Закон сохранения энергии и законы термодинамики. Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии тела. Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Жаропонижающие средства для детей назначаются педиатром. Но бывают ситуации неотложной помощи при лихорадке, когда ребенку нужно дать лекарство немедленно. Тогда родители берут на себя ответственность и применяют жаропонижающие препараты. Что разрешено давать детям грудного возраста? Чем можно сбить температуру у детей постарше? Какие лекарства самые безопасные?

На сегодняшнем уроке мы изучим закон сохранения энергии и вспомним о преобразованиях одних типов механической энергии в другие при движении тел, повторим такое понятие, как полная механическая энергия тела. Затем поговорим о процессах, в которых будут иметь место одновременно преобразования механической энергии и внутренней и их взаимные превращения. Также вспомним понятия «замкнутая система» и «теплоизолированная система». На протяжении урока мы неоднократно будем обращаться к истории исследования физических явлений и вспомним величайших ученных, которые внесли свой вклад в развитие представлений об изучаемом разделе физики.

Вопросами преобразований механической и внутренней энергий очень активно занимались в XIX веке. Основные исследования были проведены следующими учеными.

Немецкий ученый Юлиус Майер (рис. 8) показал в своих экспериментах, что возможны взаимные превращения внутренней и механической энергий и что изменения внутренней энергии в таких процессах эквивалентно совершенной работе.

Отдельный интерес составляет работа английского ученого Джеймса Джоуля (рис. 9), который с помощью ряда экспериментов получил доказательство того, что между совершенной над телом работой и его изменением внутренней энергии существует точное равенство.

Особый интерес представляет тот факт, что 1843 году французский инженер Густав Гирн (рис. 10) с помощью серии своих экспериментов попытался развенчать то, что доказывали Майер и Джоуль, но результаты его экспериментов только еще раз доказали соответствие в превращениях механической энергии во внутреннюю.

Для возможности корректного описания процессов теплообмена важно, чтобы система, в которой они происходят, была теплоизолированной и внешние теплообменные процессы не влияли на тела, находящиеся в рассматриваемой системе (рис. 11).

Рис. 11. Замкнутая система

В таком случае выполнен закон сохранения энергии : если система является замкнутой и теплоизолированной, то энергия в этой системе остается неизменной.

Замечание . Данный закон еще очень часто именуют основным законом природы.

Сегодня мы поговорили о взаимных превращениях различных типов механической энергии друг в друга: механической в тепловую, тепловой в механическую. Кроме того, мы рассмотрели важнейший закон физики - закон сохранения энергии.

На следующем уроке мы изучим уравнение теплового баланса.

Список литературы

Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

Интернет-портал «sch119comp2.narod.ru» ()
Интернет-портал «youtube.com» ()

Домашнее задание

Слайд 2

Цель урока:

Систематизация и обобщение ранее полученных знаний по данной теме. Задачи урока: Заинтересовать учащихся исследовательской деятельностью; - Развивать логическое мышление и умения обобщать; - Научиться сопоставлять и изменять полученные знания на практике и в быту; - Воспитывать чувство коллективизма, взаимопомощи, умение работать в группах.

Слайд 3

“Может собственным Платоном И быстрых разумом Невтонов Российская земля рожать” М.В. Ломоносов.

Слайд 4

Про теплоту начнем рассказ Всё вспомним, обобщим сейчас

Энергия работа до кипения. Чтоб лени наблюдалось испарение Мозги не доведём мы до плавления, Их тренируем до изнеможения. В учении проявляем мы старание, Идей научных видя обоняние! Задачу мы любую одолеем, И другу подсобить всегда сумеем. Историю науки изучаем И Ломоносова великим почитаем, И проявляем мы себя в труде Как двигатель с высоким КПД! Но как же жизнь бывает непроста С той дамой, что зовётся Теплота!

Слайд 5

Что называется внутренней энергией? Какими способами можно изменить внутреннюю энергию? С теплопередачей непосредственно связано такое понятие, как количество теплоты. Что же такое количество теплоты?

Слайд 6

Задание:

Давайте охарактеризуем изученные нами тепловые процессы, именно формулами. Сейчас вам будут розданы листы с заданиями в виде таблиц, которые вы должны заполнить. Время работы 3 минуты. После этого вы сделаете взаимопроверку и каждый оценит работу рядом сидящего.

Слайд 7

Знаете ли вы,

что физик Вальтер Нернст увлекался разведением карпов? Однажды кто – то глубокомысленно заметил: “Странный выбор. Кур разводить и то интереснее”. Учёный невозмутимо ответил: “Я развожу таких животных, которые находятся в тепловом равновесии с окружающей средой. Разводить теплокровных – это значит обогревать на свои деньги мировое пространство”. Справедливо ли замечание ученого? На этот и другие вопросы нам ответят законы термодинамики.

Слайд 8

Блиц - опрос:

А что такое термодинамика? Сформулируем принципы, которые носят название законов термодинамики. Можно ли создать вечный двигатель? Ну, коль вечный невозможно создать, то, что такое реально существующие тепловые двигатели? Из каких основных частей состоит любой тепловой двигатель? Назовите основные виды тепловых двигателей.

Слайд 9

Человек очень расточительно

использует энергию топлива, которую дарит нам природа. Мы, как не благодарные дети, проматываем наследство, накапливавшееся по крохам в течении миллионов лет. Природа поступает более мудро. Как же она решает энергетическую проблему? На этот вопрос вы ответите в своих проектах.

Слайд 10

Проект №1 “Виды топлива”

1. Рассмотрите источники тепла, которые нас окружают. Источниками тепла мы считаем газовую плитку, костёр, сгорание бензина, мазута, кокса в котельных. Горение – это экзотермическая реакция, которая идёт с выделением тепла. Гидроэлектростанции и тепловые станции тоже являются источниками тепла, так как дают до 70% всей электроэнергии, а это электроплитки, электрокамины и другие электро-обогреватели.

Слайд 11

2. Проанализируйте виды топлива,

Проанализировав горение сухого горючего, свечи, растительного масла, горение эфира и пользуясь таблицей № 1 разделите виды топлива на 3 группы: твёрдое, жидкое, газообразное. Оказывается, из множества видов твёрдого топлива, наибольшее количество тепла выделяет бурый челябинский уголь, 14300 кДж на 1 кг топлива, и металлическое ракетное горючее: магний 24830 кДж алюминий 31000 кДж бериллий 66600 кДж. Из жидких видов: керосин осветит 43100 кДж на 1 кг жидкого топлива и дизельное топливо - 42700 кДж. Газообразное топливо отличается выделением большого количества энергии на 1 кг горючего топлива. Но самое большое количество энергии выделяется при сгорании водорода -119700 кДж.

Слайд 12

20 деревянных лучин, термометр, весы с разновесами.

Используйте их для составления задачи, в которой бы упоминалось сгорание. На сколько повысится температура воздуха в большой пещере объемом 10 м на 15 м на 5 м, если там сгорят 20 деревянных лучин, массой 800 г? Начальная температура воздуха около 14?С.

Слайд 13

Проект №2 “Отопление и обогрев”

1. Каким способом обычно, осуществляется обогрев жилых и промышленных помещений? Как можно исследовать конвекцию в помещении? Какие еще существуют способы теплопередачи?

Слайд 14

2. Докажите с помощью приборов,

что нагрев жидкости, стоящей на огне происходит конвективным способом. Колба с водой нагревается на спиртовке, на дне - кристаллы марганца, закрепленные кусочком пластилина. 3. Составьте задачу, в которой бы учитывался обогрев какого-то предмета известными вам способами теплопередачи. 1. В предыдущем опыте сгорело 10 грамм спирта. На нагрев затрачено 30% полученной теплоты. На сколько повысилась температура одного литра воды? 2. Температура воды в отопительном котле 90?С. Начальная температура воды 10?С. В котле помещается 5м3 воды. Сколько мазута расходуется на разогрев и поддержание температуры такого котла, если потери составляют 15%? Считать, что разогрев происходит один раз.

