Два начала термодинамики.
методическая разработка по физике (10 класс) на тему

Тема: Два начала термодинамики.

Образовательная задача: систематизация и обобщение полученных знаний при изложении физической теории в разделе «Термодинамика» и в ходе исследовательской деятельности учащихся;

ознакомление учащихся с методом научного познания;

развитие приёмов умственной деятельности при заполнении таблиц.

Воспитательная задача: убедить учащихся в жизненной важности бережного отношения к окружающей нас среде.

Оборудование:

• Прибор «Изотерма с встроенным датчиком объёма газа.
• Датчик абсолютного давления.
• Шланг вакуумный (25 см.).
• Сосуды с холодной водой (5+10°С) и горячей водой (70-80°С).
• Термометр электронный - ТЭН - 5.
• Штатив с лапкой.

(см. Опыт 5. Циклический процесс в газе. Лаборатория L-микро, раздел «Газовые законы и свойства насыщенных паров».

• компьютер.

Наглядность: модель «ящик с неровностями» и шарики.

Таблицы: «Первое начало термодинамики»

«Второе начало термодинамики»

«Цикл Карно»

Природа проста и не роскошествует излишними причинами

(И. Ньютон)

План проведения урока

1. Актуализация знаний.

• Фронтальный опрос:

• Что изучает термодинамика?
• На чём базируется термодинамика?
• Сформулируйте I и II закон термодинамики.
• Каков физический смысл I и II законов термодинамики?
• Как математически записывается l-й закон термодинамики в общем виде?
• Как рассчитать КПД реальной и идеальной тепловой машины?

2. Исторический экскурс в термодинамику.

История второго начала термодинамики - это высокая трагедия с выдающимися актерами, имеющая фундаментальное приложение к человеческой жизни (сообщения учащихся).

Первое начало термодинамики

Это есть закон сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Работа и теплота - энергетически эквивалентны, что было доказано Р.Майером в 1842 году. Невозможность создания вечного двигателя I рода, который совершал бы работу неограниченно долго, не черпая энергию извне - одна из формулировок I начала термодинамики.

Первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает термодинамический цикл (т.е. возвращается, в конечном счете, в исходное состояние), то полное количество теплоты, сообщенное системе на протяжении цикла, равно совершенной работе.

3. Экспериментальное исследование «Циклический процесс в газе».

Цель эксперимента: рассчитать работу, совершенную газом в данном циклическом процессе.

Вариант исследования.

Работа газа за цикл рассчитывается как сумма величин Р; A Vi, где Д Vj = V,+i- Vj- величина положительная при расширении и отрицательная при сжатии.

Отметим, что численно работа газа равна площади замкнутой фигуры, ограниченной графиками составляющих цикл процессов.

Примерные расчеты.

Среднее значение давления газа при изотермическом расширении (Pcp.)i = 122 кПа, при изотермическом сжатии (Рср)2 = 77 кПа;

Измерение объема А V = 65 мл. - 38 мл.= 27 мл.

Работа газа за цикл равна

А = АгА2 = -122*103*27*10"5+77*103*27*10'6 = -1215 мДж.

Что примерно соответствует значению работы газа - 963 мДж, рассчитываемое программой при обработке данных.

Второе начало термодинамики

Это фундаментальный закон природы, имеющий самостоятельное (и огромное!) значение, его нельзя свести к каким-либо другим законам физики, он не базируется на каких-либо моделях строения вещества.

У.Томсон (Кельвин) в 1851 году высказал принцип: невозможно построить периодически действующую машину (вечный двигатель II рода), вся деятельность которой сводилась бы к совершению механической работы и соответствующему охлаждению теплового резервуара.

В результате для всех тепловых машин с обратимым циклом Карно КПД максимален и равен г)м = Т1-Т2/Т1. Если цикл необратим, то КПД оказывается меньше этой величины, т.е. п < Пм. (см. таблицу «Цикл Карно»).

IV Энтропия.

Следствием II начала термодинамики является существование энтропии как функции состояния системы.

Демонстрация опыта.

Почему горошины не могут успокоится на вершинах выпуклостей?

Шарики стремятся занять такое положение, при котором их потенциальная энергия минимальна.

