Zakon o ohranitvi energije v toplotnih procesih. Učni načrt za lekcijo fizike (8. razred) na temo: Povzetek lekcije "Zakon ohranjanja in transformacije energije v mehanskih in toplotnih procesih

• Vrste goriva
• Ogrevanje in ogrevanje
• Kuhanje
• Prenos toplote in zakon o ohranitvi energije
• Energija in toplina v živi naravi
• Termični mehanizmi in motorji

Lekcija projektne metode

• Cilj:
• sistematizirati in povzeti predhodno pridobljeno znanje o temi;
• dajte idejo o projektne aktivnosti;
• zanimanje študentov raziskovalne dejavnosti;
• razvijati logično razmišljanje in sposobnost posploševanja;
• naučiti se uporabljati pridobljeno znanje v praksi in vsakdanjem življenju.

Projekt št. 1

"Vrste goriva"

Gorenje je eksotermna reakcija, ki sprošča toploto. vrste goriva v 3 skupine: trdna, tekoča, plinasta . Izkazalo se je, da je od številnih vrst trdnih goriv največ večČeljabinski rjavi premog proizvaja toploto, 14300 kJ na 1 kg goriva in kovinsko raketno gorivo:

magnezij 24 830 kJ

aluminij 31 000 kJ

berilij 66 600 kJ

Od tekoče vrste: kerozin bo osvetlil 43100 kJ na 1 kg tekočega goriva in dizelskega goriva - 42700 kJ.

Plinasto gorivo se odlikuje po sproščanju velike količine energije na 1 kg gorljivega goriva. Ampak najbolj veliko število energija, ki se sprosti pri zgorevanju vodika - 119 700 kJ.

Projekt št. 2

"Ogrevanje in ogrevanje"

1. Kako se običajno ogrevajo stanovanjski in industrijski prostori?

2. Kako lahko preučujete notranjo konvekcijo?

3. Katere druge metode prenosa toplote obstajajo?

Projekt št. 3 "Kuhanje"

Kako doseči, da se krompir hitreje skuha?

Da bi se vaš krompir hitreje skuhal, morate pred kuhanjem košček vreči v ponev s krompirjem in vodo. maslo. Ko se segreje, se stopi in prekrije površino vode s tanko plastjo. Ta zaščitna folija bo preprečila proces izhlapevanja vode. In proces izhlapevanja vedno spremlja znižanje temperature tekočine in njene količine. Srečamo se s sledečo situacijo: polovica tekočine je povrela, krompir pa še ni kuhan, dolivati ​​je treba vodo in kuhati naprej, kar zahteva dodaten čas.

Projekt št. 4 "Prenos toplote in zakon o ohranitvi energije"

1. Ponudite poskuse s preprosto šolsko opremo za demonstracijo različne vrste prenos toplote in jih diagramsko razloži.

2 . Ko se temperatura spremeni, se lahko telo spremeni mehanske lastnosti: dolžina, volumen, gostota, elastičnost, krhkost. Navedite primere.

Projekt št. 5 “Energija in toplota v živi naravi”

• Nekateri organizmi, zlasti v fazi počitka, lahko obstajajo zelo nizke temperature. Mikrobne spore lahko na primer prenesejo ohlajanje do -200 C. Obstajajo organizmi z nestabilno temperaturo: žabe, ribe, krokodili, kače in tisti s konstantno temperaturo: volkovi, medvedi. Temperatura telesa je odvisna od temperature okolja. Obstaja veliko naprav za boj proti hlajenju ali pregrevanju.

Projekt št. 6 "Toplotni mehanizmi in motorji"

V življenju se nenehno srečujemo z različnimi motorji. Delovanje toplotnih strojev je povezano s porabo različne vrste energije. Zasnova prvih parnih strojev je imela glavne dele vseh kasnejših toplotnih strojev: grelec, v katerem se je sproščala energija goriva, vodno paro kot delovno tekočino in bat z valjem, ki je energijo pare pretvarjal v mehansko delo, kot tudi hladilnik, potreben za zmanjšanje temperature in tlaka pare.

Oddelki: Fizika

Tema: “Zakon ohranjanja energije v toplotnih procesih”

Vrsta: Lekcija za utrjevanje znanja preučenega gradiva

Pogled: Lekcija o projektni metodi

— Sistematizacija in posploševanje predhodno pridobljenega znanja o tej temi;
— Podajo ideje o projektnih aktivnostih in razvijejo elementarni projekt na dani problem;
— Zainteresirati študente za raziskovalne dejavnosti;
— Razviti logično razmišljanje in sposobnosti posploševanja;
— Naučiti se primerjati in spreminjati pridobljeno znanje v praksi in vsakdanjem življenju;
— Spodbujati čut za kolektivizem, medsebojno pomoč in sposobnost skupinskega dela.

Oprema: Na mizah je jedilni pribor po načrtih, računalnik.

Oblikovanje: Na tabli je portret M.V. Lomonosov, plakat z besedami:

»Morda po lastnem Platonu
In hitri Newtoni
Ruska zemlja roditi"

Začnimo zgodbo o toplini
Spomnimo se vsega, zdaj povzamemo
Energijsko delo do vrenja.
Tako da lenoba izhlapi
Ne bomo dovolili, da se naši možgani stopijo,
Treniramo jih do izčrpanosti.
Pokažemo marljivost pri učenju,
Ideje o znanstvenem videnju vonja!
Premagali bomo vsako nalogo,
In vedno lahko pomagamo prijatelju.
Preučujemo zgodovino znanosti
In Lomonosova častimo kot velikega,
In se v delu izkažemo
Kot visoko učinkovit motor!
Toda kako težko je lahko življenje
S tisto damo, ki se imenuje Toplina!

Učitelj: Dober dan, dragi prijatelji!

Tema naše današnje lekcije je "Zakon ohranjanja energije v toplotnih procesih." Upam, da ste to temo ponovili. Zdaj se bomo spomnili zakonov in formul, vendar ne bomo rešili zapletenih problemov; brez dvoma veste, kako to storiti. Cilj naše lekcije je drugačen. Danes se boste preizkusili v vlogi raziskovalcev, poskušali dokončati nekaj elementarnih projektnih nalog, ki rešujejo probleme, ki se mimogrede pogosto pojavljajo v vsakdanjem življenju.

V procesu študija različnih fizikalni pojavi sva se največ srečala različne oblike energije. Ker smo zaključili s temo »Toplotni pojavi«, nas zanima predvsem notranja energija in načini njenega spreminjanja. Prosim odgovorite na naslednja vprašanja:

Učitelj: Kaj imenujemo notranja energija?

Učenec: Notranja energija je energija gibanja in interakcije molekul.

Učitelj: Na kakšen način lahko spremenite notranjo energijo?

Učenec: Notranjo energijo lahko spreminjamo na dva načina: z izvajanjem na telo mehansko delo ali prenos toplote.

Učitelj: Pojem količine toplote je neposredno povezan s prenosom toplote. Kakšna je količina toplote?

Učenec: Količina toplote je energija, ki jo telo prejme ali izgubi pri prenosu toplote

Učitelj: Opišemo, kaj smo preučevali termični procesi, in sicer formule. Zdaj boste dobili liste z nalogami v obliki tabel, ki jih morate izpolniti. Čas delovanja 3 minute. Po tem boste opravili medsebojno preverjanje in vsak bo ocenil delo osebe, ki sedi poleg vas. ( Priloga št. 1). Glasba se predvaja.

Učitelj: Ali ste vedeli, da se je fizik Walter Nernst ukvarjal z gojenjem krapov? Nekega dne je nekdo zamišljeno pripomnil: »Čudna izbira. Še bolj zanimivo je gojiti piščance.” Znanstvenik je mirno odgovoril: »Vzgajam živali, ki so v toplotnem ravnovesju z okolju. Reja toplokrvnih živali pomeni ogrevanje svetovnega prostora z lastnim denarjem.« Je opazka znanstvenika poštena? Na to in druga vprašanja bodo odgovorili zakoni termodinamike.

Učitelj: Kaj je termodinamika?

Študent: Termodinamika je veja fizike, ki preučuje zakone toplotnega ravnovesja in pretvorbo toplote v druge vrste energije.

Učitelj: Oblikujmo načela, ki se imenujejo zakoni termodinamike.