Слайд 15

Проект №3 “Приготовление пищи”

1. Какие тепловые способы приготовления пищи вам известны? В каждом случае укажите источник тепловой энергии и способ передачи теплоты к продуктам. В дыму, на огне, на пару, в печи, на костре. 2. Большая часть нашей пищи готовится в кипящей воде. Как заставить картофель свариться быстрее? Чтобы ваш картофель сварился быстрее, надо перед варкой бросить в кастрюлю с картофелем и водой кусочек сливочного масла. Нагреваясь, оно растопится и покроет поверхность воды тонкой пленкой. Эта защитная пленка будет препятствовать процессу испарения воды. А процесс испарения всегда сопровождается уменьшением температуры жидкости и ее количества.

Слайд 16

3. Предложите

или найдите в литературе какое- либо усовершенствование приготовления пищи. Конфорку электрической плитки можно сделать из нагревательных элементов в виде колец. В электрическую цепь будут включаться только те кольца, размер которых соответствует дну кастрюли. 4. Придумайте задачу, в которой упоминается процесс приготовления пищи. Сколько березовых дров необходимо собрать для костра туристам, чтобы вскипятить ведро родниковой воды? Температура воды в роднике 9°С. Считать, что потерь тепла не существует.

Слайд 17

Проект № 4“Теплопередача и закон сохранения энергии”

1. Предложите опыты с простым школьным оборудованием для демонстрации разных видов теплопередачи и объясните их схематически. Кипячение воды в бумажной коробочке, нагревание термометра на расстоянии от источника тепла (лампа, плитка, отклеивание кнопок от нагреваемого пламени стержня).

Слайд 18

2. При изменении температуры тело может изменять свои механические свойства: длину, объем, плотность, упругость, хрупкость. Приведите примеры. Опыты: нагревание монеты трением, металлической спицы в пламени (одним концом спица упирается в огонь или касается его), нагревание воздуха в колбе с жидкостью (движется столбик жидкости в трубке). 3. Как определить температуру предмета, нагретого в пламени, если у вас имеется еще калориметр с холодной водой, термометр, весы с разновесами, таблицы?

Слайд 19

Проект №5 “Энергия и теплота в живой природе”

1. Главный закон, которому подчиняются все тепловые процессы – закон сохранения энергии. Все живые организмы затрачивают в процессе жизнедеятельности много энергии (движение, питание, охота). Откуда они берут энергию?

Слайд 20

Рассматриваются

химические реакции внутри клетки. Вся серия этих реакций называется внутренним дыханием (тканевым, клеточным). Оно подразделяется на аэробное и анаэробное. Первое связано с распадом некоторых веществ при участии кислорода и происходит с большим выделением энергии, второе – с бескислородным превращением глюкозы. Дыхание живых существ иногда называют медленным горением.

Слайд 21

Проект №6“Тепловые механизмы и двигатели”

1. Приведите примеры механизмов, использующих при своей работе тепловую энергию. Укажите в каждом случае источник энергии, путь ее преобразования. В своей жизни мы постоянно встречаемся с разнообразными двигателями. Они приводят в движение автомобили и самолеты, трактора и корабли, железнодорожные массивы и ракеты. работа тепловых машин связана с потреблением различных видов энергии. Конструкция первых паровых машин имела основные части всех последующих тепловых машин: нагреватель, в котором освобождалась энергия топлива, водяной пар как рабочее тело и поршень с цилиндром, преобразующий энергию пара в механическую работу, а также охладитель, необходимый для снижения температуры и давления пара.

Слайд 22

2. Опишите самое простое строение паровой машины.

Самое простое строение паровой машины создал Герон Александрийский во II в. до н.э. Она состояла из подставки, на которой был водружен сосуд с ручками и наполненный водой. Устройство, которой помещалось в воду, напоминало колбу. С четырех сторон помещались трубки. Когда дрова горели, вода закипала и пар фонтаном бил из верхней трубки. Это была самая древняя паровая машина.

Слайд 23

3. Покажите на опыте,

используя оборудование школьной лаборатории, как можно совершить работу, за счет преобразования тепловой энергии. В пробирке помещена вода, которая закипает, получая количество теплоты от сгорания спирта. И пар выбивает пробку из пробирки. Так совершается работа после превращения энергии. 4.Предложите задачу, в которой используется работа любого теплового устройства.

Слайд 24

Расскажите о каком-либо приборе, устройстве, которое работает за счет тепловой энергии окружающей среды.

Не один из источников энергии, известных на сегодня не в состоянии в будущем полностью взять на себя удовлетворение растущих потребностей человека. Для этого необходимо больше внимания уделить альтернативным источникам или источникам, работающим на энергии окружающей среды. Уже существует, например, “солнечные батареи”, которые превращают солнечную энергию в электрический ток при помощи фотоэлементов. Много проектов создано для использования силы приливов, силы ветров, силы гейзеров. Существуют и проекты использования разности температур между поверхностными слоями воды тропических морей и температурой воды на больших глубинах.

Слайд 25

Желаю успехов во всех ваших начинаниях. Удачи и спасибо всем за урок.

Голубева Е.С. Занимательное естествознание. Нескучный учебник. - СПб.: “Тритон”, 2007. Ковалева С.Я. Закон сохранения энергии в тепловых процессах // Еженедельная газета издательского дома “Первое сентября”, № 33, 1-7 сентября 2012. Ланина. И.Я. Сто игр по физике. - М.:, “Просвещение”, 2005. Перельман Я.И. Занимательная физика. - М.:, “Наука”, 2001. Увицкая Е.С. Использование биологического материала на уроках физики. // Еженедельная газета издательского дома “ Первое сентября”, № 31, 16-22 августа 2012.

Посмотреть все слайды

§ 26. Закон сохранения энергии в механических и тепловых процессах

Внутренняя энергия тела может быть изменена либо путем теплопередачи, либо путем совершения работы. Очевидно, что если изменение внутренней энергии тела происходит одновременно с теплопередачей и совершением внешней силой механической работы над телом, то, согласно закону сохранения и превращения энергии, который гласит, что при всех происходящих в природе явлениях энергия не исчезает и не возникает, а передается от одних материальных объектов к другим или превращается из одной формы в другую, оставаясь постоянной по величине. Приращение внутренней энергии тела равно сумме совершенной над ним работы и количества переданной теплоты.

Так, если путем совершения работы А сжать газ, находящийся в цилиндре, который помещен в горячую воду (рис. 28), то увеличение внутренней энергии ΔU газа будет равно сумме совершенной работы А и количества теплоты Q, полученного им от горячей воды: ΔU = A + Q. Увеличение внутренней энергии газа вызывает повышение его температуры, что фиксируется электрическим термометром.

Рис. 28. Увеличение внутренней энергии газа в результате совершения работы и теплообмен

Следовательно, увеличение внутренней энергии тела при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил над телом и количества переданной ему теплоты. В этом заключается закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах. Если системе сообщается количество теплоты и при этом система совершает работу, то увеличение ее внутренней энергии ΔU равно разности между количеством теплоты Q, сообщенной системе, и работой А, совершенной системой:

Опыты и наблюдения показали, что механическая энергия тел может полностью превратиться во внутреннюю в процессе совершения работы. Иначе обстоит дело с внутренней энергией, например сжатого газа, пара: только часть ее может быть превращена в механическую. Причина этого хаотическое движение молекул газа, пара. Если бы даже все молекулы двигались в одном направлении и передали всю свою кинетическую энергию поршню, то осталась бы не превращенной в механическую энергию потенциальная энергия взаимодействия.

Задача 7. При штамповке заготовки из алюминия молот массой 700 кг свободно падает с высоты 1 м. При этом заготовка массой 2 кг нагревается до 1°С. Какой процент потенциальной энергии поднятого молота идет па нагревание, а какой — на штамповку?

На штамповку идет 0,74 энергии молота.

Задача 8. В оболочке стратостата гелий массой 9,6 кг получил от солнечного нагрева 250 кдж количества теплоты и нагрелся на 5° С. Определить работу газа при изобарическом расширении и увеличении его внутренней энергии.

Работа изобарического расширения газа А = 250 кдж — 150 кдж = 100 кдж.

