Первый закон термодинамики
Негосударственное образовательное
учреждение высшего образования
Московский технологический институт
Факультет 021-00005
Кафедра Техносферная безопасность
Реферат
по дисциплине Теплофизика
на тему:
"Первый закон термодинамики"
Выполнил:
Студент 3 курса
Форма обучения Заочная
Сальков Владимир Сергеевич
Москва 2015
Оглавление
Введение
Структура курса физики школы
Раздел "Молекулярная физика" в школьном курсе физики
Из истории первого начала термодинамики
Первый закон термодинамики
Внутренняя энергия идеального газа
Работа в термодинамике
Количество теплоты
Первый закон термодинамики
Применение первого закона термодинамики к различным процессам
Методика решения задач по термодинамике
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Сейчас в физике объединяется или
группируется учебный материал вокруг ведущих физических идей или принципов -
генерализация. В качестве основных ведущих идей, выделены физические теории -
механика, молекулярная физика, электродинамика, квантовая физика.
В разделе "Молекулярная физика" изучаются явления и
процессы, связанные с тепловой формой движения материи на микро - и
макроуровнях, т.е. основы молекулярно-кинетической теории и основы
термодинамики.
Молекулярно-кинетическая теория изучается
в самом начале курса физики, а затем используется для объяснения свойств
жидкостей и газов (тема "Давление твердых тел, жидкостей и газов"),
тепловых явлений, агрегатных превращений вещества (тема "Тепловые
явления").
По современной программе раздел
"Молекулярная физика" изучается в 8 и 10 классах.
В данной работе мы рассмотрим такую тему "Молекулярная
физика", как "Первый закон термодинамики".
первый закон термодинамика физика
Структура
курса физики школы
Образовательный курс физики состоит из
двух ступеней: первая ступень - 7 и 8 классы и вторая ступень - 9,10, 11
классы. Эти две ступени составляют единый систематический курс физики.
При разработке программы курса физики одиннадцатилетней школы
произошло совершенствование его ступенчатой структуры. Это выражается, в частности,
в устранении дублирования. Сейчас только на первой ступени изучаются такие
понятия, как мощность, внутренняя энергия, количество теплоты, давление твердых
тел, жидкостей и газов, изменение агрегатных состояний вещества и др. Многие же
вопросы изучаются только на второй ступени. К ним относятся физика волновых и
колебательных процессов, вопросы излучения и т.д. С другой стороны, многие
физические явления и понятия изучаются дважды. В этом случае совершенствование
структуры курса заключается в том, что знания, полученные учащимися на первой
ступени, затем развиваются, углубляются при установлении новых связей и их
практическом применении.
Отобранные для изучения в школе основы физики (факты,
понятия, законы, теории) должны быть преподнесены учащимся в систематизированном
виде в соответствии с дидактическим принципом систематичности и
последовательности изложения знаний. Необходимость этого определяется не только
принципом систематичности обучения. Увеличение объема научных знаний и
отсутствие возможностей для увеличения времени изучения материала, задача
повышения научного уровня курса, развития мышления учащихся - все это требует
тщательной систематизации учебного материала. Проблема эта может решаться
по-разному. В настоящее время имеет место тенденция объединения, или
группировки, учебного материала в курсе физики вокруг ведущих физических идей
или принципов, т.е. его генерализация. В качестве основных ведущих идей, вокруг
которых осуществлена группировка (генерализация) учебного материала в одиннадцатилетней
школе, выделены физические теории - механика, молекулярная физика,
электродинамика, квантовая физика.
Значение физической теории в науке заключается в том, что,
включая в себя ряд положений, понятий, законов, теория исчерпывающе описывает
определенный круг явлений и в этом смысле является основной и ведущей формой
знания. При этом важно, что теория позволяет не только объяснять явления и
процессы, но и предсказывать ход явлений, устанавливать новые закономерности.
Таким образом, группировка учебного материала вокруг физических теорий
позволяет передать учащимся в обобщенном виде определенную сумму знаний и
использовать ее для объяснения и предсказания явлений природы.
