Тема урока: Повторение темы «Термодинамика». "применение первого закона термодинамики к изопроцессам в газах" Подготовка к работе в группах

Махметова Г.К.

Учитель физики и математики ШЛ №60

Урок в 10 классе

Решение задач по теме «Применение первого закона термодинамики к изопроцессам».

Цель урока:

систематизировать знания по теме «Первый закон термодинамики и применение его к изопроцессам».

Задачи урока:

образовательные: организовать деятельность учащихся по повторению темы « Первый закон термодинамики и применение его к изопроцессам», провести тренировку практических навыков через организацию дидактической игры.

обеспечить в ходе урока повторение 1-го закона термодинамики, применение его к изопроцессам (формулы, вывод); уравнение состояния идеального газа; уравнение Клапейрона; графики изопроцессов; формулу работы газа и его связь с работой внешних сил; формировать умения по решению задач на применение 1-го закона термодинамики к изопроцессам;

воспитательные: содействовать в ходе урока формированию мировоззренческих идей, воспитанию гражданственности, инициативности, трудолюбия;

развивающие: содействовать формированию научного мировоззрения, развитию исследовательских навыков, умения аргументировать, классифицировать, развивать устойчивый интерес к предмету физики; физическую речь; умение обосновывать, доказывать, делать выводы; самостоятельно систематизировать учебный материал и готовиться к проверке знаний, содействовать развитию внимательности, творческих способностей.

Тип урока: закрепление темы.

Форма проведения урока: Практикум по решению задач.

Ожидаемый результат:

уметь применять 1-й закон термодинамики к различным изопроцессам;

уметь вычислять работу газа при решении графических задач.

Оборудование:

интерактивная доска

карточки «Программируемый контроль»

карточки «Контрольный тест»

презентация РР

карточки-инструкции «Методика ВОЗ»;

карточки (1-25 задач) для КСО.

Ход урока

1 урок

Орг.момент. Время: 3 мин.

Входной тест. Программированное задание. Время: 7 мин.

Решение задач по методике ВОЗ. Время: 30 мин.

Подведение итогов. Время: 3-5 мин.

2 урок

Выходной тест. Время: 25 мин.

Самопроверка. Время: 3 мин.

Рефлексивно-оценочный этап. Заполнение карточки учета знаний. Время: 5 мин.

Домашнее задание. Рассказ по плану «Физический закон» на 2-й закон термодинамики; сообщение «Тепловые двигатели и охрана окружающей среды» . Время: 3 мин.

Подведение итогов урока. Время: 3 мин.

1. Вводно-мотивационный этап. Время: 10 мин.

дисциплина

приветствие

Цели урока (формулируют учащиеся, по желанию)

Актуализация опорных знаний: повторение изопроцессов, 1-го закона термодинамики и применение его к изопроцессам.

Программируемый контроль по теме «Изопроцессы. Уравнения состояния идеального газа».

Время выполнения: 7 мин.

Самопроверка. Время: 1 мин.

1 вариант 2 вариант

Микровывод (делают учащиеся), время: 1 мин.

2. Операционально-деятельностный этап. Время: 30 мин

Решение задач (КСО)

Карточка-инструкция: Методика ВОЗ

В режиме ИМД (индивидуально-мыслительная деятельность) выполняется задание 1,2 на одну тему, правило, закон. Их различие только в фактаже (числовые данные);

Оценка выполненной работы учителем или сильным учеником;

Взаимообучение: в чужой тетради пишу свое задание № 1, объясняя вслух его выполнение, отвечаю на вопросы того, кому объясняю;

Возвращаю тетрадь и принимаю экзамен т.е. смотрю, слушаю выполнение задания № 2 и т.п..;

Меняемся ролями, т.е. он в моей тетради пишет, объясняет свое задание и т.п.;

Взяв задание другого человека (обменялись карточками) перехожу в пару сменного состава и все повторяется сначала.

3. Выходной контрольный тест «Применение 1-го закона термодинамики к изопроцессам»

Время выполнения: 25 мин.

Контрольный тест (выходной)

Термодинамика / Внутренняя энергия идеального газа. 1 закон термодинамики и его применение к изопроцессам. Адиабатный процесс.

Вариант 1

1. Внутренняя энергия идеального газа зависит

А) от массы газа и давления.

В) от давления газа.

С) от массы газа.

D ) от объема газа.

E ) от температуры газа.

2. Формула для рассчета внутренней энергии идеального одноатомного газа

А) .

В) .

С)
.

D )
.

E ) .

3. При протекании изотермического процесса величиной, равной нулю, является

А) А´.

