Содержание учебного материала: «Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам»

Цели:

Учебные:

Раскрыть сущность первого закона термодинамики.

Вывести формулы применения первого закона термодинамики к изопроцессам.

Научить решать задачи по применению первого закона ТД к изопроцессам.

Обучить навыкам постановки демонстрационного эксперимента.

Воспитательные:

Воспитывать трудолюбие, внимательность и наблюдательность.

Научить слушать, анализировать, чётко аргументировать, излагать и отстаивать своё мнение.

Повысить интерес обучающихся к изучаемому материалу путем разнообразия форм проведения уроков.

Развивающие:

Развивать познавательные способности обучающихся.

Активизировать исследовательские способности.

Расширять кругозор, исследовательское мышление обучающихся.

Прививать умения применять полученные теоретические знания на практике.

Оборудование: секундомер, термометр, манометр, гофрированный сосуд для газа, измерительная лента.

 

Как мы знаем, существует лишь два способа изменения внутренней энергии тела: теплопередача и совершение работы.

Опыт показывает, что эти способы независимы — в том смысле, что их результаты складываются. Если телу в процессе теплообмена передано количество теплоты Q, и если в то же время над телом совершена работа A ⁰, то изменение внутренней энергии тела будет равно:

∆ U = Q + A ⁰ .                                                                  (1)

Нас больше всего интересует случай, когда тело является газом. Тогда A ⁰ = − A (где A, как всегда, есть работа самого газа). Формула (1) принимает вид: ∆ U = Q − A, или

Q = ∆ U + A.                                                                   (2)

Соотношение (2) называется первым законом термодинамики. Смысл его прост: количество теплоты, переданное газу, идёт на изменение внутренней энергии газа и на совершение газом работы.

Напомним, что величина Q может быть и отрицательной: в таком случае тепло отводится от газа. Но первый закон термодинамики остаётся справедливым в любом случае. Он является одним из фундаментальных физических законов и находит подтверждение в многочисленных явлениях и экспериментах.

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам

Напомним, что в изопроцессе остаётся неизменным значение некоторой величины, характеризующей состояние газа — температуры, объёма или давления. Для каждого вида изопроцессов запись первого закона термодинамики упрощается.

Изотермический процесс, T = const.

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры. Если температура газа не меняется, то не меняется и внутренняя энергия: ∆ U = 0. Тогда формула (2) даёт:

Q = A.

Всё подведённое к газу тепло идёт на совершение газом работы.

Изохорный процесс, V = const.

Если объём газа остаётся постоянным, то поршень не перемещается, и потому работа газа равна нулю: A = 0. Тогда первый закон термодинамики даёт:

Q = ∆ U.

Всё тепло, переданное газу, идёт на изменение его внутренней энергии.

Изобарный процесс, p = const.

Подведённое к газу тепло идёт как на изменение внутренней энергии, так и на совершение работы. Имеем:

Q = ∆ U + p ∆ V.

Адиабатный процесс

Процесс называется адиабатным, если он идёт без теплообмена с окружающими телами.

Адиабатный процесс совершается газом, находящимся в теплоизолированном сосуде. Такой сосуд препятствует всем видам теплопередачи: теплопроводности, конвекции, излучению. Пример теплоизолированного сосуда — термос.

Приблизительно адиабатным будет всякий процесс, протекающий достаточно быстро: в течение процесса теплообмен просто не успевает произойти.

При адиабатном процессе Q = 0. Из первого закона термодинамики получаем: A + ∆ U = 0, или A = −∆ U.

В процессе адиабатного расширения газ совершает положительную работу, поэтому ∆ U < 0 (работа совершается за счёт убыли внутренней энергии). Следовательно, газ охлаждается. Если заставить газ совершить достаточно большую работу, охладить его можно весьма сильно. Именно на этом основаны методы сжижения газов.

Наоборот, в процессе адиабатного сжатия будет A < 0, поэтому ∆ U > 0: газ нагревается. Адиабатное нагревание воздуха используется в дизельных двигателях для воспламенения топлива.

Кривая, изображающая ход адиабатного процесса, называется адиабатой. Интересно сравнить ход адиабаты и изотермы на pV -диаграмме.

 

                                                 V

Сравнительный ход изотермы и адиабаты

В обоих процессах давление убывает с увеличением объёма, но в адиабатном процессе убывание идёт быстрее. Почему?

При изотермическом расширении давление падает потому, что уменьшается концентрация частиц газа, в результате чего удары частиц по стенкам сосуда становятся реже. Однако интенсивность этих ударов остаётся прежней: ведь температура газа не меняется — значит, не меняется и средняя кинетическая энергия его частиц.

А при адиабатном расширении, наряду с уменьшением концентрации частиц, падает также и температура газа. Удары частиц становятся не только более редкими, но и более слабыми. Вот почему адиабата убывает быстрее изотермы.

 

Решение задач

Задача №1

При изохорном процессе углероду массой 600 грамм было передано 80 КДж тепла. На сколько при этом изменится его температура?

Дано:       CИ:            Решение:

Q=80 КДж 80*10³Дж  Q=∆U

M=600 гр 0,6 кг         Q=  =>∆Т= =128 K

∆Т-?                                Ответ:128 К

         

Задача №2

При адиабатном процессе объем газа изменился на 6 литров, его внутренняя энергия изменилась на 36 кДж. Какое давление при этом оказывает газ на стенки сосуда?

Дано:       СИ:            Решение:

∆V=6л     6*10^-3м³        ∆U=А¹=p∆V =>p=

∆U=36 кДж 36*10³Дж  p=

p-?                                   Ответ:6 МПа

 

Задача №3

Какую работу совершает кислород массой 320 грамм при изобарном нагревании на 10 К?

Дано:       CИ: Решение:

m=320г   0,32кг А¹⁼p∆V=

∆Т=10 К         А¹=

А¹-?                     Ответ:830 К