Študent: Količina toplote, ki jo prejme sistem, se porabi za njegovo spreminjanje notranja energija in o delu, ki ga sistem opravi proti zunanjim silam.

Učenec: Nemogoč je proces, katerega edini rezultat bi bil prenos energije z izmenjavo toplote s hladnega telesa na bolj vroče.

Učitelj: Energija po ohranitvenem zakonu ne nastane iz nič, zato je nemogoče zgraditi motor, ki bi opravil več dela kot energija, ki se motorju dovaja od zunaj.

Študent: Nemogoče je ustvariti motor tipa 1.

Učitelj: No, ker je nemogoče ustvariti večnega, kaj so dejansko obstoječi toplotni stroji?

Študent: Stroje, ki pretvarjajo notranjo energijo v mehansko energijo, imenujemo toplotni motorji.

Učitelj: Kateri so glavni deli katerega koli toplotnega stroja?

Učenec: Grelec -> delovna tekočina -> hladilnik.

Učitelj: Poimenujte glavne vrste toplotnih strojev.

Študent: Parni stroj, motor z notranjim zgorevanjem, parna turbina, reaktivni stroj.

Učitelj: Kakšen je izkoristek toplotnih strojev?

Študent: Običajno ne več kot 30-40%.

Učitelj: Človek porablja energijo goriva, ki nam jo daje narava, zelo potratno. Kot nehvaležni otroci zapravljamo dediščino, ki se je nabirala v milijonih let. Narava ravna bolj modro. Kako se odloči energetski problem? Na to vprašanje boste odgovorili v svojih projektih.

Med vire toplote štejemo plinske peči, ogenj ter zgorevanje bencina, kurilnega olja in koksa v kotlovnicah. Gorenje je eksotermna reakcija, ki sprošča toploto. Hidroelektrarne in termoelektrarne so tudi viri toplote, saj dajo do 70 % vse električne energije, to pa so električne peči, električni kamini in drugi električni grelci.

2. Analizirajte vrste goriv, ​​ki se uporabljajo v sodobna tehnologija. Katere so uporabljali v starih časih? Kateri bodo uporabljeni v prihodnosti?

Po analizi zgorevanja suhega goriva, sveč, rastlinsko olje, zgorevanje etra in s pomočjo tabele št. 1 razdelite vrste goriva v 3 skupine: trdno, tekoče, plinasto.
Izkazalo se je, da med številnimi vrstami trdnega goriva največjo količino toplote proizvede čeljabinski rjavi premog, 14.300 kJ na 1 kg goriva, in kovinsko raketno gorivo:

magnezij 24830 kJ
aluminij 31000 kJ
berilij 66600 kJ.

Od tekočih vrst: kerozin bo osvetlil 43.100 kJ na 1 kg tekočega goriva in dizelskega goriva - 42.700 kJ.
Plinasto gorivo se odlikuje po sproščanju velike količine energije na 1 kg gorljivega goriva. Toda največja količina energije se sprosti pri zgorevanju vodika - 119.700 kJ.

3. Na mizi imate jedilni pribor. Z njimi napišite problem, ki vključuje zgorevanje. Oprema: 20 lesenih drobcev, termometer, tehtnica z utežmi.

Za koliko se bo povišala temperatura zraka v veliki jami s prostornino 10 m krat 15 m krat 5 m, če bo tam zgorelo 20 lesenih drobcev, ki tehtajo 800 g? Začetna temperatura temperatura okoli 14 C.

Mehanska energija se ohrani le, če ni trenja in drugega upora. Delovanje sil trenja vodi do zmanjšanja mehanska energija. Dejansko po izklopu motorja avto postopoma izgubi kinetično energijo in se ustavi; Ko se zvrnejo z gore, sani postopoma izgubljajo hitrost itd. Ni težko razumeti, da je izginotje energije brez sledu v takih primerih le navidezno: v tem primeru se vedno sprosti določena količina toplote. Tako se pri trenju in nasploh ob morebitnem uporu gibanja mehanska energija pretvarja v notranjo.

Kot je znano, je merilo zmanjšanja mehanske energije v ta vrsta primerih je delo A, merilo povečanja notranje energije pa je prejeta toplota Q. Joulovi poskusi so dokazali, da sta A in Q sta med seboj premo sorazmerna in če ju merimo v enakih enotah (jouli), potem sta med seboj enaka.

Posledično je zmanjšanje mehanske energije teles pod delovanjem sil trenja natančno enako povečanju notranje energije vseh teles, ki sodelujejo v takem procesu..

To pomeni, da je vsota mehanskih in notranjih energij vseh teles, ki sestavljajo zaprt sistem, stalna vrednost. Z drugimi besedami, skupna sprememba mehanske in notranje energije vseh teles zaprtega sistema v katerem koli procesu, ugotovljena iz opravljenega dela in prenesene toplote, je enaka nič Preučevanje naravnih pojavov je pokazalo, da se energija telesa spremeni le med delom in izmenjavo toplote. Zato sta delo in količina toplote edina možne oblike izmenjava energije med telesi..

Tako se količina toplote prenese na telo

Q in delo A, ki ga to telo opravi na drugih telesih, nedvoumno določata spremembo njegove notranje energije v katerem koli procesu energija zaprtega sistema nikoli ne izgine oziroma nastane iz nič. Pri vseh pojavih v sistemu le prehaja iz ene vrste v drugo ali se prenaša iz enega telesa v drugo, ne da bi se kvantitativno spremenilo.

Zakon o ohranitvi energije je univerzalni naravni zakon, na katerem temelji vsa sodobna naravoslovna znanost. Z njegovo pomočjo se preverjajo nove teorije in ocenjujejo rezultati novih poskusov. Kršitev tega zakona v kateremkoli naravnem pojavu bi vodila v popolno prestrukturiranje vseh naravoslovnih znanosti in v spremembo našega pogleda na svet.

Zakon o ohranitvi in ​​transformaciji energije v mehanskih in toplotnih procesih

Ta video vadnica je na voljo z naročnino

Že imate naročnino? Prijava

V današnji lekciji bomo preučevali zakon o ohranjanju energije in se spomnili preoblikovanja nekaterih vrst mehanske energije v druge med gibanjem teles, ponovili bomo tak koncept, kot je skupna mehanska energija telesa. Nato bomo govorili o procesih, pri katerih bodo potekale sočasne transformacije mehanske in notranje energije ter njune medsebojne transformacije. Spomnimo se tudi pojmov "zaprt sistem" in "toplotno izoliran sistem". Skozi lekcijo se bomo večkrat ozirali na zgodovino preučevanja fizikalnih pojavov in se spomnili največjih znanstvenikov, ki so prispevali k razvoju idej o preučevani veji fizike.

Primeri medsebojnega preoblikovanja vrst mehanske energije

Prej smo že obravnavali možnost pretvorbe ene vrste mehanske energije v drugo, na primer potencialne v kinetično ali, nasprotno, kinetične v potencialno. Navedli smo tudi primer periodične transformacije potenciala in kinetična energija drug v drugega.

Primer 1. Pretvorba potencialne energije v kinetično

Ta primer smo si že ogledali v tečaju 7. razreda in na začetku študija tega oddelka. Če si predstavljate telo pritrjeno na določeni višini, potem ima določeno potencialno energijo glede na nivo površine. Potem, če to telo izpustimo, bo začelo padati, tj. njegova višina se bo zmanjšala, in pospešilo, tj. povečalo svojo hitrost. Posledično se bo njegova potencialna energija zmanjšala, kinetična pa povečala (slika 1), energiji se bosta pretvarjali druga v drugo. V trenutku tik pred stikom s tlemi se vsa potencialna energija telesa spremeni v kinetično.

riž. 1. Pretvorba potencialne energije v kinetično

Primer 2. Periodične transformacije vrst mehanske energije (nihala). Razmislimo po vrsti o treh vrstah nihala: matematično, vzmetno, Maxwellovo nihalo.

1. Maxwellovo nihalo– je disk, nameščen na osi, na kateri sta navita dva navoja (slika 2).

Načelo delovanja tega nihala je naslednje: najprej se niti navijejo okoli osi, s čimer se nihalo dvigne navzgor in mu posreduje dodatna potencialna energija, nato se disk nihala sprosti in se začne odvijati in premikati navzdol, nit se odvije do konca, nato se spet navije po vztrajnosti itd. d.

