Тема: Внутрішня енергія та способи її зміни. Робота при
розширенні газу.
Мета: дати молекулярно-кінетичне трактування поняття
внутрішньої енергії та роботи.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
Хід уроку.
І. Актуалізація опорних
знань.
Сьогодні ми розпочнемо вивчати нову тему. Але для цього згадаємо матеріал 9
класу. Вивчаючи механіку в курсі фізики 9 класу, ми
познайомилися з поняттям механічної енергії й знаємо, що механічна енергія — це
сума кінетичної енергії, обумовленої рухом тіл, і потенціальної енергії, обумовленої їхньою взаємодією.
Якщо тіла взаємодіють за допомогою сил тяжіння й пружності, то механічна
енергія зберігається. Механічна енергія зменшується, якщо між тілами діє сила
тертя ковзання. При цьому тіла нагріваються, а ми вже знаємо, що підвищення
температури означає збільшення енергії хаотичного руху частинок. Однак
механічна енергія може зменшуватися й без підвищення температури. Наприклад,
якщо терти лід за температури 0 °С, він буде перетворюватися на воду,
температура якої теж 0 °С. На що ж перетворюється в цьому експерименті
механічна енергія? Вона перетворюється на потенціальну енергію взаємодії молекул. Під час перетворення льоду на воду ця
потенціальна енергія збільшується. Ми
говоримо» що в обох випадках збільшується внутрішня енергія тіла. Отже, внутрішня енергія —
це сума кінетичної енергії, хаотичного
руху молекул і потенціальної енергії взаємодії молекул одна з одною.
Тема нашого уроку: „Внутрішня
енергія та способи її зміни. Робота при розширенні газу”. На цьому уроці ми повинні
дати молекулярно-кінетичне трактування поняття внутрішньої енергії та роботи.
ІІ. Вивчення нового
матеріалу.
1. Внутрішня енергія.
З’явилось поняття „внутрішня
енергія” у ХІХ ст.
До внутрішньої енергії, крім
кінетичної і потенціальної енергії молекул, відносять також і енергію зв’язану
з обертальними і коливальними рухами молекул, кінетичну і потенціальну енергію
атомів, які утворюють молекулу (цю енергію називають хімічною), електронів і
атомних ядер (внутріатомну енергію). Але оскільки в молекулярній фізиці
розглядаються явища, при яких відбуваються зміни лише кінетичної і
потенціальної енергії молекул, а решта складових внутрішньої енергії не
змінюються, то під внутрішньою енергією будемо розуміти енергію хаотичного руху
молекул і енергію їх взаємодії.
2. Два способи зміни
внутрішньої енергії.
Змінити внутрішню
енергію тіла можна двома способами:
1) у разі здійснення
над ним роботи (наприклад, якщо стискати газ у теплоізольованій посудині, то
він нагріється);
2) за допомогою теплопередачі, тобто без здійснення роботи
(наприклад, у разі контакту тіл різної температури їхні температури
вирівнюються, тобто внутрішня енергія більш нагрітого тіла зменшується, і менш нагрітого — збільшується).
Кількісну міру зміни внутрішньої енергії в процесі теплопередачі називають
кількістю теплоти й позначають Q.
3. Внутрішня енергія
ідеального газу.
Обчислити внутрішню енергію
тіла, підраховуючи енергію всіх взаємодіючих між собою багатьох мільярдів
частинок, немає ніякої практичної можливості, оскільки закони залежності сил
взаємодії атомів і молекул від відстані між ними складні, а взаємне розміщення
частинок теплового руху безперервно змінюється. Також хаотично змінюється і
кінетична енергія окремих частинок.
Простий розв’язок ця задача має
для випадку ідеального газу. Внутрішня енергія ідеального газу становить суму
лише кінетичних енергій теплового руху його частинок, оскільки взаємодією
частинок в ідеальному газі можна знехтувати.