В) А.

С) ΔU .

D ) Q .

E ) PV .

4. При постоянном давлении 10 5 Па газ совершил работу 10 4 Дж. Объем газа при этом

А) увеличился на 1 м 3 .

В) увеличился на 10 м 3 .

С) увеличился на 0,1 м 3 .

D ) уменьшился на 0,1 м 3 .

E ) уменьшился на 10 м 3 .

5. При протекании изохорного процесса величиной, равной нулю, является

А) ΔU .

В) PV .

С) А.

D ) Q .

E ) U .

6. Дана P -V диаграмма цикла изменения состояния идеального газа. Площадь фигуры KLMN на этой диаграмме соответствует

А) работе газа в процессе расширения газа.

В) количеству теплоты, отданному газом холодильнику.

С) изменению внутренней энергии газа за цикл.

D ) работе газа за цикл.

E ) работе внешних сил при сжатии газа.

7. При постоянном давлении р объем газа увеличился на Δ V . Величина, равная произведению р ·Δ V в этом случае называется

А) работа, совершенная над газом внешними силами.

В) внутренняя энергия газа.

С) количество теплоты, полученное газом.

D ) работа, совершенная газом.

E ) количество теплоты, отданное газом.

8. Идеальный газ переходит из состояния 1 в состояние 2 в процессе, представленном на диаграмме p – V . В этом процессе

А) газ совершил работу 400 Дж.

В) работа равна нулю.

С) газ совершил работу 200 Дж.

D ) внешние силы совершили работу над газом 200 Дж.

E ) внешние силы совершили работу над газом 400 Дж.

9. Работа при адиабатном расширении идеального газа совершается за счет

А) уменьшения внутренней энергии газа.

В) полученного количества теплоты.

С) изменения давления.

D ) отданного количества теплоты.

E ) увеличения внутренней энергии газа.

10. При протекании адиабатного процесса величиной, равной нулю, является

А) А".

В) Q .

С) А.

D ) U .

E ) Δ U .

11. При изотермическом расширении идеальному газу сообщили 10 Дж тепла. Работа газа равна

А) 2,5 Дж.

В) 10 Дж.

С) 7,5 Дж.

D ) -10 Дж.

E ) 5 Дж.

12. При передаче газу количества теплоты 2 · 10 4 Дж он совершил работу, равную 5 · 10 4 Дж. Тогда изменение внутренней энергии

А )5 · 10 4 Дж.

В )- 3 · 10 4 Дж.

С ) 7 · 10 4 Дж.

D ) -2 · 10 4 Дж.

E ) 3 · 10 4 Дж.

13. Если изменение внутренней энергии составило 20 кДж, а работа, совершенная газом против внешних сил, равна 12 кДж, то газу было передано количество теплоты

А) 20 кДж.

В) 10 кДж.

С) 6 кДж.

D ) 12 кДж.

E ) 32 кДж.

14. При изотермическом процессе газу передано количество теплоты 2 · 10 8 Дж. Изменение внутренней энергии газа равно

А) 6 · 10 8 Дж.

В) 10 8 Дж.

С) 0.

D ) 4 · 10 8 Дж.

E ) 2 · 10 8 Дж.

15. Формула первого закона термодинамики для изотермического процесса (А – работа газа, А´ - работа внешних сил)

А) Q = А.

В) ΔU = Q .

С) Δ U = А" + Q .

D ) ΔU = А + А".

E ) Δ U = А´.

Вариант 2

1. Внутренняя энергия идеального газа зависит от

А) температуры и скорости движения идеального газа.

В) температуры газа и расстояния от сосуда с газом до поверхности Земли.

С) скорости движения идеального газа.

D ) температуры и объема газа.

E ) температуры идеального газа.

2. Внутренняя энергия идеального газа при повышении его температуры

А) остается постоянной.

В) увеличивается.

С) увеличивается или уменьшается в зависимости от объема.

D ) увеличивается или уменьшается в зависимости от давления.

E ) уменьшается.

3. При постоянном давлении 10 5 Па объем воздуха в цилиндре с поршнем увеличился на 2 дм 3 . Работа, которую совершил газ

А) 2 · 10 3 Дж.

В) 2 · 10 5 Дж.

С) 5 · 10 3 Дж.

D ) 2 · 10 2 Дж.

E ) 2 · 10 6 Дж.

4. Формула для определения работы в термодинамике

А)
.

В)
.

С)
.

D )
.

E )
.

5. Процесс, в котором газ не совершает работу

А) изобарный.

В) изотермический.

С) адиабатный.