Урок по физике: «Закон сохранения энергии в тепловых процессах»

Разделы: Физика

Тема: “Закон сохранения энергии в тепловых процессах”

Тип: Урок закрепления знаний изученного материала

Вид: Урок по методу проектов

— Систематизация и обобщение ранее полученных знаний по данной теме;
— Дать представления о проектной деятельности и разработать элементарный проект по заданной проблеме;
— Заинтересовать учащихся исследовательской деятельностью;
— Развивать логическое мышление и умения обобщать;
— Научиться сопоставлять и изменять полученные знания на практике и в быту;
— Воспитывать чувство коллективизма, взаимопомощи, умение работать в группах.

Оборудование: На столах приборы согласно проектам, компьютер.

Оформление: На доске портрет М.В. Ломоносова, плакат со словами:

“Может собственным Платоном
И быстрых разумом Невтонов
Российская земля рожать”

Про теплоту начнем рассказ
Всё вспомним, обобщим сейчас
Энергия работа до кипения.
Чтоб лени наблюдалось испарение
Мозги не доведём мы до плавления,
Их тренируем до изнеможения.
В учении проявляем мы старание,
Идей научных видя обоняние!
Задачу мы любую одолеем,
И другу подсобить всегда сумеем.
Историю науки изучаем
И Ломоносова великим почитаем,
И проявляем мы себя в труде
Как двигатель с высоким КПД!
Но как же жизнь бывает непроста
С той дамой, что зовётся Теплота!

Учитель: Добрый день, дорогие друзья!

Тема нашего сегодняшнего урока “Закон сохранения энергии в тепловых процессах”. Я надеюсь вы повторили эту тему. Сейчас мы вспомним законы и формулы, но не будем решать сложных задач, вне всякого сомнения, вы умеете делать это хорошо. Задача нашего урока другая. Сегодня вы попробуете себя в роли исследователей, попробуете выполнить несколько элементарных проектов-заданий, в которых решаются задачи, возникающие, кстати, достаточно в обычной жизни.

В процессе изучения различных физических явлений мы знакомились с самыми различными формами энергии. Поскольку сейчас мы закончили изучение темы “Тепловые явления” нас, прежде всего, интересует внутренняя энергия и способы её изменения. Прошу ответить на вопросы:

Учитель: Что называется внутренней энергией?

Учащийся: Внутренняя энергия – это энергия движения и взаимодействия молекул.

Учитель: Какими способами можно изменить внутреннюю энергию?

Учащийся: Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершением над телом механической работы или теплопередачей.

Учитель: С теплопередачей непосредственно связано такое понятие, как количество теплоты. Что же такое количество теплоты?

Учащийся: Количество теплоты – это энергия, которую тело получает либо теряет при теплопередаче

Учитель: Давайте охарактеризуем изученные нами тепловые процессы, именно формулами. Сейчас вам будут розданы листы с заданиями в виде таблиц, которые вы должны заполнить. Время работы 3 минуты. После этого вы сделаете взаимопроверку и каждый оценит работу рядом сидящего. (Приложение №1 ). Звучит музыка.

Учитель: Знаете ли вы, что физик Вальтер Нернст увлекался разведением карпов? Однажды кто – то глубокомысленно заметил: “Странный выбор. Кур разводить и то интереснее”. Учёный невозмутимо ответил: “Я развожу таких животных, которые находятся в тепловом равновесии с окружающей средой. Разводить теплокровных – это значит обогревать на свои деньги мировое пространство”. Справедливо ли замечание ученого? На этот и другие вопросы нам ответят законы термодинамики.

Учитель: А что такое термодинамика?

Учащийся: Термодинамика — раздел физики, изучающий законы теплового равновесия и превращения теплоты в другие виды энергии.

Учитель: Сформулируем принципы, которые носят название законов термодинамики.

Учащийся: Количество теплоты, полученное системой, расходуется на изменение её внутренней энергии и на работу, производимую системой против внешних сил.

Учащийся: Невозможен процесс, единственным результатом которого был бы переход энергии путем теплообмена от холодного тела к более горячему.

Учитель: Энергия, согласно закону сохранения не возникает из нечего, поэтому нельзя построить двигатель, который бы совершал работу большую, чем та энергия, которая подводится к двигателю из вне.

Учащийся: Невозможно создать двигатель 1 рода.

Учитель: Ну, коль вечный невозможно создать, то, что такое реально существующие тепловые двигатели?

Учащийся: Машины, преобразующие внутреннюю энергию в механическую, называют тепловыми двигателями.

Учитель: Из каких основных частей состоит любой тепловой двигатель?

Учащийся: Нагреватель -> рабочее тело - > холодильник.

Учитель: Назовите основные виды тепловых двигателей.

Учащийся: Паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина, реактивный двигатель.

Учитель: Каков КПД тепловых двигателей?

Учащийся: Обычно не более 30-40%.

Учитель: Человек очень расточительно использует энергию топлива, которую дарит нам природа. Мы, как не благодарные дети, проматываем наследство, накапливавшееся по крохам в течении миллионов лет. Природа поступает более мудро. Как же она решает энергетическую проблему? На этот вопрос вы ответите в своих проектах.

Источниками тепла мы считаем газовую плитку, костёр, сгорание бензина, мазута, кокса в котельных. Горение – это экзотермическая реакция, которая идёт с выделением тепла. Гидроэлектростанции и тепловые станции тоже являются источниками тепла, так как дают до 70% всей электроэнергии, а это электроплитки, электрокамины и другие электро-обогреватели.

2. Проанализируйте виды топлива, которые используются в современной технике. Какие из них использовались в древности? Какие будут использоваться в будущем?

магний 24830 кДж
алюминий 31000 кДж
бериллий 66600 кДж.

Из жидких видов: керосин осветит 43100 кДж на 1 кг жидкого топлива и дизельное топливо — 42700 кДж.
Газообразное топливо отличается выделением большого количества энергии на 1 кг горючего топлива. Но самое большое количество энергии выделяется при сгорании водорода -119700 кДж.

3. На столе у вас приборы. Используйте их для составления задачи, в которой бы упоминалось сгорание. Приборы: 20 деревянных лучин, термометр, весы с разновесами.

На сколько повысится температура воздуха в большой пещере объемом 10 м на 15 м на 5 м, если там сгорят 20 деревянных лучин, массой 800 г? Начальная температура воздуха около 14?С.

xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai

Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

Примеры взаимного превращения видов механической энергии

Ранее мы уже рассматривали возможность превращения одного вида механической энергии в другой, например, потенциальной в кинетическую или, наоборот, кинетической в потенциальную. Также мы приводили пример периодического превращения потенциальной и кинетической энергии друг в друга.

Пример 1. Переход потенциальной энергии в кинетическую

Этот пример мы уже рассматривали в курсе 7 класса и в начале изучения этого раздела. Если представить себе тело, закрепленное на некоторой высоте, то оно имеет некую потенциальную энергию относительно уровня поверхности. Потом, если это тело отпустить, то оно начнет падать, т. е. его высота будет уменьшаться, и ускоряться, т. е. увеличивать свою скорость. Следовательно, его потенциальная энергия будет уменьшаться, а кинетическая – увеличиваться (рис. 1), энергии будут превращаться друг в друга. В момент перед самым соприкосновением с землей вся потенциальная энергия тела переходит в кинетическую.

Рис. 1. Превращение потенциальной энергии в кинетическую

Пример 2. Периодические превращения типов механической энергии (маятники) . Рассмотрим по очереди три вида маятников: математический, пружинный, маятник Максвелла.

1. Маятник Максвелла – представляет собой диск, закрепленный на оси, на которую наматываются две нити (рис. 2).

Принцип работы этого маятника следующий: сначала нити наматываются на ось, тем самым поднимая маятник вверх и сообщая ему дополнительную потенциальную энергию, затем диск маятника отпускают и он начинает, раскручиваясь, двигаться вниз, нить разматывается до конца, затем наматывается снова по инерции и т. д.

