Внутрішня енергія тіла. Теплообмін

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Конспект

уроку фізики на тему:

«Внутрішня енергія тіла. Теплообмін»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема: Внутрішня енергія тіла. Теплообмін

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу

Мета уроку:

1. Увести поняття внутрішньої енергії тіла як суми кінетичної енергії руху молекул і потенціальної енергії їх взаємодії, познайомити учнів з двома способами зміни внутрішньої енергії, також ознайомити з конвекцією як одним зі способів передачі енергії в рідинах і газах і з випромінюванням як одним зі способів теплообміну.

2. Розвивати пам‘ять, вміння використовувати отримані знання на практиці як для пояснення певних явищ, процесів, так і для розв‘язування задач якісного і кількісного характеру.

3. Виховувати відповідальність, працьовитість, культуру записів.

 

Демонстрації: падіння пластилінової кульки; нагрівання тіл при виконанні роботи; теплообмін; конвекція.

Обладнання: пластилінова кулька; скляна колба з насосом; скляна колба; марганцівка; спиртівка; штатив; стержень, покритий воском; цвяхи.

 

План уроку:

1. Організаційний момент (2 хв.)

2. Аналіз контрольної роботи (3 хв.)

3. Виклад нового матеріалу (34 хв.)

• Внутрішня енергія тіла
• Теплообмін

• Теплопровідність
• Конвекція
• Випромінювання

4. Закріплення (6 хв.)

 

Хід уроку

1. Організаційний момент

Заходжу до класу, вітаюся. Перевіряю, чи все готово для проведення уроку.

2. Аналіз контрольної роботи

Зачитую оцінки, вказую на типові помилки у контрольній роботі.

3. Виклад нового матеріалу

 

• Внутрішня енергія тіла

 

Вчитель: 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.

Молекули або атоми, з яких складаються тіла, перебувають у безперервному хаотичному русі.

Ви вже знаєте, 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.

Запишемо:

 

Тепловим рухом називають хаотичний рух молекул, з яких складаються тіла.

 

Вчитель: ви вже знаєте 2 види механічної енергії. Які?

Учні: Кінетична й потенціальна.

Вчитель: Кінетичною енергією тіла володіють вна­слідок свого руху, потенціальною — внаслідок своєї взаємодії з іншими тілами. Кінетична й потенціальна енергія можуть пере­творюватися одна в одну.

Демонстрація:

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.

У результаті удару пластилінова кулька нагрілася і деформувалася. При цьому швидкість теплового хаотичного руху молекул кульки збільшилася, а отже і їх кінетична енергія теж збільшилася.

Таким чином, механічна енергія кульки не зникла, а перейшла у так звану внутрішню енергію. Запишемо:

 

Внутрішньою енергією називають суму кінетичної енергії хаотичного руху й потенціальної енергії взаємодії частинок, з яких складається тіло.

 

Вчитель:  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.

 

 

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

Вчитель: Потріть швидко долоні одна об одну. Що відбувається?

Учні: Вони нагріваються.

Вчитель: Таким чином, внутрішню енергію можна змінити, виконавши роботу. А 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.

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

Демонстрація

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.             

 

Вчитель: У цьому досліді газ, розширюючись, виконав роботу, передавши пробці механічну енергію. При цьому внутрішня енергія газу зменшилась, отже і температура газу теж зменшилась, на це вказує поява туману - водяна пара, що міститься в повітрі, у наслідок охолодження перетворюється на крапельки води.

 

Способи зміни внутрішньої енергії

 

Вчитель: А чи можна змінити внутрішню енергію тіла, не виконуючи роботи? Звичайно можна: так, ложка, опущена в гарячий чай, нагрівається, її внутрішня енергія збільшується. Але робота при цьому не відбувається. А зміну внутрішньої енергії тіла без виконання роботи називають теплообміном. Запишіть:

 

Теплообміном називають зміну внутрішньої енергії тіла без виконання роботи.

 

При теплообміні відбувається зміна енергії. Запишіть:

 

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

 

Кількість теплоти позначають літерою Q, її вимірюють у джоулях.

Якщо в процесі теплообміну внутрішня енергія тіла збільшується, то Q>0, а якщо зменшується, то Q<0.

 

Отже, існують два способи зміни внутрішньої енергії:

1. Шляхом виконання механічної роботи
2. Шляхом теплообміну

 

• Теплообмін

 

Вчитель: Розглянемо детальніше явище теплообміну. Існують три способи теплообміну: теплопровідність, конвекція та випромінювання. Почнемо з теплопровідності.

 

•     Теплопровідність

 

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.

 

Демонстрація

На штативі закріплений металевий стержень, покритий воском. До нього прикріплені гвіздки. Підносимо запалену свічку до кінця стержня. Спостерігаємо, як починають один за одним відпадати гвіздки.

 

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.

Дуже мала теплопровідність газів. Цим обумовлена мала теплопровідність пухнастих тканин, наприклад вовни: між їхніми во­локнами багато повітря.

 

•     Конвекція

 

Вчитель: Хоча теплопровідність рідин і газів дуже мала, але й у рідинах, і у газах існує теплообмін. Це відбувається за рахунок перемішування холодного й теплого повітря або холодної і теплої частин рідини. Запишемо:

Вид теплообміну, обумовлений переносом речовини (потоками газу або рідини) називають конвекцією.

 

Вчитель: Явище конвекції можна пояснити законом Архімеда та яви­щем теплового розширення тіл. При підвищенні температури об’єм рідини зростає, а густина зменшується. Під дією архімедової сили менш густа нагріта рідина піднімається вгору, а більш густа холод­на рідина опускається вниз. Якщо ж рідину нагрівати зверху, то менш густа тепла рідина там і залишається й конвекція не виникає.

 

Демонстрація

У скляну колбу з водою крапають марганцівку. Ставлять колбу на плитку і спостерігають, як починає рухатися шар марганцівки.

 

І нагрівання і охолодження повітря в приміщеннях засновано на конвекції.  Охолоджувальні пристрої, наприклад, кондиціонери, доцільно розміщувати біля стелі, а обігріваючі прилади біла підлоги або під підвіконням, як батареї, наприклад.

 

• Випромінювання

 

Вчитель: Нам добре відомо, що основним джерелом тепла на Землі є Сонце. У який же спосіб воно передає нам тепло? Адже Земля перебуває від нього на відстані 1,5*10⁸

км. Теплообмін між Сонцем і Землею відбувається за допомогою випромінювання. Запишемо:

 

Вид теплообміну, обумовлений перенесенням теплоти шляхом електромагнітного випромінювання називається випромінюванням.

Випромінювання має електромагнітну природу.

При променистому теплообміні передача  теплоти обумовлена перетворенням частини внутрішньої енергії тіла в енергію електромагнітного випромінювання, що переноситься в просторі й поглинається іншими тілами. У результаті поглинання тілом енергії випромінювання відбувається її зворотне перетворення у внутрішню енергію.

 

Вчитель: Порівняймо тепер різні види теплопередачі

 

• у випадку теплопровідності — це перенесення енергії частинка­ми тіла, не пов’язане з переміщенням самої речовини;
• у випадку конвекції — перенесення енергії струменями самої речовини, що переміщаються;
• у випадку випромінювання — це перенесення енергії електро­магнітним полем.

 

4. Закріплення

 

Задаю класу запитання

1. Що називають внутрішньою енергією тіла?
2. За якими ознаками можна дізнатися, що внутрішня енергія змінилася?
3. Що називають теплообміном?
4. Що називають кількістю теплоти? В яких одиницях вона вимірюється?
5. Що називають теплопровідністю?
6. Що називають конвекцією?
7. Що називають випромінюванням?
8. Чому в холодному приміщенні у нас в першу чергу мерзнуть ноги?
9. Літак вилетів на розвідку лісової пожежі. Коли він пролітав над місцем пожежі, його сильно підкинуло вгору. Чому?
10.          Чому вираз «Шуба гріє» е неправильним?