Молекулярно-кинетическая теория изучается в самом начале
курса физики, а затем используется для объяснения свойств жидкостей и газов
(тема "Давление твердых тел, жидкостей и газов"), тепловых явлений,
агрегатных превращений вещества (тема "Тепловые явления"). Элементы
электронной теории (строение атома), изученные в 8 классе в начале темы
"Электрические явления", используются при объяснении явлений
электризации и проводимости.
Учебный материал 10-11 классов сгруппирован вокруг
классической механики, молекулярно-кинетической теории, электродинамики и
квантовой теории. При этом материал расположен в порядке усложнения форм
движения материи. В соответствии с этой группировкой курс физики второй ступени
состоит из четырех разделов: механика, молекулярная физика, электродинамика,
квантовая физика. Раздел "Механика" включает все явления и процессы,
связанные с механической формой движения материи (кинематику и динамику
движения материальной точки), законы сохранения, механические колебания и
волны.
В любой физической теории выделяют основание, ядро, выводы.
Основание, или эмпирический базис, теории
составляют экспериментальные факты, идеализированный объект, физические понятия
и величины, описывающие идеализированный объект и правила действия с ними.
В ядро теории входят законы, постулаты, принципы,
фундаментальные постоянные.
К выводам теории относятся применения теории к решению
конкретных задач.
Например, эмпирический базис молекулярно-кинетической теории
идеального газа составляет ряд экспериментальных фактов: диффузия, легкая
сжимаемость газа, способность занимать весь предоставленный ему объем. В
основании теории лежит модель - "идеальный газ" и величины,
описывающие поведение этой идеализированной макросистемы: давление,
концентрация, средний квадрат скорости молекул и др.
Ядро теории составляет основное уравнение
молекулярно-кинетической теории идеального газа. К выводам теории относятся
уравнение состояния, частные газовые законы, применение теории к объяснению
свойств газов.
Все эти элементы теорий представлены в
курсе физики. Но поскольку степень разработанности теорий и уровень их интерпретации
различны, они по-разному отражены в школьном курсе физики.
Следует отметить, что систематизация
содержания курса физики вокруг физических теорий позволяет успешнее решать
задачу формирования мировоззрения учащихся. Это связано с тем, что в итоге изучения
курса физики у учащихся должны сформироваться представления о физической
картине мира, в которую входят изучаемые в школьном курсе физические теории.
Таким образом, основным направлением систематизации
содержания курса физики средней школы является его генерализация вокруг
фундаментальных физических теорий, что создает возможности для передачи
учащимся системы физических знаний, формирования у них научно-теоретического
способа мышления, диалектико-материалистического мировоззрения учащихся и их
образования.
Раздел
"Молекулярная физика" в школьном курсе физики
В разделе "Молекулярная физика" изучают
молекулярно-кинетическую теорию строения вещества, основные положения которой
рассматривали еще в 7 классе. Изучая физику в 7 и 8 классах, учащиеся научились
объяснять целый ряд физических явлений, свойств веществ (свойства жидкостей и
газов, давление, тепловые явления и пр.) с точки зрения внутренней структуры
вещества. Однако понятия, составляющие содержание соответствующих тем, изучали
на уровне представлений, а все явления описывали качественно. Поэтому при
преподавании молекулярной физики в 10 классе знания, имеющиеся у учащихся,
нужно актуализировать, углубить и расширить, довести их до уровня понятий и
количественного описания явлений. В частности, в курсе физики 10 класса изучают
основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов; значительно глубже,
чем в VII классе, рассматривают свойства газов, жидкостей и твердых тел.
В разделе получают дальнейшее развитие
энергетические представления, происходит обобщение закона сохранения энергии на
тепловые процессы, вводят формулу первого закона термодинамики и рассматривают
применение этого закона к анализу конкретных процессов. Изучение одного из
основных принципов термодинамики имеет огромное познавательное и
мировоззренческое значение для десятиклассников.