Таким образом, можно наблюдать следующие преобразования механической энергии: начальное накопление потенциальной энергии – превращение ее в кинетическую энергию – превращение в потенциальную и т. д. (рис. 3).

Рис. 3. Переход потенциальной энергии маятника в кинетическую и наоборот

2. Математический маятник (груз на нити) – материальная точка, совершающая колебания под действием силы тяжести на длинной нерастяжимой нити (рис. 4).

Рис. 4. Математический маятник

Для начала колебательного процесса в этом маятнике нужно отвести тело, подвешенное на нити, от положения равновесия (придаем ему потенциальную энергию) и отпустить. После этого будут наблюдаться горизонтальные колебания в вертикальной плоскости и мы можем видеть похожие на предыдущий пример превращения энергии: подъем – переход кинетической энергии в потенциальную, опускание – переход потенциальной в кинетическую и т. д.

3. Пружинный маятник – груз, совершающий колебания на пружине под действием силы упругости (рис. 5).

Рис. 5. Пружинный маятник

Если подвесить груз к пружине и оттянуть ее вниз (придать пружине потенциальную энергию), а затем отпустить, то будут наблюдаться более сложные превращения энергии: потенциальная энергия пружины будет переходить в кинетическую и потенциальную энергию груза и наоборот.

Закон сохранения механической энергии

Все приведенные примеры экспериментов говорят о том, что мы уже знаем: полная механическая энергия тела (сумма кинетической и потенциальной) не меняется или, как говорят по-другому, сохраняется. Это мы называем законом сохранения механической энергии:

Замечание. Важно помнить, что этот закон выполнен только для замкнутой системы тел.

Определение. Замкнутая система тел – это та система, в которой не действуют внешние силы.

Примеры перехода механической энергии во внутреннюю и наоборот

Пример 3. Теперь перейдем к основной части нашей сегодняшней темы и вспомним, каким образом механическая энергия может переходить во внутреннюю . Происходит этот процесс путем совершения механической работы над телом, например, при сгибании и разгибании проволоки она будет нагреваться, при нескольких ударах молотка о наковальню нагреется и молоток, и наковальня.

Пример 4. Возможен и обратный процесс, когда внутренняя энергия будет переходить в механическую . Например, подобные процессы происходят в двигателе внутреннего сгорания (рис. 6). Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на преобразовании энергии сгорания топлива в механическую энергию движения поршней, которая затем через передаточные механизмы преобразуется в энергию вращения колес автомобиля.

Рис. 6. Двигатель внутреннего сгорания

Аналогичный принцип превращения внутренней энергии в механическую происходит и в паровых двигателях (рис. 7).

Рис. 7. Паровой двигатель на паровой машине (Источник)

История изучения преобразования механической и тепловой энергии

Рис. 8. Юлиус Майер (1814-1878) (Источник)

Рис. 9. Джеймс Джоуль (1819-1889) (Источник)

Рис. 10. Густав Гирн (Источник)

Закон сохранения энергии

Рис. 11. Замкнутая система

Замечание . Данный закон еще очень часто именуют основным законом природы.

На следующем уроке мы изучим уравнение теплового баланса.

Аннотация к презентации

Презентация для школьников на тему «Закон сохранения энергии в тепловых процессах» по физике. pptCloud.ru - удобный каталог с возможностью скачать powerpoint презентацию бесплатно.

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Виды топлива Отопление и обогрев Приготовление пищи Теплопередачи и закон сохранения энергии Энергия и теплота в живой природе Тепловые механизмы и двигатели

Урок по методу проекта

Цель: систематизировать и обобщить раннее полученные знания по теме; дать представление о проектной деятельности; заинтересовать учащихся исследовательской деятельностью; развивать логическое мышление и умение обобщать; научиться применять полученные знания на практике и в быту.

Проект №1 « Виды топлива » Горение – это экзотермическая реакция, которая идет с выделением тепла. виды топлива на 3 группы: твёрдое, жидкое, газообразное. Оказывается, из множества видов твёрдого топлива, наибольшее количество тепла выделяет бурый челябинский уголь,14300 кДж на 1 кг топлива, и металлическое ракетное горючее: магний 24830 кДж алюминий 31000 кДж бериллий 66600 кДж Из жидких видов: керосин осветит 43100 кДж на 1 кг жидкого топлива и дизельное топливо — 42700 кДж. Газообразное топливо отличается выделением большого количества энергии на 1 кг горючего топлива.Но самое большое количество энергии выделяется при сгорании водорода -119700 кДж.

Проект № 2 «Отопление и обогрев» 1. Каким способом обычно, осуществляется обогрев жилых и промышленных помещений? 2.Как можно исследовать конвекцию в помещении? 3.Какие ещё существуют способы теплопередачи?

Проект № 3 «Приготовление пищи»

Как заставить картофель свариться быстрее? Чтобы ваш картофель сварился быстрее, надо перед варкой бросить в кастрюлю с картофелем и водой кусочек сливочного масла. Нагреваясь, оно растопится и покроет поверхность воды тонкой пленкой. Эта защитная пленка будет препятствовать процессу испарения воды. А процесс испарения всегда сопровождается уменьшением температуры жидкости и ее количества. Сталкиваемся с такой ситуацией: половина жидкости выкипела, а картофель еще не сварился, приходится доливать воду и варить дальше, а на это требуется лишнее время.

Проект№ 4 «Теплопередача и закон сохранения энергии»

1.Предложите опыты с простым школьным оборудованием для демонстрации разных видов теплопередачи и объясните их схематически. 2. При изменении температуры тело может изменять свои механические свойства: длину, объем, плотность, упругость, хрупкость. Приведите примеры.

Проект № 5 «Энергия и теплота в живой природе»

Некоторые организмы, особенно в стадии покоя, способны существовать при очень низких температурах. Например, споры микроорганизмов выдерживают охлаждение до — 200 С. Различают организмы с не постоянной температурой: лягушки, рыбы, крокодилы, змеи, и с постоянной: волки, медведи. Температура тела зависит от температуры окружающей среды. Существует много приспособлений для борьбы с охлаждением или перегревом.

Проект № 6 «Тепловые механизмы и двигатели»

В своей жизни мы постоянно встречаемся с разнообразными двигателями. Работа тепловых машин связана с потреблением различных видов энергии. Конструкция первых паровых машин имела основные части всех последующих тепловых машин: нагреватель, в котором освобождалась энергия топлива, водяной пар как рабочее тело и поршень с цилиндром, преобразующий энергию пара в механическую работу, а также охладитель, необходимый для снижения температуры и давления пара.

Урок по физики для 10 класса «Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам»

Успейте воспользоваться скидками до 50% на курсы «Инфоурок»

Выбранный для просмотра документ Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам.docx

Тема: « Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам »

Цели и задачи урока:

Образовательная: Организовать деятельность учащихся по закреплению основных понятий термодинамики;

Развивающая: Создать условия для решения олимпиадных задач по теме;

Воспитательная: Содействовать развитию внимательности, инициативности, трудолюбия, творческих способностей;

Тип урока: у рок применения знаний и умений ;

Форма проведения урока: практикум .

Межпредметные связи: математика, химия

владеть изученными на уроке терминами на казахском, русском и английском языках;

уметь применять полученные знания для решения олимпиадных задач;

Организация начала урока

Актуализация опорных знаний

Объяснение нового материала

Закрепление новых знаний

Подведение итогов урока.

Организация начала урока

Здравствуйте уважаемые участники нашего онлайн занятия. Вас приветствует город Астана, Назарбаев Интеллектуальная школа физико-математического направления на уроке физики в 10 классе. Прежде чем мы с вами начнем беседу, я хочу, чтобы вы сели поудобнее, отвлеклись от посторонних дел и погрузились в удивительный мир физики. Сегодня мы с вами продолжаем изучать тему: «Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам». Цель нашего занятия – научиться решать олимпиадные задачи по данной теме.

Глоссарий к нашему уроку:

Актуализация опорных знаний

Прежде чем мы приступим непосредственно к изучению темы нашего урока, давайте мы с вами вспомним то, что вы проходили раннее. Для этого вам необходимо взять ручку и листок бумаги для того, чтобы вы могли поставить себе баллы. За каждый правильный ответ вы ставите себе один балл. Давайте ответим на следующие вопросы.

