Урок по теме первый закон термодинамики. «Первый закон термодинамики». Тема урока:. Цели урока: Повторить закон сохранения энергии. Сформулировать первый закон термодинамики. Уметь применять. Проверка знаний по темам: "Кристаллические и аморфные тела. Вну

План-конспект урока по теме:

« Первый закон термодинамики»

Абрамова Тамара Ивановна, учитель физики

Цели: 1. Образовательная - сформулировать 1 закон термодинамики; рассмотреть следствия, вытекающие из него.

2. Развивающая – развитие способов мыслительной деятельности (анализ, сравнение, обобщение), развитие речи (владение физическими понятиями, терминами), развитие познавательного интереса учащихся.

3. Воспитательная – формирование научного мировоззрения, воспитание устойчивого интереса к предмету, положительного отношения к знаниям.

Организационные формы и методы обучения:

  • Традиционные – беседа на вводном этапе урока
  • Проблемные – изучение нового учебного материала путем постановочных вопросов

Средства обучения:

  • Инновационные – компьютер, мультимедийный проектор
  • Печатные – тестовые задания

Ход урока:

  1. Организационный момент
  2. Повторение домашнего задания :
  • Какими способами можно изменить внутреннюю энергию системы? (за счет совершения работы, либо за счет теплообмена с окружающими телами)
  • Как находится работа газа и работа внутренних сил над газом при постоянном давлении? (А г = -А внеш= р ΔV)
  • Мука из-под жерновов выходит горячей. Хлеб из печи вынимают также горячим. Чем вызывается в каждом из этих случаев увеличение внутренней энергии муки и хлеба? (Муки- совершением работы, хлеба- за счет теплообмена)
  • В медицинской практике часто используются согревающие компрессы, грелки, а также массаж. Какие способы изменения внутренней энергии при этом используются? (теплообмен и совершение работы)
  1. Объяснение нового материала:

Вы знаете, что механическая энергия никогда не пропадает бесследно.

Разогревается кусок свинца под ударами молотка, нагревается холодная чайная ложка, опущенная в горячий чай.

На основании наблюдений и обобщений опытных фактов был сформулирован закон сохранения энергии.

Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

Закон был открыт в середине ХIX века немецким ученым Р. Майером, английским ученым Д.Джоулем. Точную формулировку закона дал немецкий ученый Г.Гельмгольц.

Мы рассматривали процессы, в которых внутренняя энергия системы изменялась либо за счет работы, либо за счет теплообмена с окружающими телами (слайд 1)

А как изменяется внутренняя энергия системы в общем случае? (слайд 2)

I закон термодинамики формулируется именно для общего случая:

ΔU = Aвнеш + Q

А газа = - А внеш,

Q = ΔU + Aг

Следствия:

  1. Система изолирована (А= О, Q=0)

Тогда Δu = u2-u1=0, или u1=u2 - Внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной

  1. Невозможность создания вечного двигателя – устройства, способного совершать работу без затрат топлива .

Q = ΔU + Aг, Q=0,

Аг= - ΔU. Исчерпав запас энергии двигатель перестанет работать.

  1. Закрепление

(работа с навигатором – вывод обобщается)

Решение задачи 1

Проверка ответа (слайд 3)

Решение задачи 2

Проверка ответа (слайд 4)

  1. Заключение (слайд 5)
  2. Рефлексия

(Кому понравился урок – поднимаем руки с жестом «палец вверх», (слайд 6), кому не понравился- поднимаем руки с жестом «палец вниз» (слайд 7)

  1. Домашнее задание : п. 78, упр. 15 (2,6)

Навигатор

По теме: « I Закон термодинамики».

Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления.

Изменения внутренней энергии:

ПРОБЛЕМА:

Как изменяется внутренняя энергия в общем случае?

ΔU = А внеш + Q

Вывод:

  1. Изменение внутренней энергии системы при переходе системы из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе.
  2. Аг= - А внеш
  • углубить знания об изопроцессах,
  • отработать навыки решения задач по данной теме,
  • развивать коммуникативные умения, навыки,
  • учить самооценке.

    • Ход урока.

    Подготовка к работе в группах.

    Работа с классом (устно).

    Что называется внутренней энергией?

    Как можно изменить внутреннюю энергию газа?

    Как определить количество теплоты, необходимое для нагревания тела?