D ) изохорный.

E ) кипение.

6. Первый закон термодинамики был открыт на основе

А ) второго закона Ньютона.

В ) первого закона Ньютона.

С ) закона сохранения энергии.

D ) закона сохранения импульса.

E ) закона взаимосвязи массы и энергии.

7. Формула первого закона термодинамики для изохорного процесса (А – работа газа, А´ - работа внешних сил)

А) А = - ΔU

В) Q = ΔU + А".

С) Q = 0.

D ) Q = ΔU

E ) Q = А.

8. Если изменение внутренней энергии системы составило 500 Дж при передаче ей количества теплоты 400 Дж, то работа внешних сил над термодинамической системой

А)
Дж.

В) –100 Дж.

С) –900 Дж.

D ) 900 Дж.

E ) 100 Дж.

9. Формула первого закона термодинамики для адиабатного процесса (А – работа газа, А´ - работа внешних сил)

А) А = - ΔU

В) Q = А.

С) Q = 0.

D ) Q = ΔU

E ) Q = ΔU + А".

10. Соотношение между отдаваемым количеством теплоты Q и работой А, совершаемой над идеальным газом при изотермическом процессе, имеет вид

А) Q = -А.

В) Q = 0; А < 0.

С) Q < А.

D ) Q > А.

E ) Q = 0; А > 0.

11. Адиабатный процесс – процесс при котором система

А ) остается неизменной.

В ) принимает температуру окружающей среды.

С ) получает тепло.

D ) отдает тепло.

E ) не получает и не отдает тепло.

12. Над телом совершена работа А внешними силами и телу передано количество теплоты Q . Изменение внутренней энергии Δ U тела равно

А) Δ U = А + Q .

В) Δ U = Q - А.

С) Δ U = А.

D ) Δ U = А - Q .

E ) Δ U = Q .

13. При адиабатном расширении газа выполняется условие (А – работа газа, А" – работа внешних сил)

А) А = 0.

В) Q = 0.

С) Q = А".

D ) А" = 0

E ) Q = -А.

14. Идеальный газ совершил работу 8 Дж и получил количество теплоты 5 Дж. Внутренняя энергия газа

А) увеличилась на 13 Дж.

В) уменьшилась на 3 Дж.

С) увеличилась на 3 Дж.

D ) уменьшилась на 13 Дж.

E) не изменилась.

15. В некотором процессе газ совершил работу, равную 2 МДж, а его внутренняя энергия по сравнению с первоначальным состоянием уменьшилась на 3 МДж. При этом газ передал в окружающую среду количество теплоты, равное

А ) 1 МДж.

В ) 2 МДж.

С ) 4 МДж.

D ) 3 МДж.

E ) 5 МДж.

Взаимопроверка. Время: 3 мин.

Соседи обменялись листочками с ответами и по коду проверили друг друга

Вариант 1

Вариант 2

Критерии оценивания:

«5» - 14-15 баллов;

«4» - 12-13 баллов;

«3» - 9-11 баллов;

«2» - 8 и меньше баллов

Рефлексия

Достигли ли вы поставленной цели на уроке?

Выставьте себе баллы:

5 баллов – все понял и могу объяснить другому;

4 балла – все понял, но объяснить не берусь;

1-3 балла – для полного понимания надо повторить;

0 баллов – я ничего не понял.

Домашнее задание.

Рассказ по плану «Физический закон» на второй закон термодинамики;

Сообщения по темам: «Тепловые двигатели и охрана окружающей среды», «Вечные двигатели»;

Зачет «Термодинамика».

углубить знания об изопроцессах,

отработать навыки решения задач по данной теме,

развивать коммуникативные умения, навыки,

учить самооценке.

Ход урока.

Подготовка к работе в группах.

Работа с классом (устно).

Что называется внутренней энергией?

Как можно изменить внутреннюю энергию газа?

Как определить количество теплоты, необходимое для нагревания тела?

Написать уравнение теплового баланса для трех тел.

Когда количество теплоты отрицательно?

Как определить работу газа при расширении?

Чем отличается работа газа от работы внешних сил?

Сформулировать первый закон термодинамики для работы внешних сил.

Сформулировать первый закон термодинамики для работы газа.

Применение первого закона термодинамики к изохорному процессу.

Применение первого закона термодинамики к изобарному процессу.

Применение первого закона термодинамики к изотермическому процессу.

Какой процесс называется адиабатным?

Применение первого закона термодинамики к адиабатному процессу.

Работа в группах.

