Урок 24. Первый закон термодинамики
Предмет: Физика, 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 24. Первый закон термодинамики

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) закон сохранения энергии для термодинамических процессов;

2) связь изменения внутренней энергии газа с работой внешних сил и количеством теплоты, переданного термодинамической системе;

3) применение первого закона термодинамики к различным газовым процессам;

4) уравнение теплового баланса;

5) необратимость тепловых процессов.

Глоссарий по теме

Работа системы против внешних сил – это работа, которую совершает газ, преодолевая внешнее давление.

Адиабатный процесс – это процесс, протекающий в системе без теплообмена.

Необратимый процесс – Необратимым называется такой процесс, который самопроизвольно протекает только в одном направлении; в обратном направлении он протекает так, что система не проходит через те же состояния и не возвращается в исходное состояние.

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии для термодинамических систем.

Количество теплоты, сообщённое системе, равно сумме работы газа против внешних сил и изменения внутренней энергии системы.

Второй закон термодинамики определяет направление термодинамических процессов. Одна из формулировок второго закона: невозможен такой процесс, единственным результатом которого является переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому телу.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Обязательная литература:

Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 216-224.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. - М.: Дрофа, 2009.- С.81-89.

Основное содержание урока

Закон сохранения энергии, записанный применительно к термодинамической системе, выглядит следующим образом:

Q = A/ + ∆U,

где Q – количество теплоты, переданное системе;

A/ - работа системы (газа);

∆U - изменение внутренней энергии системы (газа).

Первый закон термодинамики: сообщенное системе количество теплоты расходуется на совершение системой работы против внешних сил и изменение внутренней энергии системы. Если работу совершают внешние по отношению к системе тела, то работа газа считается отрицательной, работа внешних тел положительной и А = - A/

Тогда первый закон термодинамики лучше написать в виде ∆U = Q + А.

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам.

Изотермический процесс. Т = const.

∆T = 0; ∆U =0, Q = A/

Изохорный процесс.

∆V = 0; A/ = 0.

Q = ∆U.

Изобарный процесс.

Р = const; A/>0, ∆U>0

Q = ∆U + A/.

Используя уравнение Менделеева-Клапейрона, получим

υR(T2 – Т1) = P(V2-V1) = P∙∆V;

Подстановка в уравнение первого закона термодинамики количества теплоты дает

Адиабатный процесс.

Процесс, протекающий без теплообмена, т.е. Q = 0.

Тогда система может совершать работу либо за счет уменьшения внутренней энергии (газ расширяется) A/ = - ∆U, либо за счет работы внешних тел над системой (происходит сжатие газа) А = ∆U.

Уравнение теплового баланса.

Если в замкнутой системе тела обмениваются энергией и работа этими телами не совершается, то суммарное изменение внутренней энергии системы равно нулю; тогда соответственно равна нулю и сумма количеств теплоты, полученных или отданных телами системы,

Q1 +Q2 +Q3 +Q4 +...+Qn = 0

Первый закон термодинамики не определяет направление тепловых процессов. Необратимыми называются такие явления, которые самопроизвольно протекают только в одном направлении; в обратном направлении они протекают только при внешнем воздействии.

Формулировка второго закона термодинамики: невозможно перевести тепло от менее нагретого тела к более нагретому телу при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих их телах (или невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от тела менее нагретого, к телу более нагретому).

Статистический характер второго закона термодинамики.

Состояние макроскопической системы (например, газ в баллоне) может быть реализовано огромным числом микросостояний (комбинацией в расположении молекул). Вероятность того, что первоначально находившийся в какой-либо части объёма газ весь снова соберется в какой-то момент времени в той же его части очень мала. А при очень большом числе частиц - ничтожно мала.

Вероятность обратимых процессов, наоборот, тем больше, чем меньше число частиц в системе. Поэтому справедливость второго закона термодинамики определяется достаточно большим объёмом и достаточно большим числом частиц системы. Так, например, ничтожно мала (реально равна 0) вероятность того, что спокойно висящий маятник начнет раскачиваться в результате одновременного, направленного в одну сторону удара всех молекул воздуха, до какого-то момента, двигавшихся хаотично по всем сторонам.

Направление термодинамических процессов определяется вторым законом термодинамики. Первый и второй законы термодинамики позволяют сделать заключение о невозможности создания вечного двигателя I и II рода.

Разбор тренировочных заданий

1. Гелий, находящийся в сосуде под подвижным поршнем, изотермически сжимают. Начальное давление газа p0, а его объём V0. Масса газа в сосуде остаётся неизменной. Установите соответствие между физическими величинами, характеризующими газ, и формулами, выражающими их зависимость от объёма V газа. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

ФОРМУЛЫ

А) Давление P(V)

1.

Б) Внутренняя энергия U(V)

2.

3.

4.

Решение: В изотермическом процессе p0V0 = pV; откуда . В этом процессе сохраняется внутренняя энергия. Для одноатомного газа:

Из уравнения Менделеева-Клапейрона:

но p0V0 = pV, тогда:

Правильный ответ: А – 3, Б – 4.

2. Чему равна внутренняя энергия 2 молей идеального одноатомного газа при температуре 1270С? R = 8,31Дж/(моль·К).

Решение: Переведём температуру в СИ:

Т = 127 + 273 = 400 К.

Формула для вычисления внутренней энергии одноатомного идеального газа:

Известно, что число молей равно двум, подставим численные значения величин в формулу:

U = (3/2) · (2 моля) · 8,31 (Дж/моль·К) · 400 К = 9972 Дж.

Ответ: U = 9972 Дж.