Конспект урока «Первый закон термодинамики» по физике для 10 класса

Урок по теме «Первый закон термодинамики». 10 класс

Цели урока:

• образовательные: ввести первый закон термодинамики как закон сохранения энергии термодинамической системы, раскрыть его физическое содержание при рассмотрении конкретных процессов, продолжить формирование умений описывать тепловые процессы физическими величинами и законами;

• развивающие: развитие памяти, быстроты реакции, творческих способностей, умения применять полученные знания на практике, развитие познавательного интереса.

• воспитательные: формирование коммуникативных качеств, культуры общения, воспитывать мировоззрение учащихся на основе метода научного познания природы, воспитывать наблюдательность, воспитывать целеустремленность, настойчивость в достижении поставленной цели.

Оборудование к уроку: на каждом столе пробирка с холодной водой, термометр, бумага, теплоприёмник, жидкостной манометр, бланки с заданиями, мультимедийный проектор, ПК, экран.

Ход урока:

1. Организационный момент. Приветствие, готовность к уроку.

2. Актуализация опорных знаний.

Учащиеся выполняют тестовые задания по вариантам.

Вариант 1

Броуновское движение - это:

А) тепловое движение взвешенных в жидкости (или газе) частиц; Б) хаотическое движение взвешенных в жидкости частиц; В) упорядоченное движение молекул жидкости; Г) упорядоченное движение взвешенных в жидкости частиц.

2. Какая из приведённых ниже формул позволяет рассчитать среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул газа:

А) p=nkT; Б) E=3/2kT; В) p=1/3m₀nv²

3. Как изменится давление идеального газа при увеличении абсолютной температуры в 2 раза и объёма в 2 раза? (масса газа не изменяется)

А) увеличится в 4 раза; Б) уменьшится в 4 раза; В) не изменится; Г) увеличится в 2 раза.

4. Процесс изменения термодинамической системы при постоянном давлении называют:

А) изотермическим; Б) изохорным; В) изобарным.

5. Какое выражение соответствует закону Бойля-Мариотта:

А) V/T=const; Б) pV=const; В) p/T=const; Г) pT=const.

6. На рисунке график зависимости p(V), m=const. Какой процесс изменения газа изображён на рисунке?

А) изотермическое расширение; Б) изобарное расширение; В) изобарное сжатие; Г) изохорное нагревание.

Вариант 2

Какое из следующих положений противоречит основам МКТ:

А) вещество состоит из молекул; Б) молекулы вещества движутся беспорядочно; В) все молекулы взаимодействуют друг с другом; Г) все молекулы вещества имеют одинаковые скорости.

2. Какая из приведённых ниже формул позволяет вычислить число частиц:

А) N=ⱱNₐ; Б) v=m/M; В) p=nkT.

3. Как изменится давление идеального газа, если число молекул газа и его объём увеличится в 2 раза, а температуру оставить неизменной?

А) увеличится в 2 раза; Б) уменьшится в 2 раза; В) увеличится в 4 раза; Г) не изменится.

4. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа равна: А) U=mRT/M; Б)U=m|M Nₐ; В) U=3|2 ⱱ RT; Г) U=V|m RT.

5. Газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало, называется:

А) реальным; Б) абсолютным; В) идеальным; Г) свободным.

6. На рисунке график зависимости p(Т), m=const. Какой процесс изменения газа изображён на рисунке?

А) изохорное нагревание; Б) изохорное охлаждение; В) изотермическое расширение; Г) изобарное расширение

Ответы

Вариант 1

3. Фронтальный опыт "Изменение внутренней энергии тела при совершении работы". Приложение Слайд 2.

Приборы и материалы: пробирка химическая, термометр лабораторный, цилиндр измерительный с холодной водой, лист бумаги.

Порядок выполнения работы:

1.Налейте в пробирку 10мл воды и измерьте её температуру.

2.Закройте пробирку пробкой (или большим пальцем если нет пробки) и заверните в бумагу. Энергично встряхивайте воду в пробирке в течение 40 секунд (время заметьте по секундомеру в часах или мобильном).

3.Откройте пробирку и снова измерьте температуру воды.

4.Ответьте на вопросы: а) как изменилась внутренняя энергия воды во время опыта? б) каким способом вы изменяли внутреннюю энергию воды в опыте? в) зачем пробирку с водой необходимо было заворачивать в бумагу во время опыта? г) что можно сказать о зависимости изменения внутренней энергии тела от совершённой работы?