Каждая группа получает лист, на котором указаны теоретические задания и задачи. Теоретическая часть содержит пять вопросов. Группа берет для подготовки к ответу вопрос, соответствующий ее номеру. В практической части содержится десять задач по две на каждую из указанных тем в теории. Задачи расположены беспорядочно. Это означает, что учащиеся должны сначала найти задачи, соответствующие их теоретическому вопросу, затем решить. Дополнительные данные для решения задач берутся из справочников.

После окончания работы групп вызываются по два ученика по очереди от каждой группы: один отвечает теорию, другой пишет краткое условие одной задачи на доске. (Другая задача этой группы может быть проверена выборочно на этом же уроке или на следующем.) Отвечать теорию и объяснять задачи должны уметь все члены группы; поощряется использование дополнительного материала в теоретической части.

Задачи в тетрадях пишут все ученики.

Четкая организация работы приводит к активной деятельности всех ребят. Координаторы групп в конце урока сдают листы, на которых отмечают вклад членов группы в ее работу.

Деятельность групп и отдельных учеников окончательно оценивает учитель.

Образец листа.

Теоретическая часть

1. Изохорный процесс.
2. Изотермический процесс.
3. Изобарный процесс.
4. Адиабатный процесс.
5. Теплообмен в замкнутой системе.

Практическая часть

1. В цилиндре под поршнем находится 1.25 кг воздуха. Для его нагревания на 4 0 С при постоянном давлении было затрачено 5 кДж теплоты. Определите изменение внутренней энергии газа.
2. 0,02 кг углекислого газа нагревают при постоянном объеме. Определите изменение внутренней энергии газа при нагревании от 20 0 С до 108 0 С (с = 655 Дж/(кг К)).
3. В теплоизолированном цилиндре с поршнем находится азот массой 0,3 кг при температуре 20 0 С. Азот, расширяясь, совершает работу 6705 Дж. Определите изменение внутренней энергии азота и его температуру после расширения (с = 745 Дж/(кг К)).
4. Газу сообщают количество теплоты, в результате чего он изотермически расширяется от объема 2 л до объема 12 л. Начальное давление равно 1,2 10 6 Па. Определите работу, совершенную газом.
5. В стеклянную колбу массой 50 г, где находилось 185 г воды при 20 0 С, вылили некоторое количество ртути при 100 0 С, и температура воды в колбе повысилась до 22 0 С. Определите массу ртути.
6. 1,43 кг воздуха занимают при 0 0 С объем 0,5м 3 . Воздуху сообщили некоторое количество теплоты и он изобарно расширился до объема 0,55м 3 . Найти совершенную работу, количество поглощенного тепла, изменения температуры и внутренней энергии воздуха.
7. В цилиндре под поршнем находится 1,5 кг кислорода. Поршень неподвижен. Какое количество теплоты необходимо сообщить газу, чтобы его температура повысилась на 8 0 С? Чему равно изменение внутренней энергии? (с v = 675 Дж/(кг К))
8. В цилиндре под поршнем находится 1,6 кг кислорода при температуре 17 0 С и давлении 4·10 5 Па. Газ совершил работу при изотермическом расширении 20Дж. Какое количество теплоты сообщено газу? Чему равно изменение внутренней энергии газа? Каков был первоначальный объем газа?
9. Сколько теплоты выделится при конденсации 0,2 кг водяного пара, имеющего температуру 100 0 С, и при охлаждении полученной из него воды до 20 0 С?
10. Цилиндр с газом помещен в теплонепроницаемую оболочку. Как будет изменяться температура газа, если постепенно увеличивать объем цилиндра? Чему равно изменение внутренней энергии газа, если будет совершена работа над газом 6000 Дж?

Тема урока: Применение первого закона термодинамики.

Цель урока: Рассмотреть изопроцессы с новой энергетической точки зрения.

Задачи урока:

• 
  Установить связь между изменением внутренней энергией системы, работой и количеством теплоты, сообщённым к изопроцессам в газах;
• 
  Рассмотреть адиабатический процесс и примеры адиабатных процессов в технике и природе;
• 
  Выработка навыков и умений решения типовых задач по теме.

Ход урока.

1. 
   Домашнее задание §81, 80 упр.15(9-12).

