Энергию электромагнитного излучения, обеспечивающего тепловое равновесие между отдельными участками тела

Суммарную кинетическую энергию поступательного и вращательного движения молекул;

Суммарную потенциальную энергию взаимодействия молекул;

Энергию колебательного движения атомов;

Энергию электронных оболочек атомов;

Внутриядерную энергию;

Энергию электромагнитного излучения, обеспечивающего тепловое равновесие между отдельными участками тела.

Полная энергия, запасенная в теле, измеряется произведением массы тела на квадрат скорости света в вакууме (СТО).

Внутренняя энергия (U) - свойство тела совершать работу или передавать количество теплоты окружающим телам при определенных условиях, измеряемое произведением массы тела на квадрат скорости света.

U=m∙c² с = 3∙10⁸ м/с

В термодинамике под внутренней энергией тела понимают ту часть его полной внутренней энергии, которая связана с движением и взаимодействием его частиц.

Энергия распределяется равномерно по степеням свободы, поэтому на одну степень свободы приходится . Молекулы идеального одноатомного газа имеют i = 3, поэтому , а средняя энергия молекулы идеального двухатомного газа (i = 5), так как молекула может еще и вращаться относительно двух взаимно перпендикулярных осей.

У твердых тел и многоатомных газов (i = 6, за исключением СО₂, у которого i = 5).

В общем случае: .

Тепловое равновесие.

Температура (Т) - свойство равновесной термодинамической системы иметь одинаковую среднюю энергию, приходящуюся на одну степень свободы молекулы, прямо пропорциональное ей, измеряемое термометром в Кельвинах.

В каких случаях внутренняя энергия тела может изменяться? Демонстрации: нагревание куска свинца ударами молота, образование тумана при быстром расширении воздуха в сосуде и т.д.

Работу газа, или работу над газом, как и количество теплоты, можно измерить, и, следовательно, определить изменение внутренней энергии газа в конкретном процессе.

Зависимость внутренней энергии от макроскопических параметров тела? U=U (T, V).

У идеального газа: U=U (T).

IV. Задачи:

1. В баллоне находится аргон массой 5 кг при температуре 300 К. Какая полная энергия запасена в аргоне? Чему равна внутренняя энергия газа? Какую часть составляет внутренняя энергия от полной энергии, запасенной в аргоне?

2. Вычислите увеличение внутренней энергии 1 моля идеального одноатомного газа при увеличении его температуры на 1 К. Какую энергию необходимо сообщить газу для этого?

3. В цилиндре, закрытом подвижным поршнем, находится воздух. Во время опыта объем воздуха в цилиндре уменьшили в два раза, а его абсолютную температуру увеличили в два раза. Оказалось, однако, что воздух мог просачиваться сквозь зазор вокруг поршня, и за время опыта его давление в цилиндре повысилось только в 3 раза. Во сколько раз изменилась внутренняя энергия воздуха в цилиндре?

4. Воздух состоит в основном из азота и кислорода. Концентрация молекул азота при этом в 4 раза больше концентрации молекул кислорода. Чему равна кинетическая энергия вращения молекул азота, содержащегося в комнате объемом 60 м³? Атмосферное давление 10⁵ Па.

Вопросы:

1. Почему выскакивают искры при ударе кремния о сталь?

2. Увеличивает ли сильный ветер температуру переносимого им воздуха?

3. Движущийся сосуд, содержащий некоторую массу идеального газа, внезапно останавливается. Что произойдет с давлением газа в сосуде?

4. В сосуде находится смесь азота и неона. Одинаковы ли средние кинетические энергии хаотического движения молекул этих газах?

5. Некий изобретатель объявил, что он придумал машину, которая позволяет из тонны угля получать энергию 9∙10¹⁹ Дж. Поверите ли вы этому заявлению?

6. При движении сосуда с газом относительно некоторой ИСО, в данной системе отсчета средняя скорость его молекул больше. Не означает ли это, что и температура газа в разных ИСО различна?

7. Внутренняя энергия идеального одноатомного газа определяется формулой . Объясните тогда, зачем мы топим печь, ведь давление и объем газа в комнате не изменяются, а, следовательно, не меняется внутренняя энергия газа.

8. Как изменились бы температура и внутренняя энергия двухатомного газа, если бы внезапно прекратилось бы взаимодействие атомов в молекулах?

V.

§ 23. Упр. 6, № 1.

1. Составьте обобщающую таблицу "Внутренняя энергия", используя рисунки, чертежи и текстовый материал.