    Написать уравнение теплового баланса для трех тел.

    Когда количество теплоты отрицательно?

    Как определить работу газа при расширении?

    Чем отличается работа газа от работы внешних сил?

    Сформулировать первый закон термодинамики для работы внешних сил.

    Сформулировать первый закон термодинамики для работы газа.

    Применение первого закона термодинамики к изохорному процессу.

    Применение первого закона термодинамики к изобарному процессу.

    Применение первого закона термодинамики к изотермическому процессу.

    Какой процесс называется адиабатным?

    Применение первого закона термодинамики к адиабатному процессу.

    Работа в группах.

    Каждая группа получает лист, на котором указаны теоретические задания и задачи. Теоретическая часть содержит пять вопросов. Группа берет для подготовки к ответу вопрос, соответствующий ее номеру. В практической части содержится десять задач по две на каждую из указанных тем в теории. Задачи расположены беспорядочно. Это означает, что учащиеся должны сначала найти задачи, соответствующие их теоретическому вопросу, затем решить. Дополнительные данные для решения задач берутся из справочников.

    После окончания работы групп вызываются по два ученика по очереди от каждой группы: один отвечает теорию, другой пишет краткое условие одной задачи на доске. (Другая задача этой группы может быть проверена выборочно на этом же уроке или на следующем.) Отвечать теорию и объяснять задачи должны уметь все члены группы; поощряется использование дополнительного материала в теоретической части.

    Задачи в тетрадях пишут все ученики.

    Четкая организация работы приводит к активной деятельности всех ребят. Координаторы групп в конце урока сдают листы, на которых отмечают вклад членов группы в ее работу.

    Деятельность групп и отдельных учеников окончательно оценивает учитель.

    Образец листа.

    Теоретическая часть
    1. Изохорный процесс.
    2. Изотермический процесс.
    3. Изобарный процесс.
    4. Адиабатный процесс.
    5. Теплообмен в замкнутой системе.

    Практическая часть
    1. В цилиндре под поршнем находится 1.25 кг воздуха. Для его нагревания на 4 0 С при постоянном давлении было затрачено 5 кДж теплоты. Определите изменение внутренней энергии газа.
    2. 0,02 кг углекислого газа нагревают при постоянном объеме. Определите изменение внутренней энергии газа при нагревании от 20 0 С до 108 0 С (с = 655 Дж/(кг К)).
    3. В теплоизолированном цилиндре с поршнем находится азот массой 0,3 кг при температуре 20 0 С. Азот, расширяясь, совершает работу 6705 Дж. Определите изменение внутренней энергии азота и его температуру после расширения (с = 745 Дж/(кг К)).
    4. Газу сообщают количество теплоты, в результате чего он изотермически расширяется от объема 2 л до объема 12 л. Начальное давление равно 1,2 10 6 Па. Определите работу, совершенную газом.
    5. В стеклянную колбу массой 50 г, где находилось 185 г воды при 20 0 С, вылили некоторое количество ртути при 100 0 С, и температура воды в колбе повысилась до 22 0 С. Определите массу ртути.
    6. 1,43 кг воздуха занимают при 0 0 С объем 0,5м 3 . Воздуху сообщили некоторое количество теплоты и он изобарно расширился до объема 0,55м 3 . Найти совершенную работу, количество поглощенного тепла, изменения температуры и внутренней энергии воздуха.
    7. В цилиндре под поршнем находится 1,5 кг кислорода. Поршень неподвижен. Какое количество теплоты необходимо сообщить газу, чтобы его температура повысилась на 8 0 С? Чему равно изменение внутренней энергии? (с v = 675 Дж/(кг К))
    8. В цилиндре под поршнем находится 1,6 кг кислорода при температуре 17 0 С и давлении 4·10 5 Па. Газ совершил работу при изотермическом расширении 20Дж. Какое количество теплоты сообщено газу? Чему равно изменение внутренней энергии газа? Каков был первоначальный объем газа?
    9. Сколько теплоты выделится при конденсации 0,2 кг водяного пара, имеющего температуру 100 0 С, и при охлаждении полученной из него воды до 20 0 С?
    10. Цилиндр с газом помещен в теплонепроницаемую оболочку. Как будет изменяться температура газа, если постепенно увеличивать объем цилиндра? Чему равно изменение внутренней энергии газа, если будет совершена работа над газом 6000 Дж?