На что расходуется количество теплоты, переданное системе, согласно первому закону термодинамики?

Ответ: На прошлом уроке мы с вами говорили о первом законе термодинамики. Первый закон термодинамики называют еще законом сохранения энергии для тепловых процессов. Он определяет количественное соотношение между изменением внутренней энергии , количеством теплоты , подведенным к ней, и суммарной работой внешних сил , действующих на систему.

Первый закон термодинамики: изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, подведенного к системе извне, и работе внешних сил действующих на нее.

Количество теплоты, поглощаемое телом, считают положительным, а выделяемое — отрицательным.

Для изолированной системы, которая не обменивается теплотой с окружающими телами (те есть при ) и над которой не совершается работа внешних сил ()

Или другими словами внутренняя энергия замкнутой изолированной системы сохраняется.

В термодинамике наибольший интерес представляет преобразование внутренней энергии в работу, совершаемую газом. Как было сказано раннее, эта работа отличается от работы внешних сил только знаком:

С учетом соотношения (1) первый закон термодинамики можно сформулировать и так:

Количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами

Количество теплоты, сообщаемое газу для изменения его состояния, зависит от способа перехода газа из одного состояния в другое. При разных процессах, связывающих два состояния тела, количество подведенной теплоты будет различным.

Сформулируйте первый закон термодинамики для изобарного процесса.

Ответ: Как вы помните, изобарный процесс – это процесс, проходящий при постоянном давлении. При данном процессе количество теплоты идет и на совершение работы газом и на изменение его внутренней энергии.

Какой процесс называется адиабатным? Сформулируйте первый закон термодинамики для адиабатного процесса.

Ответ: Как было сказано раннее, наибольший интерес представляет процесс преобразования внутренней энергии газа в работу. Поэтому, для наиболее эффективного преобразования внутренней энергии газа в совершаемую им работу следует предотваратить возможные потери внутренней энергии в результате теплопередачи окружающим телам. Поэтому систему теплоизолируют.

Теплоизолированная система – это система не обменивающаяся энергией с окружающими телами.

В теплоизолированной системе происходит так называемый адиабатный процесс.

Так как нет теплообмена с окружающей средой, следовательно

и первый закон термодинамики для адиабатного процесса будет иметь в следующий вид

При адиабатном расширении , следовательно . Это означает, что газ совершает работу над внешними телами за счет уменьшения своей внутренней энергии.

Почему при изобарном расширении газа от объема V 1 до объема V 2 требуется большее количество теплоты, чем при изотермическом процессе?

Ответ: Для изобарного расширения газа от объема до объема требуется большее количество теплоты, чем при изотермическом процессе, так как при изобарном процессе меняется температура газа, а при изотермическом не меняется.

Почему при адиабатном расширении температура газа падает, а при сжатии возрастает?

Ответ: При адиабатном сжатии температура возрастает, так как над системой совершается работа, которая увеличивает внутреннюю энергию тела. А как вы помните, внутренняя энергия тела зависит от температуры, и при увеличении внутренней энергии тела, соответственно, увеличивается температура. Если же газ совершает работу, то изменение внутренней энергии отрицательно, так как газ совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии. Следовательно, температура газа будет понижаться.

Тест «Проверь себя!»

1. Чему равно изменение внутренней энергии одного моля идеального одноатомного газа, если Т 1 =Т, а Т 2 =2Т?
А.) R Т; Б.) 2 R Т; В.) 3 R Т; Г.) 1,5 R Т.

2. Какую работу совершает газ, расширяясь изобарно при давлении 2 ∙ 10 5 Па от объёма V 1 =0,1 м 3 до объёма V 2 =0,2 м 3 ?
А.) 2 ∙ 10 6 Дж; Б.) 200 кДж; В.) 0,2 ∙ 10 5 Дж.

3. Термодинамической системе передано количество теплоты, равное 2000 Дж, и над ней совершена работа 500 Дж. Определите изменение его внутренней энергии этой системы.

А.) 2500 Дж; Б.) 1500 Дж; В.) ∆ U =0.

4. В цилиндре под поршнем находится воздух, массой 29 кг. Какую работу совершит воздух при изобарном расширении, если температура его увеличилась на 100 К. Массу поршня не учитывать.
А.) 831 Дж; Б.) 8,31 кДж; В.) 0,83 МДж.

5. Какая физическая величина вычисляется по формуле ?

А.) количество теплоты в идеальном газе;
Б.) давление идеального газа;
В.) внутренняя энергия одноатомного идеального газа;
Г.) внутренняя энергия одного моля идеального газа.

Объяснение нового материала

Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии остается неизменным при любых ее превращениях. Но данный закон не учитывает, какие энергетические превращения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, никогда не протекают в действительности. Нагретые тела остывают, передавая свою энергию окружающим телам, обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, но на самом деле не происходит. Число примеров можно привести неограниченное количество. Все примеры говорят о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законе термодинамики. Все процессы в природе текут в одном определенном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, например – старение организмов, диффузия. Рассмотрим понятие обратимого процесса.

Обратимым называется процесс, который отвечает следующим условиям:

— его можно провести в двух противоположных направлениях;

— в каждом из этих случаев система и окружающие ее тела проходят через одни и те же промежуточные состояния;

— после проведения прямого и обратного процессов система и окружающие ее тела возвращаются к исходному состоянию.

Всякий процесс, не удовлетворяющий хотя бы одному из этих условий, является необратимым.

Реальные тепловые процессы также необратимы.

При диффузии выравнивание концентраций происходит самопроизвольно. Обратный же процесс сам по себе никогда не пойдет: никогда самопроизвольно смесь газов, например, не разделится на составляющие ее компоненты. Следовательно, диффузия - необратимый процесс.

Теплообмен, как показывает опыт, также является односторонне направленным процессом. В результате теплообмена энергия передается сама по себе всегда от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему сам по себе никогда не происходит.

Необратимым является также процесс превращения механической энергии во внутреннюю при неупругом ударе или при трении.

Между тем из первого закона термодинамики направленность и тем самым необратимость тепловых процессов не вытекает. Первый закон термодинамики требует лишь, чтобы количество теплоты, отданное одним телом, в точности равнялось количеству теплоты, которое получит другое. А вот вопрос о том, от какого тела, от горячего к холодному или наоборот, перейдет энергия, остается открытым.

Направленность реальных тепловых процессов определяется вторым законом термодинамики, который был установлен непосредственным обобщением опытных фактов. Это постулат. Немецкий ученый Р. Клаузиус дал такую формулировку второго закона термодинамики: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

КЛАУЗИУС Рудольф Юлиус Эмануэль (1822-1888), немецкий физик-теоретик, один из создателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории теплоты. Работы Клаузиуса относятся к области молекулярной физики, термодинамики, теории паровых машин, теоретической механики, математической физики. Он первым проанализировал идеи С.Карно и, развивая их, сформулировал принцип эквивалентности теплоты и работы. В 1850 независимо от У.Ранкина получил соотношение между теплотой и работой (первое начало термодинамики) и разработал идеальный термодинамический цикл паровой машины (цикл Ранкина — Клаузиуса). В том же году (одновременно с У.Томсоном) дал первую формулировку второго начала термодинамики: «Теплота не может сама собою перейти от более холодного тела к более теплому». В 1865 ввел понятие энтропии, установил ее важнейшее свойство. Клаузиус внес большой вклад в развитие молекулярно-кинетической теории теплоты. Его работы способствовали введению в физику статистических методов, благодаря чему удалось с единых позиций объяснить такие разные явления в газах, как внутреннее трение, теплопроводность, диффузия.

