Блог учителя фізики та інформатики Глинського НВК на період карантину: Фізика 10 клас 19.03.2020

Тема: Внутрішня енергія. Способи зміни внутрішньої енергії

Мета: формування знань учнів про внутрішню енергію та способи її зміни, поняття теплопередачі та її видів, кількості теплоти. Виховувати потребу до знань.

Тип уроку: урок засвоєння нових знань.

ХІД УРОКУ

Пригадайте

1. З яких частинок складаються всі речовини? Як можна охарактеризувати їх рух?

2. Чому рух частинок називають тепловим? Як рух частинок речовини пов'язаний з температурою?

3. Що таке енергія? В яких одиницях вона вимірюється?

4. Що таке потенціальна енергія? кінетична енергія?

План вивчення теми

1. Термодинаміка. Термодинамічна система.

2. Внутрішня енергія. Способи її зміни.

3. Теплопередача, її види.

4. Кількість теплоти.

МОТИВАЦІЯ НАВЧАЛЬНОЇ ДІЯЛЬНОСТІ

Як відомо, вивільнення, трансформація і використання внутрішньої енергії тіл — одна з найактуальніших проблем сучасної фізики.

Запитання до класу

· Які види енергії використовуються в наш час для практичних потреб?

· Чому вміння використовувати внутрішню енергію тіл є однією з найважливіших задач фізичної науки?

СПРИЙМАННЯ Й ПЕРВИННЕ ОСМИСЛЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Термодинаміка. Термодинамічна система

Термодинаміка, основоположником якої був французький вчений С. Карно, як наука сформувалася в першій половині XIX ст., її виникнення і розвиток були зумовлені створенням теплових двигунів. Сьогодні ж термодинаміка — самостійна наука, методи якої широко застосовуються не тільки в фізиці, а й в хімії, біології та інших природничих науках.

Термодинаміка — розділ фізики, який вивчає загальні властивості макроскопічних систем, які перебувають в стані термодинамічної рівноваги.

Вона вивчає найбільш загальні закономірності перетворення енергії, але не розглядає молекулярної будови речовини.

Термодинамічна система — це будь-яка система, яка складається з великої кількості частинок — атомів, молекул, йонів та електронів, які здійснюють тепловий хаотичний рух та під час взаємодії обмінюються між собою енергією.

Якщо тіла системи взаємодіють тільки між собою, то така система називається ізольованою (замкненою). Такими системами є гази, рідини і тверді тіла. Стан термодинамічної системи зумовлюється температурою, об'ємом, та зовнішнім тиском.

2. Внутрішня енергія. Способи її зміни

Пригадайте, що називають внутрішньою енергією?

Внутрішня енергія макроскопічного тіла дорівнює сумі кінетичних енергій безладного руху всіх молекул (або атомів) та потенціальних енергій взаємодії молекул (або атомів) між собою»

Якщо йдеться про ідеальний газ, то для нього не розглядається взаємодія молекул між собою. Отже, внутрішня енергія ідеального газу дорівнює тільки сумі кінетичних енергій безладного руху всіх молекул (або атомів), з яких він складається.

Для ідеального газу внутрішня енергія визначається формулою

де

— внутрішня енергія,

— маса газу,

— число ступенів свободи молекул. Число ступенів свободи — це число незалежних величин, за допомогою яких може бути задано положення тіла або частинки. Для одноатомного газу

, двохатомного

, трьохатомного

і т. д.

Способи зміни внутрішньої енергії: 1) теплопередача; 2) здійснення роботи над тілом чи самим тілом.

З. Теплопередача, її види

Пригадайте, що називають теплопередачею, які види її існують?

Теплопередачею або теплообміном називається процес передачі енергії від одного тіла до іншого без здійснення роботи.

Способи теплопередачі: 1) теплопровідність, 2) конвекція, 3) випромінювання.

Теплопровідність — вид теплопередачі, під час якої передавання внутрішньої енергії від одних тіл до інших відбувається при їх безпосередньому контакті і зумовлена взаємодією атомів і молекул.

Конвекція — вид теплопередачі, при якій внутрішня енергія від одних тіл до інших передається рухомими струменями рідини чи газу.

Випромінювання — це передача тепла за допомогою електромагнітних хвиль (світлового потоку).

Завдання класу

1. Наведіть приклади передачі енергії способом теплопровідності.

2. Які тіла мають найбільшу теплопровідність? Чому?

3. Наведіть приклади передачі енергії способом конвекції.