    Автономное учреждение

    профессионального образования

    Ханты-Мансийского автономного округа – Югры

    «СУРГУТСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

    Кузмауль Мария Сергеевна, преподаватель физики

    Тема урока: Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам

    Цель : ввести первый закон термодинамики как закон сохранения энергии термодинамической системы, раскрыть его физическое содержание при рассмотрении изопроцессов, сформировать умения использовать первый закон термодинамики для описания газовых процессов.

    Задачи:

    образовательные: изучить первый закон термодинамики как закон сохранения энергии термодинамической системы, раскрыть его физическое содержание при рассмотрении конкретных процессов, ввести понятие об изотермическом, изобарном, изохорном, адиабатном процессе, сформировать умения использовать первый закон термодинамики для описания газовых процессов.

    развивающие: развить навыки применения первого закона термодинамики при решении задач, научить составлять алгоритм решения задач, развить познавательного интерес.

    воспитывающие: воспитывать мировоззрение учащихся на основе метода научного познания природы.

    Оборудование к уроку : мультимедийный проектор, экран, таблица, пробирка с пробкой, термометр, вода, лист бумаги, таблица "удельная теплоемкость различных веществ".

    Тип урока: комбинированный

    Методы ведения урока: письменный опрос, беседа, метод алгоритмизации, использование ИКТ.

    План урока.

    Этапы урока

    Время, мин.

    Приёмы и методы

    1. Организационный момент

    2. Проверка знаний

    Письменный опрос, практическая работа.

    3. Изучение новой темы

    Рассказ, демонстрации, записи в тетрадях, диалог

    4. Закрепление материала (Решение задач)

    Решение задач, ответы на вопросы

    5. Рефлексия

    Ответы на вопросы

    6. Домашнее задание с комментариями

    Ход урока

      Организационный момент урока.

    Здравствуйте, сегодня мы продолжаем изучение главы «Основы термодинамики». Для начала повторим изученный материал прошлого урока, затем перейдём к изучению нового материала.

    2. Проверка знаний по темам: "Кристаллические и аморфные тела. Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии":

    I . Провести письменный опрос на 2 варианта:

    1 вариант

    2 вариант

    1. Что такое кристаллические тела?

    1. Что такое аморфные тела?

    2. Перечислите свойства кристаллических тел.

    2. Перечислите свойства аморфных тел.

    3. На доске приведен список различных тел: эбонит, жемчуг, пластмасса, алмаз, соль, стекло, каучук, графит, полиэтилен, янтарь, сода.

    выбрать из списка аморфные тела

    Ответ: эбонит, пластмасса, стекло, каучук, полиэтилен.

    выбрать из списка кристаллические тела

    Ответ: алмаз, соль, жемчуг, сода, графит

    4. Общее задание (для всех вариантов) - объяснить на основе проведенного опыта наблюдаемые явления:

    «Изменение внутренней энергии тела»

    Опыт № 1. Приборы и материалы: 1) пробирка химическая, закрытая пробкой; 2) термометр; 3) цилиндр измерительный с носиком 100 мм с холодной водой; 4) лист бумаги; 5) таблица «Удельная теплоемкость веществ».

    Порядок выполнения работы

      Налейте в пробирку немного воды (8-10 г) и измерьте ее температуру.

      Закройте пробирку пробкой и заверните в бумагу. Энергично встряхивайте воду в пробирке в течение 30-40 с.

      Откройте пробирку и снова измерьте температуру воды.

      Вычислите изменение внутренней энергии воды.

      Результаты измерений и вычислений запишите в тетрадь.

      Ответьте на вопросы:

    Как изменялась внутренняя энергия воды во время опыта?

    Каким способом вы изменяли внутреннюю энергию воды в опыте?

    Зачем пробирку с водой необходимо было заворачивать в бумагу во время опыта?

    Что можно сказать о зависимости изменения внутренней энергии тела от совершенной работы?

    Опыт №2. Потрите ладони друг об друга. Что вы чувствуете? Почему ладони греются? (учащиеся объясняют, что внутренняя энергия изменяется за счёт совершения работы).

    3. Изучение нового материала.

