План-конспект по физике в 10 классе

Тема: Первый закон термодинамики

Цель: сформулировать 1 закон термодинамики.

Ход урока.

I. Повторение изученного

1. Как можно преобразовать хаотичное движение молекул газа в направленное движение макроскопического тела?

2. От каких величин зависит работа, совершаемая силой давления газа?

3. Какую по знаку работу совершает газ при расширении и при сжатии?

4. Какой геометрический смысл имеет работа?

5. Газ, занимающий объем V₁ и имеющий давление р, расширяется до объема один раз изобарно, другой - изометрически. В каком случае работа расширения газа больше? Докажите ответ графически.

II. Лабораторная работа «Вычисления изменения внутренней энергии тела при совершении работы».

Приборы и материалы: 1) пробирка химическая, закрытая пробкой; 2) термометр лабораторный от 0 до 100⁰С; 3) цилиндр измерительный с носиком 100мм с холодной водой; 4) лист бумаги; 5) таблица «Удельная теплоемкость веществ».

Порядок выполнения работы.

1. Налейте в пробирку немного воды (8-10 г) и измерьте ее температуру.

2. Закройте пробирку пробкой и заверните в бумагу. Энергично встряхивайте воду в пробирке в течении 30-40с.

3. Откройте пробирку и снова измерьте температуру воды.

4. Вычислите изменение внутренней энергий воды.

5. Результаты измерений и вычислений запишите в тетради

6. Ответьте на вопросы:

-Как изменялась внутренняя энергия воды во время опыта?

-Каким способом вы изменяли внутреннюю энергию воды в опыте?

-Зачем пробирку с водой необходимо было заворачивать в бумагу во время опыта?

-Что можно сказать о зависимости изменения внутренней энергий тела от совершенной работы?

III. Изучение нового материала

Исторический процесс изучения тепловых явлений, приведший к формулировки закона сохранения энергий, был длительный и трудный. Различны были методы исследования тепловых и механических явлений, способы измерения единиц таких величин, как количество теплоты и работа.

Прогресс познания природы теплоты был достигнут, когда было доказано, что при теплообмене сохраняется энергия.

Нагревание тела может происходить без сообщения ему какого-либо количества теплоты, а только за счет совершения работы.

В больших масштабах такое явление наблюдал в 1798 г. Б. Румфорд. При совершении пушечного ствола, которое производили с помощью лошадей, вращавших большое сверло, Румфорд успевал вскипятить поставленный на ствол котел с водой. Румфорд предложил, что вода нагревается в процессе совершаемой при сверлении работы.

Используя сухие кусочки дерева, можно добыть огонь, т. е. Нагреть дерево до температуры, превышающей температуру его воспламенения.

Все перечисленные примеры показали, что количество теплоты сохраняется только при теплообмене, когда не совершается работа. Количество теплоты представляет собой величину, родственную работе. Повышение температуры тела может быть вызвано как совершением работы, так и передачей количества теплоты.

Количество теплоты, как и работу, надо считать мерой изменения энергии системы и выражать ее в тех же единицах, что и работу, т. е. в джоулях.

В середине в, Д. Джоулем были проведены первые опыты, доказывающие эквивалентность количества теплоты, переданного телу, и работы.

В механике закон сохранения был получен из законов Ньютона. Общий закон сохранения энергии, включающий все ее формы, является опытным законом. Он был открыт немецким ученым Р. Майером в середине века, английским ученым Д. Джоулем и получил наиболее полную трактовку в трудах немецкого ученого Г. Гельмгольца.

Название процесса

График

Запись закона

Изменение внутренней энергии

Физический смысл записи 1 закона термодинамики

Изохорный

V=const

Нагревание

Q>0.A=0

Р,Па

ΔU= Q

ΔU>0

Внутренняя энергия газа увеличивается за счет подводимого тепла

Охлаждение

Q<0.A>0

Р,Па

ΔU=- Q

ΔU<0

Внутренняя энергия газа уменьшается за счет того, что газ отдает тепло окружающей среде

Изотермический

T= const

Расширение

A_r>0. Q>0

Р,Па

Q=A_r

ΔU=0

Все переданное газу идет на совершение им же работы

Сжатие

A_r<0.Q<0

Р,Па

А_вн.с=- Q

ΔU=0

При совершении работы внешними силами газ отдает тепло окружающей среде

Изобарный

P= const

Нагревание

(расширение)

A_r>0. Q>0

Р,Па

Q=ΔU+ A_r

ΔU>0

Подводимое к газу тепло идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение газом работы

Охлаждение

(сжатие)

A_r<0.Q<0

Р,Па

ΔU=-A_r- Q

ΔU<0

Внутренняя энергия уменьшается за счет того, что над газом совершается работа и газ отдает тепло окружающей среде..

Адиабатный

Q=0

расширение

A_r>0

Р,Па

ΔU==-A_r

ΔU<0

Внутренняя энергия газа уменьшается за счет того, что сам газ совершает работу. Газ охлаждается.

Сжатие

A_r<0

Р,Па

ΔU= А_вн.с

ΔU>0

I закон термодинамики.

ΔU=А+ Q

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданное системе.

Q= ΔU+А

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

Применение I закона для изопроцессов (см таблицу).

IV. Повторение изученного.

1. Как формулируют закон сохранения энергии?

2. В чем состоит эквивалентность количества теплоты, механической работы, затраченной энергии?

3. Что называют первым законом термодинамики? Как записывают и формулируют этот закон?

4. Как записывается первый закон термодинамики для изотермического, изохорного, изобарного и адиабатного процессов?

5. Какой процесс называют адиабатным? При каких условиях он осуществляется?

V. Решение задач.

1. При изотермическом расширении идеальным газом совершена работа 15 кДЖ. Какое

количество теплоты сообщено газу?

Дано: Решение:

А=15кДж=1,5*10⁴Дж При изотермическом процессе (Т= const) внутренняя

энергия газа

Т= const не меняется, то есть ΔU=0. Тогда газ совершает

механическую

работу за счет сообщенного ему количества теплоты: Q=А.

Найти: Q-?

Таким образом, газу сообщено количество теплоты, равное Q=1,5*10⁴Дж=15кДж.

(Ответ: Q=15кДж)

2. В закрытом баллоне находится газ, При охлаждении его внутренняя энергия уменьшилась на 500 кДж. Какое количество теплоты отдал газ? Совершил ли он работу?

Дано: Решение:

ΔU=-500Дж. Газ находится в закрытом баллоне, следовательно, объем

газа не

Меняется, то есть V=const и ΔU=0.

Найти: Q-? А-?

Газ работу не совершает, т. к. А=Р ΔU=>А=0.

Тогда при изменении внутренней энергии газ отдает количество теплоты, равное Q=-500Дж

(знак «-» показывает, что газ выделяет количество теплоты).

(Ответ: Q=-500Дж; А=0)