1. 
   Актуализация знаний:

Учитель	Ученик
1. Какую тему мы с вами изучаем?	Термодинамика.
2. Чему новому научились?	Рассчитывать внутреннюю энергию для одноатомного, двухатомного и многоатомного газа, и работу в термодинамике: ∆U=3mR∆T/2M; ∆U=5mR∆T/2M; ∆U=6νR∆T. А = р·(V 2 - V 1); А = р·∆V; А = νR∆T A= νRTln(V 2 /V 1)
3. Дать понятие внутренней энергии.	Внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения молекул (или атомов) тела и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом (но не с молекулами других тел).
4. Сформулировать закон сохранения энергии.	Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: Количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.
5. Сформулировать первый закон термодинамики для внешних сил.	Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе: ∆U = А + Q
6. Сформулировать первый закон термодинамики, когда система совершает работу сама.	Количество теплоты, переданное системе, идёт на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами: Q = ∆U + А ´
7. Вспомним, какими макроскопическими параметрами характеризуется?	V - объём P - давление Т - температура
8. Каким уравнением связаны все макроскопические параметры?	Уравнением Менделеева – Клапейрона p·V = νRT
9. Какие газовые законы можно вывести из этого уравнения?	Т - const изотермический V – const изохорный P – const изобарный

1. 
   Изучение нового материала.

Мы с вами рассмотрели изопроцессы, когда один из макроскопических параметра остаётся постоянным, а два других менялись. Сегодня мы с вами рассмотрим эти газовые законы с энергетической точки зрения и введём понятие нового адиабатического процесса.

Заполняем таблицу, которую мы приготовили к сегодняшнему уроку.

1. 
   Название процесса
2. 
   График процесса
3. 
   Математическая запись закона
4. 
   Изменение внутренней энергии
5. 
   Физический смысл записи первого закона термодинамики

Учитель	Ученик
С каким изотермическим процессом мы познакомились первым, что остаётся постоянным?	Изотермическим, температура – не меняется.
Что не будет меняться кроме температуры, как вы думаете? Смотрим на доску?	Внутренняя энергия.
Что представляет график изотермического процесса?	Гипербола.
Изотермическое расширение, куда направлена гипербола? Изотермическое сжатие, какие силы будут совершать работу, куда будет направлена изотерма, что будет происходить с объёмом?	Изотерма направлена будет с верху вниз. Внешние силы будут совершать работу, Изотерма будет направлена вверх, объём будет уменьшаться.
Как запишется математически первый закон термодинамики?	Q = A ´
Попробуем сформулировать этот закон.	Всё переданное газу тепло идёт на совершение им же работы.
Правильно смотрим на экран, аккуратно быстро делаем запись в тетради, но только для расширения, а для сжатия заполним дома самостоятельно.
Закон Шарля, для какого процесса? Какой макроскопический параметр не меняется?	Для изохорного. V - объём
Как будет изображаться график в осях P(V) Изохорного нагревания? Изохорного охлаждения?	Прямая линия направленная вверх. Прямая линия направленная вниз.
Что можно сказать об энергии? О работе газа? Смотрим на доску. Молодцы.	Изменяется. Работа не совершается, потому что объём не меняется.
Как математически будет записываться I закон термодинамики? Хорошо! Смотрим на экран, заполняем для изохорного нагревания, а для охлаждения заполняем дома.	∆U = Q Внутренняя энергия газа увеличивается за счёт подводимого тепла.
Для какого процесса нам надо связь межу изменением внутренней энергией, работой и количеством теплоты? Что можно сказать о математической записи этого закона? Смотрим на экран, заполняем для изобарного нагревания, для охлаждения заполним дома.	Для изобарного. Запись не изменится.
В природе и технике приходится иметь дело с процессами, при отсутствии теплообмена с окружающими средой. Процесс изменения объёма и давления газа при отсутствии теплообмена с окружающей средой называется адиабатным. Раз нет теплообмена, не получает система?	Количество теплоты Q = 0
Молодцы! Математически как запишем закон, если система сама совершает работу?	∆U = - A´ Внутренняя энергия газа уменьшается за счёт того, что сам газ совершает работу. Газ охлаждается.

Как будет читаться первый закон термодинамики, если работу будут совершать внешние силы.	Внутренняя энергия газа увеличивается за счёт того, что над газом совершают работу. Газ нагревается. ∆U = A
Смотрим таблицу, как выглядит адиабата, она изображается круче изотермы. Где мы встречаемся с адиабатным процессом? Читаем первый ряд стр.208 2 абзац снизу Второй ряд стр.208 1 абзац снизу Третий ряд стр.209 1 абзац сверху	В Дизелях В машинах для сжижения газов Образование облаков.
Подведем итог, что мы должны усвоить? Читаем в конце §80 стр. 209 последний абзац, между черточками.

