Внутрішня енергія. Теплообмін. Види теплообміну.

___________

План-конспект

уроку фізики  у 8 класі

Тема уроку:  Внутрішня енергія. Теплообмін. Види теплообміну.

Мета уроку: навчальна – увести поняття внутрішньої енергії тіла як суми кінетичної енергії руху               молекул і потенціальної енергії їх взаємодії; познайомити учнів із двома способами зміни               внутрішньої енергії.

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

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

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу

Демонстрації:

 1. Модель теплового руху.

 2. Падіння пластилінової кульки.

  3. Нагрівання тіл при виконанні роботи

  4. Нагрівання тіл при виконанні роботи.

   5. Нагрівання тіл шляхом теплопередачі.

План уроку

1. Тепловий рух.
2. Що таке внутрішня енергія?
3. За якими ознаками можна довідатися, що внутрішня енергія змінилася?
4. Перетворення внутрішньої енергії під час стиску й розширення газу й при нагріванні тертям
5. Кількість теплоти.
6. Два способи зміни внутрішньої енергії.
7. Види теплообміну.
8. Теплопровідність
9. Контрольні питання.
10.               Навчаємося розв’язувати задачі.

І. Організаційна частина (привітання, перевірка д/з)

ІІ. Мотивація пізнавальної діяльності учнів

Оголошення теми і мети уроку

ІІІ. Вивчення нового матеріалу

1. Тепловий рух

Без світла ми не могли б бачити навколишній світ, без звуку — чути, а без теплих променів сонця ні ми самі, ні рослини, ні тварини не могли б виникнути й, звичайно, існувати.

Явища, пов’язані з нагріванням або охолодженням тіл, зі зміною температури, називають тепловими.

Теплові явища людина навчилася використовувати ще з давніх часів для обігрівання свого житла, готування їжі й т. ін. До теплових явищ належать, наприклад, нагрівання й охолодження повітря, танення льоду, плавлення металів й ін.

Молекули або атоми, з яких складаються тіла, перебувають у безперервному хаотичному русі. Хаотичний рух молекул можна продемонструвати за допомогою моделі броунівського руху.

Учні вже знають, що дифузія при вищій температурі відбувається швидше. Це означає, що швидкість руху молекул і температура зв’язані між собою. При підвищенні температури швидкість руху молекул збільшується, при зниженні — зменшується. Отже, швидкість руху молекул залежить від температури тіла.

•     Оскільки зі швидкістю руху молекул тіла пов’язана його температура, то хаотичний рух молекул, з яких складаються тіла, називають тепловим рухом.

Звертаємо увагу учнів на те, що тепловий рух відрізняється від механічного тим, що в ньому бере участь дуже багато частинок і кожна рухається безладно.

2. Що таке внутрішня енергія?

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). Після того як кулька вдариться об підлогу, вона зупиниться. Кінетична й потенціальна енергія кульки відносно підлоги дорівнюватимуть нулю.

Чи означає це, що механічна енергія, якою володіла куля, безвісти зникла? Очевидно, ні.

Механічна енергія перетворилася в іншу форму енергії. Що ж являє собою ця інша форма енергії?

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

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

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

•     Суму кінетичної енергії хаотичного руху й потенціальної енергії взаємодії частинок (атомів і молекул), з яких складається тіло, називають внутрішньою енергією.

3. За якими ознаками можна дізнатися, що внутрішня енергія змінилася?

При підвищенні температури тіла швидкість теплового руху молекул, а значить, і їхня кінетична енергія збільшується. Отже, при підвищенні температури тіла його внутрішня енергія збільшується, а при зниженні — зменшується.

Таким чином,

•     перша ознака: зміна температури тіла.

Коли вода перетворюється на пару, потенціальна енергія взаємодії молекул збільшується: адже для того, щоб «розтягти» одна від одної молекули води, що притягаються, необхідно виконати роботу.

Тому

•     друга ознака: зміна агрегатного стану.

