Первый закон термодинамики - это закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления

А +Q = ΔU

Q = ΔU +

Пример: Когда мы сжимаем снежок руками, то произведенная нами работа и переданное количество теплоты идут на увеличение внутренней энергии снежка. Часть снега плавится, а образовавшаяся вода, замерзая, образует прочные связи.

Почему венозная кровь у жителей тропиков светлая? Почему скользят сани?

Следствия:

1. Внутренняя энергия замкнутой системы остается с течением времени неизменной. Если Q = 0 и А = 0, то ΔU = 0.

2. Невозможно создать вечный двигатель (лат. perpetuum mobile — перпетуум мобиле).Если Q = 0, то = - ΔU

Вечный двигатель 1-го рода — воображаемая, непрерывно действующая машина, которая, будучи раз запущенной, совершала бы работу без получения энергии извне. Когда сказали: "невозможно построить вечный двигатель" – возникла термодинамика. Прозорливость французской Академии наук, которая еще в 1775 г., задолго до открытия закона сохранения энергии (середина XIX века), решили не принимать к рассмотрению проекты вечных двигателей.

Вывод: Первый закон термодинамики – главный бухгалтер природы. Если кто-то получал 5 рублей, а 3 из них израсходовал, то у него осталось 2 рубля.

IV. Задачи:

1. Свинцовая пуля летит со скоростью 200 м/с и попадает в земляной вал. На сколько градусов нагреется пуля, если 75% кинетической энергии пули превратится во внутреннюю энергию?

2. Пятью ударами молотка гвоздь забили в деревянную стену. Какую силу нужно, приложить к шляпке гвоздя, чтобы выдернуть его? Масса молота 200 г, скорость перед ударом 5 м/с, длина гвоздя 10 см.

3. Кусок льда всплывает с глубины 500 м. Оцените, какая часть льда растает. Температура воды и льда 0⁰С, удельная теплота плавления льда 3,3∙10⁵ Дж/кг.

4. В высоком теплоизолированном цилиндре под поршнем находится гелий. Поршню толчком сообщают скорость 2 м/с. На сколько выше начального положения окажется поршень после того, как система окажется в равновесии? Трением и теплообменом пренебречь, над поршнем вакуум.

Вопросы:

1. В процессе сжатия над газом совершена работа 60 МДж, при этом он передал окружающей среде 40 МДж тепла. Определите изменение внутренней энергии тела.

2. В 1807 г. физик Ж. Гей-Люссак, изучая свойства газов, установил, что сжатый газ, расширяясь в пустоту, не охлаждается, а при расширении в атмосферу – охлаждается. Почему?

3. Два одинаковых стальных шарика упали с одной и той же высоты. Первый упал в вязкий грунт, а второй, ударившись о камень, отскочил и был пойман рукой на некоторой высоте. Какой из шариков больше нагрелся?

4. Объясните, почему и как трение между движущимися частями машины приводит к выделению тепла.

5. Помешивая ложечкой горячий чай, мы вызываем его охлаждение. Почему?

6. Почему дрожат замерзшие люди и животные?

7. Какова наиболее вероятная последовательность превращения различных видов энергии при рубке дров топором?

V. §26 Упр. 6 № 3, 6

1. Подготовить пятиминутное сообщение о жизни и научной деятельности ученых, открывших первый закон термодинамики.

2. Почему при посадке самолета идет дым от колес. Оценить количество тепла, выделяемого при торможении.

"За основу тут мы берем положение такое: из ничего не творится ничто".

Лукреций

Урок 5. ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ

ЦЕЛЬ УРОКА: Научить учащихся применять первый закон термодинамики к изопроцессам. Дать представление об адиабатном процессе.

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Воздушное огниво, серный эфир, вата.

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. Первый закон термодинамики.

2. Следствия первого закона термодинамики.

Задачи:

1. Теплоизолированный цилиндрический сосуд разделен на две части неподвижной непроницаемой перегородкой. По одну сторону от перегородки находятся 2 моля одноатомного газа при температуре 300 К, а по другую - 3 моля одноатомного газа при температуре 400 К. Какая температура установится в сосуде, если перегородку убрать? Газы считать идеальными.

2. На сколько изменится температура каждого из двух одинаковых шаров в результате лобового удара, если скорость налетающего шара уменьшилась с 10 м/с до 4 м/с. Второй шар до удара покоился. Удельная теплоемкость материала шаров 300 Дж/(кг∙К).

3. Порция азота занимает объем 20 л при давлении 0,5 атм и температуре 300 К. С газом производят следующий процесс: ему медленно сообщают количество теплоты 300 Дж, при этом температура газа увеличивается на 10 К. Сжимается газ или расширяется?

