Урок на тему " Внутрішня енергія ідеального газу"

Тема: Внутрішня енергія ідеального газу.

Мета уроку: формувати компетентності:

1. Предметна (фізична):

-                 теоретична ( дати молекулярно-кінетичне трактування поняття внутрішньої енергії, з’ясувати способи її зміни);

-                 експериментальна (розвивати  уміння спостерігати за виконанням досліду, робити висновки);

-                 дослідницька (розвивати вміння виконувати творчі завдання).

2.Ключові: 

-                 навчально-пізнавальну (розвивати образне та логічне мислення, пам'ять, увагу, виховувати відповідальне ставлення до навчання), 

-                 комунікативну (здатність цінити досягнення науки), 

-                 інформаційну (вміння знаходити та відтворювати потрібну інформацію). Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Обладнання: Насос, м’яч, дерев’яні бруски.

 

План уроку

№	Етапи уроку	Час	Вид роботи, методи та прийоми	Компетентність,           що розвивається
1	Організаційний момент	1 хв
2	Мотивація,             постановка мети та задач уроку	1 хв	Розповідь	Фізична: теоретична, ключова: комунікативна
3	Вивчення нового матеріалу	35 хв	1.      Внутрішня енергія – бесіда; 2.      Два способи зміни внутрішньої енергії – пояснення; 3.      Способи зміни внутрішньої енергії – демонстрації.	Фізична: теоретична, експериментальна; ключові: навчальнопізнавальна, комунікативна, інформаційна
4	Закріплення вивченого матеріалу	6 хв	Бліц-опитування	Фізична: теоретична; ключові: навчальнопізнавальна, комунікативна, інформаційна
5	Домашнє         зав- дання	2 хв	Пояснення	Фізична: дослідницька; ключова: комунікативна

Хід уроку

1.                 Організаційний етап 

Привітання. Перевірка готовності класу до уроку Усне опитування:

1.                 Що вивчає термодинаміка?

2.                 Яка система називається ізольованою? Приклади.

3.                 Стан, при якому термодинамічна система займає певний

об'єм, і перебуває у рівноважному стані (стані рівноваги). Як називається цей стан?

4.                 Визначення температури? В яких одиницях вимірюється.

2.                 Мотивація, постановка мети та задач уроку

Ми продовжуємо вивчати розділу « Основи термодинаміки». Мета нашого уроку – ознайомитись з розділом термодинаміка, визначити основні поняття, якими ми будемо користуватись при вивченні цього розділу, та з’ясувати природні закономірності, які вивчаються даним розділом фізики.

3.                 Вивчення нового матеріалу.

1. Що таке внутрішня енергія?

 Вчитель: Ми вже знаємо, що існують два види механічної енергії: кінетична й потенціальна. Кінетичною енергією тіла володіють внаслідок свого руху, потенціальною - внаслідок своєї взаємодії з іншими тілами. Кінетична й потенціальна енергія можуть перетворюватися одна в одну.

Кинемо на підлогу з деякої висоти пластилінову кульку. При падінні кульки її потенціальна енергія зменшується, а кінетична збільшується (повна ж механічна енергія кульки зберігається, згідно закону збереження). Після того як кулька вдариться об підлогу, вона зупиниться. Кінетична й потенціальна енергія кульки відносно підлоги дорівнюватимуть нулю.

Чи може це означати, що механічна енергія, якою володіла кулька зникла? Очевидно, ні.

У результаті удару об стіл пластилінова кулька нагрілася й деформувалася. При цьому швидкість теплового хаотичного руху молекул кульки збільшилася (а отже, і їхня кінетична енергія).

Таким чином, механічна енергія кульки не «зникла», а перейшла в іншу форму - так звану внутрішню енергію.

Очевидно, ця «внутрішня» енергія пов'язана з рухом і взаємодією частинок, з яких складається тіло.

Давайте тепер запишемо в зошит.

Внутрішня енергія це сума кінетичної енергії хаотичного руху молекул і потенціальної енергії взаємодії молекул, одна з одною.

2. Обчислення Внутрішньої енергії.

Обчислимо внутрішню енергію одноатомного ідеального газу:

Оскільки молекули цього газу одна з одною не взаємодіють, то потенціальна енергія Е_п=0.

Уся внутрішня енергія складається із кінетичної енергії руху Е_к .

За формулою Больцмана для одного атома

 Е =  кТ. А оскільки кількість атомів дорівнює 𝑁 = ^𝑚𝜇 𝑁_𝐴, то внутрішня

𝑚 енергія одноатомного ідеального газу 𝑈 = 𝑘𝑇 𝜇 𝑁_𝐴,  де 𝑘 ∙ 𝑁_𝐴 = 𝑅.  Остаточно маємо 𝑼 = 𝟑 𝒎 𝑹𝑻або 𝑼 = ^𝟑 𝒑𝑽

                                                                             𝟐 𝝁                                   𝟐

де m - маса всього газу; µ - молярна маса; R - універсальна газова стала (8,31441 ^Дж ).

моль К

T - термодинамічна температура; p - тиск газу;

V - об'єм газу.