При згорянні вугілля атоми Карбону, що входять до складу вугілля, з’єднуються з атомами Оксигену, що входять до складу повітря. При цьому потенціальна енергія взаємодії молекул переходить у кінетичну енергію хаотичного руху молекул, тобто підвищується температура й внутрішня енергія.

Отже,

•     третя ознака: зміна хімічного складу.

4. Перетворення внутрішньої енергії під час стиску й розширення газу й при нагріванні тертям

Якщо ми 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.

Якщо помістити на дно товстостінного прозорого циліндра суху ватку й різко вставити поршень у циліндр, ватка загориться (див. рисунок). Чому?

Це відбулося внаслідок сильного стиску: повітря в циліндрі нагрілося до дуже високої температури.

А чи зміниться внутрішня енергія газу, якщо при розширенні газ сам виконає роботу?

Будемо накачувати повітря в товстостінну скляну посудину, щільно закриту пробкою. Коли тиск повітря в посудині стане досить великим, пробка вискочить, причому в посудині з’явиться туман (див. рисунок).

У цьому досліді газ, розширюючись, виконав роботу, передавши пробці механічну енергію. При цьому внутрішня енергія газу зменшилася.

Потріть один брусок об інший — вони нагріваються. Потріть швидко долоні. 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.

Необхідно звернути увагу учнів на практичне застосування отриманих висновків.

•     По-перше, сильне нагрівання газу при стиску використовують у дизельних двигунах, установлених в автомобілях, тракторах, кораблях.
•     По-друге, у наших дослідах ми змоделювали появу хмар: піднімаючись, водяна пара розширюється й охолоджується, перетворюючись у крапельки води.
•     По-третє, 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 у ході викладу нового матеріалу

1.   Наведіть приклади теплових явищ.
2.   Якими видами енергії володіють частинки, з яких складається речовина?
3.   Як внутрішня енергія пов’язана з температурою?
4.   За якими ознаками можна довідатися, що внутрішня енергія змінилася?

5. Кількість теплоти

Ми вже знаємо, що внутрішню енергію тіла можна збільшити, виконавши роботу — за допомогою тертя або стиску газу. А коли газ розширюється, він сам виконує роботу, і його внутрішня енергія зменшується.

А чи можна змінити внутрішню енергію тіла, не виконуючи роботи?

Звичайно, можна: так, гарячий чай у склянці остигає — його температура поступово наближається до кімнатної. А ложка, опущена в гарячий чай, нагрівається, її внутрішня енергія збільшується. Але робота при цьому не відбувається.

•     Зміну внутрішньої енергії тіла без виконання роботи називають теплообміном.

При теплообміні відбувається зміна енергії.

•     Енергію, яку одержує або віддає тіло при теплообміні, називають кількістю теплоти.

Кількість теплоти позначають звичайно Q. Якщо в процесі теплообміну внутрішня енергія тіла збільшується, то , а якщо зменшується, то . Кількість теплоти вимірюють у джоулях.

6. Два способи зміни внутрішньої енергії

Потремо долоні дна об одну. Вони нагрілися — отже їх внутрішня енергія збільшилася.

Опустимо в гарячий чай холодну ложку. Молекули гарячої води починають передавати частину своєї кінетичної енергії молекулам металу, і ті починають рухатися швидше.

Кінетична енергія молекул води при цьому зменшується, а кінетична енергія частинок ложки — збільшується. Разом з кінетичною енергією змінюється й внутрішня енергія, але ця зміна відбувається без виконання роботи.

Отже,

•     існують два способи зміни внутрішньої енергії: 1) шляхом виконання механічної роботи; 2) шляхом теплообміну.

Необхідно звернути увагу учнів, що зміна внутрішньої енергії тіла завжди відбувається за рахунок енергії інших тіл: при виконанні роботи — за рахунок механічної енергії; при теплообміні — за рахунок зміни внутрішньої енергії.