Tako lahko opazimo naslednje transformacije mehanske energije: začetno kopičenje potencialne energije - njeno transformacijo v kinetično energijo - njeno transformacijo v potencialno energijo itd. (slika 3).

riž. 3. Prehod potencialne energije nihala v kinetično energijo in obratno

2. Matematično nihalo(teža na nit)– materialna točka, ki pod vplivom gravitacije niha na dolgi neraztegljivi niti (slika 4).

riž. 4. Matematično nihalo

Za začetek nihanja v tem nihalu morate telo, obešeno na nitki, premakniti iz ravnotežnega položaja (damo mu potencialno energijo) in ga sprostiti. Po tem bodo opazovana vodoravna nihanja v navpični ravnini in vidimo transformacije energije, podobne prejšnjemu primeru: dvig - prehod kinetične energije v potencialno, spuščanje - prehod potencialne v kinetično itd.

3. Vzmetno nihalo– breme, ki pod delovanjem prožnostne sile niha na vzmeti (slika 5).

riž. 5. Vzmetno nihalo

Če breme obesite na vzmeti in ga potegnete navzdol (vzmeti daste potencialno energijo) in ga nato sprostite, se bodo pojavile bolj zapletene transformacije energije: potencialna energija vzmeti se bo spremenila v kinetično in potencialno energijo bremena. in obratno.

Zakon o ohranitvi mehanske energije

Vsi zgornji primeri poskusov kažejo na to, kar že vemo: skupna mehanska energija telesa (vsota kinetične in potencialne) se ne spremeni oziroma, kot pravijo drugače, se ohrani. Temu pravimo zakon o ohranitvi mehanske energije:

Komentiraj. Pomembno je vedeti, da ta zakon velja le za zaprt sistem teles.

Opredelitev. Zaprt sistem teles- To je sistem, v katerem zunanje sile ne delujejo.

Primeri prehoda mehanske energije v notranjo in obratno

Primer 3. Zdaj pa preidimo na glavni del naše današnje teme in se spomnimo, kako mehansko energijo lahko pretvorimo v notranjo. Ta proces se zgodi z izvajanjem mehanskega dela na telesu, na primer pri upogibanju in upogibanju žice se segreje z več udarci kladiva po nakovalu, tako kladivo kot nakovalo.

Primer 4. Možen je tudi obraten postopek, ko notranja energija se bo pretvorila v mehansko energijo. Podobni procesi na primer potekajo v motorju z notranjim zgorevanjem (slika 6). Načelo delovanja motorja z notranjim zgorevanjem temelji na pretvorbi energije zgorevanja goriva v mehansko energijo gibanja batov, ki se nato preko prenosnih mehanizmov pretvori v rotacijsko energijo koles avtomobila.

riž. 6. Motor z notranjim zgorevanjem

Podoben princip pretvarjanja notranje energije v mehansko se pojavi pri parnih strojih (slika 7).

riž. 7. Parni stroj na parnem stroju (Vir)

Zgodovina preučevanja pretvorbe mehanske in toplotne energije

Vprašanja transformacije mehanske in notranje energije so se zelo aktivno preučevala v 19. stoletju. Glavno raziskavo so izvedli naslednji znanstveniki.

Nemški znanstvenik Julius Mayer (slika 8) je s svojimi poskusi pokazal, da so možne medsebojne transformacije notranje in mehanske energije in da so spremembe notranje energije pri takih procesih enakovredne popolnemu delu.

riž. 8. Julius Mayer (1814-1878) (Vir)

Posebej zanimivo je delo angleškega znanstvenika Jamesa Joula (slika 9), ki je s serijo poskusov dobil dokaz, da obstaja natančna enakost med opravljenim delom na telesu in spremembo notranje energije.

riž. 9. James Joule (1819-1889) (Vir)

Posebej zanimivo je dejstvo, da je leta 1843 francoski inženir Gustav Girn (slika 10) s serijo svojih poskusov skušal ovreči to, kar sta dokazovala Mayer in Joule, vendar so rezultati njegovih poskusov le še enkrat dokazali doslednost. pri pretvorbi mehanske energije v notranjo.

riž. 10. Gustav Girn (vir)

Zakon o ohranitvi energije

Za pravilno opisovanje procesov prenosa toplote je pomembno, da je sistem, v katerem potekajo, toplotno izoliran in zunanji procesi prenosa toplote ne vplivajo na telesa, ki se nahajajo v obravnavanem sistemu (slika 11).

riž. 11. Zaprt sistem

V tem primeru končano zakon o ohranitvi energije: Če je sistem zaprt in toplotno izoliran, ostane energija v tem sistemu nespremenjena.

Komentiraj. Ta zakon se zelo pogosto imenuje tudi temeljni zakon narave.

Danes smo govorili o medsebojnih preobrazbah različne vrste mehansko energijo drug v drugega: mehansko v toplotno, toplotno v mehansko. Poleg tega smo preučili najpomembnejši zakon fizike – zakon o ohranitvi energije.

V naslednji lekciji bomo preučili enačbo toplotne bilance.

1. Gendenshtein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Ed. Orlova V.A., Roizena I.I. Fizika 8. – M.: Mnemozina.
2. Periškin A.V. Fizika 8. – M.: Bustard, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizika 8. – M.: Razsvetljenje.

1. Internetni portal “sch119comp2.narod.ru” (Vir)
2. Internetni portal “youtube.com” (Vir)

§ 26. Zakon o ohranitvi energije v mehanskih in toplotnih procesih

Notranjo energijo telesa lahko spremenimo s prenosom toplote ali z delom. Očitno je, da če pride do spremembe notranje energije telesa sočasno s prenosom toplote in izvajanjem mehanskega dela na telo z zunanjo silo, potem v skladu z zakonom o ohranjanju in transformaciji energije, ki pravi, da v Pri vseh pojavih, ki se pojavljajo v naravi, energija ne izgine ali se pojavi, ampak se prenaša iz enega materialnega predmeta v drugega ali se preoblikuje iz ene oblike v drugo, pri čemer ostaja nespremenjena po velikosti.

Povečanje notranje energije telesa je enako vsoti opravljenega dela in količine prenesene toplote. Torej, če se z delom A stisne plin, ki se nahaja v jeklenki v vroči vodi (slika 28), se notranja energija poveča.ΔU plin bo enak vsoti opravljenega dela A in količine toplote Q, ki jo je prejel od: topla vodaΔU = A + Q.

Povečanje notranje energije plina povzroči povečanje njegove temperature, ki jo zabeleži električni termometer.

riž. 28. Povečanje notranje energije plina kot posledica dela in prenosa toplote Torej, če se z delom A stisne plin, ki se nahaja v jeklenki v vroči vodi (slika 28), se notranja energija poveča. Posledično je povečanje notranje energije telesa pri prehodu iz enega stanja v drugo enako vsoti dela zunanjih sil na telo in količine toplote, ki mu je bila prenesena.

Poskusi in opazovanja so pokazala, da se lahko mehanska energija teles v procesu opravljanja dela v celoti pretvori v notranjo. Drugače je z notranjo energijo, na primer stisnjenega plina ali pare: le del se lahko pretvori v mehansko energijo. Razlog za to je kaotično gibanje molekul plina in pare. Tudi če bi se vse molekule gibale v isto smer in vso svojo kinetično energijo prenesle na bat, bi potencialna energija interakcije ostala nepretvorjena v mehansko energijo.

Naloga 7. Pri žigosanju obdelovanca iz aluminija, tehtanje s kladivom 700 kg prosti padci z višine 1 m. V tem primeru obdelovanec tehta 2 kg segreje do 1°C. Kolikšen odstotek potencialne energije dvignjenega kladiva se porabi za ogrevanje in kolikšen za žigosanje?

Za vtiskovanje se porabi 0,74 energije kladiva.

Naloga 8. V lupini stratosferskega balona je tehtanje helija 9,6 kg pridobljeno iz sončnega ogrevanja 250 kJ količino toplote in se segreje s 5° C. Določite delo plina med izobarično ekspanzijo in povečanjem njegove notranje energije.

Delo izobarične ekspanzije plina A = 250 kJ - 150 kJ = 100 kJ.

Zakon o ohranitvi energije toplotnih procesov

To spletno mesto predstavlja izobraževalne predstavitve o fiziki, pa tudi sovjetske izobraževalne filmske trakove in izobraževalne filmske trakove za šolarje o fiziki.

