Конспект урока по теме: Внутренняя энергия (термодинамика 10 класс)


Урок №1. Тема: «Внутренняя энергия»
Цели урока:
Образовательные: сформулировать понятие внутренней энергии; способы ее изменения.
Воспитательные: продолжить воспитание личностных качеств; ответственность, организованность.
Развивающие: продолжить формирование элементов творческого поиска, уметь сравнивать, выявлять закономерности, обобщать, логически мыслить.
Тип урока: урок изучения нового материала.
Демонстрации: зависимость между объемом, давлением и температурой; изменение внутренней энергии тела в результате выполнения работы.
План урока:
Организационный момент (2 мин).
Постановка учебной проблемы (5 мин).
Объяснение нового материала (17 мин).
Закрепление нового материала (10 мин).
Подведение итогов и рефлексия (3 мин).
Домашнее задание (3 мин).
Ход урока
Организационный момент
Приветствует учащихся. Сегодня на уроке мы приступим к изучению новой темы «Внутренняя энергия». Первоначальные сведения о внутренней энергии вы получили еще в курсе физики 7 класса. Теперь вам предстоит более глубоко изучить вопросы термодинамики.
Постановка учебной проблемы
Выяснить, как наиболее эффективно может быть использована внутренняя энергия тел.
На стол с определенной высоты падает пластилиновый шарик. Ответьте на вопросы:
Какую энергию имел шарик на начало движения?
Происходит ли переход энергии во время падения? Какой именно?
Какую энергию имел шарик непосредственно перед ударом? Куда делась эта энергия?
Если тереть лед при температуре 0°С, он будет превращаться в воду, температура которой 0°С. Во что же превращается в этом эксперименте механическая энергия?
Объяснение нового материала
Для решения поставленной проблемы необходимо вспомнить вместе с учащимися, что существует два способа, которыми можно уменьшить энергию одного тела и передать ее другому телу. Учитель: «Какие способы изменения внутренней энергии вы помните?» Ученики: «Это теплопередача и работа».
Учитель: «Какие виды теплопередачи вы знаете?» Ученики: «Теплопроводность, конвекция, излучение». Учитель: «Дайте определение каждой из них». Ученики: «Теплопроводность – это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии, от частиц более нагретой части к частицам его менее нагретой части. Конвекция – это теплообмен в жидких и газообразных средах, осуществляемый потоками (или струями) вещества. Излучение – это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами».
Учитель: «Приведите примеры изменения внутренней энергии путем теплопередачи (без совершения работы)». Ученики: «Утюг остывает, а окружающие предметы нагреваются; горячее тело, опущенное в холодную жидкость, остывает, его внутренняя энергия уменьшается, а жидкость нагревается, и ее внутренняя энергия увеличивается». Учитель: «А теперь приведите пример изменения внутренней энергии при совершении работы». Ученики: «Нагревание металлических предметов при их механической обработке».
Ответ проверяют демонстрацией: нагревание свинца ударами молотка (приложение 1).
Решают задачи: 1) Каким запасом внутренней энергии обладает земная атмосфера (m=1018кг). 2) Оценить приближенно (без учета потенциальной энергии молекул) энергию морей и океанов (m=1021кг).
Учитель: «Можно ли использовать эту энергию в народном хозяйстве и производстве? Ответ обоснуйте». Ученики: «Эти колоссальные запасы энергии не могут быть причислены к энергетическим ресурсам, так как возможности использования внутренней энергии существенно отличаются от использования механической энергии». Учитель: «Предметом изучения в нашей теме и будут особенности использования внутренней энергии».
На современном этапе развития энергетики до 80% всех действующих в мире электростанций составляют тепловые, которые используют внутреннюю энергию различных видов топлива (в том числе и ядерного).
Более 200 лет назад М. В. Ломоносов в работе «Размышления о причине теплоты и холода» писал: «Так как тела могут двигаться двойным движением – общим, при котором все тело непрерывно меняет свое положение при неподвижных друг относительно друга частиц, и внутренним, которое является изменением места нечувствительных частиц материи, и так как при самом быстром общем движении не наблюдается теплоты, а при его отсутствии наблюдается теплота, то очевидно, что теплота состоит во внутреннем движении материи» .
Рисунок 1 – Демонстрация падения шарика
Таблица 3 – Ход урока
Номер шага Деятельность учителя и содержание этапа Действия учащихся
1. Показывает вводный опыт: Массивный металлический шар падает на свинцовую пластину (рисунок 1) . Смотрят, воспринимают факты посредством органов чувств. Результаты опытов фиксируют в тетради.
