Разработка урока "Работа в термодинамике"
план-конспект урока по физике (11 класс)

Тема урока: работа в термодинамике.

Цель урока: изучить понятие  работы в термодинамике.

Задачи:

Образовательные: выводить формулу для определения работы газа при постоянном давлении, ознакомление учащихся с геометрической интерпретацией работы для изобарного процесса.

Воспитательные:  формировать познавательный интерес к физике.

Развивающие: учить овладению навыками самостоятельного приобретения новых знаний, учить анализировать условия заданий, развивать грамотную речь с использованием физических терминов.

Этапы уроков:

Повторение

Что называют внутренней энергией тела?

Оборудование: проектор, презентация, карточки с заданиями.

Мотивация

Известно, что изменить внутреннюю энергию тела можно путем совершения механической работы или путем теплопередачи, т.е. без совершения работы.

Сегодня мы с вами поговорим об изменении внутренней энергии  в процессе совершения работы.

Изучение новой темы

Как определяется работа в механике? (работа с учебником по необходимости)

Чему равна работа силы в механике? (работа с учебником по необходимости)

Работа в термодинамике определяется так же, как и в механике.

Но она равна  термодинамике (работа с учебником) (равна изменению его кинетической энергии).

Пример. При накачивании шин автомобиля, велосипедных шин воздух, содержащийся в них нагревается.  Рассмотрим причины изменения внутренней энергии  газа  в процессе его сжатия и расширения. Читаем раздел в учебнике «Изменение внутренней энергии при расширении и сжатии газа.

Что происходит при движении поршня навстречу движущимся молекулам? (работа с учебником). При движении навстречу движущимся молекулам газа, поршень во время столкновений передает им часть своей механической энергии. Кинетическая энергия молекул станет больше. А это означает увеличении внутренней энергии газа.  

Что происходит расширении газа? (работа с учебником). 

Рассмотрим пример совершения работы газом в цилиндре с подвижным поршнем, плотно прилегающим к в стенкам сосуда. При этом давление газа поддерживается постоянным. Как называется этот процесс? Под действием силы давления газа поршень поднимается вверх, газ расширяется.

Если поршень опускается медленно и равномерно, то внешняя сила будет постоянной.

S – площадь поршня. Значит p будет постоянным.  

Задание (на карточке). Получим формулу для расчета рабты газа.

Работу газа найдем по формуле                                     .

1. Согласно 3 закону Ньютона что можно сказать о  силах F и F’?

2.  Работа газа                                       .  Определть силу, перемещение и косинус ⍺.

1) Модуль силы, действующей на поршень со стороны газа:                    , где p – давление газа, а S – площадь поверхности поршня.

2) По рисунку  определить :  

                            ,   тогда

3. Подставить  найденные выражения  в формулу  для работы газа:

4. Переобразовать полученное  выражение, оставив за скобки давление газа:

5.                        – это начальный объем, занимаемый газом.

                           – это конечный объем, занимаемый газом.

6.   Выразить работу газа через объем

7.  Выразить работу газа через изменение объема

Работа газа при изобарном процессе равна произведению давления газа на изменение его объема:

Работа, совершаемая внешними телами на газом, отличается от работы самого газа только знаком. Работа газа при изобарном процессе равна произведению давления газа на изменение его объема:

Задание 2

Заполнить пропуски:

При расширении газ совершает … работу и его внутренняя энергия … .

При сжатии газ совершает … работу и его внутренняя энергия … .

При расширении газа  совершает полжительную работу. А почему? (т.к. направление силы совпадает с направлением перемещения поршня). При сжатии газа (формула для расчета работы газа остается справедливой. Но в этом случае т. к.                  , то  работа газа будет отрицательна (при сжатии работа газа отрицательна).

Также работу газа можно определить с помощью графика зависимости давления от объёма, графически. Изобразим график изобарного процесса в координатах pv.  Площадь прямоугольника, ограниченная графиком изобарного процесса и отрезками  1V1 и 2V2 ,  равными давлению газа, численно равна работе газа. Доказать по рисунку.

Геометрический смысл – работа газа численно равна площади прямоугольника под графиком изобары, физический смысл – это работа газа

Как находят работу газа, если его давление меняется?( работа с учебником, раздел «Геометрическое истолкование работы»).

Закрепление

Задание 3

Решить задачи:

1) Какую работу совершает газ при переходе из состояния 1 в состояние 3? (Ответ дайте в кДж.)

Решение. На диаграмме p—V работе, совершаемой газом при переходе из начального состояния в конечное, соответствует площадь под линией, изображающей процесс перехода.

Или на участке 1—2 работа равна 0, т. к. это изохорный процесс. На участке 2—3 работа равна площади  фигуры, ограниченной  графиком зависимости давления от объема   отрезками равными давлению газа.

Таким образом, при переходе из состояния 1 в состояние 3 газ совершает работу

2) Какая работа была совершена при изобарном расширении   аргона, взятого в количестве  4 моль, если температура изменилась на 10 К?

                    Уравнение Менделеева – Клапейрона  

3) Какую работу совершает газ при переходе из состояния 1 в состояние 2, считая, что                                                     1 атм = 105 Па ?

Решение. На участке 1—2 работа равна площади  фигуры, ограниченной  графиком зависимости давления от объема и  отрезками длина которых численно равна давлениям  в начальном и конечном состояниях. Фигурой является трапеция, площадь которой находят как произведение полсуммы оснований на высоту.  

Задание 1

Работу газа найдем по формуле

1. Согласно 3 закону Ньютона что можно сказать о  силах F и F’?

2.  Работа газа

1) Модуль силы, действующей на поршень со стороны газа:               , где p –…,   а   S – … .

2) По рисунку  определить :  

                            , тогда

3. Подставить  найденные выражения  в формулу  для работы газа.

4. Преобразовать полученное  выражение, оставив за скобки давление газа.

5.                        – … .

                           – это … .

6.   Выразить работу газа через объем.

7.  Выразить работу газа через изменение объема.

Задание 2

Заполнить пропуски:

При расширении газ совершает … работу и его внутренняя энергия … .

При сжатии газ совершает …  работу и его внутренняя энергия … .

Задание 3

Решить задачи:

1) Какую работу совершает газ при переходе из состояния 1 в состояние 3? (Ответ дайте в кДж.)

2) Какая работа была совершена при изобарном расширении   аргона, взятого в количестве  4 моль, если температура изменилась на 10 К?

3) Какую работу совершает газ при переходе из состояния 1 в состояние 2, считая, что  1 атм = 105 Па?