Раздел "Молекулярная физика" дает возможность
продолжить знакомство учащихся с экспериментальным методом исследования,
который находит отражение в фундаментальных опытах (броуновское движение, опыт
Штерна) и опытах, иллюстрирующих газовые законы (опыт Бойля, Шарля и пр.).
Раздел "Молекулярная физика"
изучается в старших классах после раздела "Механика". Такое
расположение материала, с одной стороны, соответствует методическому принципу
рассмотрения физических явлений в порядке усложнения форм движения материи, а с
другой - позволяет изучать микроявления на количественном уровне и использовать
известные из курса механики величины: масса, скорость, сила, импульс, энергия и
т.д.
Из истории
первого начала термодинамики
Становление первого начала термодинамики
как научного принципа связано с развитием понятия об энергии и идеи сохранения
движения. Над этим вопросом работало много ученых. Остановимся кратко на
работах некоторых из них.
В 1644 г. Французский ученый Рене Декарт
(1596-1650) высказал мысль, что механическое движение сохраняется: материя
имеет количество движения, "никогда не возрастающее и не уменьшающееся,
несмотря на то, что в некоторых частях материи его может быть то больше, то
меньше". Мерой движения Декарт считал произведение массы на скорость.
Однако произведение массы на скорость, как
выяснилось, не всегда может служить мерой движения. Поэтому немецкий ученый
Вильгельм Лейбниц (1646 - 1716) предложил считать мерой движения произведение
массы на квадрат скорости, т.е. величину.
Английский ученый Томас Юнг (1773-1829)
ввел для этой величины название энергия.
Большой вклад в развитие учения об энергии
внес швейцарский ученый Иоганн Бернулли (1667-1748). В 1735 г. он писал, что
энергия имеет определенную величину, "из которой ничего не может
пропасть". М.В. Ломоносов (1748) высказал мысль, что за счет механического
движения может быть получено тепловое. При этом он руководствовался принципом:
"Все изменения, совершающиеся в природе, происходят таким образом, что
сколько к чему прибавилось, столько же отнимается у другого". Однако в
науке принцип эквивалентности теплоты и работы утвердился лишь почти сто лет
спустя после работ М.В. Ломоносова. Работами Р. Майера и Д. Джоуля этому
принципу была придана современная форма.
Майер, установив, что "теплота и движение превращаются
друг в друга", задался целью узнать, сколько требуется работы для
получения определенного количества теплоты. Он нашел, что для получения 1 ккал
теплоты требуется около 4200 Дж работы. Тщательные опыты Д. Джоуля доказали
постоянство этого соотношения и подтвердили эквивалентность теплоты и работы.
Майер Юлиус Роберт (1814 - 1878) - немецкий ученый, врач.
Посвятил ряд работ обоснованию закона сохранения и превращения энергии - Теплоту,
магнетизм и электричество рассматривал не как некоторые невесомые жидкости, как
было принято в его время, а считал их качественно различными формами
"сил" (энергии), которые превращаются друг в друга при неизменных
количественных отношениях.
Кдаузиус назвал эквивалентность теплоты и
работы первым началом (принципом) термодинамики.
Таким образом, хотя еще и доисторическому
человеку было известно, что путем трения можно получить огонь, лишь в XIX в.
познание этого явления получило количественное выражение и приобрело
значение научного принципа - принципа эквивалентности теплоты и работы.
В 1850 г. Клаузиус показал, что из
принципа эквивалентности вытекает существование функции состояния, изменение
которой при переходе системы из одного состояния в другое всегда равно. Эта
функция состояния системы была названа внутренней энергией.
Эквивалентность теплоты и работы
экспериментально доказана для ограниченного круга явлений. Очевидно, это
доказательство осуществлено в рамках погрешностей измерений, а время, в течение
которого осуществляется опытная проверка ограничено (принципу эквивалентности
лишь около 130 лет). Несмотря на это, физика, обобщая данные опыта, принимает
первое начало термодинамики в качестве универсального и незыблемого принципа,
выполняющегося с абсолютной точностью. Основанием для такого экстраполирования
служит производственный и научный опыт, многочисленные экспериментальные
подтверждения предсказаний, сделанных на, основании этого принципа.
