Урок на тему " Робота термодинамічного процесу"

Тема: Робота термодинамічного процесу Мета:

формувати компетентності:

1.        Предмету (фізична):

-теоретичну (розглянути термодинамічне трактування роботи, геометричне тлумачення роботи газу та розкрити фізичний зміст газової сталої); -задачну (розв’язування задач з даної теми); -дослідницьку (творчі завчання).

2.        Ключові: навчально-пізнавальна (засвоєння знань, продуктивна навчально-пізнавальна діяльність, спостережливість, самостійність),кооперативна (виховувати вміння працювати в колективі), комунікативна (володіння мовою фізики),  та інформаційна (уміння працювати з підручником  

Тип уроку: комбінований.

План уроку

Хід уроку

1.     Організаційний етап 

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

2.     Мотивація, постановка мети та задач уроку 

Ми продовжуємо вивчати розділ «Основи термодинаміки». Сьогодні на уроці ми розглянемо термодинамічну роботу. Ви вже знайомі з поняттям робота, тому завданням нашого уроку буде з’ясувати, яке трактування поняття роботи в термодинаміці.

3.     Актуалізація опорних знань

1.     Що називають термодинамічною системою?

2.     Що називають термодинамічним процесом?

3.     Які фізичні величини характеризують термодинамічні процеси?

4.     Що таке внутрішня енергія тіла?

5.     Назвіть способи зміни внутрішньої енергії

4. Вивчення нового матеріалу :  

1.  Обчислення виконаної роботи в термодинаміці пов’язують з макропараметрами системи. 

Термодинамічна робота виконується тілами при зміні їхнього

об’єму. Оскільки тверді й рідкі тіла при нагріванні розширюються незначною мірою, то і незначною є і виконувана ними термодинамічна робота. Роботу в термодинаміці може виконувати лише газ, який значно змінює свій об’єм при нагріванні. 

Розглянемо газ, який міститься в цилін-

дрі під поршнем площею S. Нехай на газ діє поршень, змушуючи його стискатись. Під дією сили F поршень зміщується вниз на висоту ∆h = h₂ − h₁, виконуючи роботу  A = F∆h (напрям дії сили збігається з напрямом переміщення, тому cosα = 1). Якщо переміщення поршня буде незначним, то тиск газу можна вважати незмінним (p = const). Ураховуючи, що за третім законом Ньютона сила F за модулем дорівнює силі тиску газу F^′, а S∆h = ∆V – це зміна обєму газу, маємо:   A = pS(h₂ − h₁) = p(V₂ − V₁) = p∆V.

Оскільки V₂ < V₁, отже, ∆V < 0, то робота зовнішніх сил над газом дорівнюватиме: A = −p∆V. 

Якщо під дією сили тиску F^′ газ розширюється, тобто сам виконує роботу  A^′ = pS(h₂ − h₁), то її значення також дорівнює p∆V. Виконана газом робота додатна, оскільки V₂ > V₁ і ∆V > 0: A^′ = p∆V. При незначних змінах об’єму й ста-

лому тиску формули A = −p∆V і      A^′ = p∆V справедливі не лише для газів, а й для інших термодинамічних систем. Оскільки зміна обєму за сталого тиску супроводжується зміною температури тіла, то можна зробити висновок, що виконання роботи в термодинаміці викликає зміну стану тіла, адже змінюється його температура і об’єм.

2.     Розглянемо геометричне тлумачення роботи газу. Роботі газу для випадку постійного тиску можна дати просте геометричне тлумачення.

В ізобарному процесі роботу розширення газу можна обчислити на діаграмі p, V як площу прямокутника.

Здійснена газом робота чисельно дорівнює площі фігури під графіком, обмеженої графіком залежності p від V, вісю V і ординатами кінцевого та

початкового стану.

3.     Фізичний зміст газової сталої.

Розв’яжемо таку задачу: азот масою 280 г нагріли за постійного тиску на 100˚С. Обчислимо роботу газу в процесі розширення.

A = p(V₂ − V₁), pV = ^m_M RT, звідси V₁ ⁼ _Mp^m RT₁ і V₂ ⁼ _Mp^m RT₂

Тоді A = p (Mpm RT₂ − _Mpm RT₁ ) = _Mpm pR(T₂ − T₁ ) = ^m_M R∆T Підставляючи числові значення, дістаємо: A ≈ 8,31 кДж.

Якщо прийняти, що m = M, а ∆T = 1К, то A = R, тобто універсальна газова стала має значення роботи, яку здійснює один кіломоль газу в процесі ізобарної зміни температури на 1К. 

Таке тлумачення R відповідає раніше встановленому його наймену-

кДж ванню: 𝐑 = 𝟖, 𝟑𝟏 . кмоль К

4.     Розв’язування задач

1.     Чому гази в процесі стискання нагріваються?

2.     Унаслідок розширення стисненого повітря у вакуумі його температура знижується. Чому?

Розв’яжемо біля дошки таку задачу:  Обчисліть роботу розширення  20 л газу в процесі ізобарного нагрівання від 27 ˚С до 120 ˚С. тиск газу - 80 кПа.

Клас ділимо на три групи, кожна з яких виконує відповідну задачу. По закінченню, один учень із групи доповідає біля дошки.

1.     Яку роботу може здійснити водень масою 6 г унаслідок ізобарного  підвищення температури на 60 К?

2.     Яку роботу здійснює газ у кількості 5 моль у процесі ізобарного підвищення температури на 100 К?

3.     Газ у процесі розширення від об’єму 2·10⁻³ м³ до 6·10⁻³ м³ здійснив роботу 600 Дж. Визначте, за якого тиску протікав процес розширення.

5.     Закріплення вивченого матеріалу

Давайте повторимо те, про що ми дізнались на уроці.

1.     Чому дорівнює робота в ізохорному процесі?

2.     Які знаки роботи газу в процесі його ізобарного розширення і стискання?

3.     Які знаки роботи зовнішніх сил в процесі ізобарного розширення і стискання газу?

4.     Яку роботу здійснює 1 кмоль газу в процесі ізобарної зміни температури на 1 К?

6.     Підбиття підсумків, оцінювання результатів роботи учнів

7.     Домашнє завдання

Підручник « Фізика» М.В. Головко 10 клас опрацювати §35 .

Підготувати доповідь на тему «Відкриття першого закону термодинаміки»