Як відомо, середня кінетична енергія одного атома
ідеального газу визначається виразом
Якщо газ містить N молекул, то їхня загальна енергія:Для 1 моль цей вираз прийме вигляд
Ця енергія називається
внутрішньою енергією ідеального газу.
Оскільки для
ідеального газу взаємодією молекул нехтують, то потенціальна енергія молекул
дорівнює нулю. Тому внутрішня енергія
пального газу даної маси залежить тільки від температури й не залежить ні від
його тиску, ні від об'єму.
Збільшення маси газу
приводить до збільшення його внутрішньої енергії. Внутрішня енергія залежить
від роду газу, тобто від його молярної маси. Очевидно, чим більша молярна маса,
тим менше атомів міститься в газі даної маси.
4.Обчислення роботи під час ізобарного процесу.
У сучасному
виробництві широко розповсюджені теплові двигуни, в яких теплова енергія
перетворюється в механічну. Процес її перетворення здійснюється за допомогою
розширення пари чи газу. Нагріті до високої температури і стиснуті пара чи газ
мають значний запас енергії, яку передають частково під час розширення поршню
двигуна або лопаткам турбіни. Інший принцип покладено в будову реактивних
двигунів, де внаслідок витікання газу в один бік створюється реакція віддачі у
протилежний. Але в усіх випадках робота виконується в результаті розширення газу.
Уявімо собі, що газ
міститься у вертикальному циліндрі,
закритому рухливим поршнем площею S. Нехай під дією
докладеної зовнішньої сили F поршень опустився на відстань
, стиснувши при
цьому газ. Газ буде стискатися доти, поки сила F не
зрівноважиться силою, що діє на поршень з боку газу й дорівнює pS, де р —
тиск газу (якщо переміщення мале, то тиск газу можна вважати сталим).
Очевидно, робота газу
(
) при цьому визначиться як
F
x = p S
x = p
V .
Якщо газ стискався, то
V < 0 — робота газу
негативна; якщо газ розширювався, то
V
> 0 — позитивна.
Робота зовнішніх сил буде мати протилежний знак:
A = -AГ = -p
V .
Таким чином, здійснюючи над газом позитивну роботу,
зовнішні тіла передають йому частину своєї енергії. Під час розширення газу,
навпаки, робота зовнішніх сил негативна.
5.Геометричне тлумачення роботи.
Роботі
газу для випадку
сталого тиску можна дати просте геометричне тлумачення.
В ізобарному процесі
робота розширення газу зображується на діаграмі р, V площею заштрихованого
прямокутника.
В інших процесах
обчислення роботи газу значно складніше, оскільки для них
- змінна величина. Але можна показати, що при будь-якому
процесі виконана газом робота чисельно дорівнює площі під графіком цього
процесу в системі координат p,V, віссю абсцис і двома
ординатами. Щоб це довести, необхідно весь процес розбити на досить велике
число етапів, на кожнім з яких зміна тиску мала.
Наприклад, у випадку
ізохорного процесу
газ роботи не виконує.
Графік ізотермічного
процесу в системі координат p,V зображається рівнобічною гіперболою.
Робота газу, який розширюється
ізотермічно, чисельно дорівнює площі фігури, обмеженої графіком залежності p від V, віссю V і ординатами, що відповідають тискам p1 і p2 в початковому і кінцевому станах газу.
ІІІ. Перевірка рівня засвоєння знань.
Задача №1
У балоні міститься аргон масою 2 кг за температури
Чому дорівнює внутрішня енергія газу?
 
Задача №2
Внутрішня енергія деякої маси
одноатомного газу при
дорівнює 1Дж. Скільки молекул міститься в цій
масі газу?
 
Задача №3
Визначте роботу розширення
20л газу під час ізобарного
нагрівання від 27 до 120
. Тиск газу 80 кПа.
ІV. Домашнє завдання
§31,§36 Впр.13(1,2) | 