Zakon o ohranitvi energije pri toplotnih procesih - filmski trak v fiziki

Fizikalni filmski trak za srednješolce: notranja energija, molekularno kinetični procesi in notranja energija, prehod mehanske energije v notranjo energijo, prehod notranje energije v mehansko energijo, notranja energija idealnega enoatomskega plina, odvisnost notranje energije realnega plina na makroskopske parametre, delo v termodinamiki in mehaniki, sprememba notranje energije pri delu, delo stisnjenega plina, prenos toplote, količina toplote, prvi zakon termodinamike, zakon o ohranitvi energije v naravi, delo sistema na zunanje sile, uporaba prvega zakona dinamike na različne procese, drugi zakon termodinamike.

Letnik izdelave: 1985

Pozor! Samodejni prikaz omogočen. Če želite ustaviti in ročno preklopiti okvirje, premaknite kazalec nad "puščico".

Davek na promet za avto 2018 Prevozna taksa 2018 odpade. Zakaj je bil leta 2018 ukinjen prometni davek za osebni avtomobili

§ 26. Zakon o ohranitvi energije v mehanskih in toplotnih procesih

Notranjo energijo telesa lahko spremenimo s prenosom toplote ali z delom. Očitno je, da če pride do spremembe notranje energije telesa sočasno s prenosom toplote in izvajanjem mehanskega dela na telo z zunanjo silo, potem v skladu z zakonom o ohranjanju in transformaciji energije, ki pravi, da v Pri vseh pojavih, ki se pojavljajo v naravi, energija ne izgine ali se pojavi, ampak se prenaša iz enega materialnega predmeta v drugega ali se preoblikuje iz ene oblike v drugo, pri čemer ostaja nespremenjena po velikosti.

Povečanje notranje energije telesa je enako vsoti opravljenega dela in količine prenesene toplote. Torej, če se z delom A stisne plin, ki se nahaja v jeklenki v vroči vodi (slika 28), se notranja energija poveča. plin bo enak vsoti opravljenega dela A in količine toplote Q, ki jo prejme od vroče vode: topla vodaΔU = A + Q.

Povečanje notranje energije plina povzroči povečanje njegove temperature, ki jo zabeleži električni termometer.

riž. 28. Povečanje notranje energije plina kot posledica dela in prenosa toplote Torej, če se z delom A stisne plin, ki se nahaja v jeklenki v vroči vodi (slika 28), se notranja energija poveča. Posledično je povečanje notranje energije telesa pri prehodu iz enega stanja v drugo enako vsoti dela zunanjih sil na telo in količine toplote, ki mu je bila prenesena.

Poskusi in opazovanja so pokazala, da se lahko mehanska energija teles v procesu opravljanja dela v celoti pretvori v notranjo. Drugače je z notranjo energijo, na primer stisnjenega plina ali pare: le del se lahko pretvori v mehansko energijo. Razlog za to je kaotično gibanje molekul plina in pare. Tudi če bi se vse molekule gibale v isto smer in vso svojo kinetično energijo prenesle na bat, bi potencialna energija interakcije ostala nepretvorjena v mehansko energijo.

Naloga 7. Pri žigosanju obdelovanca iz aluminija, tehtanje s kladivom 700 kg prosti padci z višine 1 m. V tem primeru obdelovanec tehta 2 kg segreje do 1°C. Kolikšen odstotek potencialne energije dvignjenega kladiva se porabi za ogrevanje in kolikšen za žigosanje?

Za vtiskovanje se porabi 0,74 energije kladiva.

Naloga 8. V lupini stratosferskega balona je tehtanje helija 9,6 kg pridobljeno iz sončnega ogrevanja 250 kJ količino toplote in se segreje s 5° C. Določite delo plina med izobarično ekspanzijo in povečanjem njegove notranje energije.

Delo izobarične ekspanzije plina A = 250 kJ - 150 kJ = 100 kJ.

Lekcija fizike: "Zakon ohranjanja energije v toplotnih procesih"

Oddelki: Fizika

Tema: “Zakon ohranjanja energije v toplotnih procesih”

Vrsta: Lekcija za utrjevanje znanja preučenega gradiva

Pogled: Lekcija o projektni metodi

— Sistematizacija in posploševanje predhodno pridobljenega znanja o tej temi;
— Podajo ideje o projektnih aktivnostih in razvijejo elementarni projekt na dani problem;
— Zainteresirati študente za raziskovalne dejavnosti;
— Razviti logično razmišljanje in sposobnosti posploševanja;
— Naučiti se primerjati in spreminjati pridobljeno znanje v praksi in vsakdanjem življenju;
— Spodbujati čut za kolektivizem, medsebojno pomoč in sposobnost skupinskega dela.

Oprema: Na mizah je jedilni pribor po načrtih, računalnik.

Oblikovanje: Na tabli je portret M.V. Lomonosov, plakat z besedami:

»Morda po lastnem Platonu
In hitri Newtoni
Ruska zemlja rodi"

Začnimo zgodbo o toplini
Spomnimo se vsega, zdaj povzamemo
Energijsko delo do vrenja.
Tako da lenoba izhlapi
Ne bomo dovolili, da se naši možgani stopijo,
Treniramo jih do izčrpanosti.
Pokažemo marljivost pri učenju,
Ideje o znanstvenem videnju vonja!
Premagali bomo vsako nalogo,
In vedno lahko pomagamo prijatelju.
Preučujemo zgodovino znanosti
In Lomonosova častimo kot velikega,
In se v delu izkažemo
Kot visoko učinkovit motor!
Toda kako težko je lahko življenje
S tisto damo, ki se imenuje Toplina!

Učitelj: Dober dan, dragi prijatelji!

Tema naše današnje lekcije je "Zakon ohranjanja energije v toplotnih procesih." Upam, da ste to temo ponovili. Zdaj se bomo spomnili zakonov in formul, vendar ne bomo rešili zapletenih problemov; brez dvoma veste, kako to storiti. Cilj naše lekcije je drugačen. Danes se boste preizkusili v vlogi raziskovalcev, poskušali dokončati nekaj elementarnih projektnih nalog, ki rešujejo probleme, ki se mimogrede pogosto pojavljajo v vsakdanjem življenju.

V procesu preučevanja različnih fizikalnih pojavov smo se seznanili z različnimi oblikami energije. Ker smo zaključili s temo »Toplotni pojavi«, nas zanima predvsem notranja energija in načini njenega spreminjanja. Prosim odgovorite na naslednja vprašanja:

Učitelj: Kaj imenujemo notranja energija?

Učenec: Notranja energija je energija gibanja in interakcije molekul.

Učitelj: Na kakšen način lahko spremenite notranjo energijo?

Učenec: Notranjo energijo lahko spreminjamo na dva načina: z mehanskim delom na telesu ali s prenosom toplote.

Učitelj: Pojem količine toplote je neposredno povezan s prenosom toplote. Kakšna je količina toplote?

Učenec: Količina toplote je energija, ki jo telo prejme ali izgubi pri prenosu toplote

Učitelj: Opišemo toplotne procese, ki smo jih preučevali, s pomočjo formul. Zdaj boste dobili liste z nalogami v obliki tabel, ki jih morate izpolniti. Čas delovanja 3 minute. Po tem boste opravili medsebojno preverjanje in vsak bo ocenil delo osebe, ki sedi poleg vas. ( Priloga št. 1). Glasba se predvaja.

Učitelj: Ali ste vedeli, da se je fizik Walter Nernst ukvarjal z gojenjem krapov? Nekega dne je nekdo zamišljeno pripomnil: »Čudna izbira. Še bolj zanimivo je gojiti piščance.” Znanstvenik je mirno odgovoril: »Vzgajam živali, ki so v toplotnem ravnovesju z okoljem. Reja toplokrvnih živali pomeni ogrevanje svetovnega prostora z lastnim denarjem.« Je opazka znanstvenika poštena? Na to in druga vprašanja bodo odgovorili zakoni termodinamike.

Učitelj: Kaj je termodinamika?

Študent: Termodinamika je veja fizike, ki preučuje zakone toplotnega ravnovesja in pretvorbo toplote v druge vrste energije.

Učitelj: Oblikujmo načela, ki se imenujejo zakoni termodinamike.

