План урока второй закон термодинамики 8 класс
Обновлено: 05.07.2024
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики
Цель: показать необратимость процессов в природе. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.
I. Организационный момент
II. Вопросы для повторения
1. Как определить изменение внутренней энергии системы согласно первому закону термодинамики?
2. На что расходуется, согласно I закону термодинамики, количество теплоты, подведенное к системе?
3. Какой процесс называется адиабатическим?
4. Сформулируйте I закон термодинамики для адиабатного процесса.
5. За счет какой энергии совершается работа при адиабатичном расширении газа?
6. Почему при адиабатном расширении температура газа падает, а при сжатии возрастает?
III. Изучение нового материала
Задолго до открытия закона сохранения энергии Французская академия наук приняла в 1775 г. решение не рассматривать проектов вечных двигателей первого рода. Подобные решения были приняты позднее ведущими научными учреждениями других стран.
Под вечным двигателем первого рода понимают устройство, которое могло бы совершать неограниченное количество работы без затраты топлива или других материалов, т. е. без затраты энергии. Таких проектов было создано очень много. Но все они не действовали вечно, именно это привело к мнению, что здесь дело не в несовершенстве отдельных конструкций, а в общей закономерности.
Согласно I закону термодинамики, если Q = 0, то работа может совершаться за счет убыли внутренней энергии. Если запас энергии исчерпан, двигатель перестал работать. Если система изолирована и не совершается работа, то внутренняя энергия остается неизменной.
Закон сохранения энергия утверждает, что внутренняя энергия при любых ее превращениях остается неизменной, но ничего не говорит о том, какие превращения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения, в действительности не протекают.
Более нагретое тело само собой остывает, передавая свою энергию более холодным телам. Обратный процесс передачи от более холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения, но не происходит. Таких примеров можно привести много. Это говорит о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, не как не отраженную в первом законе термодинамики. Все процессы в природе необратимы (старение организмов).
Можно заставить увеличить амплитуду маятника, подтолкнув его, но это произойдет не само собой, это результат более сложного процесса, включающего толчок рукой. Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе Был установлен путем обобщения опыта.
Немецкий ученый Р. Клаузиус сформулировал его так:
Невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах
Английский ученый У. Кельвин сформулировал так:
Невозможно осуществлять периодически такой процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.
Иначе говоря, ни один тепловой двигатель не может иметь коэффициент полезного действия, равный единице.
Формулировка второго закона, данная Кельвином, позволяет выразить этот: закон в виде утверждения. Невозможно построить вечный двигатель второго рода т. е. создать двигатель, совершающий работу за счет охлаждения какого-нибудь одного тела.
Вечный двигатель второго рода не нарушает закона сохранения энергии, но если бы он был возможен, мы получили бы практически неограниченный источник работы, черпая ее из океанов и охлаждая их. Однако охлаждение океана, кал только его температура становится ниже температуры окружающей среды, означало бы переход теплоты от более холодного к телу более горячему, а такой процесс идти не может.
Второй закон термодинамики указывает направление процессов в природе.
IV. Закрепление изученного
1. Какие процессы считаются необратимыми?
2. Сформулируйте второй закон термодинамики.
3. Как связана формулировка второго закона термодинамики с необратимостью тепловых процессов?
4. В чем заключается статистическая интерпретация второго закона термодинамики?
Попробуем создать тепловую машину (длинный стеклянный сосуд с водой – горячей в нижней части и холодной в верхней), проверим ее работу в соответствии законами термодинамики.
Учитель и лаборант ставят эксперимент, по ходу разбирают принцип работы, учащиеся делают зарисовку установки в тетради, указывая основные элементы: рабочее тело (воздух в пипетке), нагреватель (сосуд с горячей водой), холодильник (сосуд с холодной водой).
Следует отметить следующие закономерности:
- Если вода в нижнем резервуаре будет иметь температуру воздуха в пипетке, воздух не сможет получить количество теплоты, что противоречило бы первому закону термодинамики, следовательно, он не сможет совершить работу, т.е. подняться вверх. Делаем вывод: наша установка не является вечным двигателем первого рода.
- Получая энергию от нагревателя, газ в пипетке нагревается, расширяется и под действием силы Архимеда, поднимается вверх. Учащиеся замечают, что, не отдавая некоторое количество теплоты холодильнику, т.е. воде в верхнем резервуаре, газ не смог бы остыть, сжаться и уже под действием силы тяжести опуститься вниз. А значит, процесс не был бы периодическим.