2. Оцените, какую массу воды можно нагреть до кипения, если энергию, равную всей кинетической энергии молекул воздуха в комнате, передать воде, находящейся при комнатной температуре.

3. Определить на основании молекулярно — кинетической теории скорость изменения внутренней энергии идеального одноатомного газа при квазистатическом (медленном) передвижении со скоростью V поршня в цилиндре площадью S. Считать, что давление газа р известно в любой момент времени.

"И в этот час печальная природа

Лежит вокруг, вздыхая тяжело,

……………………………………..

И снится ей блестящий вал турбины,

И мерный звук разумного труда,

И пенье труб, и зарево платины,

И налитые током провода".

Н.А. Заболоцкий

Урок 2. РАБОТА В ТЕРМОДИНАМИКЕ

ЦЕЛЬ УРОКА: Развить представления учащихся о понятии "работа". Научить учеников определять изменение внутренней энергии термодинамической системы по
изменению ее внешних параметров.

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Стеклянный сосуд с пробкой, насос ручной, гальванометр, термопара, диафильм "Закон сохранения энергии в тепловых процессах", обобщающая таблица "Внутренняя энергия".

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 25 мин

4. Закрепление 5 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1.Что и как изучает термодинамика?

2. Внутренняя энергия.

Задачи:

1. Вычислить увеличение внутренней энергии 2 кг водорода при повышении его температуры на 10 К.

2. Закрытый сосуд содержит некоторое количество разреженного газа ксенона при температуре 100 К. Сосуд движется поступательно со скоростью 5 м/с. Какая температура установится в сосуде после того, как его резко остановить? Как изменится ответ, если скорость сосуда составляет 500 м/с?

3. В компьютерной модели двухмерного газа молекулы представляют собой тонкие невесомые стерженьки длины 1 мм с одинаковыми точечными массами на концах. 10000 таких "молекул" в начальный момент времени движутся "поступательно" с одинаковыми по величине скоростями 1 см/с в квадратном сосуде площади 1 м². Все удары гантелей друг о друга и о бортик "сосуда" абсолютно упругие. Оцените среднее время, необходимое для полного оборота гантели после установления движения в системе (движение гантелей плоское).

Вопросы:

1. Если теплота есть не что иное, как движение молекул, то чем отличается горячий, но покоящийся футбольный мяч от холодного, но быстро движущегося?

2. По показаниям какого прибора – термометра или барометра – можно судить о внутренней энергии всего воздуха, находящегося в вашей комнате?

3. В сосуде находится смесь азота и неона. Одинаковы ли средние кинетические энергии молекул этих газов; средние кинетические энергии поступательного движения молекул?

4. При температурах ниже 2,17 К гелий становится сверхтекучим, то есть способным протекать без трения сквозь узкие щели. Почему при этом у оставшегося гелия температура повышается?

5. Несколько частиц сталкиваются так, что максимально возможная часть их кинетической энергии переходит во внутреннюю энергию. Как движутся частицы после столкновения?

III. Как можно изменить внутреннюю энергию тела?

Два способа: 1. Совершая работу. 2. Передавая системе некоторое количество теплоты.

Примеры: Потирание рук друг о друга, удары молотком по куску свинца (демонстрация), сжатие газа под поршнем (демонстрация). Во всех случаях произведенную работу можно измерить и определить изменение внутренней энергии тела. В качестве примера рассчитаем работу, произведенную газом.

А = F∙l∙cosα; l = h₂ – h₁.

; .

A = - рΔV

При расширении газа V₂ > V₁, А'>0, А<0.

При сжатии газа V₂<V₁, А'<0, А>0.

Причина изменения внутренней энергии газа при сжатии (аналогия с футболистом, ударяющим по мячу при встречном движении). Примеры: Я совершил работу 500 Дж и моя внутренняя энергия уменьшилась на...? Над телом была совершена работа 500 Дж и его внутренняя энергия...? Работа может быть произведена за счет уменьшения внутренней энергии системы (демонстрация), либо за счет сообщения системе некоторого количества теплоты (демонстрация или примеры). Геометрическое истолкование работы:

(работа газа в изотермическом процессе)

Выводы: Работа — характеристика способа передачи энергии.

Совершая над системой работу, мы вынуждаем ее частицы двигаться упорядочение, и наоборот, если система совершает работу над окружающими телами, она вызывает в них упорядоченное движение.