Študent: Količina toplote, ki jo prejme sistem, se porabi za spreminjanje njegove notranje energije in za delo, ki ga sistem opravi proti zunanjim silam.

Učenec: Nemogoč je proces, katerega edini rezultat bi bil prenos energije z izmenjavo toplote s hladnega telesa na bolj vroče.

Učitelj: Energija po ohranitvenem zakonu ne nastane iz nič, zato je nemogoče zgraditi motor, ki bi opravil več dela kot energija, ki se motorju dovaja od zunaj.

Študent: Nemogoče je ustvariti motor tipa 1.

Učitelj: No, ker je nemogoče ustvariti večnega, kaj so dejansko obstoječi toplotni stroji?

Študent: Stroje, ki pretvarjajo notranjo energijo v mehansko energijo, imenujemo toplotni motorji.

Učitelj: Kateri so glavni deli katerega koli toplotnega stroja?

Učenec: Grelec -> delovna tekočina -> hladilnik.

Učitelj: Poimenujte glavne vrste toplotnih strojev.

Študent: Parni stroj, motor z notranjim zgorevanjem, parna turbina, reaktivni stroj.

Učitelj: Kakšen je izkoristek toplotnih strojev?

Študent: Običajno ne več kot 30-40%.

Učitelj: Človek porablja energijo goriva, ki nam jo daje narava, zelo potratno. Kot nehvaležni otroci zapravljamo dediščino, ki se je nabirala v milijonih let. Narava ravna bolj modro. Kako rešuje energetski problem? Na to vprašanje boste odgovorili v svojih projektih.

Med vire toplote štejemo plinske peči, ogenj ter zgorevanje bencina, kurilnega olja in koksa v kotlovnicah. Gorenje je eksotermna reakcija, ki sprošča toploto. Hidroelektrarne in termoelektrarne so tudi viri toplote, saj dajo do 70 % vse električne energije, to pa so električne peči, električni kamini in drugi električni grelci.

2. Analizirajte vrste goriva, ki se uporabljajo v sodobni tehnologiji. Katere so uporabljali v starih časih? Kateri bodo uporabljeni v prihodnosti?

Po analizi zgorevanja suhega goriva, sveč, rastlinskega olja, zgorevanja etra in s pomočjo tabele št. 1 razdelite vrste goriva v 3 skupine: trdno, tekoče, plinasto.
Izkazalo se je, da med številnimi vrstami trdnega goriva največjo količino toplote proizvede čeljabinski rjavi premog, 14.300 kJ na 1 kg goriva, in kovinsko raketno gorivo:

magnezij 24830 kJ
aluminij 31000 kJ
berilij 66600 kJ.

Od tekočih vrst: kerozin bo osvetlil 43.100 kJ na 1 kg tekočega goriva in dizelskega goriva - 42.700 kJ.
Plinasto gorivo se odlikuje po sproščanju velike količine energije na 1 kg gorljivega goriva. Toda največja količina energije se sprosti pri zgorevanju vodika - 119.700 kJ.

3. Na mizi imate jedilni pribor. Z njimi napišite problem, ki vključuje zgorevanje. Oprema: 20 lesenih drobcev, termometer, tehtnica z utežmi.

Za koliko se bo povišala temperatura zraka v veliki jami s prostornino 10 m krat 15 m krat 5 m, če bo tam zgorelo 20 lesenih drobcev, ki tehtajo 800 g? Začetna temperatura zraka je približno 14 ° C.

xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai

Zakon o ohranitvi in ​​transformaciji energije v mehanskih in toplotnih procesih

Ta video vadnica je na voljo z naročnino

Že imate naročnino? Prijava

V današnji lekciji bomo preučevali zakon o ohranjanju energije in se spomnili preoblikovanja nekaterih vrst mehanske energije v druge med gibanjem teles, ponovili bomo tak koncept, kot je skupna mehanska energija telesa. Nato bomo govorili o procesih, pri katerih bodo potekale sočasne transformacije mehanske in notranje energije ter njune medsebojne transformacije. Spomnimo se tudi pojmov "zaprt sistem" in "toplotno izoliran sistem". Skozi lekcijo se bomo večkrat ozirali na zgodovino preučevanja fizikalnih pojavov in se spomnili največjih znanstvenikov, ki so prispevali k razvoju idej o preučevani veji fizike.

Primeri medsebojnega preoblikovanja vrst mehanske energije

Prej smo že obravnavali možnost pretvorbe ene vrste mehanske energije v drugo, na primer potencialne v kinetično ali, nasprotno, kinetične v potencialno. Navedli smo tudi primer periodičnega preoblikovanja potencialne in kinetične energije ena v drugo.

Primer 1. Pretvorba potencialne energije v kinetično

Ta primer smo si že ogledali v tečaju 7. razreda in na začetku študija tega oddelka. Če si predstavljate telo pritrjeno na določeni višini, potem ima določeno potencialno energijo glede na nivo površine. Potem, če to telo izpustimo, bo začelo padati, tj. njegova višina se bo zmanjšala, in pospešilo, tj. povečalo svojo hitrost. Posledično se bo njegova potencialna energija zmanjšala, kinetična pa povečala (slika 1), energiji se bosta pretvarjali druga v drugo. V trenutku tik pred stikom s tlemi se vsa potencialna energija telesa spremeni v kinetično.

riž. 1. Pretvorba potencialne energije v kinetično

Primer 2. Periodične transformacije vrst mehanske energije (nihala). Razmislimo po vrsti o treh vrstah nihala: matematično, vzmetno, Maxwellovo nihalo.

1. Maxwellovo nihalo– je disk, nameščen na osi, na kateri sta navita dva navoja (slika 2).

Načelo delovanja tega nihala je naslednje: najprej se niti navijejo okoli osi, s čimer se nihalo dvigne navzgor in mu posreduje dodatna potencialna energija, nato se disk nihala sprosti in se začne odvijati in premikati navzdol, nit se odvije do konca, nato se spet navije po vztrajnosti itd. d.

Tako lahko opazimo naslednje transformacije mehanske energije: začetno kopičenje potencialne energije - njeno transformacijo v kinetično energijo - njeno transformacijo v potencialno energijo itd. (slika 3).

riž. 3. Prehod potencialne energije nihala v kinetično energijo in obratno

2. Matematično nihalo (utež na vrvici)– materialna točka, ki pod vplivom gravitacije niha na dolgi neraztegljivi niti (slika 4).

riž. 4. Matematično nihalo

Za začetek nihanja v tem nihalu morate telo, obešeno na nitki, premakniti iz ravnotežnega položaja (damo mu potencialno energijo) in ga sprostiti. Po tem bodo opazovana vodoravna nihanja v navpični ravnini in vidimo transformacije energije, podobne prejšnjemu primeru: dvig - prehod kinetične energije v potencialno, spuščanje - prehod potencialne v kinetično itd.

3. Vzmetno nihalo– breme, ki pod delovanjem prožnostne sile niha na vzmeti (slika 5).

riž. 5. Vzmetno nihalo

Če breme obesite na vzmeti in ga potegnete navzdol (vzmeti daste potencialno energijo) in ga nato sprostite, se bodo pojavile bolj zapletene transformacije energije: potencialna energija vzmeti se bo spremenila v kinetično in potencialno energijo bremena. in obratno.

Zakon o ohranitvi mehanske energije

Vsi zgornji primeri poskusov kažejo na to, kar že vemo: skupna mehanska energija telesa (vsota kinetične in potencialne) se ne spremeni oziroma, kot pravijo drugače, se ohrani. Temu pravimo zakon o ohranitvi mehanske energije:

Komentiraj. Pomembno je vedeti, da ta zakon velja le za zaprt sistem teles.

Opredelitev. Zaprt sistem teles- To je sistem, v katerem zunanje sile ne delujejo.

Primeri prehoda mehanske energije v notranjo in obratno

Primer 3. Zdaj pa preidimo na glavni del naše današnje teme in se spomnimo, kako mehansko energijo lahko pretvorimo v notranjo. Ta proces se zgodi z izvajanjem mehanskega dela na telesu, na primer pri upogibanju in upogibanju žice se segreje z več udarci kladiva po nakovalu, tako kladivo kot nakovalo.