Никола Леонар Сади Карно французский физик и военный инженер, один из основателей термодинамики. Сади Карно скоропостижно скончался в возрасте всего 36 лет от холеры. Карно интересовался многими новыми промышленно-технологическими разработками того времени. Занявшись теоретическим обоснованием принципов работы паровых машин, Карно стал одним из пионеров термодинамики, предложив свою знаменитую модель идеального двигателя. Свои идеи Сади Карно опубликовал в 1824 г. в форме фундаментального трактата «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В нём Карно рассмотрел в общем виде вопрос о «получении движения из тепла». Анализируя идеальный круговой процесс (известный сейчас как цикл Карно), он впервые пришёл к выводу о том, что полезная работа производится только при переходе тепла от нагретого тела к более холодному. Карно высказал также положение, что величина работы обусловлена разностью температур нагревателя и холодильника и не зависит от природы вещества, работающего в тепловой машине (теорема Карно). В своих рассуждениях Карно придерживался теории теплорода, однако в дальнейшем, как явствует из его записок, изданных посмертно, он от неё отказался

В круг научных интересов Томсона входили термодинамика, гидродинамика, электромагнетизм, теория упругости, теплота, математика, техника. В 1851 г. У. Томсон сформулировал (независимо от Р. Клаузиуса) 2-е начало термодинамики. В его работе «О динамической теории теплоты» излагалась новая точка зрения на теплоту, согласно которой «теплота представляет собой не вещество, а динамическую форму механического эффекта». Поэтому «должна существовать некоторая эквивалентность между механической работой и теплотой». Томсон указывает, что этот принцип, «по-видимому, впервые. был открыто провозглашен в работе Ю. Майера «Замечания о силах неживой природы». Далее он упоминает работу Дж. Джоуля, исследовавшего численное соотношение, «связывающее теплоту и механическую силу».

Томсон утверждает, что вся теория движущей силы теплоты основана на двух положениях, из которых первое восходит к Джоулю и формулируется следующим образом: «Во всех случаях, когда равные количества механической работы получаются каким бы то ни было способом исключительно за счёт теплоты или бывают израсходованы исключительно на получение тепловых действий, всегда теряются или приобретаются равные количества теплоты».

Итак, из второго закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя второго рода, т.е. двигателя, который бы совершал работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

Развитие техники зависит от умения использовать громадные запасы внутренней энергии. Использовать эту энергию- это значит совершать за счет ее полезную работу. Рассмотрим источники, которые совершают работу за счет внутренней энергии.

Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую. Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Работа любого теплового двигателя циклична.

Каждый цикл состоит из разных процессов:

— получение энергии от нагревателя;

— передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

Наличие нагревателя, рабочего тела, холодильника – принципиально

необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.

Над одним молем идеального одноатомного газа совершают процесс 1-2-3-4-1 (см.рис.), причем газ получает от нагревателя за один цикл количество теплоты Q . Какое количество теплоты будет порлучать за один цикл газ, если совершать над ним процесс 2-3-4-А-В-С-2? Известно, что Т 3 =16Т 1 , Т 2 =Т 4 , В – точка пересечения изотермы Т= Т 2 с прямой 1-3, проходящей через начало координат pV – диаграммы. Ответ выразить через Q .

Рассмотрим сначала исходный цикл и выразим сообщаемое газу количество теплоты через другие параметры системы. Из первого начала термодинамики (∆Q = ∆U + ∆A) следует, что теплота сообщается газу на участках 1–2 и 2–3. Значит, количество теплоты, сообщённое газу за один цикл:

1-2 процесс изохорный, следовательно, все количество теплоты, полученное в данном процессе, идет на увеличение внутренней энергии

Для того, чтобы понять, продуктивен ли был урок для вас, вы можете ответить на вопросы, которые вы видите на экране. Если большая часть ответов положительная, то значит наш урок прошел продуктивно, и на следующем уроке я жду вас в это же время для решения задач.

Подведение итогов урока.

Мы с вами сегодня изучили решали совместно задачи на первый закон термодинамики, а также освоили понятие теплового двигателя, разобрали второй закон термодинамики и понятие необратимости процессов. В начале урока вы ставили себе балл за каждый правильный ответ.

Если Вы получили сумму баллов «6» или меньше не отчаивайтесь, почитайте учебник, например Мякишев Г.Я., Синяков А.З. том «Молекулярная физика и термодинамика» стр. 158-161.

Для закрепления знаний вам необходимо выполнить следующие задания:

В вертикальном цилиндре под тяжелым поршнем находится кислород массы m =2 кг. Для повышения температуры кислорода на ∆Т =5 К ему было сообщено количество теплоты Q =9160 Дж. Найти удельную теплоемкость кислорода с, работу А, совершаемую им при расширении, и увеличение его внутренней энергии ∆ U . Молярная масса кислорода М=0,032 кг/моль.

Два одинаковых сосуда соединены трубкой, объемом которой можно пренебречь. Система наполнена газом и находится при температуре 300 К. Когда один из сосудов был нагрет, а другой оставлен при прежней температуре, давление в системе увеличилось в 1,5 раза. На сколько градусов был нагрет один из сосудов?

Баллон емкостью 40 л содержит сжатый воздух под давлением 18 МПа при 27 0 С. Какой объем (в литрах) воды можно вытеснить из цистерны подводной лодки воздухом этого баллона, если лодка находится на глубине 20 м, где температура 7 0 С? Атмосферное давление 0,1 МПа, g =10 м/с 2 .

Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Процессы, нарушающие первый закон термодинамики, никогда не наблюдались. На рис. изображены устройства, запрещенные первым законом термодинамики. Первый закон термодинамики не устанавливает направление тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми. Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Первый закон термодинамики не может отличить обратимые процессы от необратимых. Он просто требует от термодинамического процесса определенного энергетического баланса и ничего не говорит о том, возможен такой процесс или нет. Направление самопроизвольно протекающих процессов устанавливает второй закон термодинамики. Он может быть сформулирован в виде запрета на определенные виды термодинамических процессов. Втоpое начало теpмодинамики обычно фоpмулиpуется как пpинцип исключения вечного двигателя втоpого pода: нельзя постpоить такую пеpиодически действующую тепловую машину, котоpая бы совеpшала pаботу исключительно за счет охлаждения одного тела без нагpевания дpугих тел. Каждая тепловая машина имеет некий источник теплоты,именуемый нагpевателем. Втоpое начало теpмодинамики утвеpждает, что нельзя постpоить тепловую машину, в котоpой бы pабота совеpшалась за счет теплоты нагpевателя без какой-либо отдачи части теплоты более холодному телу, именуемому холодильником. Нельзя постpоить тепловую машину без холодильника. Почему же машина без холодильника называется вечным двигателем? Дело в том, что окpужающая нас сpеда (атмосфеpа, pеки, моpя) так или иначе нагpета и могла бы служить нагpевателем тепловой машины. Если бы можно было постpоить машину без холодильника с темпеpатуpой ниже темпеpатуpы сpеды, то такая машина pаботала бы пpактически вечно, т.к. внутpенняя энеpгия сpеды (напpимеp, атмосфеpы) колоссальна и пpактически неисчеpпаема. Оказывается, необходим холодильник, котоpый в пpоцессе pаботы машины будет нагpеваться, и, когда он нагpеется до темпеpатуpы окpужающей сpеды, машина остановится. Ее дальнейшая pабота потpебует пpедваpительного охлаждения холодильника, для чего нужно совеpшить pаботу какой-то дpугой машине. Никакого выигрыша в работе не будет. Английский физик У. Кельвин дал в 1851 г. следующую формулировку второго закона: В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара. Гипотетическую тепловую машину, в которой мог бы происходить такой процесс, называют «вечным двигателем второго рода». В земных условиях такая машина могла бы отбирать тепловую энергию, например, у Мирового океана и полностью превращать ее в работу. Масса воды в Мировом океане составляет примерно 10 21 кг, и при ее охлаждении на один градус выделилось бы огромное количество энергии (≈10 24 Дж), эквивалентное полному сжиганию 10 17 кг угля. Ежегодно вырабатываемая на Земле энергия приблизительно в 10 4 раз меньше. Поэтому «вечный двигатель второго рода» был бы для человечества не менее привлекателен, чем «вечный двигатель первого рода», запрещенный первым законом термодинамики. Немецкий физик Р. Клаузиус дал другую формулировку второго закона термодинамики: Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Второй закон термодинамики по своим формулировкам неоднократно дополнялся за более чем полутора-вековое существование науки – термодинамики. На рис. изображены процессы, запрещаемые вторым законом, но не запрещаемые первым законом термодинамики. Эти процессы соответствуют двум формулировкам второго закона термодинамики.