Первый принцип термодинамики в последующем был обобщен в
универсальный закон сохранения и превращения энергии, который стал достоянием
научного мышления и служит орудием исследования природы.
Закон сохранения и превращения энергии лежит не только в
основе физики. Все современное естествознание опирается на этот закон. Однако
термодинамика использует этот закон в специальной, присущей только
термодинамике форме - в форме уравнения первого начала термодинамики. Это дает
возможность установить связи между величинами, характеризующими те или иные
процессы.
Первый закон
термодинамики
Внутренняя
энергия идеального газа
Одним из важнейших понятий
молекулярно-кинетической теории и термодинамики является понятие
"внутренняя энергия". С ним учащихся знакомят в 8 классе, а в 10
классе продолжается формирование этого понятия.
В вузовском курсе общей физики под внутренней энергией тела
понимают его полную энергию за вычетом кинетической и потенциальной энергий
тела как целого.
В курсе физики средней школы такое определение использовать
нельзя, поскольку учащиеся не знают, что собой представляет полная энергия тел.
Учитывая это, достаточно разъяснить учащимся, что внутренняя энергия включает
кинетическую энергию хаотического движения молекул; потенциальную энергию их
взаимодействия; различные виды энергий частиц, входящих в состав атомов,
образующих молекулы; различные виды энергий связи (энергию связи атомов;
энергию связи частиц, входящих в состав атомных ядер, и т.д.). Далее надо
указать на то, что в МКТ и термодинамике очень часто приходится определять не
абсолютные значения внутренней энергии, а ее изменения, происходящие в ходе
различных процессов. Так как в подавляющем большинстве процессов,
рассматриваемых в молекулярной физике, изменяются только кинетическая энергия
теплового движения молекул и потенциальная энергия их взаимодействия, то именно
эта виды энергии составляют внутреннюю энергию системы.
Вычислить внутреннюю энергию системы как сумму этих двух
видов энергии молекул практически невозможно. Поэтому необходимо установить
связь между внутренней энергией системы и макроскопическими параметрами,
которые можно измерять. Кроме того, следует сформировать у учащихся
представление о внутренней энергии как функции состояния.
Кинетическая энергия хаотического движения молекул зависит от
температуры; потенциальная энергия их взаимодействия зависит от среднего
расстояния между молекулами, которое, в свою очередь, зависит от объема,
занимаемого системой. Поэтому внутренняя энергия системы является функцией
температуры и объема.
В классах гуманитарного и
общеобразовательного профилей понятие "число степеней свободы" не
вводится. Поэтому учащихся знакомят только с формулой для определения внутренней
энергии идеального одноатомного газа.
Вывод этой формулы целесообразно
осуществить в виде решения учебно-познавательной задачи, которую можно
сформулировать следующим образом: вывести формулу, устанавливающую связь между
внутренней энергией идеального одноатомного газа и его макроскопическими
параметрами.
Для решения задачи необходимо выбрать модель. С этой целью
надо обсудить с учащимися вопрос о том, можно ли для решения поставленной
задачи использовать модель, которая применялась при выводе основного уравнения
МКТ.
Атомы имеют очень малые размеры по
сравнению со средними расстояниями между ними. Поэтому их с большой степенью
точности можно считать материальными точками.
При низких давлениях и высоких температурах и в этом случае
можно пренебречь взаимодействием атомов на расстоянии и считать, что оно
происходит только в момент соударений.
Таким образом, для решения данной задачи использовавшаяся
ранее модель применима.
Поскольку атомы на расстоянии не
взаимодействуют, потенциальная энергия их взаимодействия равна нулю.
Следовательно, внутренняя энергия одноатомного идеального газа не зависит от
объема и является функцией только одного параметра - температуры.
Информация, полученная при моделировании физической ситуации,
дает возможность переформулировать задачу и представить ее в более конкретном
виде: вывести формулу, устанавливающую связь между внутренней энергией
идеального одноатомного газа и его абсолютной температурой. такая формулировка
задачи значительно облегчает поиск системы формул, необходимых для ее решения.
