Урок на тему " Рівняння теплового балансу"

   Тема: « Рівняння теплового балансу» Мета: формувати компетентності:

1. Предметну (фізична):

-                 теоретичну (повторити основні поняття термодинаміки та увести  поняття  кількості теплоти , способи розрахунку кількості теплоти, розглянути рівняння теплового балансу);

-                 дослідницьку (дослідження теми «Рівняння теплового балансу»).

2.                       Ключові: навчально-пізнавальна (формувати науковий світогляд та інтерес до вивчення фізики), кооперативна (уміння організувати власну трудову діяльність в колективі), комунікативна (уміння спілкуватися в інформаційному полі фізики), інформаційна  (розвивати уміння працювати з підручником, уміння відбирати, аналізувати, оцінювати, перекодувати та систематизувати інформацію).

3.                       Екологічну (дослідити екологічні проблеми, пов’язані із вивільненням, передачею і використанням теплової енергії)

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу

План уроку

Хід уроку

1.     Організаційний етап 

Привітання. Перевірка готовності класу до уроку. Перевірка домашнього завдання.

2.     Мотивація, постановка мети та задач уроку

Тема нашого уроку: Рівняння теплового балансу. На сьогоднішньому уроці ми з вами згадаємо поняття внутрішньої енергії, способи  зміни внутрішньої енергії системи,  та розглянемо поняття увести  поняття  кількості теплоти , способи розрахунку кількості теплоти,  рівняння теплового балансу.

3.     Актуалізація опорних знань, умінь і навичок

На минулих уроках ми розглядали з вами поняття внутрішньої енергії, способи  зміни внутрішньої енергії системи,. Давайте згадаємо:

1.     Що таке внутрішня енергія тіла.

2.     Назвіть способи зміни внутрішньої енергії та запишіть формулу для визначення зміни внутрішньої енергії.

4. Вивчення нового матеріалу

  Відомо, що внутрішня енергія – це сума всіх видів енергії частинок, з яких складається тіло, і енергії всіх полів, які здійснюють взаємодію і взаємозв’язок  між його частинками. Зміна внутрішньої енергії тіла завжди пов’язана з його взаємодією з іншими тілами, та з навколишнім середовищем. В деяких випадках, встановивши, яку кількість енергії втрачають або отримують ці тіла і навколишнє середовище, визначають зміну внутрішньої енергії тіла. В деяких випадках, навпаки, по зміні внутрішньої енергії тіла визначають, скільки  енергії отримало навколишнє середовище та інші навколишні тіла.

     Одним з найважливіших видів обміну енергією між тілами і навколишнім середовищем є теплообмін. Сонячні промені влітку помітно нагрівають поверхню Землі, гарячий чай, що стоїть на столі, з часом  охолоджується. Все це є приклади теплообміну.  Обмін внутрішньою енергією між тілами і навколишнім середовищем або між частинами тіла без виконання механічної роботи називається теплообміном. Причиною виникнення явища теплообміну є обміном енергіями при зіткненні молекул більш нагрітого тіла з молекулами менш нагрітого. При цих зіткненнях перші втрачають енергію, а інші – її отримують. Так триває до тих пір, поки енергії частинок не зрівняються.

       Таким чином, при теплообміні більшість актів молекулярних взаємодій спонукає передачі енергії від тіла з більшою температурою, до тіла, температура якого менша і веде до вирівнювання температури цих тіл.

        Історично склалось так, що зміну внутрішньої енергії тіла при теплообміні часто називають наданою або отриманою кількістю теплоти  Q . Якщо в процесі теплообміну внутрішня енергія тіла збільшилась, то кажуть, що тіло отримало кількість   теплоти Q .  Якщо ж внутрішня енергія тіла зменшується, то кажуть, що тіло віддало кількість теплоти Q . В СІ одиницею кількості теплоти  є  д ж о у л ь (Дж).

        Кількість теплоти  Q  є мірою зміни в процесі теплообміну внутрішньої енергії тіл і залежить від роду процесу. Це означає , що про кількість теплоти можна казати тільки в зв’язку з певним процесом. Якщо ж тіло знаходиться в деякому визначеному стані, то ні про яку кількість теплоти в тілі мова йти не може. В цьому випадку говорять лише про внутрішню енергію тіла.

