Внутренняя энергия. Работа в термодинамике.

Урок по теме: «Внутренняя энергия. Работа в термодинамике»

Цель урока:

- дать молекулярно-кинетическую трактовку понятия внутренней энергии;

- дать термодинамическую трактовку понятия работы.

Ход урока:

1. Актуализация знаний.

     Ещё в древности люди обратили внимание на то, что пар может совершить работу. Когда в конце XVII века мануфактуры, использующие в основном ручной труд и водяные, ветряные двигатели, перестали удовлетворять требованиям промышленности, потребовались более глубокие знания о внутренней энергии, о силе водяного пара, что привело к созданию паровых двигателей. (вода в трубке, закрытая пробкой, доведённая до кипения, выбивает пробку паром).

     В XVIII веке почти все учёные считали, что внутри всех тел есть некая жидкость  - «теплород», или «флогистон». Англ. Ученый Бенджамин Томпсон, доказал, что теплорода нет. Против теплорода выступил также М.В.Ломоносов.

    В середине XIX века было доказано, что наряду с механической энергией макроскопические тела обладают ещё и энергией, заключённой внутри самих тел. Эта внутренняя энергия входит в баланс энергетических превращений в природе.

    ( §77 Внутренняя эн. в п.Вн.эн.в МКТ с.213. Рассмотреть примеры превращения мех.эн. во внутреннюю и наоборот )

2. Изучение нового материала.

     Термодинамика – раздел физики, изучающий тепловые свойства тел без учёта их молекулярного строения.

     Учёные, заложившие теоретическую основу: Р. Клаузис (нем.физик, 1822-1888), Л.Больцман (австр.физик, 1844-1906)

     Тепловое равновесие – состояние макроскопической системы, при котором все её термодинамические параметры имеют постоянные значения.

     Любая замкнутая макроскопическая система  рано или поздно переходит в состояние теплового равновесия, из которого самопроизвольно выйти уже никогда не сможет.

     Внутренняя энергия тела – это энергия движения и взаимодействия его частиц:    U = N Ēк + Ēр

     Так как молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, то потенциальная энергия считается равной нулю.

     Внутренняя энергия идеального одноатомного газа вычисляется по формуле:  

              U = N Ēк = R T                      (N=NA ,   Ē=k T )

     Способы изменения внутренней энергии:

                    Теплопередача   и       Совершение работы

     В механике:  А= F S Cos α   или   А = ∆ Ēк.

     В термодинамике: движение тела как целого не рассматривается, речь идёт о перемещении частей макроскопического тела относительно друг друга. В результате меняется объём тела, а его скорость остаётся равной нулю. Поэтому работа в термодинамике как и в механике  А = ∆ Ēк = ∆U

     Работа внешней силы, изменяющей объём газа на ∆V, равна А = - р ∆V. Работа самого газа Á= -А = р ∆V, где р- давление газа.

3. Закрепление ЗУН.

Ответить на вопросы:

1. Чем отличается внутренняя энергия идеального газа от внутренней энергии реального газа?
2. Можно ли определить внутреннюю энергию  1 моль кислорода, используя формулу внутренней энергии одноатомного идеального газа?
3. Начальное состояние газа характеризуется параметрами р1 и  V1. При каком расширении – изотермическом  или изобарном — до объёма V2 газ совершит бóльшую работу? Ответ объяснить.
4. Чему равна работа при изохорном процессе? Ответ объяснить.

Решить задачи:

1. В баллоне находится  аргон  массой 2 кг  при  температуре 20°С. Чему равна  внутренняя энергия газа?
2. Внутренняя энергия некоторой массы одноатомного газа при 32°С равна  1 Дж. Сколько молекул содержит эта масса газа?
3. Определить внутреннюю энергию гелия, занимающего объём  5 л  и находящегося под давлением 2,94 · 105 Па

4. Итог урока.  Д/з   §77, §78, вопросы после параграфа, упр.15(1)

Карточка 1

   Определить работу газа, совершаемую в процессах, изображённых на  графиках.

Карточка 2

     Определить работу газа, совершаемую в процессах, изображённых на  

графиках.

Карточка 3

   Задача:    1 моль газа переводится из состояния А в состояние В двумя способами: АСВ и АДВ.  

 а) В каком из этих случаев совершается большая работа? Почему?    

 б) Во сколько раз отличаются работы?

р, 105 Па.

3-

2-

             1-

V,m3

        0        5        10    15         20