Наслідки з першого закону термодинаміки
2-й семестр
МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА Й ТЕРМОДИНАМІКА
2. Основи термодинаміки
Урок 5/94
Тема. Наслідки з першого закону термодинаміки
Мета уроку: систематизувати й поглибити знання учнів про перший Закон термодинаміки та його застосування в ізопроцесах
Тип уроку: вивчення нового матеріалу
План уроку
Контроль знань | 5 хв. | 1. Перший закон термодинаміки. 2. Сформулюйте перший закон термодинаміки, Aг = Q – ?U. |
Демонстрації | 3 хв. | Зміна |
Вивчення нового матеріалу | 25 хв. | 1. Ізохорний процес. 2. Ізотермічний процес. 3. Адіабатний процес. 4. Ізобаричний процес. |
Закріплення вивченого матеріалу | 12 хв. | 1. Тренуємося розв’язувати задачі. 2. Контрольні питання. |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Ізохорний процес
У тому випадку, якщо газ нагрівається або охолоджується при незмінному об’ємі (наприклад, у товстостінному металевому балоні), він не рухає поршень, тобто не здійснює роботи.
Отже, внутрішня
O При ізохорному процесі внутрішня енергія змінюється тільки внаслідок теплообміну.
Причому збільшення тиску потребує притоку теплоти, зменшення тиску – віддачі теплоти.
2. Ізотермічний процес
При ізотермічному процесі (Т = const) зміна температури дорівнює нулю? Т = 0.
Так як внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури, то при ізотермічному процесі вона не змінюється, тобто? U = 0. При підводі до газу деякої кількості теплоти (досить повільно) вимірюються тільки тиск і об’єм, а внутрішня енергія залишається незмінною.
O При ізотермічному процесі вся підведена кількість теплоти витрачається на роботу, виконану газом проти зовнішнього тиску:
Q = Aг.
Якщо процес являє собою ізотермічне стиснення, то Аг < 0 і q = - аг. або інакше:
Aг = – Q.
Негативне значення Q вказує на те, що газ при стисненні віддає тепло, причому в кількості, що дорівнює досконалій роботі.
3. Адіабатний процес
Розглянемо процес, що протікає в системі, яка не обмінюється теплотою з оточуючими тілами.
O Процес в теплоізольованій системі називають адіабатним.
Так як при цьому процесі немає теплообміну між газом і навколишнім середовищем. Тому Q = 0. Перший закон термодинаміки приймає вигляд:
Аг = -?U.
В умовах відсутності теплообміну газу із зовнішнім середовищем робота, яку здійснює газ проти зовнішніх сил, відбувається за рахунок втрати його внутрішньої енергії.
Тому при адіабатному стисненні температура газу підвищується, а при адіабатному розширенні – знижується. Якщо стиснення газу відбувається дуже швидко, температура підвищується досить значно. На цьому засновано дію двигунів дизеля: температура повітря при швидкому стисненні в циліндрі стає настільки високою, що пальне загорається без системи запалювання.
Охолодженням газу при адіабатному розширенні пояснюється спосіб утворення хмар.
4. Ізобарний процес
При розширенні газ здійснює роботу, тобто Аз > 0. Відповідно до закону Гей-Люссака, при ізобарному розширенні газу температура збільшується, отже, збільшується і його внутрішня енергія, тобто? U > 0.
O При ізобарному процесі кількість теплоти, яка підводиться до газу, витрачається на збільшення внутрішньої енергії і на роботу розширення, яку здійснює газ проти зовнішнього тиску:
Q = ?U + Aз.
Якщо Q > 0, то газ може розширюватися ізобарно тільки за умови, що до нього підводиться певна кількість теплоти.
Питання до учнів під час викладення нового матеріалу
1. Чи можна передати газу деяку кількість теплоти, не викликаючи при цьому підвищення його температури?
2. У якому випадку робота газу більша: при ізотермічному розширенні від об’єму V1 до об’єму V2, або при ізобарному розширенні від V1 до V2?
3. Наведіть приклади адіабатних процесів у природі і техніці.
4. За рахунок якої енергії здійснюється робота при адіабатичному розширенні газу? при ізотермічному розширенні газу?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Тренуємося розв’язувати задачі
1. У надувній кульці і сталевому балоні містяться однакові маси повітря. У якому випадку для нагрівання повітря на 1 К буде потрібна більша кількість теплоти?
2. Об’єм газу зменшують у 2 рази: один раз – швидко, а інший – повільно. У якому разі:
А) відразу після стиснення тиск газу більший;
Б) при стисненні виконали велику роботу? Чому?
3. Для ізобарного нагрівання 200 міль газу на 100 К йому передали кількість теплоти 470 кДж. Яку роботу здійснив газ? Яка зміна внутрішньої енергії?
4. При ізобарному нагріванні об’єм гелію збільшився в три рази. Яку роботу здійснив газ? Яку кількість теплоти йому передано? Маса гелію 12 г, початкова температура гелію -123 °С.
2). Контрольні запитання
1. Як пов’язана передана тілу кількість теплоти зі зміною внутрішньої енергії тіла при ізохорному процесі?
2. Чи змінюється внутрішня енергія ідеального газу при ізотермічному процесі, коли тиск збільшується?
3. В яких із зазначених нижче процесів газ здійснює позитивну роботу:
А) ізохорне нагрівання;
Б) ізобарне нагрівання;
В) ізотермічне стиснення;
Г) адіабатне розширення?
4. Якщо відкрити гвинт балона зі стисненим газом, він навіть влітку може покритися інеєм. Поясніть це явище.
Що ми дізналися на уроці
– При ізохорному процесі внутрішня енергія змінюється тільки внаслідок теплообміну:
?U = Q.
– При ізотермічному процесі вся підведена кількість теплоти витрачається на роботу, виконану газом проти зовнішнього тиску:
Q = Aг.
– Процес в теплоізольованій системі називають адіабатним.
– В умовах відсутності теплообміну газу із зовнішнім середовищем робота, яку здійснює газ проти зовнішніх сил, відбувається за рахунок втрати його внутрішньої енергії:
Аг = – ?U.
– При ізобарному процесі кількість теплоти, яка підводиться до газу, витрачається на збільшення внутрішньої енергії і на роботу розширення, яку здійснює газ проти зовнішнього тиску:
Q = ?U + Aг.
Домашнє завдання
1. Конспект.
2. Розв’язування задач:
1). У ході ізотермічного розширення газу було передано кількість теплоти 300 Дж. Яку роботу здійснив газ?
2). При адіабатному стисненні 5 моль одноатомного газу його температура підвищилася на 20 К. Яка робота здійснена над газом?
3). Для ізобарного нагрівання 50 міль газу на 200 К йому передали кількість теплоти 291 кДж. Яку роботу здійснив газ? Яка зміна внутрішньої енергії?
4). Яку роботу здійснить газ при ізобарному нагріванні на 50 К, якщо кількість речовини в газі дорівнює 5 моль?
5). Яку роботу здійснює водень масою 6 г при ізобарному підвищенні температури на 60 К?