Работа в
термодинамике
Причиной изменения состояния газа, как и
любых других тел, являются внешние воздействия, которые характеризуются двумя
величинами: работой и количеством переданной теплоты. Сперва, рассматривается
работа как величина, характеризующая механическое воздействие.
С точки зрения молекулярной теории работа
в термодинамике (т.е. без учета изменения механического состояния системы)
означает превращение энергии упорядоченного движения молекул тела, например
молекул, образующих поршень, в энергию теплового, т.е. беспорядочного,
хаотического движения молекул другого тела, скажем газа. Отсюда связь работы с
изменением внутренней энергии. Возможно и обратное превращение.
Для того чтобы получить формальное выражение работы, рассматривают
цилиндр с подвижным поршнем. На произвольном малом участке перемещения поршня
работа равна произведению силы на перемещение.
Работа положительна, если направления силы
и перемещения совпадают. Поэтому при сжатии газа работа внешних сил положительна,
а при расширении положительную работу совершает газ.
Работа, характеризующая изменение
теплового состояния, сама зависит от температуры. Обратить внимание учащихся на
это важно потому, что именно разница работ при разных температурах лежит в
основе действия тепловой машины.
В случаях других процессов зависимость работы от температуры
будет иной, но так или иначе работа при изменении теплового состояния зависит
от температуры, поскольку от температуры зависят и давление газа, и его объем.
Говоря о работе в термодинамике, имеют в виду как работу,
совершаемую газом так и работу внешних сил. Следует заметить, что равенство
может быть понято учащимися не вполне правильно. Это равенство следует как
будто бы из третьего закона Ньютона, т.е. из равенства силы, с которой газ
действует на поршень, и силы, с которой поршень действует на газ. В этом случае
равенство следует именно из третього закона. Однако под внешней силой часто
понимают силу, действующую на поршень извне: внешнее давление, груз на поршне и
т.п. Работу именно такой силы обычно и называют работой внешней силы. Но
равенство этой внешней силы и силы давления газа может быть обусловлено уже не
третьим законом Ньютона, а вторым, так как обе силы приложены к одному телу
(поршню) и равны при условии, что поршень движется без ускорения.
Следовательно, равенство работ A=-А' предполагает равновесный процесс.
Работа при одном и том же изменении состояния, но совершаемая
разными способами перехода из одного состояния в другое, имеет различное
значение.
Изменение состояния системы под влиянием внешних воздействий
характеризуется двумя величинами: работой и количеством переданной теплоты.
Соотношение этих величин как раз и связано с характером процесса.
Количество
теплоты
Понятию количества теплоты дается трактовка, опирающаяся на
знания учащихся, полученные ими в 8 классе. Это молекулярная трактовка,
требующая, однако, некоторого раскрытия и уточнения. Определяя количество
теплоты как меру изменения внутренней энергии, нужно указать, что количество
теплоты и внутренняя энергия не одно и то же. Теплообмен означает передачу
внутренней энергии одного тела другому, т.е. преобразование энергии
хаотического движения молекул одного тела в энергию хаотического же движения
молекул другого тела. В этом смысле при теплообмене нет превращения одной формы
энергии в другую ее форму, как это имеет место, когда совершается работа, но
есть передача энергии. Именно факт передачи и количество переданной энергии
выражается количеством теплоты. Количество теплоты характеризует тепловое
воздействие одного тела на другое, а не изменение состояния этих тел, которое
выражается только внутренней энергией. В этом отношении количество теплоты
подобно (эквивалентно) механической работе. В результате теплового воздействия
состояние тела (системы) меняется, меняется и его внутренняя энергия, но это
изменение состояния может быть неравнозначно тепловому воздействию, как оно
неравнозначно и одному только механическому воздействию, поскольку изменение
состояния может быть вызвано совместными и тепловым, и механическим
воздействиями. Количество теплоты совпадает с изменением внутренней энергии
лишь при условии, что механическое воздействие отсутствует, если изменение
состояния тела обусловлено одним только тепловым воздействием.