Работа () - свойство тела передавать упорядоченное движение другим телам при взаимодействии с ними, приводящее к изменению его внутренней энергии, измеряемое в термодинамике произведением давления на изменение объема газа.

IV. Задачи:

1. Какую работу совершит газ, расширяясь при постоянном давлении 3 атм от объема 3 л до объема 18 л?

2. Какую работу произведут 320 г кислорода при изобарном нагревании на 10 К?

3. Воздух, занимающий объем 2 л при давлении 0,8 МПа, изотермически расширился до 10 л. Определите работу, совершенную воздухом.

4. В цилиндре сечением 250 см² находится 10 г азота, сжатого невесомым поршнем, на котором лежит гиря массой 12,5 кг. Какую работу произведет газ при нагревании его от 27 до 627⁰С? На сколько увеличится при этом объем газа. Атмосферное давление 10⁵ Па.

5. В сосуде под поршнем находится 1 моль газа. Его температура увеличивается на 1 градус в минуту, а объем за 3 минуты изменился от 30 литров до 31 литра. Давление же газа за это время практически не менялось. Найти это давление.

V. §24 Упр. 6, № 2-4.

1. Составьте обобщающую таблицу "Работа", используя рисунки, чертежи и текстовый материал.

2. Оцените скорость, которую бы приобрели осколки закупоренной бутылки с водой, если бы притяжение между молекулами воды внезапно исчезло.

3. Вы хотите построить установку, использующую среднесуточный перепад давлений 100 Па для получения механической энергии. Считая, что температура в комнате постоянна, оцените максимальный выход механической энергии за месяц от установки с рабочим объемом 1 м³.

"Если теплота не есть субстанция, то она должна быть качеством: и это качество может быть только движением..."

Т. Юнг

Урок 3. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ

ЦЕЛЬ УРОКА: Развить представления учащихся о понятии "количество теплоты". Научить учащихся определять в некоторых случаях изменение внутренней энергии термодинамической системы по изменению ее внутренних параметров.

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Калориметр, прибор Тиндаля, нагреватель, термометр, диафильм "Закон сохранения энергии в тепловых процессах".

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3 Объяснение 25 мин

4. Закрепление 5 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1. Работа в термодинамике.

2. Работа газа в изопроцессах.

Задачи:

1. Пар совершает работу 20 кДж по перемещению поршня площадью 200 см². При этом давление пара убывает от 2 МПа до 0,1 МПа. Считая зависимость давления от объема линейной, определите расстояние, на которое переместится поршень.

2. Для движения торпеды используется двигатель, работающий на сжатом воздухе. Определите полезную максимальную работу, производимую двигателем, если объем сжатого воздуха 0.2 м³, давление сжатого воздуха 2∙10⁷ Па. Торпеда отрегулирована на движение в воде на глубине 3 м. Температура сжатого воздуха и воды 280 К. Считая движение торпеды равномерным, определите силу тяги двигателя, если радиус действия торпеды 2 км.

3. Вертикально стоящий цилиндр перекрыт поршнем площадью S и массой М. Между поршнем и цилиндром есть трение. Поршень начнет опускаться, если на него надавить силой F₁, и подниматься, если его потянуть вверх силой F₂. Найдите давление в цилиндре, если атмосферное давление равно р₀.

4. На расстоянии 10 км от эпицентра взрыва первой атомной бомбы Энрико Ферми держал на ладони мелкие бумажки, которые ударная волна снесла на 1 м. Оцените по этим данным энергию, выделившуюся при взрыве атомной бомбы. Площадь поверхности шара в 4 раза больше площади круга такого же радиуса (Архимед).

Вопросы:

1. Начальное состояние газа характеризуется параметрам р₀ и V₀. При изотермическом или изобарном расширении до некоторого объема газ произведет большую работу?

2. Будет ли работать гидравлический пресс, если его цилиндры заполнить не жидкостью, а газом? Какая из шин автомобиля нагреется больше при его движении – слабо или сильно накачанная?

3. Что общего между сжатой пружиной и сжатым газом?

4. Почему мука выходит из-под жернова горячей?

5. Со дна водоема поднимается пузырек воздуха. Совершает ли газ работу?

6. С неподвижным шаром сталкивается движущийся шар такой же массы, после чего они движутся как одно целое. Какая доля механической энергии перешла во внутреннюю энергию?

7. Почему при надувании воздушного шарика сначала надувать его очень трудно, а по мере увеличения объема все легче?

III. Второй способ изменения внутренней энергий тела - сообщение ему некоторого количества теплоты.