        Досліди показують, що кількість теплоти  Q  залежить від роду речовини, від зовнішніх умов, від агрегатного стану речовини.  Ці  залежності виражаються величиною, що вимірюється  кількістю енергії, яка поглинається при нагріванні  або виділяється при охолодженні на 1⁰С  одиницею маси тіла і називається  питомою теплоємністю речовини с. В СІ  одиницею питомої теплоємності є 1Дж/кгК. Отже зміну внутрішньої енергії тіла будь-якої маси обчислюють за таким співвідношенням

Q =cm ΔT          Внутрішня енергія тіла може частково вивільнюватись, коли з речовиною тіла  проходить хімічна реакція. Особливо багато теплоти виділяється при реакції горіння. Кількість теплоти, яка виділяється при згорянні певного виду палива, прямо пропорційна масі m палива, що згоріло

Q  = q m.

          Величина  q, характеризує залежність кількості теплоти, що виділяється при згорянні палива, від його виду, називається питомою теплотою згоряння палива і вимірюється в СІ в  Дж/кг.

         Повністю використати все тепло, яке виділяється при згорянні не вдається, тому що деяка його частина вивітрюється і розсіюється в навколишньому середовищі. Величина η, що характеризує ефективність пристрою для спалювання палива, називається коефіцієнтом корисної дії пристрою. Коефіцієнт корисної дії нагрівника показує, яку частину кількісті теплоти

Q_повна, що виділилась при спалюванні, складає корисно використана теплота     

Q _{корисна} 

Q_{корисна}

= Q_повна 100%

         В процесі нагрівання кристалічного тіла, або охолодження  рідини, речовина переходить в інший агрегатний стан. Перехід речовини з твердого стану в рідкий називається плавленням, а з рідкого стану в твердий – кристалізацією. При протіканні цих процесів температура не змінюється. Величина, що вказує яка кількість енергії затрачається при плавленні, або виділяється при кристалізації, називається питомою теплотою плавлення або кристалізації  λ і вимірюється в СІ в Дж /кг

Q = ^. m

          Для перетворення рідини в пару при теплообміні, до неї повинно надходити тепло, а при конденсації  пари – виділятись. Кількість теплоти Q, яку необхідно надати рідині, для перетворення її в пару, або забрати у пари, для перетворення її в рідину, при незмінній температурі, називається питомою теплотою пароутворення абоконденсації  r . В  СІ за одиницю r  приймають питому теплоту пароутворення такої рідини, для перетворення в пару 1кг  якої, при незмінній температурі, потрібно 1 Дж теплоти. 

Q = r m          Як вказувалось раніше, при відсутності механічної роботи зміна внутрішньої енергії тіла оцінюють кількістю теплоти Q. Розглянемо приклад з калориметром наповненим гарячою водою, вміщеним туди мідним циліндром і термометром. Між циліндром і термометром, з одного боку, і між калориметром і водою – з іншого проходить теплообмін: калориметр і вода віддають свою внутрішню енергію і охолоджуються, а циліндр і термометр приймають її і нагріваються. В даному випадку ніяка механічна робота не виконується і внутрішня енергія тіл змінюється тільки шляхом теплообміну. Позначимо кількість енергії, яку віддали при охолодженні вода і калориметр, через Q₁  і Q₂,  а отриману при нагріванні циліндра і термометра – через Q₃  і 

Q₄. Тоді на основі закону збереження енергії отримаємо

Q₁ + Q₂ = Q₃ + Q₄.

Отримане співвідношення називається  рівнянням теплового балансу (в загальному вигляді). Воно являє собою математичне вираження закону збереження енергії для теплових процесів, в яких не виконується механічна робота.

         Єдиної загальної формули теплового балансу для всіх видів теплообміну не існує. Але завжди рівняння теплового балансу складають за такими правилами:

1)    встановлюють всі тіла, які віддають або отримують енергію в процесі теплообміну;

2)    визначають кількість енергії, яку віддало або отримало кожне тіло окремо;

3)    складають рівняння теплового балансу і знаходять з нього невідому величину.

         При складанні рівняння теплового балансу потрібно дотримуватись правила індексів: всі величини, що відносяться до одного і того ж тіла, позначають однаковими індексами.                      Це правило не стосується температури, тому що вона може бути у різних тіл однаковою.

5.     Закріплення вивченого матеріалу

1. Як змінюється перший закон термодинаміки при використанні його в ізопроцесах?

6.     Підбиття підсумків, оцінювання результатів роботи учнів

7.     Домашнє завдання

5. Домашнє завдання

Параграф з підручника «Фізика» М.В Головко §34 ст.211-214 і вправи після нього