7. Види теплообміну

Отже, у процесі теплообміну кількість теплоти може передаватися від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Наприклад, від батареї водяного опалення нагрівається повітря у квартирі. Теплообмін має місце й у природі. Наприклад, теплова течія в океані (Гольфстрим) нагріває повітря біля його поверхні.

Познайомимося з основними видами теплообміну.

Існують три способи теплообміну: теплопровідність, конвекція, випромінювання.

8. Теплопровідність

Познайомимося з першим способом — теплопровідністю.

Поставимо два проблемних досліди:

а) на дерев’яний циліндр наколюємо ряд кнопок, обертаємо його одним шаром паперу (див. рисунок). При короткочасному розміщенні циліндра в полум’ї пальника відбувається нерівномірне обвуглювання паперу. Ставимо питання: «Чому папір, що прилягає до кнопок, обвуглюється менше?»

б) Закріпимо в одному штативі кінець мідного стрижня, а в іншому штативі — кінець сталевого стрижня таких самих розмірів. До кожного стрижня приліпимо знизу воском кілька монеток і будемо нагрівати вільні кінці стрижнів (див. рисунок). Незабаром віск почне плавитися, й монетки почнуть відпадати від стрижнів.

Узагальнюючи відповіді учнів, з’ясовуємо, що при нагріванні відбувається збільшення швидкості руху молекул, з яких складається тіло. Цей рух передається сусіднім молекулам, у результаті швидкість цих молекул й, отже, температура даної частини тіла зростає.

•     Вид теплообміну, обумовлений передачею енергії від одного тіла до іншого або від одних частин тіла до інших у результаті теплового руху й взаємодії частинок, називають теплопровідністю.

Найбільш відмітна властивість теплопровідності: при цьому процесі не відбувається переносу речовини.

Виміри показують, що великою теплопровідністю володіють метали, особливо срібло й мідь. Вода, цегла й скло «проводять тепло» у сотні разів гірше, ніж мідь, і в десятки разів гірше, ніж сталь. Теплопровідність дерева в кілька разів менше, ніж цегли.

Дуже мала теплопровідність газів. Цим обумовлена мала теплопровідність пухнастих тканин, наприклад вовни: між їхніми волокнами багато повітря. З тієї ж причини мала й теплопровідність пористих матеріалів (типу пінопласту), а також снігу, особливо який тільки-но випав. «Теплий» сніжний покрив уберігає взимку від вимерзання ґрунт і рослини (озимі).

Речовини з малою теплопровідністю використовують як утеплювачі й теплоізолятори.

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

1.   Що таке кількість теплоти? Яка одиниця кількості теплоти?
2.   Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії за допомогою теплообміну.
3.   Наведіть приклади, які речовини мають найбільшу й найменшу теплопровідність.

ІV. Закріплення вивченого матеріалу

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1. Як змінюються внутрішня й механічна енергія хокейної шайби: а) коли її виносять із теплої кімнати на мороз; б) коли літак, на якому перевозять шайбу (разом з хокейною командою), розганяється по злітній смузі; в) коли літак набирає висоту; г) коли по шайбі б’ють ключкою?

2. Шайба ковзає по горизонтальній льодовій площадці. Як при цьому змінюється кінетична енергія шайби? Внутрішня енергія?

2. Поміркуй і відповідай

1.          Чи існують у природі тіла, у яких відсутня внутрішня енергія?
2.          Чому в газах внутрішня енергія в основному обумовлена тепловим рухом молекул, а у твердих тілах — їх взаємодією?
3.          Чи може тіло мати внутрішню енергію, але не мати при цьому механічної енергії?
4.          Чому вираз «шуба гріє» є неправильним?
5.          Чому в спеку жителі пустелі надягають на себе хутряний одяг?
6.          Чому сніг має погану теплопровідність?

V. Домашнє завдання:

Опрацювати теоретичний матеріал за підручником та виконати вправи після параграфа § 34, 35 ст.175-178