10.2. Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно

Еще более 200 лет назад развитие промышленности поставило перед учеными и инженерами задачу непрерывного получения механической работы, работы упорядоченного движения рабочего тела. А на 100 лет позже пришлось поставить задачу непрерывного «получения холода» за счет работы (т.е. переноса теплоты от тел с нижнего температурного уровня на верхний). Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами. Однако, получать работу или трансформировать ее в теплоту непрерывно в разомкнутом, одностороннем процессе – невозможно, хотя бы потому, что односторонне движущийся поршень в цилиндре неработоспособен (должен быть ∞ ход его). Поэтому необходимость циклов, как замкнутой системы процессов, для человеческой практики была давно понята, особенно при переходе к непрерывным технологическим процессам. Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0):

A = Q.

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Определение. Циклом называется замкнутый (круговой) процесс.

10.3. Понятие о круговом процессе

Круговой процесс или цикл – это совокупность процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние. Если в круговом процессе совершается положительная работа, то цикл называется прямым (по часовой стрелке), если отрицательная – обратным (против часовой стрелки рис). Тепловые двигатели с обратными циклами называются холодильниками. Для них
,
и
. Противоестественный ход тепла (от холодного к горячему) обеспечивается внешней работой. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A 1 , равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A 2 , равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A 1 + A 2 на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении. Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q 1 > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q 2 < 0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно Отсюда следует: Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1). Энергетическая схема тепловой машины изображена на рис. 3.11.2.

Рис. Иллюстрация работы тепловой машины (Т 1 > Т 2).

В применяемых в технике двигателях используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

10.4. Двигатели внутреннего сгорания.

Эти двигатели различают по виду топлива на бензиновые и дизельные. На рис. 6.1 представлена индикаторная диаграмма цикла бензинового двигателя.

Рис. Индикаторная диаграмма бензинового двигателя внутреннего сгорания.

А1 – процесс всасывания паро-воздушной смеси в объем цилиндра; 1 – 2 – сжатие этой смеси; в точке 2 возбуждение искры запального устройства (свечи); 2 – 3 – вспышка (взрыв) паров бензина в смеси с кислородом воздуха; 3 – 4 – процесс политропического расширения дымовых газов; в точке 4 – открытие выхлопного клапана; 4 – 1 процесс выхлопа дымовых газов в атмосферу. На рис. представлена индикаторная диаграмма дизельного двигателя внутреннего сгорания.

Рис. Индикаторная диаграмма дизельного двигателя внутреннего сгорания.

А1 – процесс всасывания чистого воздуха из атмосферы в цилиндр двигателя; 1 – 2 – процесс сжатия воздуха; в точке 2 – впрыск дизельного топлива в цилиндр; 2 – 3 – горение топлива; 3 – 4 –процесс политропического расширения; т. 4 – открытие выхлопного клапана; 4 – 1 – выхлоп дымовых газов в атмосферу. Можно показать, что термический коэффициент полезного действия ηt двигателей внутреннего сгорания сильно зависит от степени сжатия р1/р2 (см. рис. 6.1 и 6.2): чем больше эта степень, тем больше ηt. Для бензинового двигателя степень сжатия ограничена температурой самопроизвольной вспышки паров бензина в смеси с кислородом воздуха. Поэтому паровоздушную смесь приходится сжимать до температуры ниже температуры вспышки, а само горение (взрывного типа) инициируют с помощью искры в запальной свече. В дизельных двигателях сжимается чистый воздух, степень сжатия в таких двигателях ограничена только прочностными свойствами материалов для изготовления двигателей. Поэтому степень сжатия в дизельном двигателе много больше степени сжатия в бензиновом двигателе и, соответственно, ηt – тоже. Для бензиновых двигателей η ≈ 25% – 30%, для дизельных η ≈ 40% - 45%. Это значит, что из 10 литров бензина в баке на собственно движение автомобиля будет израсходовано только 2,5 литра, а остальное пойдет на обогрев атмосферы и экологическую грязь. Зато у дизельного двигателя чуть меньше половины топлива будет истрачено с пользой, а остальное – потери.

1. Для механических явлений при определённых условиях выполняется закон сохранения механической энергии: полная механическая энергия системы тел сохраняется, если они взаимодействуют силами тяготения или упругости. Если действуют силы трения, то полная механическая энергия тел не сохраняется, часть её (или вся) превращается в их внутреннюю энергию.

При изменении состояния тела (системы) меняется его внутренняя энергия. Состояние тела и соответственно его внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: в процессе теплопередачи или путём совершения внешними силами работы над телом (работа, например, силы трения).

2. При решении задачи в предыдущем параграфе получено, что количество теплоты \(Q_1 \) , отданное горячей водой, равно количеству теплоты \(Q_2 \) , полученному холодной водой, т.е.: \(Q_1=Q_2 \) .

Записанное равенство называется уравнением теплового баланса . Оно связывает количество теплоты, полученное одним телом, и количество теплоты, отданное другим телом при теплообмене. При этом в теплообмене могут участвовать не два тела, а три и более. Например, если в стакан с горячим чаем опустить ложку, то в теплообмене будут участвовать стакан и чай (отдают энергию), и ложка и окружающий воздух (получают энергию). Как уже указывалось, в конкретных задачах мы можем пренебречь количеством теплоты, получаемым или отдаваемым некоторыми телами при теплообмене.

3. Уравнение теплового баланса даёт возможность определить те или иные величины. В частности, значения удельной теплоёмкости веществ определяют из уравнения теплового баланса.

Задача . Определите удельную теплоёмкость алюминия, если при опускании в стакан, содержащий 92 г воды при 75 °С, алюминиевой ложки массой 42 г при температуре 20 °С в стакане установилась температура 70 °С. Потерями энергии на нагревание воздуха, а также энергией, отдаваемой стаканом, пренебречь.

Анализ задачи . В теплообмене участвуют два тела: горячая вода и алюминиевая ложка. Вода отдаёт количество теплоты \(Q_1 \) и остывает от 75 до 70 °С. Алюминиевая ложка получает количество теплоты \(Q_2 \) и нагревается от 20 до 70 °С. Количество теплоты \(Q_1 \) , отданное горячей водой, равно количеству теплоты \(Q_2 \) , полученному ложкой.

Решение задачи в общем виде: уравнение теплового баланса: \(Q_1=Q_2 \) ; количество теплоты, отданное горячей водой: \(Q_1=c_1m_1(t_1-t) \) ; количество теплоты, полученное алюминиевой ложкой: \(Q_2=c_2m_2(t-t_2) \) . С учётом этого уравнение теплового баланса:\(c_1m_1(t_1-t)=c_2m_2(t-t_2) \) . Откуда: \(c_2=c_1m_1(t_1-t)/m_2(t-t_2) \) .

4. Закон сохранения энергии в тепловых процессах выполняется при нагревании тел за счёт энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Топливо - это природный газ, дрова, уголь, нефть. При его сгорании происходит химическая реакция окисления - атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе, и образуется молекула оксида углерода (углекислого газа) СO 2 . При этом выделяется энергия.

При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива .

Удельная теплота сгорания топлива - физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг.

Удельная теплота сгорания топлива обозначается буквой \(q \) , её единицей является 1 Дж/кг.

Значение удельной теплоты сгорания топлива определяют экспериментально. Наибольшую удельную теплоту сгорания имеет водород, наименьшую - порох.

Удельная теплота сгорания, например, нефти - 4,4·10 7 Дж/кг. Это означает, что при полном сгорании 1 кг нефти выделяется количество теплоты 4,4·10 7 Дж.