Primer 4. Možen je tudi obraten postopek, ko notranja energija se bo pretvorila v mehansko energijo. Podobni procesi na primer potekajo v motorju z notranjim zgorevanjem (slika 6). Načelo delovanja motorja z notranjim zgorevanjem temelji na pretvorbi energije zgorevanja goriva v mehansko energijo gibanja batov, ki se nato preko prenosnih mehanizmov pretvori v rotacijsko energijo koles avtomobila.

riž. 6. Motor z notranjim zgorevanjem

Podoben princip pretvarjanja notranje energije v mehansko se pojavi pri parnih strojih (slika 7).

riž. 7. Parni stroj na parnem stroju (Vir)

Zgodovina preučevanja pretvorbe mehanske in toplotne energije

Vprašanja transformacije mehanske in notranje energije so se zelo aktivno preučevala v 19. stoletju. Glavno raziskavo so izvedli naslednji znanstveniki.

Nemški znanstvenik Julius Mayer (slika 8) je s svojimi poskusi pokazal, da so možne medsebojne transformacije notranje in mehanske energije in da so spremembe notranje energije pri takih procesih enakovredne popolnemu delu.

riž. 8. Julius Mayer (1814-1878) (Vir)

Posebej zanimivo je delo angleškega znanstvenika Jamesa Joula (slika 9), ki je s serijo poskusov dobil dokaz, da obstaja natančna enakost med opravljenim delom na telesu in spremembo notranje energije.

riž. 9. James Joule (1819-1889) (Vir)

Posebej zanimivo je dejstvo, da je leta 1843 francoski inženir Gustav Girn (slika 10) s serijo svojih poskusov skušal ovreči to, kar sta dokazovala Mayer in Joule, vendar so rezultati njegovih poskusov le še enkrat dokazali doslednost. pri pretvorbi mehanske energije v notranjo.

riž. 10. Gustav Girn (vir)

Zakon o ohranitvi energije

Za pravilno opisovanje procesov prenosa toplote je pomembno, da je sistem, v katerem potekajo, toplotno izoliran in zunanji procesi prenosa toplote ne vplivajo na telesa, ki se nahajajo v obravnavanem sistemu (slika 11).

riž. 11. Zaprt sistem

V tem primeru končano zakon o ohranitvi energije: Če je sistem zaprt in toplotno izoliran, ostane energija v tem sistemu nespremenjena.

Komentiraj. Ta zakon se zelo pogosto imenuje tudi temeljni zakon narave.

Danes smo govorili o medsebojnih pretvorbah različnih vrst mehanske energije druga v drugo: mehanske v toplotno, toplotne v mehansko. Poleg tega smo preučili najpomembnejši zakon fizike – zakon o ohranitvi energije.

V naslednji lekciji bomo preučili enačbo toplotne bilance.

Povzetek za predstavitev

Predstavitev za šolarje na temo "Zakon ohranjanja energije v toplotnih procesih" v fiziki. pptCloud.ru - priročen katalog z možnostjo prenosa powerpoint predstavitev brezplačno.

Zakon o ohranitvi energije v toplotnih procesih

Vrste goriv Ogrevanje in ogrevanje Kuhanje Prenos toplote in zakon o ohranitvi energije Energija in toplota v živi naravi Toplotni mehanizmi in motorji

Lekcija projektne metode

Namen: sistematizirati in posplošiti predhodno pridobljeno znanje o temi; dati idejo o projektnih dejavnostih; zanimanje študentov za raziskovalne dejavnosti; razvijati logično razmišljanje in sposobnost posploševanja; naučiti se uporabljati pridobljeno znanje v praksi in vsakdanjem življenju.

Projekt št. 1 “Vrste goriva” Zgorevanje je eksotermna reakcija, ki sprošča toploto. vrste goriva v 3 skupine: trdna, tekoča, plinasta. Izkazalo se je, da od številnih vrst trdnih goriv, največje število toploto proizvajajo rjavi čeljabinski premog, 14300 kJ na 1 kg goriva, in kovinsko raketno gorivo: magnezij 24830 kJ, aluminij 31000 kJ berilij 66600 kJ Od tekočih vrst: kerozin bo osvetlil 43100 kJ na 1 kg tekočega goriva in dizelskega goriva - 42700 kJ. Plinasto gorivo se odlikuje po sproščanju velike količine energije na 1 kg gorljivega goriva, največja količina energije pa se sprosti pri zgorevanju vodika - 119 700 kJ.

Projekt št. 2 "Ogrevanje in ogrevanje" 1. Na kakšen način se običajno ogrevajo stanovanjski in industrijski prostori? 2. Kako lahko preučujete notranjo konvekcijo? 3. Katere druge metode prenosa toplote obstajajo?

Projekt št. 3 "Kuhanje"

Kako doseči, da se krompir hitreje skuha? Da bi se vaš krompir hitreje skuhal, morate v ponev s krompirjem in vodo pred kuhanjem vreči košček masla. Ko se segreje, se stopi in prekrije površino vode s tanko plastjo. Ta zaščitna folija bo preprečila proces izhlapevanja vode. In proces izhlapevanja vedno spremlja znižanje temperature tekočine in njene količine. Srečamo se s sledečo situacijo: polovica tekočine je povrela, krompir pa še ni kuhan, dolivati ​​je treba vodo in kuhati naprej, kar zahteva dodaten čas.

Projekt št. 4 "Prenos toplote in zakon o ohranjanju energije"

1.Predlagajte poskuse s preprosto šolsko opremo za prikaz različnih vrst prenosa toplote in jih diagramsko razložite. 2. Pri spremembi temperature lahko telo spremeni svoje mehanske lastnosti: dolžino, prostornino, gostoto, elastičnost, krhkost. Navedite primere.

Projekt št. 5 “Energija in toplota v živi naravi”

Nekateri organizmi, zlasti v fazi mirovanja, lahko obstajajo pri zelo nizkih temperaturah. Mikrobne spore lahko na primer prenesejo ohlajanje do -200 C. Obstajajo organizmi z nestabilno temperaturo: žabe, ribe, krokodili, kače in tisti s konstantno temperaturo: volkovi, medvedi. Temperatura telesa je odvisna od temperature okolja. Obstaja veliko naprav za boj proti hlajenju ali pregrevanju.

Projekt št. 6 "Toplotni mehanizmi in motorji"

V življenju se nenehno srečujemo z različnimi motorji. Delovanje toplotnih strojev je povezano s porabo različnih vrst energije. Zasnova prvih parnih strojev je imela glavne dele vseh kasnejših toplotnih strojev: grelec, v katerem se je sproščala energija goriva, vodno paro kot delovno tekočino in bat z valjem, ki je energijo pare pretvarjal v mehansko delo, kot tudi hladilnik, potreben za zmanjšanje temperature in tlaka pare.

Lekcija fizike za 10. razred »Zakon ohranjanja energije v toplotnih procesih. Uporaba prvega zakona termodinamike na izoprocese"

Pohitite in izkoristite do 50% popuste na Infourok tečaje

Dokument je izbran za ogled Zakon o ohranitvi energije v toplotnih procesih. Uporaba prvega zakona termodinamike v izoprocesih.docx

Tema: " Zakon o ohranitvi energije v toplotnih procesih. Uporaba prvega zakona termodinamike na izoprocese »

Cilji in cilji lekcije:

Izobraževalni: Organizirati dejavnosti študentov za utrjevanje osnovnih pojmov termodinamike;

Razvojni: Ustvarite pogoje za reševanje olimpijadnih problemov na temo;

Izobraževalni: Spodbujati razvoj pozornosti, pobude, trdega dela in ustvarjalnih sposobnosti;

Vrsta lekcije: uporaba znanja in veščin ;

Oblika lekcije: delavnica .

Medpredmetne povezave: matematika, kemija

govoriti izraze, preučene v lekciji, v kazaškem, ruskem in angleškem jeziku;

znati uporabiti pridobljeno znanje pri reševanju olimpiadnih nalog;

Organizacija začetka pouka

Posodabljanje referenčnega znanja

Razlaga nove snovi

Utrjevanje novega znanja

Povzetek lekcije.

Organizacija začetka pouka

Pozdravljeni dragi udeleženci naših spletnih predavanj. Mesto Astana, Nazarbayev Intellectual School of Physics and Mathematics vas vabi na lekcijo fizike v 10. razredu. Preden začnemo pogovor, želim, da se udobno namestite, si oddahnete od tujih zadev in se potopite v čudovit svet fizika. Danes nadaljujemo s preučevanjem teme: »Zakon ohranjanja energije v toplotnih procesih. Uporaba prvega zakona termodinamike na izoprocese.” Cilj naše lekcije je naučiti se reševati olimpijadne probleme na to temo.