4. Як утворюються конвекційні струмені? Як вони завжди напрямлені?

5. Наведіть приклади передачі енергії способом променевого теплообміну.

6. Які тіла — темні чи світлі — краще випромінюють тепло? Які краще поглинають?

4. Кількість теплоти

В процесі теплообміну одні тіла віддають, а інші отримують деяку кількість теплоти. Кількість теплоти позначається символом

Кількість теплоти — це та частина внутрішньої енергії, яку тіло втрачає чи отримує при теплопередачі. Це скалярна величина. В СІ вимірюється в джоулях (Дж).

У ході теплообміну не відбувається перетворення енергії з однієї форми в іншу: частина внутрішньої енергії гарячого тіла передається холодному; теплообмін припиняється як тільки їхні температури зрівняються.

Теплообмін у замкненій системі описується рівнянням теплового балансу:

де

— сумарна кількість теплоти, одержана тілом при теплообміні;

— сумарна кількість теплоти, віддана тілом при теплообміні.

ЗАКРІПЛЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Розв'язування задач (усно)

1. Як зміниться внутрішня енергія цеглини, якщо її занурити в гарлчу воду? підняти з першого поверху на третій?

2. Якщо налити окріп в металеву кружку, то вона досить швидко стане гарячою. У який спосіб тепло від окропу переходить до стінок кружки?

3. Для чого труби теплових мереж обмотують мінеральною ватою?

4. В електрочайнику спіраль вмонтовано на дні. Чому не на бічній стінці або під кришкою?

5. У якому випадку вода у відрі швидше охолоне: якщо кинути в нього шматок льоду або поставити відро на лід?

6. Чому радіатори центрального опалення доцільно розташовувати під вікнами, а не над ними?

7. Сонце — це зоря, що дає землянам тепло для життя. Як Сонце передає тепло на Землю?

8. Чому для правильного вимірювання температури повітря, особливо влітку, термометр треба розташовувати в тіні?

9. Навіть у морозну погоду сніг може танути під сонячними променями. Який сніг танутиме швидше: чистий (за містом) чи забруднений (у місті)? Чому?

10. Які види теплообміну зведені до мінімуму в сучасних віконних системах?

Розв'язування задач (приклади)

Римкевич

533. Обчисліть внутрішню енергію 10 імоль одноатомного газу при температурі 27 °С.

534. На скільки змінюється внутрішня енергія 200 г гелію при збільшенні температури на 20 °С?

535. Порівняти внутрішні енергії однакових мас аргону і гелію при однаковій температурі.

536. Як змінюється внутрішня енергія одноатомного газу під час ізобарного нагрівання? ізохорного охолодження? ізотермічного стиснення?

При нагріванні енергія збільшується

При охолодженні меншає

При стиску не змінюється

Задача.

На рисунку подано графіки залежностей тиску від температури того самого одноатомного ідеального газу для процесів 1-2 і 3-4. В ході якого із цих процесів газ отримав більшу кількість теплоти? Відповідь обґрунтуйте.

Розв'язання

Процеси 1-2 і 3-4 є ізохорними, оскільки тиск лінійно залежить від абсолютної температури й прямі 1—2 і 3—4 проходять через початок координат. Під час ізохорних процесів газ не виконує роботи, а вся підведена до газу теплота йде на збільшення його внутрішньої енергії, тобто

. Таким чином,

(1)

З іншого боку внутрішня енергія ідеального одноатомного газу

, тоді:

(2)

(3)

Скориставшись умовою задачі (див. рисунок) і рівняннями (2) і (3), отримаємо:

Підставивши знайдені значення змін внутрішньої енергії до формули (1), отримаємо:

або

Відповідь: газ отримав більшу кількість теплоти в ході процесу 3-4.

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

1. Вивчити теоретичний матеріал за підручником

2. Заповнити таблицю, користуючись підручником та довідниковою літературою.

Таблиця

Кількість теплоти, яку тіло отримує або втрачає при теплопередачі або внаслідок зміни агрегатного стану речовини

Кількість теплоти	Формула	Коментар
Отримана або втрачена тілом при нагріванні чи охолодженні
Виділена при згорянні палива
Поглинена при плавленні або виділена при кристалізації
Поглинена при пароутворенні або виділена при конденсації

Приклад виконання

Кількість теплоти	Формула	Коментар
Отримана чи втрачена тілом при нагріванні чи охолодженні		с — питома теплоємність речовини с — таблична величина