2. Предлагает сформулировать вывод из опыта. Формулируют умозаключение:
Потенциальная энергия шара, поднятого над Землей, переходит в кинетическую энергию движения шара, но после удара о пластину нет видимого перехода кинетической энергии в потенциальную.
3. После удара о пластину Ek=0 и Ep=0. Тело поднятое над Землей обладает потенциальной энергией.
При движении вниз потенциальная энергия шара переходит в кинетическую энергию движения шара.
4. Предлагает вспомнить закон сохранения механической энергии. В замкнутой консервативной системе механическая энергия сохраняется (Eмех=const, при Fвнеш=0).
5. «Что произошло с шаром и пластиной при ударе?» Ответ: Шар нагрелся, пластина деформируется и нагревается.
6. «Куда девалась механическая энергия?» Ответ: Перешла во внутреннюю энергию.
7. Ставит вопрос: «Что такое внутренняя энергия?» Актуализируют имеющиеся знания:
Внутренняя энергия – это сумма кинетической энергии хаотического движения молекул и потенциальной энергии взаимодействия молекул друг с другом.
8. Предлагает сформулировать вывод из опыта Делают вывод:
В результате удара шара о пластину изменилось состояние пластины – она деформировалась и нагрелась.
9. Ставит вопрос: «Какова связь среднекинетической энергии теплового поступательного движения молекул с абсолютной температурой?» Актуализируют имеющиеся знания: mυ22=32KT.
10. Ставит вопрос: «Можно ли оценить количественно внутреннюю энергию твердого тела и жидкости?» Ответ: Так как внутренняя энергия тела состоит не только из кинетической энергии молекул, но и из потенциальной энергии их взаимодействия, оценить значение этой энергии для твердого тела и жидкости трудно.
11. Ставит вопрос: «Для какого вещества можно оценить количественно внутреннюю энергию?» Ответ: Для идеальных газов.
12. Ставит вопрос: «Что понимается под идеальным газом?» Идеальный газ – это газ, молекулы которого представляют собой материальные точки, а их взаимодействие носит характер абсолютно упругого удара.
13. Ставит вопрос: «Что такое внутренняя энергия для идеального газа?» Ответ: Внутренняя энергия идеального газа – это сумма кинетической энергии хаотического движения молекул, то есть U=i=1NEik.
14. Ставит вопрос: «Какой энергией в среднем обладает каждая молекула идеального газа?» Актуализация имеющихся знаний. Каждая молекула идеального газа в среднем обладает кинетической энергией: Ek=32kT.15. Ставит вопрос: «Чему будет равна внутренняя энергия идеального газа, состоящего из N молекул?» Делают вывод: U=EkN=32kTN.16. Ставит вопрос: «Как можно найти число молекул N?» Актуализация имеющихся знаний. По формуле: N=NAmM (произведение числа Авогадро на количество вещества).
17. Ставит вопрос: «Тогда какая формула получится для определения внутренней энергии идеального газа?» Выводят формулу: U=32NAmMkT.
18. Ставит вопрос: «Как называется величина равная произведения постоянной Больцмана на число Авогадро (NAk)?»Актуализация имеющихся знаний: NAk=R - универсальная газовая постоянная.
19. Ставит задачу: «Получите окончательно формулу для определения внутренней энергии идеального одноатомного газа». Выполняют задачу: U=32mMRT - формула внутренней энергии идеального одноатомного газа.
20. Ставит вопрос: «Отчего зависит изменение внутренней энергии идеального газа?» Формулируют умозаключение: Изменение внутренней энергии идеального газа связано с изменением его температуры.
21. Ставит вопрос: «Тогда по какой формуле это изменение внутренней энергии можно определить?» Записывают формулу: ∆U=32νR∆T или ∆U=32mMR∆T.
22. Предлагает сформулировать вывод об изменении внутренней энергии идеального газа для m=const. Делают вывод:
Изменить внутреннюю энергию идеального газа, не меняя его массу, можно, только изменив его температуру.
Если в каком – либо процессе температура данной массы идеального газа не изменяется, то и его внутренняя энергия остается прежней.
23. Предлагает проанализировать формулу U=32mMRT. Ставит вопрос: «От чего еще зависит внутренняя энергия одноатомного идеального газа?» Проводят анализ:
Идеальный газ описывается уравнением Менделеева – Клапейрона, которое связывает между собой давление, объем и температуру (pV=νRT).
T,V,p,ν – характеристики внутреннего состояния термодинамической системы.
Следовательно, внутренняя энергия есть функция температуры, давления и других параметров системы.
24. Ставит вопрос: «Функцией каких величин является механическая энергия системы?» Актуализация имеющихся знаний:
Кинетическая энергия – это функция скоростей системы.
Потенциальная энергия – это функция координат этой системы.
