Теплова рівновага. Температура

План-конспект уроку фізики  _________

в 10 класі

Тема. Теплова рівновага. Температура

 Мета уроку:

навчальна - ознайомити учнів з умовою теплової рівноваги, погли­бити і розширити поняття про температуру

розвивальна – формувати в учнів вміння користуватися науково-популярною  літературою та виявлення творчих здібностей при розв’язуваннні вправ;

виховна – виховати трудолюбивість, точність і чіткість при відповідях  і  розв’язуванні завдань та навчити дітей «бачити» фізику навколо себе

Тип уроку: вивчення нового матеріалу

План уроку

Хід уроку

І. Організаційна частина

ІІ. Мотивація пізнавальної діяльності

ІІІ. Вивчення нового матеріалу

1. Теплова рівновага

Щодня ми стикаємося з тілами, що знаходяться в різних ста­нах, для яких характерні певні параметри. Наприклад, шматок льоду, принесений в кімнату взимку, і повітря в кімнаті мають різну температуру. Через деякий час у результаті теплообміну між льодом і повітрям температура льоду підвищиться, а повітря зни­зиться, лід розтане, вода, що утворилася з нього нагріється, темпе­ратура води та повітря в кімнаті буде однаковою.

Кажуть, що між водою і повітрям встановилася теплова, або термодинамічна рівновага, а макроскопічні системи являють со­бою термодинамічну систему.

^ Термодинамічна система — сукупність макроскопічних сис­тем, які можуть обмінюватися енергією між собою та з зов­нішніми тілами. Термодинамічну систему, яка не бере участі в теплообміні з навколишніми тілами, називають теплоізо- льованою.

Теплоізольована термодинамічна система з плином часу завжди приходить в стан теплової рівноваги, з якої сама вийти не може. Це твердження розкриває зміст закону термодинамічної рівноваги.

Рівноважний стан характеризується незмінністю в часі всіх термодинамічних параметрів стану теплоізольованої системи. На­приклад, якщо налити в склянку гарячу воду і залишити її в кім­наті, то через деякий час склянка і вода в ній прийдуть у стан тер­модинамічної рівноваги з повітрям і предметами, що знаходяться в кімнаті. При цьому температура, тиск і об’єм залишаться незмін­ними, як завгодно довго за відсутності зовнішніх впливів.

2. Температура

У повсякденному житті температура — величина, яка відріз­няє «гаряче» від «холодного». І перші уявлення про температуру виникли з відчуттям тепла і холоду. Температура характеризує ступінь нагрітого тіла.

Про відмінність ступенів нагрітості тіл судять з процесу тепло­передачі, що виникає під час теплового контакту тіл.

Основна властивість температури полягає в наступному: якщо привести в зіткнення два тіла — холодне і гаряче, то холодне тіло почне нагріватися, а гаряче — охолоджуватись. Температура кож­ного з тіл буде змінюватися з плином часу доти, поки температури тіл не стануть однаковими. Ми говоримо, що тіла прийдуть в стан теплової рівноваги.

Отже, температура характеризує стан теплової рівноваги: всі тіла, що знаходяться в тепловій рівновазі, мають однакову темпе­ратуру.

Ця властивість відрізняє температуру від інших параметрів стану, наприклад об’єму або тиску. їх значення в стані теплової рівноваги з часом також не змінюються, але не є однаковими в усіх частинах системи рівноваги.

3. Вимірювання температури

Для вимірювання температури слід взяти до уваги, що під час зміни температури тіла змінюються і його властивості. Змінюють­ся, відповідно, величини, що характеризують ці властивості. Тому для створення приладу, що вимірює температуру, тобто термоме­тра, обирають будь-яку речовину (термометричну речовину) і ви­значають величину, яка характеризує властивість речовини (тер­мометричну величину).

У медичних термометрах, наприклад, термометричною речо­виною є ртуть, а термометричною величиною — довжина ртутного стовпчика.

Найчастіше на практиці використовують залежність об’єму ріди­ни (ртуті або спирту) від температури. Для вимірювання температури можна скористатися залежністю будь-якої макроскопічної величини від температури: об’єму, тиску, електричного опору і т. д.

При визначенні температурної шкали в якості «опорних точок» використовують температуру танення льоду і температуру кипіння води при атмосферному тиску. Шкалу між точками 0 і 100 ділять на 100 рівних частин, які називають градусами. Переміщення стовп­чика рідини на одну поділку відповідає зміні температури на 1 °С.

