ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ*

Урок № 4

Тема. Необратимость тепловых процессов. Принцип действия тепловых двигателей

Цель: сформировать понятие о обратимые и необратимые тепловые процессы, углубить знания учащихся о тепловые двигатели, физические знания их; развивать мыслительные операции сравнения, анализа и синтеза; формировать коммуникативные компетентности во время применения интерактивных форм работы и работы в малых группах.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Демонстрации: необратимость тепловых процессов, принцип действия теплового двигателя, модели различных видов тепловых двигателей

ХОД УРОКА

И. Актуализация опорных знаний

1. Задача-плутанка

К процессам, обозначенных цифрами, подберите правильные варианты изменения внутренней энергии, работы, количества теплоты

а) Изотермическое сжатие

б) Ізобарне расширения

в) Изотермическое расширение

г) Ізохорне сжатия

д) Ізобарне сжатия

е) Адиабатная сжатия

ж) Ізохорне расширения

2. Фронтальное опрос

а) От каких физических величин зависит внутренняя энергия тела?

б) Привести примеры превращения механической энергии во внутреннюю и наоборот.

в) Сформулируйте первый закон термодинамики

II. Изучение нового материала

Первый закон термодинамики - один из самых общих фундаментальных законов природы. Наука не знает ни одного процесса, в котором хотя бы в незначительной степени нарушался этот закон. Если какой-то процесс отрицается первым законом термодинамики, то это означает, что он никогда не происходит. Однако не всякий процесс, который не противоречит первому началу термодинамики в природе, на самом деле происходит.

Создание проблемной ситуации

Опыты:

- Движение шарика, повышенной на нитке.

- В калориметр с холодной водой опускают горячее тело.

- Шарик бросают вертикально вниз.

- Пробивают надутый воздушный шарик.

Вопросы для обсуждения:

1. Какие преобразования энергии здесь происходят?

2. Возможно ли превращение энергии в обратном направлении?

В первом опыте наблюдаем обратный процесс, в последующих опытах - необратимые процессы.

Первый закон термодинамики не отрицает:

- Передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

- Переход к шарику, что лежит на столе, определенного количества теплоты, вследствие чего она поднялась на некоторую высоту.

- Самовольное сжатия газов.

Жизненный опыт показывает, что невольно такие процессы никогда не происходит. Практически все реальные макроскопические процессы в природе сопровождаются трением и теплопроводностью, поэтому они необратимы.

Учащиеся самостоятельно формулируют определение необратимого и обратимого процессов.

Обобщением большого количества опытных факторов является второй закон термодинамики. Он не имеет теоретического изучения и поэтому принимается как постулат.

Работа с учебником

Учащиеся знакомятся с различными формулировками второго начала термодинамики.

За счет внутренней энергии газа может быть выполнена работа. Еще в XVIII в. были созданы первые тепловые двигатели - устройства, которые выполняли работу за счет поглощения тепловой энергии.

Ученик кратко информирует о истории создания первых тепловых двигателей и их использования.

Прием «Лекция с элементами беседы»

На примере цилиндра с газом под поршнем объясняется движение поршня вверх во время нагревания газа.

Вопрос к учащимся в ходе изложения материала:

- Что нужно сделать, чтобы поршень вновь опустится вниз?

- Может ли движение поршня быть циклическим?

Обсуждается принципиальная схема устройства и принцип действия теплового двигателя, создается блок-схема.

А - полезная работа;

Q1 - количество теплоты, полученное от нагревателя;

Q2 - количество теплоты, отданное холодильнику;

Т1 - температура нагревателя;

Т2 - температура холодильника.

Тепловыми двигателями называются устройства, в которых происходит преобразование теплоты в работу. Рабочее тело в любом тепловом двигателе последовательно вступает в тепловой контакт с горячими телами (отопителя), получая от них некоторое количество теплоты Q1, и с холодными телами (холодильники), отдавая им количество теплоты Q2 > Q1, и периодически возвращается к первоначальному состоянию. Такие процессы называют циклическими или круговыми.

Термодинамика утверждает, что невозможно всю теплоту Q1, полученную в коловому процессе от отопителей, превратить в работу. Согласно закону сохранения энергии работа, выполняемая двигателем, вычисляется по формуле: A = Q1 - Q2.