    1). Повторить материал о внутренней энергии, способах изменения внутренней энергии и формулы расчета количества теплоты. Систематизировать материал темы в виде схемы, ответив на вопросы:

      Что называем внутренней энергий?

      Какими способами можно изменить внутреннюю энергию?

      Что называется работой?

      Что называем количеством теплоты?

      Назовите процессы, сопровождающиеся выделением и поглощением тепла.

    2). Изучение новой темы

    Устная информация:

    К середине XIX в. многочисленные опыты доказали, что механическая энергия никогда не пропадает бесследно. Падает, например, молот на кусок свинца, и свинец нагревается вполне определенным образом. Силы трения тормозя тела, которые при этом разогреваются

    На основании множества подобных наблюдений и обобщения опытных фактов был сформулирован закон сохранения энергии:

    Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

    Закон сохранения энергии управляет всеми явлениями природы и связывает их воедино. Он всегда выполняется абсолютно точно, неизвестно ни одного случая, когда бы этот великий закон не выполнялся.

    Этот закон был открыт в середине XIX в. немецким ученым, врачом по образованию Р. Майером (1814-1878), английским ученым Д. Джоулем (1818-1889) и получил наиболее точную формулировку в трудах немецкого ученого Г. Гельмгольца (1821 - 1894).

    Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.

    В термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести которых практически не меняется. Механическая энергия таких тел остается постоянной, изменяться может лишь внутренняя энергия каждого тела.

    Под запись:

    Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

    ∆U = A + Q .

    Часто вместо работы А внешних тел над системой рассматривают работу А" системы над внешними телами. Учитывая, что А"=-А, первый закон термодинамики можно записать так:

    Q =∆ U + A ′

    Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами .

    ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ К РАЗЛИЧНЫМ ПРОЦЕССАМ

    Учащиеся записывают в виде таблицы полученную информацию от преподавателя.

    (Комментарий: форма таблицы роздана на парты заранее, преподаватель работает с доской.).

    Q=∆U+A′

    или

    ∆U=A+Q

    Смотреть формулировку 1 закона термодинамики.

    Адиабатный

    Q = const

    ∆U = A

    Изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы

    С помощью первого закона термодинамики можно делать важные заключения о характере протекающих процессов. Рассмотрим различные процессы, при которых одна из физических величин остается неизменной (изопроцессы). Пусть система представляет собой идеальный газ. Это самый простой случай.

    Изотермический процесс.

    При изотермическом процессе (Т= const ) внутренняя энергия идеального газа не меняется. Согласно формуле все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы: Q = A " .

    Если газ получает теплоту ( Q >0), то он совершает положительную работу (А">0). Если, напротив, газ отдает теплоту окружающей среде (термостату), то Q <0 и А"<0. Работа же внешних сил над газом в последнем случае положительна.

    Изохорный процесс.

    При изохорном процессе объем газа не меняется, и поэтому работа газа равна нулю. Изменение внутренней энергии равно количеству переданной плоты: ∆ U = Q .

    Если газ нагревается, то Q >0 и ∆ U >0, его внутренняя энергия, увеличивается. При охлаждении газа Q <0 и ∆ U = U 2 - U l <0, изменение внутренней энергии отрицательно и внутренняя энергия газа уменьшается.

    Изобарный процесс.

    При изобарном процессе (P = const ) передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии и на совершение им работы при постоянном давлении.

    Q =∆ U + A ′

    Адиабатный процесс.

    Рассмотрим теперь процесс, протекающий в системе, которая не обменивается теплотой с окружающими телами.

    Процесс в теплоизолированной системе называют адиабатным.

    При адиабатном процессе Q =0 и согласно уравнению изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы:

    ∆U = A .

    Конечно, нельзя окружить систему оболочкой, абсолютно не допускающей теплопередачу. Но в ряде случаев можно считать реальные процессы очень близкими к адиабатным. Для этого они должны протекать достаточно быстро, так, чтобы за время процесса не произошло заметного теплообмена между системой и окружающими телами.

    4. Закрепление (Решение задач).

    Рассмотрим различные примеры задач на использование и применение первого закона термодинамики

    В закрытом баллоне находится газ. При охлаждении его внутренняя энергия уменьшилась на 500 кДж. Какое количество теплоты отдал газ? Совершил ли он работу?

    Дано: ΔU = -500 Дж;

    Найти: Q - ? А - ?