3. Формулирование второго закона термодинамики в различных интерпретациях
Запрещая вечный двигатель первого рода, первый закон термодинамики допускает создание такой тепловой машины периодического действия, которая была бы способна превратить в полезную работу все подводимое тепло. Такую машину называют вечным двигателем второго рода (двигатель, совершающий работу за счет охлаждения какого-либо тела). Если бы это было возможным, человечество получило бы неограниченный источник энергии, черпая его из океанов, охлаждая последние. Однако, охлаждение океана, как только его температура становится ниже температуры окружающей среды, означала бы переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, а такой процесс сам собой идти не может. Второй закон термодинамики указывает направление процессов в природе.
Например, кинофильм. Разбивается ваза. Прокрутив пленку в обратном порядке, мы увидим, как ваза вновь собирается из осколков. Этот процесс не противоречит закону сохранения энергии и законам механики. Кроме второго закона термодинамики. Процесс превращения вазы в осколки необратим. Самопроизвольно обратное превращение невозможно. Наиболее типичные необратимые процессы:
- Переход механической энергии во внутреннюю (математический маятник).
- Переход теплоты от горячего тела к холодному (на плитке нагревается вода в сосуде).
Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе.
Все процессы в природе протекают в одном направлении. И самопроизвольно в обратном направлении протекать не могут. Самые трагические из них - старение и смерть организмов. Обратный переход возможен только при участии другого тела, за счет его энергии. В случае математического маятника, необходимо периодически его толкать, например, рукой. В холодильных установках - тепло переходит от холодного тела к нагретому за счет электрической энергии.
Как и первый закон термодинамики, второй закон имеет несколько формулировок. В учебнике на странице 20 первая формулировка принадлежит английскому ученому С. Карно (учащиеся зачитывают). Вторая формулировка - немецкого физика Р. Клаузеуса (учащиеся зачитывают). Существуют и другие формулировки. Все они выражают в сущности одно и тоже и поэтому равноценны.
Еще раз обращаемся к установке тепловой машины. Вопрос к учащимся: до каких пор машина будет работать? Легко заметить, что пока есть разница температур (есть возможность получать часть тепла от нагревателя и отдавать часть тепла холодильнику), пипетка будет двигаться вверх и вниз, т.е. совершать периодическое движение.
Идея вечного движения захватывала умы человечества еще в средние века. Действительно, примером может служить непрекращающееся движение Луны вокруг Земли, Земли вокруг Солнца. Вот и возникла идея найти источник вечного движения и на Земле. Но еще Леонардо да Винчи высказывался по этому поводу о невозможности создания perpetuum mobile.
4. Самостоятельное изучение формулировки третьего закона термодинамики
Экспериментальное изучение свойств веществ при сверхнизкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273 оС), привело к установлению третьего закона термодинамики, который называется принципом недостижимости абсолютного нуля температуры. На 20-21 страницах учебника зачитаем формулировку третьего закона термодинамики и выпишем в тетрадь.
5. Закрепление нового материала и материала, изученного на предыдущих уроках. Практическое применение законов термодинамики
Дидактический материал. С.А. Тихомирова стр.50, задание 113. Стихотворение Баратынского. Какие виды энергии использует пироскаф для своего движения? (Используется энергия пара и ветра). фото №3.
Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами энергии еще недостаточно. Необходимо уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока. Человечеству нужны двигатели - устройства, способные совершить работу. Большую часть механической и электрической энергии вырабатывают тепловые двигатели. Пока равной замены им нет.
6. Самопроверка качества выполнения самостоятельной работы, самодиагностика учащихся
Учащиеся сдают учителю выполненную работу, оставляя условия заданий на столе, и коллективно проверяют правильность выполнения. Разбираются допущенные ошибки. Учащиеся выставляются оценки с учетом работы над правильностью выполнения заданий.
7. Подведение итогов урока, домашнее задание, выставление оценок учащимся
Тема: Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики. Роль термодинамики в современной физике .
Тип урока: Комбинированный.
Обеспечить усвоение учащимися основных понятий по теме, понимания сущности и значения второго закона термодинамики.
Содействовать формированию знаний физических закономерностей и влияния различных условий на характер протекания физических процессов.