Молодцы! Закрепляем, а точнее Вырабатываем навыки и умения решения типовых задач

Воспитательная цель: добиться усвоения учащимися закона сохранения и превращения энергии для тепловых процессов - первого закона термодинамики; показать практическую значимость закона

Основные знания и умения: знать формулировку закона, определение адиабатного процесса и уметь интерпретировать природные явления на основе законов термодинамики

Оргмомент (сообщить план урока) СЛАЙД 1
Повторение изученного материала: дать названия различным процессам на графике, выбрать формулы для каждого участка, ответить на вопросы СЛАЙДЫ 2 - 4

1. Почему на двух участках не меняется температура?

2. Что происходит с молекулами на каждом участке?

3. В каких случаях Q>0 и Q<0?

4. В каком состоянии находится вещество на этих участках?

5. Дать определение изопроцессам.

6. Что называется внутренней энергией и от чего она зависит?

7. В каком случае газ совершает работу? От чего зависит знак работы?

8. Что называется количеством теплоты?

9. Какие формулы мы применяем при расчете количества теплоты?

3. Решение задач. Пока производится устный опрос, остальные учащиеся решают задачи на

расчет количества теплоты по вариантам СЛАЙД 5

Проверка решения задач
Повторение: способы изменения внутренней энергии
Повторение: закон сохранения энергии и примеры его проявления в природе
Первый закон термодинамики: определение и формула (записать)
Первый закон термодинамики для изохорного процесса (записать)
Первый закон термодинамики для изотермического процесса (записать)
Первый закон термодинамики для изобарного процесса (записать)
Адиабатный процесс (записать). Рассмотреть примеры
Уравнение теплового баланса (записать)
Образец решение задачи на уравнение теплового баланса (записать)
Итоги урока:

1. Формулировкапервого закона

2. Как изменяется уравнение для разных процессов?

3. Какой процесс называется адиабатным?

4. Примеры адиабатных процессов?

5. Почему охлаждается атмосфера при удалении от поверхности Земли?

15. Домашнее задание:

Знать формулировки закона

Первый закон термодинамики

На рис. 3.9.1 условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную работу над окружающими телами.

Рисунок 3.9.1.

Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы.

Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.

Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:

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

Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней энергии.

Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.

В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0. Следовательно,

Q = ΔU = U(T2) - U(T1).

Здесь U(T1) и U(T2) - внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).
В изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается соотношением

A = p(V2 - V1) = pΔV.

Первый закон термодинамики для изобарного процесса дает:

Q = U(T2) - U(T1) + p(V2 - V1) = ΔU + pΔV.

При изобарном расширении Q > 0 - тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 - тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.
В изотермическом процессе температура газа не изменяется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU = 0.

Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением

Количество теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического расширения, превращается в работу над внешними телами. При изотермическом сжатии работа внешних сил, произведенная над газом, превращается в тепло, которое передается окружающим телам.

Наряду с изохорным, изобарным и изотермическим процессами в термодинамике часто рассматриваются процессы, протекающие в отсутствие теплообмена с окружающими телами. Сосуды с теплонепроницаемыми стенками называются адиабатическими оболочками, а процессы расширения или сжатия газа в таких сосудах называются адиабатическими.

Модель. Адиабатический процесс.

В адиабатическом процессе Q = 0; поэтому первый закон термодинамики принимает вид

т. е. газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии.

На плоскости (p, V) процесс адиабатического расширения (или сжатия) газа изображается кривой, которая называется адиабатой. При адиабатическом расширении газ совершает положительную работу (A > 0); поэтому его внутренняя энергия уменьшается (ΔU < 0). Это приводит к понижению температуры газа. Вследствие этого давление газа при адиабатическом расширении убывает быстрее, чем при изотермическом расширении (рис. 3.9.2).

Рисунок 3.9.2.

Семейства изотерм (красные кривые) и адиабат (синие кривые) идеального газа.

В термодинамике выводится уравнение адиабатического процесса для идеального газа. В координатах (p, V) это уравнение имеет вид

Это соотношение называют уравнением Пуассона. Здесь γ = Cp / CV - показатель адиабаты, Cp и CV - теплоемкости газа в процессах с постоянным давлением и с постоянным объемом (см. §3.10). Для одноатомного газа для двухатомного для многоатомного

Работа газа в адиабатическом процессе просто выражается через температуры T1 и T2 начального и конечного состояний:

A = CV(T2 - T1).

Адиабатический процесс также можно отнести к изопроцессам. В термодинамике важную роль играет физическая величина, которая называется энтропией (см. §3.12). Изменение энтропии в каком-либо квазистатическом процессе равно приведенному теплу ΔQ / T, полученному системой. Поскольку на любом участке адиабатического процесса ΔQ = 0, энтропия в этом процессе остается неизменной.