С другой стороны, теплообмен нужно
поставить в связь с установлением теплового равновесия. Количество теплоты
только потому и может быть понято как мера изменения внутренней энергии,
поскольку установлена связь между внутренней энергией и температурой.
Теплообмен - это процесс, самопроизвольно возникающий при взаимодействии тел,
имеющих разную температуру, и всегда направленный в сторону выравнивания
температур, т.е. к установлению теплового равновесия. В представлениях
молекулярной теории это процесс выравнивания средней кинетической энергии
молекул тел, находящихся в тепловом контакте.
Количество теплоты первоначально и выступает как величина,
поставленная в связь с изменением температуры при установлении теплового
равновесия.
Количество теплоты зависит не только от того, например, на
сколько градусов изменилась температура тела, но и от того, при каких условиях
происходило это изменение температуры.
Газовые законы являются как раз теми
примерами, на которых можно убедительно показать зависимость количества теплоты
от условий протекания процесса.
Первый закон
термодинамики
Термодинамика как физическая теория
базируется на основе принципов, в качестве которых выступают три закона
термодинамики.
В школьном курсе физики изложены первый закон термодинамики и
простейшие формулировки второго закона. На количественном уровне второй закон
термодинамики не изучают, поскольку из-за трудности восприятия не вводится
понятие "энтропия". О третьем законе термодинамики информация вообще
отсутствует.
Приступая к изучению этого закона, необходимо вспомнить, что
существуют два способа изменения внутренней энергии системы. Ее можно изменить
путем совершения работы и посредством теплообмена с внешними телами.
Далее нужно сообщить, что между работой,
количеством теплоты и изменением внутренней энергии имеется связь,
устанавливаемая первым законом термодинамики, который представляет собой закон
сохранения энергии для тепловых процессов.
В задачах по данной теме очень часто в качестве данной или
искомой величины выступает не работа, совершаемая внешними телами, а работа,
которую совершает система.
Его словесная формулировка: количество теплоты, сообщенное
системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы над
внешними телами.
Внутренняя энергия является функцией
состояния, а работа и количество теплоты зависят от характера процесса.
Применение первого закона термодинамики
иллюстрируют на примере изопараметрических и адиабатного процессов, совершаемых
идеальным газом.
Изучение теоретического материала целесообразно начинать с
известных учащимся изопараметрических процессов и построить в виде решения
учебно-познавательной задачи, которую можно сформулировать так: получить
формулы, выражающие первый закон термодинамики для изопараметрических
процессов, которые совершает определенная масса идеального газа.
В классах любого профиля можно
использовать бесструктурную модель молекулы, которая является одним из
элементов модели "одноатомный идеальный газ".
Необходимо разъяснить, что применение такой модели не
нарушает общности решения задач. Действительно, только при изотермическом
процессе приходится учитывать функциональную зависимость внутренней энергии
газа от его абсолютной температуры. Однако в этом случае состав молекулы и
характер связи между атомами, образующими молекулу, значения не имеют,
поскольку не влияют на результат. Изменение внутренней энергии идеального газа
с любым количеством атомов в молекуле равно нулю, если T = const.
Указание на постоянство массы газа делает
решение задачи однозначным, т.к. исключает из рассмотрения изопараметрические
процессы, в ходе которых масса газа изменяется.
Применение
первого закона термодинамики к различным процессам
Изученные процессы изменения состояния
идеального газа дают богатый материал для частных применений первого закона
термодинамики. Обращение к этим примерам вместе с тем содержит элементы
повторения.. Изохорный процесс (V = const, m = const).
При изохорном процессе объем газа не изменяется и поэтому
работа, совершаемая газом, равна нулю. Следовательно, все количество теплоты,
полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии:
. Изотермический процесс (Т = const, m = const).
3, Изобарный процесс (р = const,
m = const).
Получение формулы, выражающей первый закон термодинамики для
адиабатного процесса, можно также осуществить в виде решения
учебно-познавательной задачи.
Адиабатный процесс, необходимо, прежде
всего привести его определение: адиабатным называют процесс, протекающий без
теплообмена системы с внешними телами.