    V = const - изохорный процесс

    1) ∆U=Q - 1 закон термодинамики для нашего условия.

    Q = -500 Дж

    2) Т. к. объём не меняется: А = Р ΔV → А = 0 - газ работу не совершает.

    Ответ: Q = -500 Дж; А = 0

    знак «-» показывает, что газ выделяет количество теплоты

    Задача-вопрос (качественный)

    В сосуд, на дне которого была вода, накачали воздух. Когда открыли кран и сжатый воздух вырвался наружу, сосуд заполнился водяным туманом. Почему это произошло?

    Если открыть кран, то воздух начнет расширяться и выходить наружу. Данный процесс происходит очень быстро и его можно рассматривать как адиабатное расширение. А при адиабатном расширении согласно первому закону термодинамики внутренняя энергия газа уменьшается а значит и температура уменьшается. При понижении температуры пар в сосуде становится насыщенным и происходит конденсация

    Чте ние условия, анализ задачи (использование общих закономерностей) и решение.

    Вспомнить что такое конденсация, насыщенный пар.

    Графический

    Идеальный газ переходит из состояния 1 в состояние 4 так, как показано на рисунке. Вычислите работу, совершаемую газом.

    Вся работа, совершенная газом равна сумме работ на отдельных участках.

    Для определения работы на каждом участке графика определяем:

    какой параметр постоянный, исходя из этого определяем запись 1 закона термодинамики к данному процессу

    На основе рассмотренных примеров решения задач учащиеся пытаются составить общий алгоритм решения задач. Затем преподаватель включается в деятельность и совместно с учащимися вносит корректировки в составление алгоритма.

    Общий алгоритм решения задач по термодинамике

    1. Внимательно прочитать условие задачи, определить тип задачи;

    2. Записать краткое условие задачи;

    3. Перевести единицы измерения в СИ (если требуется);

    4. Определить параметры p,V и T, характеризующие каждое состояние газа. Записать 1 закон термодинамики для необходимого процесса, дополнительные формулы, если потребуются (для расчета внутренней энергии, работы, количества теплоты, газовые законы);

    6. Провести математические преобразования и расчёты;

    7. Проанализировать полученный результат и записать ответ.

    5. Рефлексия

    Сегодня на уроке мы изучили первый закон термодинамики, раскрыли его физическое содержание при рассмотрении изопроцессов – изотермического, изобарного, изохорного, адиабатного, научились использовать первый закон термодинамики для описания газовых процессов.

    6. Домашнее задание: изучить § 78, 79, выучить конспект в тетради, выполнить упр.15 (№7,8)

    Список литературы:

    Каменецкий С.Е., Орехов В.П. Методика решения задач по физике в средней школе: Пособие для учителей. - М.: Просвещение, 1971. - 448 с.

    Усова А.В. Практикум по решению физических задач: пособие для студентов физ.-мат. ф-тов/ А.В. Усова, Н.Н. Тулькибаева. - М.: Просвещение, 2001. - 208 с.

    Воспитательная цель: добиться усвоения учащимися закона сохранения и превращения энергии для тепловых процессов - первого закона термодинамики; показать практическую значимость закона

    Основные знания и умения: знать формулировку закона, определение адиабатного процесса и уметь интерпретировать природные явления на основе законов термодинамики

    Оргмомент (сообщить план урока) СЛАЙД 1
    Повторение изученного материала: дать названия различным процессам на графике, выбрать формулы для каждого участка, ответить на вопросы СЛАЙДЫ 2 - 4

    1. Почему на двух участках не меняется температура?

    2. Что происходит с молекулами на каждом участке?

    3. В каких случаях Q>0 и Q<0?

    4. В каком состоянии находится вещество на этих участках?

    5. Дать определение изопроцессам.

    6. Что называется внутренней энергией и от чего она зависит?

    7. В каком случае газ совершает работу? От чего зависит знак работы?

    8. Что называется количеством теплоты?

    9. Какие формулы мы применяем при расчете количества теплоты?