Адиабатический процесс (так же, как и другие изопроцессы) является процессом квазистатическим. Все промежуточные состояния газа в этом процессе близки к состояниям термодинамического равновесия (см. §3.3). Любая точка на адиабате описывает равновесное состояние.

Не всякий процесс, проведенный в адиабатической оболочке, т. е. без теплообмена с окружающими телами, удовлетворяет этому условию. Примером неквазистатического процесса, в котором промежуточные состояния неравновесны, может служить расширение газа в пустоту. На рис. 3.9.3 изображена жесткая адиабатическая оболочка, состоящая из двух сообщающихся сосудов, разделенных вентилем K. В первоначальном состоянии газ заполняет один из сосудов, а в другом сосуде - вакуум. После открытия вентиля газ расширяется, заполняет оба сосуда, и устанавливается новое равновесное состояние. В этом процессе Q = 0, т.к. нет теплообмена с окружающими телами, и A = 0, т.к. оболочка недеформируема. Из первого закона термодинамики следует: ΔU = 0, т. е. внутренняя энергия газа осталась неизменной. Так как внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, температуры газа в начальном и конечном состояниях одинаковы - точки на плоскости (p, V, изображающие эти состояния, лежат на одной изотерме. Все промежуточные состояния газа неравновесны и их нельзя изобразить на диаграмме.