Glosar za našo lekcijo:

Posodabljanje referenčnega znanja

Preden začnemo neposredno preučevati temo naše lekcije, se spomnimo, skozi kaj ste šli prej. Če želite to narediti, morate vzeti pisalo in kos papirja, da si lahko dodelite točke. Za vsak pravilen odgovor si pripišete eno točko. Odgovorimo na naslednja vprašanja.

Za kaj je po prvem zakonu termodinamike porabljena količina toplote, prenesene v sistem?

odgovor: V zadnji lekciji smo govorili o prvem zakonu termodinamike. Prvi zakon termodinamike imenujemo tudi zakon o ohranitvi energije za toplotne procese. Določa kvantitativno razmerje med spremembo notranje energije, količino toplote, ki ji je dovedena, in skupnim delom zunanjih sil, ki delujejo na sistem.

Prvi zakon termodinamike: sprememba notranje energije sistema pri prehodu iz enega stanja v drugo je enaka vsoti količine toplote, ki je sistemu dovedena od zunaj, in dela zunanjih sil, ki delujejo nanj.

Količina toplote, ki jo telo absorbira, se šteje za pozitivno, količina, ki se sprosti, pa za negativno.

Za izoliran sistem, ki ne izmenjuje toplote z okoliškimi telesi (to je pri ) in na katerega zunanje sile ne izvajajo nobenega dela ()

Ali z drugimi besedami, notranja energija zaprtega izoliranega sistema se ohrani.

V termodinamiki je največje zanimanje pretvorba notranje energije v delo, ki ga opravi plin. Kot je bilo že rečeno, se to delo od dela zunanjih sil razlikuje le po znaku:

Ob upoštevanju razmerja (1) lahko prvi zakon termodinamike formuliramo takole:

Količina toplote, ki se dovaja sistemu, se porabi za spreminjanje njegove notranje energije in za opravljanje dela v sistemu zunanja telesa

Količina toplote, ki se prenese na plin, da spremeni njegovo stanje, je odvisna od metode prehoda plina iz enega stanja v drugo. Za različne procese, ki povezujejo dve stanji telesa, bo količina dovedene toplote različna.

Formulirajte prvi zakon termodinamike za izobarni proces.

odgovor: Kot se spomnite, je izobarni proces proces, ki poteka pri stalnem tlaku. V tem procesu gre količina toplote za opravljanje dela na plinu in za spreminjanje njegove notranje energije.

Kateri proces imenujemo adiabatski? Formulirajte prvi zakon termodinamike za adiabatski proces.

odgovor: Kot smo že omenili, je najbolj zanimiv proces pretvorbe notranje energije plina v delo. Zato je za najbolj učinkovito pretvorbo notranje energije plina v delo, ki ga opravi, potrebno preprečiti možne izgube notranja energija kot posledica prenosa toplote na okoliška telesa. Zato je sistem toplotno izoliran.

Toplotno izoliran sistem je sistem, ki ne izmenjuje energije z okoliškimi telesi.

V toplotno izoliranem sistemu pride do tako imenovanega adiabatnega procesa.

Ker ni izmenjave toplote z okoljem, torej

in prvi zakon termodinamike za adiabatski proces bo imel naslednjo obliko

Z adiabatnim raztezanjem torej. To pomeni, da plin deluje na zunanja telesa tako, da zmanjša svojo notranjo energijo.

Zakaj izobarično širjenje plina iz prostornine V 1 v prostornino V 2 zahteva več toplote kot med izotermnim procesom?

odgovor: Za izobarično raztezanje plina iz prostornine v prostornino je potrebna večja količina toplote kot pri izotermnem procesu, saj se pri izobaričnem procesu temperatura plina spreminja, pri izotermnem procesu pa ne.

Zakaj temperatura plina pada med adiabatnim raztezanjem in narašča med stiskanjem?

odgovor: Med adiabatno kompresijo se temperatura poveča, ker se na sistem izvaja delo, ki povečuje notranjo energijo telesa. In kot se spomnite, je notranja energija telesa odvisna od temperature, in ko se notranja energija telesa povečuje, se temu primerno povečuje tudi temperatura. Če plin deluje, potem je sprememba notranje energije negativna, saj plin deluje tako, da zmanjša svojo notranjo energijo. Posledično se bo temperatura plina znižala.

Test "Preizkusi se!"

1. Kolikšna je sprememba notranje energije enega mola idealnega enoatomskega plina, če je T 1 = T in T 2 = 2 T?
A.) R T; B.) 2 R T; V.) 3 R T; G.) 1,5 R T.

2. Kakšno delo opravi plin pri izobarni ekspanziji pri tlaku 2 ∙ 10 5 Pa iz prostornine V 1 = 0,1 m 3 na prostornino V 2 = 0,2 m 3?
A.) 2 ∙ 10 6 J; B.) 200 kJ; V.) 0,2 ∙ 10 5 J.

3. Količina toplote, ki je enaka 2000 J, se prenese na termodinamični sistem in pri tem opravi delo 500 J. Določite spremembo njegove notranje energije tega sistema.

A.) 2500 J; B.) 1500 J; B.) ∆ U =0.

4. V valju pod batom je zrak, ki tehta 29 kg. Kakšno delo bo opravil zrak med izobarično ekspanzijo, če se njegova temperatura poveča za 100 K. Maso bata zanemarimo.
A.) 831 J; B.) 8,31 kJ; V.) 0,83 MJ.

5. Katero fizikalna količina se izračuna po formuli?

A.) količina toplote v idealnem plinu;
B.) idealni plinski tlak;
B.) notranja energija enoatomskega idealnega plina;
D.) notranja energija enega mola idealnega plina.

Razlaga nove snovi

Zakon o ohranitvi energije pravi, da ostane količina energije med kakršno koli transformacijo nespremenjena. Ampak ta zakon ne upošteva, kakšne energetske transformacije so možne. Medtem pa se številni procesi, ki so z vidika zakona o ohranitvi energije povsem sprejemljivi, v resnici nikoli ne zgodijo. Ogrevana telesa se ohladijo in prenašajo svojo energijo na okoliška telesa; obratni proces prenosa toplote s hladnega telesa na vroče ni v nasprotju z zakonom o ohranjanju energije, vendar se dejansko ne zgodi. Navedemo lahko neomejeno število primerov. Vsi primeri kažejo, da imajo procesi v naravi določeno smer, ki se nikakor ne odraža v prvem zakonu termodinamike. Vsi procesi v naravi tečejo v določeni smeri. Ne morejo spontano teči v nasprotno smer. Vsi procesi v naravi so nepovratni, na primer staranje organizmov, difuzija. Razmislimo o konceptu reverzibilnega procesa.

Proces, ki izpolnjuje naslednje pogoje, se imenuje reverzibilen:

- lahko se izvaja v dveh nasprotnih smereh;

- v vsakem od teh primerov gredo sistem in telesa, ki ga obkrožajo, skozi ista vmesna stanja;

— po izvedbi direktnih in povratnih procesov se sistem in okoliška telesa vrnejo v prvotno stanje.

Vsak proces, ki ne izpolnjuje vsaj enega od teh pogojev, je nepovraten.

Realni toplotni procesi so tudi nepovratni.

Pri difuziji pride do izenačitve koncentracij spontano. Obratni proces se nikoli ne bo zgodil sam od sebe: mešanica plinov se na primer nikoli ne bo spontano ločila na svoje sestavne komponente. Zato je difuzija nepovraten proces.

Prenos toplote je, kot kažejo izkušnje, tudi enosmeren proces. Zaradi izmenjave toplote se energija prenaša sama, vedno od telesa z več visoka temperatura na telo z nižjo temperaturo. Obratni proces prenosa toplote s hladnega telesa na vroče nikoli ne pride sam od sebe.

Nepovraten je tudi proces pretvorbe mehanske energije v notranjo energijo med neelastičnim udarcem ali trenjem.

Medtem pa usmerjenost in s tem ireverzibilnost toplotnih procesov ne izhaja iz prvega zakona termodinamike. Prvi zakon termodinamike zahteva le, da je količina toplote, ki jo odda eno telo, popolnoma enaka količini toplote, ki jo prejme drugo. Odprto pa ostaja vprašanje, katero telo, iz toplega v hladno ali obratno, bo prenašalo energijo.