Вопросы:

1. Почему при слабом морозе снежок слепить легко, а при сильном это сделать невозможно?

2. Почему пушечный ствол от холостого выстрела нагревается сильнее, чем от выстрела со снарядом?

3. Газ совершает работу 2 кДж при передаче ему количества теплоты 7 кДж. Чему равно изменение внутренней энергии газа?

4. За счет, какой энергии совершается работа по перемещению ртути в термометре для измерения температуры тела?

5. Идеальный газ занимает половину теплоизолированного сосуда, в другой половине которого вакуум. Что произойдет с температурой газа, если мгновенно убрать разделительную перегородку?

6. В ветреную погоду у людей отмерзает носы. Между тем приходится читать о том, что метеориты раскаляются от трения о воздух. Почему не нагревается нос?

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

III. Основные формулы:

А + Q = ΔU; ;

Q = ΔU +A; A = -рΔV; U = U (T) – для идеального газа.

Процесс	Необходимые условия для протекания	Направление процесса	Конечный результат	Формула – закон	График
Изохорное нагревание	V=const Q>0	A¢=0, DU>0	T-увел. р - увел.	Q=DU
Изобарное охлаждение (сжатие)	р=const Q<0	A>0, DU<0	T-уменьш. V-уменьш.	Q+A=DU
Изотермическое сжатие	T=const A>0	DU=0, Q<0	V- уменьш. р - увел.	A= -Q
Адиабатное сжатие	Q=0, A>0	DU>0	V- уменьш. T-увел. р - увел.	A= DU	V

Демонстрация адиабатного процесса. Примеры: подъем теплого влажного воздуха вверх и образование облаков.

Вывод: Адиабатный процесс протекает в термодинамической системе без теплообмена с окружающей средой.

IV. Задачи:

1. При изобарном (р = 9∙10⁶ Па) расширении на 0,5 м³ газ совершил работу. В процессе расширения газу передано количество теплоты 13,25∙10⁶ Дж. Рассчитайте изменение внутренней энергии газа.

2. Для изобарного нагревания 800 молей газа на 500 К газу сообщили количество теплоты 8,3 МДж. Определить работу газа и приращение его внутренней энергии.

Вопросы:

1. Почему нагревается обшивка летательного аппарата при его движении в атмосфере Земли?

2. Чем отличается процесс изотермического расширения газа от процесса его изобарного нагревания и что между ними общего?

3. При работе пневматического молота, работающего сжатым воздухом, наблюдается обмерзание молота снаружи. Как объяснить охлаждение молота?

4. Какую работу произвел газ, если он получил количество теплоты 300 Дж, а его внутренняя энергия увеличилась на 200 Дж?

5. Объясните, почему кусок резины нагревается, если его растянуть?

6. Из начального состояния до некоторого объема газ расширяется в одном случае изотермически, в другом адиабатно. В каком из этих процессов окончательное давление больше, и в каком совершается большая работа?

7. Каковы возможные причины охлаждения поверхности океана на 2 – 3⁰С в зоне действия сильного подводного землетрясения?

8. Ракета стартует с Земли и разгоняется до нужной скорости. Нагревается ли при разгоне воздух внутри ракеты? Стенки ракеты нетеплопроводные.

V.

§27. Упр. №8 – 10

1. Оцените скорость вылета пули из патрона, брошенного в костер.

2. Сухой воздух переносится слабым ветром через горный перевал высотой 1 км. Оцените, на сколько температура воздуха на перевале ниже, чем у подножья гор.

3. Составьте обобщающую таблицу "Первый закон термодинамики", используя рисунки, чертежи и текстовый материал.

"Учение - это труд, непременно труд, а не развлечение ".

И.К. Кикоин

Урок 6. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

ЦЕЛЬ УРОКА: Научить учеников применять первый закон термодинамики при решении задач.

ТИП УРОКА: Решение задач.

ОБОРУДОВАНИЕ: Микрокалькулятор.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 15 мин

3. Решение задач 25 мин

4. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1. Применения первого начала термодинамики в изопроцессах.

2. Адиабатный процесс.

Задачи:

1. Какое количество теплоты потребовалось подвести к молю идеального одноатомного газа при его изобарном нагревании, если в процессе нагревания газ совершил работу 10 Дж? (25Дж) Вопрос: Для идеального одноатомного газа работа в изобарном процессе составляет 2/5 от подведенного количества теплоты, а для двухатомного газа сколько?