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение:

Цикл Карно представляет собой идеализированный круговой процесс, в котором рабочее тело периодически вступает в тепловой контакт только с одним нагревателем (Т1) и одним холодильником (Т2). Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адіабат. Французский инженер Карно доказал, что КПД идеального теплового двигателя максимальный при данных значениях Т1 и Т2 и равна:

Любой реальный тепловой двигатель, работающий с нагревателем и температурой Т1 и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий ηmах.

Обсуждаются вопросы:

- Как увеличить КПД теплового двигателя?

- Можно ли создать тепловой двигатель, который бы работал без нагревателя или холодильника?

- Какие виды тепловых двигателей вы знаете?

III. Усвоение нового материала

Решение задач

1. Во время сгорания топлива в тепловом двигателе выделилось количество теплоты 200 кДж, а холодильнику передано количество теплоты 120 кДж. Какой КПД теплового двигателя? (40 %)

2. Максимально возможный КПД двигателя, у которого температура нагревателя 2000 К, а температура холодильника 100 °С? (87 %)

3. Температура нагревателя идеальной тепловой машины равна 477 °С. Какой должна быть температура холодильника, чтобы КПД машины равен 80 %?

IV. Итоги урока

Упражнение «Микрофон»

Ученики по очереди отвечают на вопросы:

- Что нового вы узнали на уроке?

- Пригодятся ли вам эти знания в жизни?

V. Домашнее задание

1. Проработать соответствующий раздел учебника.

2. Подготовиться к семинарским занятиям по теме «Роль тепловых двигателей в народном хозяйстве. Экологические проблемы, связанные с их применением».

Перечень вопросов, вынесенных на обсуждение

1. Первый закон термодинамики - один из важнейших законов природы.

2. Принцип действия теплового двигателя.

3. Виды тепловых двигателей.

4. Охрана окружающей среды в связи с применением тепловых двигателей.

Приложение 1

Никола Леонард Сади Карно (1796-1832)

Сади Карно родился 1796 года в Париже. Годы детства и юности Уголовно совпадали с бурным революционным периодом Франции. Отец будущего ученого Лазар Карно был известным политическим деятелем, талантливым военачальником, выдающимся ученым. Влияние отца на сыновей Саде и Ипполита был огромным. Саде всю жизнь чтил отца и был благодарен ему за знания и умения, которые он передал детям.

Сади Карно окончил в 1814 г. Политехническую школу и был направлен в Метц для продолжения обучения.

В 1816 г. после окончания учебы приступил к службе в инженерном полку в звании лейтенанта.

Но служба в гарнизоне не привлекала его. Выдержав конкурсные экзамены, был причислен к Главному штабу корпуса в Париже, где он приступает к изучению научных публикаций в области физики.

В 1824 г. была напечатана первая и единственная работа 28-летнего военного инженера «Размышления о движущуюся силу огня и о машинах, способных развивать эту силу». Через два дня после выхода в прессе работа молодого ученого была официально представлена в Академию наук, где получила положительный отзыв, в котором указывалась возможность практического использования двигателей, которые были теоретически рассмотрены автором.

Но важнейшие результаты работы Карно не были понятны. Это объяснялось тем, что основные идеи этой работы были сформулированы в науке впервые. Только через много лет эта работа стала хрестоматийной.

Часть работ была опубликована лишь через 54 года после смерти ученого.

В 1832 г. в возрасте тридцати шести лет он умер от эпидемии холеры. Вследствие этого все его вещи, включая рукописи научных работ, были уничтожены. Случайно остался блокнот ученого, который после смерти перешел к его брату, что хранил записную книжку в своей библиотеке как реликвию. Ипполит Карно передал записи Французской Академии наук, которые были опубликованы в научных изданиях. Здесь имелось и формулировки первого закона термодинамики.

Круговой процесс в тепловой машине, в результате которого тело, выполнив работу, возвращается в исходное состояние, используя часть этой работы, получил название цикла Карно.

Сади Карно считают основоположником термодинамики, потому что его идеи положены в основу создания тепловых машин.