Направление течения процессов в мире от состояния менее вероятных к состояниям более вероятным. От каких тел к каким передается тепло? На макроуровне этот процесс необратим.

V. Закрепление и подведение итогов.

Использовать компьютерную программу «Физика, 7-11 кл. Библиотека наглядных...» раздел «Молекулярная физика и термодинамика» (модели 5, 6, 7).

Самостоятельная работа учащихся по заполнению таблицы «Термодинамика». Рефлексия: 1. Что узнали?

2. Чему научились?
3. К какому выводу пришли?

Заключение.

Современная теория тепловых машин, составляющих основу теплотехники, базируется на термодинамике.

Термодинамика описывает природные макропроцессы с точки зрения превращения энергии, которые в них происходят. В этом смысле термодинамика - весьма общая фундаментальная теория.

Особенности термодинамики:

1. макроскропичность - рассмотрение системы в целом без обращения к её внутренней структуре;
2. феноменология - построение теории на основе принципов (начал), представляющих собой обобщение экспериментальных фактов.

В завершении урока хочу спросить: «кому на уроке было «тепло», кому - «холодно»? Можно ли сказать, что эти две группы людей: «нагреватели» и «холодильники» и есть тепловая машина? Почему?

VI. Домашнее задание: повторить § 77-83; упр. 15 № 11, подготовится к зачету по теме «Термодинамика».

Литература:

1. В.Р.Ильченко. Перекрестки физика, химии и биологии. Издательство «Просвещение» 1986.
2. Журнал «Физика в школе» № 6 - 2005, № 8 - 2004.
3. «Физика». Издательский дом «1 сентября». №1 -2007, №8 - 2007, №40-2004.
4. Н.М.Шахмаев. Элементарный курс физики. «Просвещение» 1979.
5. Физический энциклопедический словарь. Издательство «Советская энциклопедия», 1983.

Задача

Доказать невозможность существования ТП с КПД, большим чем КПД двигателя, работающего по обратимому циклу при тех же Тнагр и ТХОЛод.

Доказательство: предположим, что мы нашли гипотетический процесс, при

КОТОРОМ Пгип. < Побр

рабочее тело обратимого двигателя

Гипотетический двигатель, получив от нагревателя количество теплоты Qo, совершит работу А = ŋ гип Qo (1).        ^

Направим эту работу на то, чтобы с помощью обратимого двигателя забрать некоторое количество теплоты Q2  от «холодильника» и передать количество теплоты

 Q1 нагревателю. Нетрудно заметить, что

ŋ обр = А/ Q1;  А = ŋ обр Q1 (2). Из (1) и (2) = 3

ŋ обр. Q1 = ŋ гип Q2, НО Т.К. ŋ гип > ŋ обр = 3

Q0 > Q1 - противоречит II закону термодинамики.

 Сцена 1-ая. Париж, 1823 г.

Сади Карно (1796-1832), скромный инженер, возвращается в Париж после похорон отца, Лазара Карно. Решив продолжить работу отца, он создает мемуары «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу»(1824).

«Следуйте за теплотой», - пишет С. Карно. Калорическая жидкость, как вода в водяной машине, сохраняется в процессе перетекания от горячего к холодному, причем максимальная мощность тепловой машины зависит от разности температур в начальной и конечной состояниях. Самая эффективная машина основана на идеальном рабочем цикле, включающем в себя расширение и сжатие, во время которых машина действует обратимо, а калорическая жидкость, (т.е. теплота), сохраняется при переходе туда и обратно между двумя состояниями с заданными температурами без потерь теплоты на трение. Однако «Размышления были проигнорированы ученым сообществом. С. Карно больше ничего не опубликовывал. Заразившись скарлатиной, холерой и менингитом, он вскоре умер в психиатрической больнице.

Сцена 2-ая: Манчестер, 1840-е гг.

Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889), еще в молодые годы построивший лабораторию в пивоварне своего отца, сумел осуществить очень точные измерения различных превращений теплоты и электрической, механической и химической энергии друг в друга, например, зафиксировал увеличение температуры воды в сосуде в результате вращения насаженных на ось лопаток и их трения о воду. Джоуль определил механический эквивалент теплоты: 1 кал * 4,19 Дж.