4. Изучение новой темы

К середине 19 века многочисленные опыты показали, что механическая энергия никогда не пропадает бесследно. Приложение Слайд 3

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 сверлении пушечного ствола, которое производили с помощью лошадей, вращавших большое сверло, Румфорд успевал вскипятить поставленный на ствол котел с водой. Румфорд предположил, 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.

Повышение температуры тела может быть вызвано как совершением работы, так и передачей количества теплоты. Приложение Слайд 4.

Закон сохранения энергии в механике:

Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую. (Падает, например, молот на кусок свинца и свинец нагревается - потенциальная энергия молота переходит в кинетическую, затем механическая энергия превратилась во внутреннюю энергия тела).

Закон сохранения и превращения энергии, распространённый на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.

Приложение Слайд 5.

В термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести которых практически не меняется. Механическая энергия таких тел остаётся постоянной, изменяться может лишь внутренняя энергия каждого тела. Первый закон термодинамики был открыт в середине 19 века немецким учёным врачом Майером (1814-1878), английским учёным Д. Джоулем(1818 - 1889) и получил наиболее точную формулировку в трудах немецкого учёного Г Гельмгольца (1821-1894).

В общем случае при переходе системы из одного состояния в другое внутренняя энергия изменяется одновременно как за счёт совершения работы, так и за счёт передачи теплоты.

Первый закон термодинамики: Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты переданного системе:

U=Q+A.

Если система изолирована (замкнутая) то есть над ней не совершается работа (А=0) и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q=0). То в этом случае согласно первому закону термодинамики U=0 (U₁ = U₂). Внутренняя энергия изолированной системы остаётся неизменной (сохраняется).

Учитывая, что A^/ = - А, получим Q=A^/ + U

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

Невозможность создания вечного двигателя - устройства, способного совершать неограниченное количество работы без затрат топлива или каких-либо других материалов. Если к системе не поступает теплота (Q=0), то работа A^/ согласно первому началу термодинамики Q=A^/ + U может быть совершена только за счёт убыли внутренней энергии: A^/ = - U. После того как запас энергии окажется исчерпанным, двигатель перестанет работать.

Нельзя говорить, что в системе содержится определённое количество теплоты или работы. Как работа, так и количество теплоты являются величинами, характеризующими изменение внутренней энергии системы в результате того или иного процесса, и выражаются эти величины в джоулях. Внутренняя энергия системы может изменится одинаково как за счет совершения системой работы, так и за счёт передачи окружающим телам какого-либо количества теплоты. Например, нагретый воздух в цилиндре может уменьшить свою энергию остывая, без совершения работы . Но может потерять точно такое же количество энергии, перемещая поршень, без отдачи теплоты окружающим телам. Для этого стенки цилиндра и поршень должны быть теплонепроницаемыми .

5.Формирование умений и навыков: Приложение Слайд 6

1. Идеальный газ получил количество теплоты, равное 300 Дж, и совершил работу, равную 100 Дж. Как изменилась внутренняя энергия газа?

А. увеличилась на 400 Дж
Б. увеличилась на 200 Дж
В. уменьшилась на 400 Дж
Г. уменьшилась на 200 Дж

2. Идеальный газ совершил работу, равную 100 Дж, и отдал количество теплоты, равное 300 Дж. Как при этом изменилась внутренняя энергия?

А. увеличилась на 400 Дж
Б. увеличилась на 200 Дж
В. уменьшилась на 400 Дж
Г. уменьшилась на 200 Дж

3. Идеальный газ совершил работу, равную 300 Дж. При этом внутренняя энергия уменьшилась на 300 Дж. Каково значение количества в этом процессе?

А. отдал 600 Дж
Б. отдал 300 Дж
В. получил 300 Дж
Г. не отдавал и не получал теплоты.

Приложение Слайд 7

4. Идеальный газ совершил работу, равную 300 Дж. При этом его внутренняя энергия увеличилась на 300 Дж. Какое количество теплоты получил газ?

А. отдал 600 Дж
Б. отдал 300 Дж
В. получил 600 Дж
Г. получил 300 Дж

По окончании работы ученики проверяют свою работу, оценивают себя. (Ответы появляются на экране) Приложение Слайд 8.

• Б

• В

• Г

• В

Вывод: Невозможно создать “вечный двигатель”!

6. Подведение итогов. Домашнее задание. § 56 задачи № 3, 4