Внутрішня енергія ідеального одноатомного газу пропорційна темпера-

3 𝑚 турі і не залежить від об'єму та інших макропараметрів.  ∆𝑈 =  𝑅∆𝑇 

2 𝜇

Оскільки для ідеального газу взаємодією молекул нехтують, то потенціальна енергія молекул дорівнює нулю. Тому внутрішня енергія ідеального газу даної маси  залежить тільки від температури й не залежить ні від його тиску, ні від об’єму.

Збільшення маси газу приводить до збільшення його внутрішньої енергії. Внутрішня енергія залежить від роду газу, тобто від його молярної маси. Очевидно, чим більша молярна маса, тим менше атомів міститься в газі даної маси.

Внутрішня енергія багатоатомного ідеального газу, як і одноатомного, пропорційна його абсолютній температурі.

Якщо газ не одноатомний, то його молекули рухаються не тільки поступально, а й обертаються. 

Внутрішня енергія таких газів дорівнює сумі енергій поступального і обертального рухів.     Тому в загальному випадку можна записати:                         і 𝑚

 ∆𝑈 =  𝑅𝑇

2 М

Де і-число ступенів свободи. (і=3 – для одноатомних, і=5-для двоатомних, і = 6 – для триатомних ( і більше) газів.

3. Два способи зміни внутрішньої енергії.

Внутрішня енергія тіла може змінюватись. І змінити її можнадвома способами:

1)     Виконанням роботи, наприклад, якщо стискати газ у теплоізольованій посудині, то він нагрівається.

2)     Теплопередачею.

Теплопередачею або теплообміном називають процес передачі енергії від одного тіла до іншого без виконання роботи.

Теплопередача може відбуватися такими способами:

1)                 теплопровідність - перенесення енергії від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих за рахунок теплового руху і взаємодії мікрочастинок (атомів, молекул, іонів), яке приводить до вирівнювання температури тіла;

2)                 випромінювання - перенесення енергії шляхом випускання електромагнітних хвиль (променів);

У процесі теплообміну на межі між тілами відбувається взаємодія "повільних" молекул холодного тіла і "швидких" гарячого. У результаті кінетичні енергії молекул вирівнюються і швидкість молекул холодного тіла підвищується, а гарячого - знижується.

Проаналізувавши  формулу :

𝟑 𝒎

𝑼 =  𝑹𝑻

𝟐 𝝁

ми бачимо, що внутрішня енергія прямо пропорційно залежить від темпе-

ратури Т, тобто при підвищенні температури тіла його внутрішня енергія збільшується, а при зниженні — зменшується.  

А як же дізнатися, що у тіла змінилася внутрішня енергія?

Ознака 1. Внутрішня енергія залежить від температури, отже за зміною температури тіла.

4. Закріплення нового матеріалу.

                                1.      Демонстрації:

а.) Якщо ви спостерігали різке гальмування автомобіля, то помітили, що

на дорожньому покритті залишаються сліди гуми, а шини нагріваються настільки, що «димлять»   Під час різкого гальмування енергія руху переходить у внутрішню енергію: шини автомобіля та поверхня дороги нагріваються

б) Якщо ми накачуємо м’яч  виконується робота і внутрішня енергія змі-

нюється

Спробуємо накачати велосипедну камеру насосом, то відчуємо, що насос нагрівся. Головною причиною нагрівання є в цьому випадку не тертя, а стиск повітря: стискаючи повітря, ми виконували роботу, збільшуючи внутрішню енергію газу.

в) Потріть один брусок об інший вони нагріваються , потріть швидко до-

лоні. Ви відчули, що вони нагрілися? Виходить, їхня внутрішня  енергія збільшилася. У цьому випадку механічна енергія  переходить у внутрішню: ми виконуємо роботу, долаючи силу тертя.  

 

Таким чином,  

Внутрішню енергію можна змінити, виконавши роботу — за рахунок стиску (розширення) газу або за допомогою тертя.  

2. Ці явища широко застосовують на практиці:

✓     По-перше, сильне нагрівання газу при стиску використовують у дизельних двигунах, установлених в автомобілях, тракторах, кораблях.

✓     По-друге, перехід частини внутрішньої енергії в механічну енергію відбувається в теплових двигунах, наприклад, в автомобільних. Розширюючись у циліндрі під поршнем, газ виконує роботу. При цьому газ охолоджується, тобто його внутрішня енергія зменшується.

Питання до учнів  

1                    Наведіть приклади теплових явищ.

2                    Якими видами енергії володіють частинки, з яких складається речовина?

3                    Як внутрішня енергія пов'язана з температурою? 1 За якими ознаками можна довідатися, що внутрішня енергія змінилася?

Навчаємося розв'язувати задачі.

1.                 У балоні міститься аргон масою 2 кг за температури 20⁰С. Чому  дорівнює внутрішня енергія газу? (183кДж)

2.                 Внутрішня енергія деякої маси одноатомного газу при 32⁰С дорівнює 1 Дж. Скільки молекул міститься в цій масі газу?(1,6*10²⁰)

5. Домашнє завдання

Параграф з підручника «Фізика» М.В. Головко §33 ст.208-211і вправи після нього.