    3. Решение задач. Пока производится устный опрос, остальные учащиеся решают задачи на

    расчет количества теплоты по вариантам СЛАЙД 5

    Проверка решения задач
    Повторение: способы изменения внутренней энергии
    Повторение: закон сохранения энергии и примеры его проявления в природе
    Первый закон термодинамики: определение и формула (записать)
    Первый закон термодинамики для изохорного процесса (записать)
    Первый закон термодинамики для изотермического процесса (записать)
    Первый закон термодинамики для изобарного процесса (записать)
    Адиабатный процесс (записать). Рассмотреть примеры
    Уравнение теплового баланса (записать)
    Образец решение задачи на уравнение теплового баланса (записать)
    Итоги урока:

    1. Формулировкапервого закона

    2. Как изменяется уравнение для разных процессов?

    3. Какой процесс называется адиабатным?

    4. Примеры адиабатных процессов?

    5. Почему охлаждается атмосфера при удалении от поверхности Земли?

    15. Домашнее задание:

    Знать формулировки закона

    Первый закон термодинамики

    На рис. 3.9.1 условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную работу над окружающими телами.

    Рисунок 3.9.1.

    Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы.

    Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

    Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

    Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.

    Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:

    Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.

    Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней энергии.

    Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.

    В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0. Следовательно,

    Q = ΔU = U(T2) - U(T1).

    Здесь U(T1) и U(T2) - внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).
    В изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается соотношением

    A = p(V2 - V1) = pΔV.

    Первый закон термодинамики для изобарного процесса дает:

    Q = U(T2) - U(T1) + p(V2 - V1) = ΔU + pΔV.

    При изобарном расширении Q > 0 - тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 - тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.
    В изотермическом процессе температура газа не изменяется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU = 0.

    Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением

    Количество теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического расширения, превращается в работу над внешними телами. При изотермическом сжатии работа внешних сил, произведенная над газом, превращается в тепло, которое передается окружающим телам.

    Наряду с изохорным, изобарным и изотермическим процессами в термодинамике часто рассматриваются процессы, протекающие в отсутствие теплообмена с окружающими телами. Сосуды с теплонепроницаемыми стенками называются адиабатическими оболочками, а процессы расширения или сжатия газа в таких сосудах называются адиабатическими.

    Модель. Адиабатический процесс.

    В адиабатическом процессе Q = 0; поэтому первый закон термодинамики принимает вид

    т. е. газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии.

    На плоскости (p, V) процесс адиабатического расширения (или сжатия) газа изображается кривой, которая называется адиабатой. При адиабатическом расширении газ совершает положительную работу (A > 0); поэтому его внутренняя энергия уменьшается (ΔU < 0). Это приводит к понижению температуры газа. Вследствие этого давление газа при адиабатическом расширении убывает быстрее, чем при изотермическом расширении (рис. 3.9.2).

    Рисунок 3.9.2.

    Семейства изотерм (красные кривые) и адиабат (синие кривые) идеального газа.

    В термодинамике выводится уравнение адиабатического процесса для идеального газа. В координатах (p, V) это уравнение имеет вид

    Это соотношение называют уравнением Пуассона. Здесь γ = Cp / CV - показатель адиабаты, Cp и CV - теплоемкости газа в процессах с постоянным давлением и с постоянным объемом (см. §3.10). Для одноатомного газа для двухатомного для многоатомного

    Работа газа в адиабатическом процессе просто выражается через температуры T1 и T2 начального и конечного состояний:

    A = CV(T2 - T1).

    Адиабатический процесс также можно отнести к изопроцессам. В термодинамике важную роль играет физическая величина, которая называется энтропией (см. §3.12). Изменение энтропии в каком-либо квазистатическом процессе равно приведенному теплу ΔQ / T, полученному системой. Поскольку на любом участке адиабатического процесса ΔQ = 0, энтропия в этом процессе остается неизменной.

    Адиабатический процесс (так же, как и другие изопроцессы) является процессом квазистатическим. Все промежуточные состояния газа в этом процессе близки к состояниям термодинамического равновесия (см. §3.3). Любая точка на адиабате описывает равновесное состояние.