2. В сосуде емкостью 2 л находится кислород под давлением 1 атм. Стенки сосуда могут выдержать давление до 10 атм. Какое максимальное количество теплоты можно сообщить газу?

3. В теплоизолированном герметичном сосуде находится два моля идеального одноатомного газа при температуре 300 К и нормальном атмосферном давлении. Найти давление газа после включения на три минуты небольшого электронагревателя мощностью 16,6 Вт, помещенного в сосуд.

4. Оцените верхний предел температуры аргона, подвергающегося сжатию поршнем-пулей в цилиндре-стволе, если пуля массой 100 г влетает в ствол, имеющий объем 200 см³, с начальной скоростью 250 м/с. Начальная температура газа 300 К, давление 1 атм.

5. Вертикальный цилиндр разделен поршнем массы m. Над поршнем вакуум, а ниже поршня газообразный гелий. К газу подводится тепловая мощность N, при этом поршень поднимается с постоянной скоростью. Найдите эту скорость. Трением пренебречь.

Вопросы:

1. Почему ветер, дующий с гор, как правило, сухой и горячий, ведь в горах холодно и влажно?

2. Прогретый у земной поверхности влажный воздух поднимается вверх. Совершает ли он при этом работу? Как изменяется его внутренняя энергия? Каковы последствия этого процесса?

3. В каком случае при сжатии газа в цилиндре до одного и того же конечного объема совершается большая работа: при медленном перемещении поршня или при быстром? Цилиндр не теплоизолирован.

4. Можно ли указать процесс, в котором газ нагревается, отдавая тепло?

5. Сжимая газ адиабатно, мы совершаем работу. Увеличивается ли при этом потенциальная энергия молекул газа?

6. Откуда получает энергию заметающая вода, разрывая трубы парового отопления?

7. Всегда ли подведение тепла к системе приводит к увеличению её внутренней энергии?

8. Почему в формирующейся туче возникают мощные восходящие потоки?

9. Почему нисходящие потоки в зрелой туче не прекращаются и тем самым вызывают ее разрушение?

10. Почему при увеличении внешнего давления температура кристаллизации воды понижается, а температура плавления льда наоборот повышается?

Задачи:

1. Один моль идеального одноатомного газа находится при нормальных условиях. Какое количество теплоты надо сообщить газу, чтобы провести процесс, показанный на рисунке (n = 2)?

2. Два моля идеального одноатомного газа находятся в равновесном состоянии при температуре 250 К.

Газ сначала нагревают изобарно, а затем – изохорно. В результате давление газа увеличивается на 20%, а объем увеличивается в 1,5 раза. Какова работа газа? Какое количество теплоты он получил в этих двух процессах?

3. Внутри откаченной до глубокого вакуума установки находится герметичный теплоизолированный цилиндрический сосуд, заполненный идеальным одноатомным газом. Сосуд закрыт сверху теплонепроницаемым поршнем. Газ занимает при этом объем V. На поршень ставят гирю той же массы, что и масса поршня. Найти объем газа в новом положении равновесия.

4. Гелий расширяется в процессе 1 - 2, в котором его давление пропорционально объему, от температуры Т до температуры 1,2 Т. Затем гелий расширяется изобарно в процессе 2 - 3 до температуры 1,5 Т. Найти отношение количеств теплоты, полученных газом в процессах 2 - 3 и 1 - 2.

5. Процесс расширения одного моля газа изображен на рисунке. Найти количество теплоты, полученное газом и максимальную температуру газа в этом процессе.

6. В теплоизолированном сосуде, стоящем на столе, находится под поршнем в равновесии идеальный одноатомный газ. Поршень массой m находится на расстоянии L от дна сосуда и прикреплен ко дну пружиной жесткости к. Пружина не напряжена, сверху над поршнем вакуум. К газу через нагреватель Н подводится количество теплоты Q. На какое расстояние переместится поршень? Трением поршня о стенки сосуда, теплоемкостью пружины и поршня пренебречь.

IV. Упр. 6 №7, 11, 12

1. Вообразите мир, в котором не выполняется первый закон термодинамики. Чем еще интересен этот мир?

2. С какой высоты должен падать парашютист без парашюта в вакууме, чтобы от него не осталось мокрого места?

3. Вы надежно закрыли отверстие велосипедного насоса и изо всех сил быстро сжали в нем воздух. Оцените максимальную температуру воздуха в насосе, которую можно получить в этом случае.

4. Найти температуру газа при максимальном сжатии, если поршню массы m сообщили скорость υ. Система теплоизолирована. Начальные Р, Т и V известны.