дальше каждая группа готовит выступление на тему изолированная система и применение ее в жизни, закон сохранения энергии, применение закона сохранения энергии в жизни подкрепляя выступление решением задач. Изменяется ли потенциальная энергия медного шара, лежащего на горизонтально расположенной поверхности стола, если повы­сить его температуру?

Со дна водоема всплывает пузырек воздуха. Совершает ли воз­дух работу?

Выступления

Групповая работа.

Работа в парах,

Икт.

Дифференцированные задания.

По ходу выполнения и защиты выступлений провести формативное оценивание.

Домашнее задание:1. выучить определение изолированная система, и закон сохранения энергии.

2. решить задачу —     Стальной шарик равномерно падает в касторовом масле. Совер­шается ли при этом работа? Какие превращения энергии при этом происходят?

3. подготовить исследование « Докажите, что ветряные мельницы (двигатели) работают за счет энергии солнечных лучей.»

Выставление отметок.

Конец урока

5 мин

Рефлексия: анкета. Что мы знали? Что узнали? Что можем применить?

Дополнительная информация

Дифференциация. Как вы планируете поддерживать учащихся? Как вы планируете стимулировать способных учащихся?

Оценивание. Как вы планируете увидеть приобретенные знания учащихся?

Межпредметные связи, соблюдение СанПиН, ИКТ компетентность, связи с ценностями

Формативным оцениванием, исследованием.

Разноуровневые задания.

При выступлении учащихся и по мере их ответов на вопросы, при выполнении домашнего задания.

География, химия

Рефлексия. Были ли цели обучения реалистичными? Что учащиеся сегодня изучили? На что было направлено обучение? Хорошо ли сработала запланированная дифференциация? Выдерживалось ли время обучения? Какие изменения из данного плана я реализовал и почему?

Данная цель обучения была вполне реалистична и достижима, групповая работа была поставлена правильно, каждая группа, выполняла исследование по трем разным вопросам по ходу выступлений у учеников выстраивалась данная тема. Как бы конструктор из трех разных частей. По ходу урока проводилось формативное оценивание и в конце урока суммативное.

В данном уроке прослеживались следующие модули Новые подходы в преподавании и обучении, обучение критическому мышлению, оценивание обучения и оценивание для обучения, обучение талантливых и одаренных, управление и лидерство, ИКТ.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о