Обобщающий урок по теме «термодинамика» Ум заключается не только в знании, но и умении прилагать знание на деле. Аристотель Цель урока: повторить основные понятия темы «Термодинамика», продолжить формирование умений описывать термодинамические процессы физическими величинами и законами, раскрыть роль и значение тепловых двигателей в современной цивилизации, уделить внимание контролю знаний учащихся. Ход урока: 1)Фронтальный опрос; 2)Выполнение заданий на соответствия; 3)кроссворд; 4)Решение задач; 5)Тест 6)Итог урока, д/з 1. Что такое внутренняя энергия тела? Ответ: Внутренняя энергия тела U - это физическая величина, равная сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул тела и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом. 2. По какой основной формуле мы можем рассчитать внутреннюю энергию идеального одноатомного газа? Ответ: U 3 m 2 M RT внутренняя энергия одноатомного идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре. 3. Если газ не одноатомный, то изменится ли формула? U 3 m 2 M RT Ответ: Если газ не одноатомный, то коэффициент перед температурой будет не, а другой, так как 3 сложные молекулы не только 2 движутся поступательно, но и вращаются. 4. Как определяется работа газа в термодинамике? Ответ: A" = pΔV работа, совершаемая газом, определяется давлением газа и изменением объема. его 5. Что такое количество теплоты? Ответ: Количество теплоты Q - это мера изменения внутренней энергии при теплообмене. 6. Напишите формулы для нахождения количества теплоты и объясните, какие величины входят в формулы. Ответ: 1. Q = cm Δ t – при нагревании и охлаждении тела массой m; с – удельная теплоёмкость тела; 2. Q = ± r m – при испарении и конденсации; r – удельная теплота парообразования; 3. Q = ± λ m – при плавлении и кристаллизации; λ – удельная теплота плавления. 7. Сформулируйте первый закон термодинамики. Ответ: ΔU = A + Q (Q = ΔU + A´) Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе. 8. О чём говорит второй закон термодинамики? Ответ: невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах (Клаузиус). 9. Тепловые машины - что это за устройства? Ответ: Тепловые машины - устройства, которые превращают внутреннюю энергию топлива в механическую. 10. Как можно рассчитать КПД тепловой машины? Ответ: η= Q1 Q 2 - КПД теплового двигателя Q 1 равен отношению работы газа к количеству теплоту, полученного от нагревателя. 11. Какую роль и значение имеют тепловые двигатели в современной цивилизации? К каждой позиции первого столбца подберите позицию второго столбца Р Т V m M ν R NA k t 10C 1 г/моль 1 кг 1 м3 1К 1,38*10-3Дж/К 6,02*1023моль-1 8,31 Дж/(моль*К) 1 моль-1 1 Па Поставьте соответствие между физическими величинами и единицами их измерения (в СИ) 1.масса газа [ Дж] 2.внутренняя энергия [Па] 3.давление газа [м3 ] 4.Количество вещества [ кг] 5.объем газа 6. абсолютная температура [моль] [K] Вспомним понятия!!! Кроссворд(в программе exele) Задача 2. Определите работу газа в циклическом процессе, показанном на рисунке. Решение А=S А =0 Дж 12 А23=0,5*0,1=0,05 Дж А31=0,05+(0,2-0,1)/2=0,1 Дж А=0,05 Дж Ответ А=0,05 Дж Задача 1. В одном цикле работы теплового двигателя его рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты 1,5 МДж. Какое количество теплоты оно отдает за цикл холодильнику, если КПД двигателя 0,2? Чему равна работа, совершаемая этим двигателем за 1 цикл? Ответ Решение η=(Q1- IQ2I)/Q1 Q2=(1- η) Q1 Q2=(1-0,2)*1,5МДж=1,2 МДж η=A/Q1 А= η*Q1 А= 0,2*1,5 МДж=0,3 МДж Ответ: 1,2 МДж; 0,3 МДж Определить температуру в конце такта сжатия в двигателе, если при этом давление увеличивается в 50 раз, а объем уменьшается в 15 раз Тест. Вариант.1 1. Над телом совершена работа внешними силами, и телу передано кол-во теплоты. Чему равно изменение внутренней энергии тела? А) ΔU = A Б) ΔU = Q В) ΔU = A + Q Г) ΔU = А - Q Д) ΔU = Q - A Вариант 2. 1. Тело получило количество теплоты и совершило работу. Чему равно изменение внутренней энергии тела? А) ΔU = Q - A‘ Б) ΔU В) ΔU Г) ΔU Д) ΔU = A" – Q = A" + Q = A" =Q Вариант 1. Вариант 2. 2. Идеальному газу передаётся количество теплоты таким образом, что в любой момент времени переданное количество теплоты равно работе, совершённой газом. Какой процесс осуществлен? А) Адиабатный Б) Изобарный В) Изохорный Г) Изотермический Д) Это мог быть любой процесс Е) Никакого процесса не было 2. Идеальный газ передал окружающим телам кол-во теплоты таким образом, что в любой момент времени переданное количество теплоты равно изменению внутренней энергии тела. Какой процесс был осуществлен? А) Изотермический Б) Изохорный В) Изобарный Г) Адиабатный Д) Это мог быть любой процесс Е)Никакого процесса не было Вариант 1. 3. Идеальный газ переходит из состояния 1 в состояние 2 в процессе, представленном на диаграмме p –V рисунка 1. Какая работа совершена в этом процессе? Вариант 2. 3. Идеальный газ переходит из состояния 1 в состояние 2 в процессе, представленном на диаграмме p –V рисунка 1. Какая работа совершена в этом процессе? А) Газ совершил работу 200 Дж. Б) Внешние силы совершили работу над газом 200 Дж. В) Газ совершил работу 400 Дж. Г) Внешние силы совершили работу над газом 400 Дж. Д) Работа равна нулю. А) Газ совершил работу 200 Дж. Б) Внешние силы совершили работу над газом 200 Дж. В) Газ совершил работу 400 Дж. Г) Внешние силы совершили работу над газом 400 Дж. Д) Работа равна нулю. Вариант 1. 4. Что служит рабочим телом в двигателе автомобиля? А) Воздух Б) Вода В) Бензин Г) Поршень Д)Цилиндр Вариант 2. 4. Что служит рабочим телом в реактивном двигателе самолёта? А) Турбина Б) Вода В) Горючее Г) Воздух Д) Крылья Вариант 1. 5. Какое максимально возможное КПД тепловой машины, использующей нагреватель с температурой 427°С и холодильник с температурой 27°С? А) ~ 0,06 Б) ~ 0,57 В) ~ 0,94 Г) ~ 0,43 Д) ~ 0,70 Вариант 2. 5. Какое максимально возможное КПД тепловой машины, использующей нагреватель с температурой 527°С и холодильник с температурой 27°С? А) ~ 0,95 Б) ~ 0,73 В) ~ 0,38 Г) ~ 0,63 Д) ~0,05 Вариант 1. 6. Идеальный одноатомный газ неизменной массы совершает циклический процесс, показанный на рисунке. За цикл от нагревателя газ получает количество теплоты Qн=8 кДж. Чему равна работа газа за цикл? р 1 Вариант 2. 6. Один моль одноатомного идеального газа совершает процесс 1-2-3,где Т0=100к. На участке2-3 к газу подводят количество теплоты Q=2,5 кДж. Найдите отношение работы А123, совершаемой газом в ходе процесса, к количеству теплоты Q123, поглощенному газом т 3т 2 2Ро 0 Ро т 0 3 v 0 3v 0 v р Д/з Повторить понятия, формулы. Индивидуальные задания по задачнику.