25. Ставит вопрос: «Чем отличаются параметры, описывающие систему, в формуле внутренней энергии, от параметров в механической энергии?» Актуализация имеющихся знаний:
T,V,p – параметры, характеризующие внутреннее состояние системы.
υ и (x,y,z) – это внешние параметры.
26. Ставит вопрос: «Как ведут себя кинетическая и потенциальная энергии при изменении состояния системы?» Формулируют умозаключения:
При изменении состояния системы эти виды энергии остаются постоянными.
27. Подводит первичный итог новой темы: Всякая энергия является функцией состояния тела или системы тел. Совокупность всех видов энергии, заключенных в рассматриваемой системе, кроме Ek и Ep, ее как целого, называют внутренней энергией. Воспринимают и записывают в тетрадь полученную информацию.
28. Дает новую информацию: Внутренняя энергия состоит из кинетической и потенциальной энергии частиц поступательного и колебательного движений, из энергии электронных оболочек атомов, из внутриядерной энергии и энергии электромагнитного излучения. Поэтому ее определяют по общей формуле: U=i2mMRT, где U – внутренняя энергия системы,
i – число степеней свободы.
Число степеней свободы – это число независимых координат, переменные, характеризующие состояние системы.
i=3- если газ одноатомный;i=5-если газ двухатомный;i=6-если газ трех-и более атомный.m – масса вещества,
M – молярная масса вещества,
R – молярная газовая постоянная, R=8,31Джмоль*К,
T – термодинамическая температура.
Единицы этих величин:
[U]=1 Дж; [m]=1 кг; [M]=1 кгмоль; [T]=1 К; [i] – безразмерная величина. Воспринимают и записывают в тетрадь информацию.
Закрепление нового материала
192024068707000Подсчитать изменение внутренней энергии для 0,3 кг кислорода, находящегося в закрытом сосуде, при его охлаждении на 10°С.
∆U-?Решение
148590-63500m=0,3 кг∆U=i2mMR∆T,M=32*10-3кгмоль∆U=520,332*10-3*8,31*10=2540 Дж.∆T=10 KОтвет: ∆U=2540 Дж.R=8,31Джмоль*КV=consti=5
Вычислить внутреннюю энергию воздуха, находящегося в классе. Давление атмосферное 1,01*105 Па, объем взять по размерам класса: 6*12*3 м3. Учитывая, что воздух состоит из кислорода и азота, число степеней свободы равно 5, как у всех двухатомных газов.
1977390107950038671527749500U-?Решение:
p=1,01*105ПаU=i2νRT;pV=νRT⇒V=6*12*3 м3U=52*1,01*105*6*12*3=5,5*107 Джi=5Ответ: 5,5*107Дж.
Сравнение: Это почти такая же энергия, которая требуется для подъема тяжелого самолета на высоту 30 м.
В стальном баллоне находится гелий массой 0,5 кг при температуре 10°С. Как изменится внутренняя энергия гелия, если его температура повысится до 30°С?
1862455260350038671527368500∆U-?Решение:
m=0,5 кгU1=32mμRT1; U2=32mμRT2;T1=283 K∆U=U2-U1=32mμRT2=32mμR(T2-T1);
T2=303 K
M=4*10-3кгмоль∆U=32mμR∆T;
R=8,31 ДжК*моль∆U=кг*ДжК*моль*Ккг*моль=Дж;∆U=320,54*10-3*8,31*303-283=31,2кДж.
Ответ: 31,2 кДж.
Упражнение «Микрофон». Закончите предложения.
Внутренняя энергия – это сумма кинетической энергии хаотического движения молекул и …
Она обозначается буквой…, а количество теплоты обозначается буквой…
Количество теплоты и внутреннюю энергию измеряют в… .Какой энергией обладают молекулы? Почему? (Кинетической, потому что движутся. Потенциальной, потому что взаимодействуют.)Для чего мы ввели модель идеального газа? (Чтобы не учитывать взаимодействие молекул, так как идеальный газ – это газ, молекулы которого не взаимодействуют.) Какой вывод можно сделать об энергии молекул идеального газа? (Они обладают только кинетической энергией.)
Итоги урока и рефлексия
Сегодня на уроке вы узнали, как наиболее эффективно может быть использована внутренняя энергия тел, по какой формуле ее можно вычислить, что изменить внутреннюю энергию идеального газа, не меняя его массу, можно, только изменив его температуру. Что внутренняя энергия есть функция состояния системы и функция давления, объема, температуры и других внутренних параметров. Оглашает оценки учащихся за работу на уроке. Рефлексия: Что сегодня на уроке узнали? Что было непонятно?
Домашнее задание: § 75, №622 (617) .

Приложенные файлы


Добавить комментарий