Сцена 3-я. Оксфорд, 1847 г.

Конфликт между сторонниками сохранения и превращения теплоты достиг своего пика. Молодой Уильям Томсон (1824-1907), разносторонне образованный, сын профессора математики, позднее ставший известным как лорд Кельвин, совершает поездку в Париж, где знакомится с единственным опубликованным комментарием к работе С. Карно. Он пытается снять копию с оригинала, но ему не удается. Томсон потрясен прочитанным. Возвратившись в Англию, на конференции в Оксфорде, слушает доклад Джоуля. Это выступление стало для Кельвина стимулом к размышлениям. Каким образом теплота может превращаться во что-то другое, как утверждает Джоуль, если в замечательной работе С. Карно утверждается, что количество калорической жидкости в тепловой машине остается постоянным? В работе Джоуля должны быть «серьезные недочеты» и Кельвин решает обнаружить их.

Сцена 4 - ая. 1840-1860 гг.

Кельвин получает еще один стимул. Он читает статью немецкого физика Рудольфа Клаузиуса, который также обратил внимание на противоречии между выводами Карно и Джоуля. Клаузиус утверждает, что конфликт возник из-за того, что одновременно необходимо соблюсти два закона. Один закон касается сохранения некоторой величины (не теплоты!), вскоре названной энергией, при переходах между теплотой и механической работой. Другой закон относится к превращению теплоты в энергию и того свойства, что теплоты не может самопроизвольно перетекать от холодных тел к нагретым. Кельвин изучает новые законы тепловой механики и в 1854 г. дает ей название «термодинамика».

В каждой ТМ, пишет Кельвин, некоторая доля теплоты «необратимо» теряется для людей и поэтому «растрачивается», но не «уничтожается». В 1865 г. Клаузиус назвал стремление процесса передачи энергии, к самопроизвольному возникновению «энтропией». В 1872 г. Клаузиус сформулировал утверждение, получившее название двух начал термодинамики: «Энергия мира постоянна; энтропия стремится к максимуму».

Сцена 5 - ая. Споры о приоритете.

В 1847 г. немецкий врач Роберт Майер (1814-1878), прочитав статью Джоуля о превращении теплоты в механическую работу и заявил, что он открыл этот закон первым. За семь лет до этого, совершал плавание на голландском судне в Вест-Индию в качестве врача ,Майер понял, что необычно красный цвет крови у членов команды, означавший, что оно обогащена кислородом, связан с замедлением метаболизма организма человека в тропиках. Это наблюдение воодушевило его на написание статьи о взаимопревращаемости механической работы и теплоты. В редакции физического журнала, куда Майер послал статью, её сочли бредом сумасшедшего.

Подавленный тем, что Джоуль оспаривает его приоритет, Майер выбросился из окна третьего этажа, но остался жив. Остаток дней он провел в психиатрической больнице.

Разыгралась еще одна битва, на этот раз по поводу того, какое начало более важно. Первое начало (сохранение теплоты энергии) утверждает, что процессы обратимы, в то время как второе начало (теплота не может полностью превратится в работу) подразумевает необратимость.

Людвиг Больцман развил работу Максвелла, обосновав новым способом второе начало путем рассмотрения зависимости энтропии от времени. Ему пришлось отражать критические стрелы оппонентов в течение многих лет, что привело к тяжелой депрессии и в 1906 г. он повесился в номере гостиницы.

Сцена 6 - ая. Берлин 1890 - е гг.

Физик Вильгельм Вин развил идеи Больцмана о 2 -ом начале термодинамики и сформулировал закон зависимости теплового излучения от температуры.

Макс Планк (1857-1947) пытается примерить два начала термодинамики, пересмотрев работу Больцмана и переформулировать в закон Вина.

Планк надеется связать воедино все концы в термодинамике, статистической механике и электромагнетизма. Однако за хорошую упаковку нужно платить.

Ни Планк, и никто другой в 1900 г. не понимают в этот момент, что завершив построение основ термодинамики, они стали родоначальниками новых представлений об энергии и оказались на пороге нового мира - зарождения теории относительности и квантовой механики.