Побудована таким чином шкала є досить зручною для практич­них цілей, хоча вона має ряд недоліків. По-перше, опорні точки ви­брані довільно, так само як довільним є і поділ інтервалу між ними на 100 частин. По-друге, при побудові шкали вважають, що об’єм термометричного тіла під час зміни температури змінюється рівно­мірно на всьому температурному інтервалі, проте, це не так.

Термодинамічна (абсолютна) шкала температур будується на­ступним чином. Обирається одна постійна точка — потрійна точка води, тобто температура, за якої вода, лід і пара існують одночасно. Температура потрійної точки води становить 0,01 °С, а тиск, при якому вона існує, 609 Па. За нуль термодинамічної шкали темпе­ратур прийнято вважати температуру -273 °С. Цю температуру називають абсолютним нулем температур.

Було встановлено, що при постійному об’ємі і температурі тиск газу прямо пропорційний його концентрації: р = пкТ, де к —кое­фіцієнт пропорційності — постійна Больцмана. Постійна Больцма- на зв’язує температуру з середньою кінетичної енергії руху моле­кул в речовині.

Отже,

г абсолютна температура є мірою середньої кінетичної енергії

руху молекул.

Цей висновок доводить правильність експериментальних да­них, які показують збільшення швидкості частинок речовини зі зростанням температури.

Питання до учнів під час викладення нового матеріалу

1. Що розуміють під тепловою рівновагою тіл?
2. Який стан називають станом теплової рівноваги?
3. Чим температура як параметр стану теплової рівноваги відріз­няється від інших параметрів?
4. Як пов’язана середня кінетична енергія руху молекул з термо­динамічною температурою?

IV. ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

Тренуємося розв'язувати задачі

1. Нормальна температура людського тіла близько 37 °С. Чому ж нам не холодно за температури повітря 25 °С і дуже жарко за 37 °С?

Розв’язок

Тіло людини безперервно виділяє тепло, яке віддається навко­лишньому повітрю. За температури повітря, близької до 37 °С, про­цес тепловіддачі сповільнюється, і в тілі накопичується надмірна внутрішня енергія.

2. Тіло А знаходиться в тепловій рівновазі з тілом Б, а тіло Б — з тілом В. Що можна сказати про температури тіл А і В?

3. Мідний кубик А має температуру 200 °С, такі ж мідні кубики В і С мають температуру 0 °С. Шляхом теплообміну між ними треба охолодити кубик А до температури 50 °С і нагріти за ра­хунок цього кубики В і С до температури 75 °С. Чи можливо це? Теплообміном між кубиками і повітрям можна знехтувати. Розв’язок

Так, можливо. При контакті кубиків А і В, ми зможемо вирів­няти їх температури. Отримаємо:

А — 100 °С, В — 100 °С, С — 0 °С.

Вчинивши аналогічно з кубиками А і С, маємо:

А — 50 °С, В — 100 °С, С — 50 °С.

Нарешті, виробляючи теплообмін між кубиками В і С, остаточ­но отримаємо:

А — 50 °С, В — 75 °С, С — 75 °С.

Визначте температуру газу, якщо середня кінетична енергія те­плового руху його молекул 8,1 Ю^-21 Дж.

Контрольні запитання

1. Чому не завжди можна довіряти визначенням температури на дотик?
2. Для вимірювання температури медичним термометром необ­хідно не менше 3-5 хв. Чому?
3. Які властивості тіл використовуються в термометрі?
4. Чи існує в природі як завгодно низька і як завгодно висока тем­пература тіл? Чому?

Що ми дізнались на уроці

Термодинамічна система — сукупність макроскопічних сис­тем, які можуть обмінюватися енергією між собою та з зовніш­німи тілами.

Термодинамічна система, яка не бере участі у теплообміні з ото­чуючими тілами, називають теплоізольованою.

Температура характеризує стан теплової рівноваги: всі тіла, що знаходяться в тепловій рівновазі, мають однакову темпера­туру.

Абсолютна температура є мірою середньої кінетичної енергії руху молекул:

V.Домашнє завдання

Конспект.

Розв’яжіть задачі:

На якій підставі можна припускати існування зв’язку між температурою і кінетичною енергією молекул?

За якої температури середня кінетична енергія поступально­го руху молекул газу дорівнює 6,21-Ю“²¹ Дж?

На скільки відсотків збільшується середня кінетична енергія молекул газу під час збільшення його температури від 7 до 35 °С?

Знайдіть температуру газу, коли тиск — 100 кПа і концен­трація молекул — 10²⁵ м^_3.