Из этого определения следует, что
адиабатный процесс является моделью некоторых реальных процессов, поскольку
обеспечить полную теплоизоляцию системы от внешних тел невозможно.
Реальный процесс можно приближенно считать адиабатным, если
он протекает настолько быстро, что за время процесса происходит незначительный
теплообмен системы с внешними телами.
В то же время процесс должен происходить очень медленно,
иначе он не будет почти равновесным (квазистатическим).
Необходимо разъяснить, что эти два условия
не противоречат друг другу. Они свидетельствуют об относительности понятий
"очень быстро" и "очень медленно".
Одновременный учет данных условий
позволяет сделать следующий вывод: реальный газовый процесс можно приближенно
считать равновесным и адиабатным, если скорость процесса значительно меньше
скорости, с которой в ходе процесса происходит выравнивание по всему объему
давления и температуры газа, но значительно больше скорости теплообмена газа с
внешними телами.
Решение задач на применение первого закона термодинамики к
простейшим процессам, совершаемым идеальным газом, является очень важным
элементов изучения основ термодинамики, поскольку дает возможность закрепить
теоретический материал по данной теме, применяя его в конкретных физических
ситуациях; позволяет осуществить эффективное повторение материала, касающегося
уравнения Клапейрона-Менделеева и изопараметрических газовых процессов;
способствует формированию модельных представлений и их подготовке к изучению
темы "Тепловые двигатели".
В некоторых задачах моделирование системы
и газовых процессов выполнено их составителями. Однако во многих задачах
моделирование должен осуществить тот, кто решает задачу. Решение именно таких
задач в максимальной степени способствует формированию модельных представлений.
Во всех задачах, в которых речь идет о реальных газах,
необходимо обосновывать возможность применения модели "идеальный
газ". При этом в задачах, газ может быть одноатомиым, двухатомным и
многоатомным, а в задачах, в качестве системы должны, как правило, выступать
одноатомные газы. Такое различие обусловливает использование разных моделей
молекул и, как следствие, применение разных формул для определения внутренней
энергии газов.
Неинвариантным элементом является модель газового процесса. В
различных задачах в качестве моделей выступают изотермический, изохорный,
изобарный и адиабатный процессы.
В соответствии с указанными моделями системы и процессов при
решении задач должны использовать одну из таких моделей физических ситуаций:
. Теплообмен идеального газа с внешними телами, происходящий
в ходе изотермического процесса, протекающего при постоянной массе газа.
. Теплообмен идеального газа с внешними телами, происходящий
в ходе изохорного процесса, протекающего при постоянной массе газа.
. Изменение внутренней энергии идеального газа, обусловленное
его адиабатным расширением или сжатием, протекающим при постоянной массе газа.
. Теплообмен идеального газа с внешними телами, происходящий
в ходе изобарного процесса, протекающего при постоянной массе газа.
При изучении первого закона термодинамики надо продолжить формирование
представления о том, что внутренняя энергия идеального газа является функцией
состояния, зависящей только от абсолютной температуры газа, а работа и
количество теплоты - величины, зависящие от характера процесса.
Работа, количество теплоты, изменение внутренней энергии
относятся к числу скалярных алгебраических величин. Поэтому, приступая к
решению задач, следует вспомнить, как определяются знаки этих величин.
Методика
решения задач по термодинамике
Первый закон
термодинамики. Применение первого закона термодинамики к простейшим газовым
процессам.
Задачи на применение первого закона
термодинамики к различным процессам в идеальном газе можно разделить на прямые
и обратные. К прямым отнесем задачи, в которых требуется
определить работу, количество теплоты, изменение внутренней энергии газа, т.е.
величины, входящие в уравнение первого закона термодинамики. Обратными будем
считать задачи, в которых необходимо вычислить массу газа, молярную массу,
параметры состояния газа или их изменения.
Решение обратных задач принципиально не
отличается от решения прямых задач, поэтому можно ограничиться анализом
закономерностей решения прямых, задач.