    Не всякий процесс, проведенный в адиабатической оболочке, т. е. без теплообмена с окружающими телами, удовлетворяет этому условию. Примером неквазистатического процесса, в котором промежуточные состояния неравновесны, может служить расширение газа в пустоту. На рис. 3.9.3 изображена жесткая адиабатическая оболочка, состоящая из двух сообщающихся сосудов, разделенных вентилем K. В первоначальном состоянии газ заполняет один из сосудов, а в другом сосуде - вакуум. После открытия вентиля газ расширяется, заполняет оба сосуда, и устанавливается новое равновесное состояние. В этом процессе Q = 0, т.к. нет теплообмена с окружающими телами, и A = 0, т.к. оболочка недеформируема. Из первого закона термодинамики следует: ΔU = 0, т. е. внутренняя энергия газа осталась неизменной. Так как внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, температуры газа в начальном и конечном состояниях одинаковы - точки на плоскости (p, V, изображающие эти состояния, лежат на одной изотерме. Все промежуточные состояния газа неравновесны и их нельзя изобразить на диаграмме.


    Физический диктант. 1. Какая физическая величина наз. внутренней энергией? 2. В каких единицах измеряется внутренняя энергия? 3. Запишите формулу для нахождения внутренней энергии идеального одноатомного газа. 4. Функцией каких величин является внутренняя энергия реальных газов? 5. Назовите способы изменения внутренней энергии. 6. Что такое количество теплоты? 7. Как называется вид теплообмена при котором энергия передается с потоком воздуха или жидкости? 8. Как изменяется внутренняя энергия газов при расширении?


    9. Найдите работу газа и работу внешних сил над газом по данному графику. Р,Па V,м Сравните работу газа А 1 и А 2 на графиках. Р VV P


    Лабораторная работа. «Изменение внутренней энергии тела при совершении работы». Порядок выполнения работы: 1. Налейте в пробирку немного воды и измерьте ее температуру. Сделайте запись в тетради t1=. 2. Закройте пробирку пробкой и заверните в бумагу. Энергично встряхивайте воду в пробирке в течении с. 3. Откройте пробирку и снова измерьте температуру воды t2= 4. Сделайте выводы, ответив на вопросы: - Как изменилась внутренняя энергия воды во время опыта? Почему? - Каким способом вы изменяли внутреннюю энергию воды? Какие превращения энергии здесь происходили? - Зачем пробирку с водой необходимо было заворачивать в бумагу во время опыта?


    Закон сохранения энергии был открыт в середине 19 века. Майер Юлиус Роберт () Немецкий естествоиспытатель, врач. Первым сформулировал закон сохранения энергии. Идеи и приоритет Майера долгое время не были признаны.


    Закон сохранения энергии был открыт в середине 19 века. Гельмгольц Герман Людвиг Фердинанд () Немецкий ученый, автор фундаментальных трудов по физике, биофизике, физиологии, психологии. Впервые математически обосновал Закон сохранения энергии, показав его всеобщий характер.


    Закон сохранения энергии был открыт в середине 19 века. Джоуль Джеймс Прескотт () Английский физик. Экспериментально обосновал закон сохранения энергии. Установил закон, определяющий тепловое действие электрического тока. Вычислил скорость движения молекул газа и установил ее зависимость от температуры.




    Q = A Г + ΔU Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы." title="Первый закон термодинамики. или, т.к. А газа = -А внешних сил => Q = A Г + ΔU Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы." class="link_thumb"> 11 Первый закон термодинамики. или, т.к. А газа = -А внешних сил => Q = A Г + ΔU Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы. Q = A Г + ΔU Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы."> Q = A Г + ΔU Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы."> Q = A Г + ΔU Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы." title="Первый закон термодинамики. или, т.к. А газа = -А внешних сил => Q = A Г + ΔU Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы."> title="Первый закон термодинамики. или, т.к. А газа = -А внешних сил => Q = A Г + ΔU Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы.">


    Из первого закона термодинамики следует невозможность создания вечного двигателя. Вечный двигатель (лат. perpetuum mobile) – воображаемая, непрерывно действующая машина, которая, будучи раз запущенной, совершала бы работу без получения энергии извне. Схема одного из проектов вечного двигателя, основанного на действии сил тяжести.


    ΔU=A вн +Q Решение задач. Q =A г +ΔU 1. Термодинамической системе передано количество теплоты 200 Дж. Как изменилась внутренняя энергия системы, если при этом она совершила работу 400 Дж? 2. Газ в сосуде сжали, совершив работу 30 Дж. Внутренняя энергия газа при этом увеличилась на 25 Дж. Получил ли извне теплоту газ или отдал ее окружающей среде, и какое количество? Р 546, 549.