Создать условия для развития интеллектуальных способностей и общеучебных умений через организацию самостоятельной работы учащихся.
Оборудование: карточки-задания для учащихся.
Методы: использование проблемных ситуаций обучение
Средства: презентация, доска
Виды работы: самостоятельная работа с учебником, работа с тестом
1.Организационный момент.
2.Актуализация знаний. Подготовка к основному этапу занятий.
Продолжительность до 7-8 минут.
Учащимся предлагается ответить на вопросы.
-Что называют внутренней энергией?
- Как можно изменить внутреннюю энергию?
- Что представляет собой I-й закон термодинамики?
- Как читается закон?
- Каковы границы применимости данного закона? (Важно: закон справедлив для замкнутых систем).
- В чем состоят недостатки закона? (Важно: в законе не дается никаких указаний на то, в каком направлении протекают процессы, удовлетворяющие принципу сохранения энергии).
- В чем заключается неравноценность одинаковых количеств энергии различных видов?
(Важно: Разные виды энергии не равноценны в отношении способности превращаться в другие виды. Механическую энергию можно целиком превратить во внутреннюю, например, электрическая энергия – внутренняя. Запасы внутренней энергии ни при каких условиях не может превратиться целиком в другие виды энергии.)
Выделенные особенности подтверждаются при разборе примеров.
3.Решение задач
1. Термодинамической системе передано количество теплоты, равное 2000 Дж, и над ней совершена работа 500 Дж. Определите изменение его внутренней энергии этой системы
2.В камере, в результате сгорания топлива выделилось количество теплоты, равное 600 Дж, а внутренняя энергия увеличилась на 400 Дж. Какую работу совершил двигатель?
3.Внутренняя энергия тела была равна U 0 = 200 кДж. Тело получило количество теплоты, равное 200 кДж, и над ним совершили работу А= 300 кДж. Определите конечную внутреннюю энергию U к тела.
4. В стоящий на столе стакан налили холодную воду. На рис. приведён график зависимости температуры воды в стакане от количества полученной ею теплоты.
Ответьте на вопросы:
а) чему равны начальная температура воды и конечная температура воды;
б) какое количество теплоты получила вода;
в) на сколько изменилась внутренняя энергия воды;
г) чему равна масса воды?
Объяснение темы
Пример 1.Если система состоит из двух тел с различной температурой, то теплообмен происходит так, что температуры тел выравниваются и вся система приходит к состоянию теплового равновесия.
I закон термодинамики не был бы нарушен, если бы передача тепла происходила от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой при условии, что полный запас энергии оставался бы неизменным.
Повседневный опыт показывает, что сама по себе передача тепла от более холодного тела к более горячему никогда не происходит.
Пример 2.Камень падает с некоторой высоты. При этом потенциальная энергия переходит в кинетическую, а затем механическая - во внутреннюю энергию. При этом закон сохранения энергии не нарушается.
Первому закону термодинамики не противоречил бы и обратный процесс: лежащий на земле камень нагревают переходом тепла от окружающих тел, вследствие чего камень поднимается на некоторую высоту.
Описанную ситуацию в природе наблюдать нельзя.
Рассмотрим следующие примеры
Сосуд разделен перегородкой. В первой половине находится газ, во второй – вакуум. Что произойдет, если перегородку убрать? Вернется ли газ самопроизвольно через некоторое время в половину 1?
в)
Сравните две ситуации и сделайте вывод.
1. Два тела привели в соприкосновение. Укажите направление теплопередачи. Может ли самопроизвольно теплота передаваться в обратном направлении?
2.В стакан с водой опустили кусочек марганцовки. Через некоторое время получился равномерно окрашенный раствор. Может ли снова образоваться кусочек марганцовки?
Необратимость тепловых процессов.
Формулировка второго закона термодинамики
Самостоятельная работа с учебником
5.Закрепление полученных знаний.
Выполнение теста. Время работы 3 минуты.
Какие величины входят в первый закон термодинамики?
Выберите несколько из 5 вариантов ответа:
1) V 2) Q 3) A 4) T 5) U
Какой основной источник энергии в тепловых двигателях? Выберите один из 3 вариантов ответа:
1) Топливо 2) внешние силы 3) кинетическая энергия заряженных частиц
Выберите тепловые двигатели:
Выберите несколько из 5 вариантов ответа:
1) электрический двигатель 2) турбореактивный двигатель самолета
3) Двигатель внутреннего сгорания 4) реактивный двигатель ракеты
5) газовая турбина
Какова будет формулировка первого закона термодинамики в случае "вечного двигателя"? Выберите один из 3 вариантов ответа:
Изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое равна сумме…….