В общем случае, если масса топлива равна \(m \) , то количество теплоты \(Q \) , выделяющееся при его полном сгорании, равно произведению удельной теплоты сгорания топлива \(q \) на его массу \(m \) :

5. Предположим, что внутреннюю энергию тела \(U \) изменили, совершив над ним работу \(A \) и сообщив ему некоторое количество теплоты \(Q \) . В этом случае изменение внутренней энергии \(U \) равно сумме работы \(A \) , совершённой над телом, и переданного ему количества теплоты \(Q \) :

Записанное выражение представляет собой первый закон термодинамики 1 , который является обобщением закона сохранения энергии. Он формулируется следующим образом: изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы, совершённой над системой внешними силами, и количества теплоты, переданного системе .

1 Термодинамика - учение о тепловых процессах.

Предположим, что работу совершают не внешние силы, а само тело. Его работа в этом случае \(A^{‘}=-A \) и \(Q=U+A^{‘} \) . Количество теплоты, переданное телу, идет на изменение его внутренней энергии и на работу тела против внешних сил.

6. Устройства, совершающие механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми двигателями.

Любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела (рис. 72). В качестве рабочего тела используются газ или пар, поскольку они хорошо сжимаются, и в зависимости от типа двигателя может быть топливо (бензин, керосин), водяной пар и пр. Нагреватель передаёт рабочему телу некоторое количество теплоты \((Q_1) \) , и его внутренняя энергия увеличивается, за счет этой внутренней энергии совершается механическая работа \((A) \) , затем рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты холодильнику \((Q_2) \) и охлаждается при этом до начальной температуры. Описанная схема представляет цикл работы двигателя и является общей, в реальных двигателях роль нагревателя и холодильника могут выполнять различные устройства. Холодильником может служить окружающая среда.

Поскольку в двигателе часть энергии рабочего тела передается холодильнику, то понятно, что не вся полученная им от нагревателя энергия идет на совершение работы. Соответственно, коэффициент полезного действия двигателя (КПД) равен отношению совершенной работы \((A) \) к количеству теплоты, полученному им от нагревателя \((Q_1) \) :

\[ КПД=\frac{A}{Q_1}100\%=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}100\% \]

Коэффициент полезного действия обычно выражают в процентах.

7. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): карбюраторный и дизельный. В карбюраторном двигателе рабочая смесь (смесь топлива с воздухом) готовится вне двигателя в специальном устройстве и из него поступает в двигатель. В дизельном двигателе горючая
смесь готовится в самом двигателе.

ДВС (рис. 73) состоит из цилиндра (1), в котором перемещается поршень (5); в цилиндре имеются два клапана (2, 3), через один из которых горючая смесь впускается в цилиндр, а через другой отработавшие газы выпускаются из цилиндра. Поршень с помощью кривошипно-шатунного механизма (6, 7) соединяется с коленчатым валом, который приходит во вращение при поступательном движении поршня. Цилиндр закрыт крышкой (4).

Цикл работы ДВС включает четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Во время впуска поршень движется вниз, давление в цилиндре уменьшается, и в него через клапан поступает горючая смесь (в карбюраторном двигателе) или воздух (в дизельном двигателе). Клапан в это время закрыт (рис. 73 а). В конце впуска горючей смеси закрывается клапан.

Во время второго такта поршень движется вверх, клапаны закрыты, и рабочая смесь или воздух сжимаются (рис. 73 б). При этом температура газа повышается: горючая смесь в карбюраторном двигателе нагревается до 300-350 °С, а воздух в дизельном двигателе - до 500-600 °С. В конце такта сжатия в карбюраторном двигателе проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется. В дизельном двигателе в цилиндр впрыскивается топливо, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется.

При сгорании горючей смеси газ расширяется и толкает поршень и соединенный с ним коленчатый вал, совершая механическую работу (рис. 73 в). Это приводит к тому, что газ охлаждается.

Когда поршень придёт в нижнюю точку, давление в нём уменьшится. При движении поршня вверх открывается клапан, и происходит выпуск отработавшего газа (рис. 73 г). В конце этого такта клапан закрывается.

8. Паровая турбина представляет собой насаженный на вал диск, на котором укреплены лопасти. На лопасти поступает пар. Пар, нагретый до 600 °С, направляется в сопло и в нём расширяется, При расширении пара происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Струя пара поступает из сопла на лопасти турбины и передаёт им часть своей кинетической энергии, приводя турбину во вращение. Обычно турбины имеют несколько дисков, каждому из которых передаётся часть энергии пара. Вращение диска передаётся валу, с которым соединён генератор электрического тока.

Часть 1

Для определения удельной теплоты сгорания топлива необходимо знать

1) энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива, его объём и начальную температуру
2) энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива, и его массу
3) энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива, и его плотность
4) удельную теплоёмкость вещества, его массу, начальную и конечную температуры

2. В сосуд налили 1 кг воды при температуре 90 °С. Чему равна масса воды, взятой при 30 °С, которую нужно налить в сосуд, чтобы в нём установилась температура воды, равная 50 °С? Потерями энергии на нагревание сосуда и окружающего воздуха пренебречь.

1) 1 кг
2) 1,8 кг
3) 2 кг
4) 3 кг

3. В воду, взятую при температуре 20 °С, добавили 1 л воды при температуре 100 °С. Температура смеси оказалась равной 40 °С. Чему равна масса холодной воды? Теплообменом с окружающей средой пренебречь.

1) 1 кг
2) 2 кг
3) 3 кг
4) 4 кг

4. В толстостенной трубке быстро сжимают воздух. При этом внутренняя энергия воздуха

1) не изменяется
2) увеличивается
3) уменьшается
4) сначала увеличивается, потом не изменяется

5. Газ получил количество теплоты 300 Дж и совершил работу 100 Дж. Внутренняя энергия газа при этом

1) увеличилась на 400 Дж
2) увеличилась на 200 Дж
3) уменьшилась на 400 Дж
4) уменьшилась на 200 Дж

6. В двигателе внутреннего сгорания

1) внутренняя энергия рабочего тела преобразуется в механическую энергию
2) поршень перемещается за счёт переданного ему количества теплоты
3) механическая энергия поршня превращается во внутреннюю энергию рабочего тела
4) механическая работа совершается за счёт энергии рабочего тела и переданного поршню количества теплоты

7. Двигатель внутреннего сгорания совершает полезную работу при

1) сжатии рабочего тела
2) выпуске отработанного газа из цилиндра
3) впуске рабочего тела в цилиндр
4) расширении рабочего тела в цилиндре

8. Рабочим телом в автомобильном двигателя внутреннего сгорания является

1) воздух
2) бензин
3) горючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина
4) керосин

9. Тепловой двигатель получает за цикл работы от нагревателя количество теплоты 200 Дж и передаёт холодильнику количество теплоты 80 Дж. Чему равен КПД двигателя?

1) 29%
2) 40%
3) 43%
4) 60%

10. Двигатель получает от нагревателя количество теплоты 100 Дж и совершает полезную работу 200 Дж. Чему равен КПД такого двигателя?

1) 200%
2) 50%
3) 20%
4) такой двигатель невозможен

11. Установите соответствие между физическими величинами и их единицами в СИ. К каждой позиции левого столбца подберите соответствующую позицию левого столбца и запишите выбранные цифры под соответствующими буквами

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) количество теплоты
Б) удельная теплоёмкость
B) удельная теплота сгорания

ЕДИНИЦА ВЕЛИЧИНЫ
1) Дж/кг
2) Дж
3) Дж/кг °С

12. Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями, анализируя следующую ситуацию: «При постоянном давлении газ некоторой массы быстро расширяется. Как при этом изменяются температура газа, его концентрация и внутренняя энергия?» Цифры в ответе могу повторяться. К каждой позиции левого столбца подберите соответствующую позицию левого столбца и запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) температура газа
Б) концентрация
B) внутренняя энергия

ЕДИНИЦА ВЕЛИЧИНЫ
1) не изменяется
2) увеличивается
3) уменьшается

13. Ударная часть молота массой 10 т свободно падает на стальную деталь массой 200 кг. С какой высоты падает ударная часть молота, если после 32 ударов деталь нагрелась на 20 °С? На нагревание расходуется 25% энергии молота.