Smer realnih toplotnih procesov določa drugi zakon termodinamike, ki je bil ugotovljen z neposredno posplošitvijo eksperimentalnih dejstev. To je postulat. Nemški znanstvenik R. Clausius je dal naslednjo formulacijo drugega zakona termodinamike: nemogoče je prenesti toploto iz hladnejšega sistema v bolj vročega, če ni drugih hkratnih sprememb v obeh sistemih ali okoliških telesih.

CLAUSIUS Rudolf Julius Emanuel (1822-1888), Nemški teoretični fizik, eden od ustvarjalcev termodinamike in molekularno-kinetične teorije toplote. Clausiusova dela se nanašajo na področja molekularne fizike, termodinamike, teorije parnih strojev, teoretične mehanike in matematične fizike. Bil je prvi, ki je analiziral ideje S. Carnota in jih razvil, oblikoval načelo enakovrednosti toplote in dela. Leta 1850 je neodvisno od W. Rankina dobil razmerje med toploto in delom (prvi zakon termodinamike) in razvil idealni termodinamični cikel parnega stroja (Rankine-Clausiusov cikel). Istega leta (sočasno z W. Thomsonom) je dal prvo formulacijo drugega zakona termodinamike: "Toplota ne more sama prehajati iz hladnejšega telesa v toplejše." Leta 1865 je uvedel koncept entropije in ugotovil njeno najpomembnejšo lastnost. Clausius je veliko prispeval k razvoju molekularno kinetične teorije toplote. Njegovo delo je prispevalo k uvedbi statističnih metod v fiziko, kar je omogočilo njihovo razlago razni pojavi v plinih, kot so notranje trenje, toplotna prevodnost, difuzija.

Nicolas Leonard Sadi Carnot Francoski fizik in vojaški inženir, eden od utemeljiteljev termodinamike. Sadi Carnot je nenadoma umrl v starosti komaj 36 let zaradi kolere. Carnota so zanimali številni novi industrijski in tehnološki razvoj tistega časa. Postajam zaposlen teoretična osnova Načela delovanja parnih strojev je Carnot postal eden od pionirjev termodinamike, saj je predlagal svoj slavni model idealnega stroja. Sadi Carnot je svoje ideje objavil leta 1824 v obliki temeljne razprave »Razmišljanja o pogonski sili ognja in o strojih, ki so sposobni razviti to silo«. V njem je Carnot na splošno obravnaval vprašanje "pridobivanja gibanja iz toplote". Ob analizi idealnega krožnega procesa (danes poznanega kot Carnotov cikel) je prvi prišel do zaključka, da koristno delo nastane le pri prenosu toplote z segretega telesa na hladnejše. Carnot je tudi izrazil stališče, da je količina dela določena s temperaturno razliko med grelnikom in hladilnikom in ni odvisna od narave snovi, ki deluje v toplotnem stroju (Carnotov izrek). Carnot se je v svojem razmišljanju držal kalorične teorije, kasneje pa jo je, kot je razvidno iz njegovih posthumno objavljenih zapiskov, opustil.

Thomsonova znanstvena zanimanja so vključevala termodinamiko, hidrodinamiko, elektromagnetizem, teorijo elastičnosti, toploto, matematiko in tehnologijo. Leta 1851 je W. Thomson (neodvisno od R. Clausiusa) formuliral 2. zakon termodinamike. Njegovo delo "O dinamični teoriji toplote" je orisalo nov pogled na toploto, po katerem "toplota ni snov, ampak dinamična oblika mehanskega učinka." Zato "mora obstajati nekaj enakovrednosti med mehanskim delom in toploto." Thomson poudarja, da se zdi, da je to načelo prvo. je bila odkrito razglašena v delu Yu Mayerja »Opombe o silah nežive narave" Nadalje omenja delo J. Joula, ki je preučeval numerično razmerje, ki »povezuje toploto in mehansko silo«.

Thomson trdi, da celotna teorija gonilne sile toplote temelji na dveh določbah, od katerih se prva vrača k Joulu in je formulirana takole: »V vseh primerih, ko enake količine mehansko delo se na kakršen koli način pridobi izključno zaradi toplote ali pa se porabi izključno za pridobivanje toplotnih učinkov, vedno se izgubi ali pridobi enaka količina toplote.”

Torej iz drugega zakona termodinamike sledi, da je nemogoče ustvariti večni stroj druge vrste, tj. motor, ki bi opravljal delo s hlajenjem katerega koli telesa.

Razvoj tehnologije je odvisen od sposobnosti izkoriščanja ogromnih zalog notranje energije. Uporabiti to energijo pomeni delovati na njen račun koristno delo. Razmislimo o virih, ki opravljajo delo z uporabo notranje energije.

Toplotni motor je naprava, ki pretvarja notranjo energijo goriva v mehansko energijo. Razmislimo o zasnovi in ​​principu delovanja toplotnega stroja. Delovanje katerega koli toplotnega stroja je ciklično.

Vsak cikel je sestavljen iz različne procese:

— prejemanje energije iz grelnika;

— prenos neporabljene energije v hladilnik.

Bistvena je prisotnost grelnika, delovne tekočine, hladilnika

nujni pogoj za neprekinjeno ciklično delovanje katerega koli toplotnega stroja.

Postopek 1-2-3-4-1 se izvede nad enim molom idealnega enoatomskega plina (glej sliko), plin pa prejme količino toplote Q od grelnika v enem ciklu. Koliko toplote bo plin oddal v enem ciklu, če na njem izvedemo proces 2-3-4-A-B-C-2? Znano je, da je T 3 =16T 1, T 2 =T 4, B točka presečišča izoterme T= T 2 z ravnico 1-3, ki poteka skozi izhodišče pV diagrama. Odgovor izrazite s Q.

Najprej razmislimo o začetnem ciklu in izrazimo količino toplote, ki je bila prenesena na plin, skozi druge parametre sistema. Iz prvega zakona termodinamike (∆Q = ∆U + ∆A) sledi, da se toplota predaja plinu v odsekih 1–2 in 2–3. To pomeni, da je količina toplote, dodeljena plinu v enem ciklu:

1-2 proces je izohoren, zato gre celotna količina toplote, prejete v tem procesu, za povečanje notranje energije

Če želite razumeti, ali je bila lekcija za vas produktivna, lahko odgovorite na vprašanja, ki jih vidite na zaslonu. če večina Odgovori so pozitivni, kar pomeni, da je bila naša lekcija produktivna, v naslednji lekciji pa vas čakam, da hkrati rešujete probleme.

Povzetek lekcije.

Danes smo se skupaj učili in reševali naloge iz prvega zakona termodinamike, osvojili pa smo tudi pojem toplotni stroj, analizirali drugi zakon termodinamike in pojem ireverzibilnosti procesov. Na začetku lekcije ste si dali točko za vsak pravilen odgovor.

Če ste prejeli oceno "6" ali manj, ne obupajte, preberite učbenik, na primer Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z. zvezek “Molekularna fizika in termodinamika” str. 158-161.

Za utrjevanje znanja morate opraviti naslednje naloge:

V navpičnem valju pod težkim batom je kisik z maso m = 2 kg. Za povišanje temperature kisika za ∆T = 5 K smo mu dodelili količino toplote Q = 9160 J. Poiščite specifično toploto kisika c, delo A, ki ga opravi pri raztezanju, in povečanje njegove notranje energije ∆ U. Molska masa kisika M = 0,032 kg/mol.

Dve enaki posodi sta povezani s cevjo, katere prostornino lahko zanemarimo. Sistem je napolnjen s plinom in ima temperaturo 300 K. Ko smo eno od posod segreli, drugo pa pustili pri isti temperaturi, se je tlak v sistemu povečal za 1,5-krat. Na koliko stopinj je bila segreta ena od posod?

40 litrska jeklenka vsebuje stisnjen zrak pod tlakom 18 MPa pri 27 0 C. Kakšno prostornino (v litrih) vode lahko izpodrine iz rezervoarja podmornice zrak tega valja, če je čoln na globini 20 m, kjer je temperatura 7 0 C? Atmosferski tlak 0,1 MPa, g = 10 m/s 2.