Количество теплоты, переданное газу, идет на изменение…….
Процесс проходящий без теплообмена с окружающей средой называется……
Вечный двигатель –это……
Приучение к ценностям
Межпредметная связь
Математика (вычислительные навыки при решении задач
Предшествующие знания
Строение газообразных веществ, давление газа, механическая работа, изменение внутренней энергии, количество теплоты, закон сохранения энергии, расширение и сжатие газа.
Запланированные этапы урока
Виды запланированных упражнений на уроке
Начало урока
(К) Объединение в группы
По цвету стикеров учащиеся объединяются в группы.
1.Что такое внутренняя энергия?
2.От каких величин зависит внутренняя энергия?3. Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела?
3. Чем отличается работа, совершаемая газом, от работы, совершаемой внешними телами над газом?
4. Что такое количество теплоты?
5. Как вы думаете взаимосвязаны ли эти величины между собой?
(К) Подведение к теме урока. Целеполагание.
1. Как вы думаете какова тема нашего сегодняшнего урока?
Что я хочу узнать
Учащиеся заполняют 1 и 2 столбцы
Данная стратегия позволяет узнать, что знал ученик до начала урока, что хочет узнать.
Ответы учащихся на вопросы таблицы определяют цели урока. Озвучиваются критерии урока.
Стикеры разного цвета
Середина урока
Новую тему учащиеся изучают самостоятельно в группах по учебнику. Каждая группа получает свою часть текста:
1. Первый закон термодинамики
2. Работа пара и газа
3. Первый закон термодинамики и вечный двигатель первого рода.
Должны прочитать текст, продумать, как, каким образом можно запомнить его и пересказать, составить по 2 вопроса, направленные на понимание сущности текста. Учащиеся могут записать опорные слова, начертить рисунки, схемы, формулы или кластеры. После работы с текстом группы перераспределяются таким образом, чтобы в каждой оказались представители всех трех групп. Каждый рассказывает свою часть текста, используя подготовленные в группе ресурсы для объяснения (опорные слова, формулы, таблицы или, схемы. или кластеры). Объяснив и обсудив тему в группе, спикеры групп возвращаются на свои места.
Устная обратная связь учеников
2-3 ученика дают отзыв на то, как работали одноклассники в группе
(Г) Ответы на вопросы по изучаемому материалу.
Вопросы передаются каждой группой в соседнюю группу справа. Группа отвечает на вопросы, пишет ответы и возвращает их.
По ответам на вопросы группа оценивает знания группы.
(Г) Решение задач
Все три группы получают одинаковые задачи
А . Газ нагрели в закрытом сосуде, передав ему 150 кДж теплоты. Какую работу совершил газ? Как изменилась внутренняя энергия?
В. При передаче газу количества теплоты 19 кДж он совершает работу, равную 52 кДж. Чему равно изменение внутренней энергии газа?
С. 20г 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)).
(Дифференциация: учитель наблюдает за работой группы дает рекомендации и оценку отдельных учащихся)
Дискрипторы:
1. Записывает условие задачи
2. переводит единицы измерения в СИ
3. записывает формулу 1 закона термодинамики
4. правильно выполняет вычисления
5. записывает ответ
(И) . Таблица на соответствие
Для опрееделения степени усвоения нового материала учащимися учитель дает задание на заполнение таблицы на соответствие. Каждый учащийся получает задание на карточке. Стрелками показывает правильные ответы.
Из предложенных формул выберете правильную математическую запись 1 закона термодинамики и соотнесите их с правильной формулировкой
Q= ΔU + A
Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение его внутренней энергии и работе внешних сил
Q= Δ U+ A'
Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение его внутренней энергии и на совершение им механической работы
Изменение внутренней энергии тела при переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, переданного телу и на совершение им механической работы
Изменение внутренней энергии тела при переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, переданного телу и работе внешних сил
1. Знает первую математическую запись первого закона термодинамики
2. Знает первую формулировку первого закона термодинамики
3. Умеет соотнести первую математическую запись первого закона термодинамики с его формулировкой
(П) взаимооценивание по дескрипторам.
Устная обратная связь учителя
Читайте также: