УСІ УРОКИ ФІЗИКИ 10 клас

2-й семестр

 

МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА Й ТЕРМОДИНАМІКА

 

2. Основи термодинаміки

Урок 2/91

Тема. Внутрішня енергія

 

Мета уроку: дати учням молекулярно-кінетичне трактування поняття внутрішньої енергії

Тип уроку: вивчення нового матеріалу

План уроку

Контроль знань

4 хв.

1. Теплова рівновага.

2. Температура.

3. Абсолютна температура і середня кінетична енергія руху молекул.

Демонстрації

4 хв.

Способи зміни внутрішньої енергії.

Вивчення нового матеріалу

27 хв.

1. Внутрішня енергія.

2. Два способи зміни внутрішньої енергії.

3. Внутрішня енергія ідеального газу.

Закріплення вивченого матеріалу

10 хв.

1. Тренуємося розв’язувати задачі.

2. Контрольні запитання.

 

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Внутрішня енергія

При вивченні курсу механіки ми познайомилися з поняттям механічної енергії і знаємо, що механічна енергія — це сума кінетичної енергії, зумовленої рухом тіл, і потенційної енергії, яка зумовлена їх взаємодією.

Якщо тіла взаємодіють за допомогою сил тяжіння та пружності, то механічна енергія зберігається. Механічна енергія убуває, якщо між тілами діє сила тертя або ковзання. При цьому тіла нагріваються, а ми вже знаємо, що підвищення температури означає збільшення енергії хаотичного руху частинок. Однак механічна енергія може спадати і без підвищення температури. Наприклад, якщо терти лід за температури 0 °С, він буде перетворюватися на воду, температура якої теж 0 °С. На що ж перетворюється при цьому механічна енергія? Вона перетворюється на потенційну енергію взаємодії молекул. Під час перетворення льоду на воду ця потенціальна енергія збільшується. Ми говоримо, що в обох випадках збільшується внутрішня енергія тіла.

Ø  Внутрішня енергія — це сума кінетичної енергії хаотичного руху всіх частинок, що входять до складу даного тіла, і потенційної енергії їх взаємодії одна з одною: U = Ek + Еp.

Приклади зміни внутрішньої енергії: нагрівання та охолодження; плавлення і кристалізація; випаровування і конденсація; хімічні реакції; ядерні реакції.

Внутрішня енергія тіла залежить від його стану, тобто є функцією стану, і визначається однозначно параметрами р, V, Т. Це означає, що тіло, перебуваючи в стані з даними значеннями параметрів, має одне, і тільки одне значення внутрішньої енергії. Під час зміни стану тіла змінюється значення внутрішньої енергії.

2. Два способи зміни внутрішньої енергії

Змінити внутрішню енергію тіла можна двома способами:

1) під час здійснення над тілом роботи (наприклад, якщо стискати газ у теплоізольованій посудині, то він нагрівається);

2) завдяки теплопередачі, тобто без здійснення роботи (наприклад, під час контакту тіл різної температури, їх температури вирівнюються, тобто внутрішня енергія більш нагрітого тіла зменшується, а менш нагрітого — збільшується). Кількісну міру зміни внутрішньої енергії в процесі теплопередачі називають кількістю теплоти й позначають Q. Кількість теплоти вимірюється в джоулях.

3. Внутрішня енергія ідеального газу

Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу має вигляд  Рівняння стану ідеального газу можна записати у вигляді р = nkT.

З цих двох виразів можна отримати

Якщо ідеальний газ складається з N молекул, то їх загальна енергія  Підставляючи сюди вираз  отримуємо:

Для одного моля цей вираз матиме вигляд:

image539

Ця енергія називається внутрішньою енергією ідеального газу Так як для ідеального газу взаємодією молекул нехтують, потенціальна енергія молекул дорівнює нулю.

Ø  Внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури і не залежить ні від його тиску, ні від об’єму.

Збільшення маси газу призводить до збільшення його внутрішньої енергії (U ~ m). Внутрішня енергія залежить від роду газу, тобто від його молярної маси (U ~     1/M). Це відбувається за таких умов: чим більша молярна маса М, тим менше атомів міститься в газі даної маси. Якщо ідеальний газ складається з більш складних молекул, ніж одноатомний, то його внутрішня енергія також пропорційна абсолютній температурі, тільки коефіцієнт пропорційності між U та Т інший. Пояснюється це тим, що складні молекули не тільки рухаються поступально, а й обертаються. Внутрішня енергія таких газів дорівнює сумі енергій поступального і обертального руху молекул.

 

Питання до учнів під час викладення нового матеріалу

1. Яку енергію називають внутрішньою?

2. Наведіть приклади перетворення механічної енергії у внутрішню і навпаки.

3. Від яких фізичних величин залежить внутрішня енергія тіла?

4. Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії шляхом здійснення роботи або шляхом теплопередачі.

5. Під час якого процесу внутрішня енергія не змінюється? Чому?

6. Від чого залежить і від чого не залежить внутрішня енергія ідеального газу?

 

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1. Тренуємося розв'язувати задачі

1) Моль якого газу — водню або гелію — має велику внутрішню енергію за однакової температури?

2) Внутрішня енергія певної маси одноатомного газу за температури 32 °С дорівнює 1 Дж. Скільки молекул містить ця маса газу?

3) У кімнаті протопили піч. Чому не збільшилася внутрішня енергія повітря в кімнаті, хоча температура повітря підвищилася?

Розв’язок

Енергія кожної молекули збільшується, але концентрація їх п відповідно зменшується, тому що частина повітря крізь щілини витікає назовні і тиск його р у кімнаті залишається незмінним. Так як  то загальна внутрішня енергія повітря в кімнаті n не змінилася.

2. Контрольні питання

1) Шматок м’якого дроту кілька разів зігнули і розігнули. У яку форму перейшла витрачена при цьому енергія? Поясніть свою відповідь.

2) Яким чином досконала механічна робота впливає на внутрішню енергію тіла?

3) У якому процесі газ, отримуючи тепло, не змінює температуру?

 

Що ми дізнались на уроці

•  Внутрішня енергія — це сума кінетичної енергії хаотичного руху всіх частинок, що входять до складу даного тіла, і потенційної енергії їх взаємодії одна з одною.

  Два способи зміни внутрішньої енергії:

1) під час виконання роботи;

2) шляхом теплопередачі.

  Внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури і не залежить ні від його тиску, ні від об’єму:

image541

 

Домашнє завдання

1. Конспект.

2. Розв’язування задач:

р1): 1. Як зміниться внутрішня енергія цегли, якщо її помістити в гарячу піч? Підняти з першого поверху на другий?

2. Великі і маленькі сталеві кульки внесли з морозу в тепле приміщення. Як змінилася внутрішня енергії кульок? Чи однакові зміни внутрішньої енергії кульок?

3. Якщо тупим свердлом свердлити дерев’яну дошку, то деревина поблизу отвору обвуглюється. Обвуглюється вона і в полум’ї. Чи однакові причини обвуглювання в цих випадках?

р2): 1. Як змінилася внутрішня енергія сталевої кульки, яка впала з певної висоти на сталеву плиту і, відскочивши, піднялася до початкової точки?

2. Як змінилася внутрішня енергія сталевої кульки, яка впала з певної висоти на пісок?

3. Один моль парів ртуті і один моль гелію мають однакову температуру. Порівняйте внутрішні енергії цих газів.

р3): 1. Один грам парів ртуті та один грам гелію мають однакову температуру. Який з газів має більшу внутрішню енергію? У скільки разів?

2. Яка внутрішня енергія аргону в балоні об’ємом 50 л при тиску 1 МПа?

3. При зменшенні об’єму одноатомного газу в 4 рази тиск цього газу збільшився у 5 разів. У скільки разів змінилася внутрішня енергія газу?






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.