Во всех задачах в качестве модели системы выступает идеальный
газ. Неинвариантным элементом является модель процесса. В различных задачах
моделями являются изотермический, изохорный, изобарный и адиабатный процессы. В
соответствии с этими моделями процессов можно выделить такие модели физических
ситуаций:
. Теплообмен одноатомного идеального газа с внешними телами,
происходящий в ходе изотермического процесса, протекающего при постоянной массе
газа.
. Теплообмен одноатомного идеального газа с внешними телами,
происходящий в ходе изохорного процесса, протекающего при постоянной массе
газа.
. Изменение внутренней энергии одноатомного идеального газа,
обусловленное его адиабатным расширением или сжатием, протекающим при
постоянной массе газа.
. Теплообмен одноатомного идеального газа с внешними телами,
происходящий в ходе изобарного процесса, протекающего при постоянной массе
газа.
Известно, что вид задачи определяется моделью физической
ситуации. Следовательно, в данном случае речь должна идти о четырех видах
задач.
В средней школе не изучают формулу работы, совершаемой
идеальным газом при изотермическом процессе, поэтому количество вычислительных
задач первого вида весьма ограничено. В этом виде можно выделить только два
типа задач:
. Задачи, в которых по известному значению одной из величин,
входящих в уравнение первого закона термодинамики, требуется найти другую
величину. Решение задач этого типа сводится к использованию первого закона
термодинамики для изотермического процесса.
. Задачи, в которых необходимо графическим способом
определить работу, а затем с помощью первого закона термодинамики вычислить
количество теплоты, сообщенное газу.
Для решения задач по данной теме необходимо использовать
следующие формулы (рис. 2):
Заключение
В ходе написания курсовой работы мы
рассмотрели методику изучения такой темы из раздела "Молекулярная
физика" как "Первый закон термодинамики".
Мы выяснили, что на изучения данной темы отводится всего
четыре часа (3 часа теории и один час на решение задач). При изучении данной
темы главное внимание необходимо уделить понятиям количество теплоты,
внутренней энергии и работе.
Изучение теоретического материала целесообразно начинать с
известных изопараметрических процессов и построить в виде решения
учебно-познавательной задачи, которую можно сформулировать так: получить
формулы, выражающие первый закон термодинамики для изопараметрических
процессов, которые совершает определенная масса идеального газа.
Решение задач на применение первого закона термодинамики к
простейшим процессам, совершаемым идеальным газом, является очень важным
элементов изучения основ термодинамики, поскольку дает возможность закрепить
теоретический материал по данной теме, применяя его в конкретных физических
ситуациях; позволяет осуществить эффективное повторение материала.
Первый закон термодинамики является обобщением опытных
фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она
передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую.
Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о
невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без
потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая
гипотетическая машина получила название вечного двигателя первого рода.
Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом.
Всеми явлениями природы управляет закон сохранения энергии:
энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает никуда, количество
энергии неизменна, она лишь переходит из одной формы в другую.
Список
использованной литературы
1.
Божинова Ф.Я. Физика 10 класс: учебник для общеобразовательных учебных
заведений. - Харьков: Издательство "Ранок", 2009. - 214 с.
.
Каменецкий С.Е., Иванова Л.А. Методика преподавания физики в средней школе:
Частные вопросы: Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по физ. - мат спец. -
М.: Просвещение, 2007. - 336с.
Кравченко
В.И. Методика решения задач по термодинамике. - Луганск, 2002. - 82 с.
.
Кравченко В.И., Краснякова Т.В. Формирование модельных представлений при
изучении физики и 10 классе. Методическое пособие для учителей физики и
студентов. - Луганск, 2006, - 110 с.
.
Кирик Л.А. Уроки физики.10 класс: Календарно-тематическое планирование,
поурочные разработки, методические рекомендации, тематическое оценивание. -
Харьков: Ранок-НТ, 2005. - 400 с.
.
Свитков Л.П. Термодинамика и молекулярная физика. Факультатив курс. Пособие для
учащихся. Изд.2-е, перераб.М., "Просвящение", 2004.144 с.