Какое определение ошибочно внутренней энергией тела называется

Цели:

1. Учебные:

• вести понятие внутренней энергии, работы в
  термодинамике;
• ознакомить учащихся с первым началом
  термодинамики;
• формировать общеучебные навыки работы с
  компьютером и исследовательских умений.

2. Развивающие:

• содействовать развитию речи, мышления, овладению методами научного
  исследования: анализа и синтеза.

3. Воспитательные:

• формировать познавательный интерес;
• формирование положительной мотивации к учению;
• воспитание дисциплинированности,
  эстетического восприятия мира.

Организационные формы и методы обучения:

• традиционные – беседа на вводном этапе урока;
• инновационные – изучение нового учебного материала с помощью компьютера.

Средства обучения:

• инновационные – компьютер, мультимедийный проектор, компьютерная
  программа урока физики от Кирилла и Мефодия;
• печатные – тестовые задания.

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Повторение домашнего задания.

• По характеру относительного расположения частиц, тв. тела делятся на
  какие виды? (Кристаллы, аморфные тела, композиты.)
• Что из себя представляют кристаллы? (В кр. телах молекулы, атомы и
  ионы расположены в определенном порядке в форме кристаллической решетки
  образуя дальний порядок. Примеры: железо, серебро, медь, лед, графит, алмаз,
  соль, сахар.)
• Что из себя представляют аморфные тела? (Аморфные тела не имеют
  строгого порядка в расположении молекул, они расположены в форме
  кристаллической решетки образуя ближний порядок. Примеры: стекло, канифоль,
  смола, каучук, пластмасса, свечи, парафин.)
• Что из себя представляют композиты? (Доклад, используя интернет-ресуры
  подготовила Иванова Вероника.)

Доклад.

Композиты – это твердые тела, атомы в которых располагаются трехмерно
упорядоченно в определенной области пространства с регулярной периодичностью.
Композиты, такие, как дерево, бетон, фибергласс, кость, кровеносные сосуды и др.
состоят из различных, связанных друг с другом материалов.

Созданы композиционные материалы, механические
свойства которых превосходят естественные материалы. Композиты
состоят из матрицы и наполнителей. В качестве
матрицы применяются полимерные, металлические, углеводородные или керамические
материалы. Наполнители могут состоять из нитевидных кристаллов, волокон
или проволоки. В частности, к композиционным материалам относят железобетон и
железографит.

Железобетон – один из основных видов строительных материалов.
Он представляет собой сочетание бетона и стальной
арматуры.

Железографит – металлокерамический материал, состоящий из железа и
графита. Из него отливают подшипники, втулки для разных узлов машин и
механизмов.

Стеклопластик – также композиционный материал, представляющий собой
смесь стеклянных волокон и отвердевшей смолы.

Кости человека и животных представляют собой композиционный материал,
состоящий из двух совершенно различных компонентов: коллагена и минерального
вещества.

Коллаген – один из главных компонентов
соединительной ткани (из него в основном
состоят наши сухожилия). Большая часть минерального компонента кости –
соли кальция.

• Перечислите основные свойства кристаллических тел?(Сохраняет
  обьем и форму, анизотропны.)
• Перечислите основные свойства аморфных тел? (Сохраняет обьем и форму
  при низких температурах, с повышением температуры ведут себя как вязкие
  жидкости, изотропны.)
• Что представляет из себя монокристалл? Монокристалл – твердое тело,
  частицы которого образуют единую кр. решетку.
• Что представляет из себя поликристалл? Поликристалл – твердое тело,
  состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов.
• Решение теста на компьютере возле доски (Дмитриев Сергей):
  1. Какие из нижеперечисленных свойств характерно только для аморфных
     тел (отсутствие определенной температуры плавления).
  2. Анизотропия – это… (зависимость физических свойств от выбранного
     направления внутри кристалла).
  3. Кристаллическое состояние тв. тела (более энергетически
     устойчиво, чем аморфное).
  4. Два кубика из стекла и кристалла кварца опустили в горячую воду.
     Сохранят ли они свою форму. (Сохранит лишь стекло)
  5. Почему в таблицах не указывается температура плавления стекла
     (т.к. стекло аморфно и не имеет определенной температуры плавления).

3. Объяснение нового материала.

Термодинамика – это раздел физики, исследующий свойства
макроскопических тел с энергетических позиций.

Макроскопические параметры – Р, V, T.

Внутренняя энергия зависит от агрегатного состояния вещества.

Внутренняя энергия тел – суммарная кинетическая энергия движения и
взаимодействия молекул.

Два способа изменения внутренней энергии

При изменении внутренней энергии термодинамическая система переходит из
одного состояния в другое.

Существует два способа изменения внутренней энергии системы:

1) Теплообмен, когда тело получает или
отдает некоторое количество теплоты в процессе теплопередачи.

2) Совершение механической работы:

а) над телом (U).
Опыт с электронным термометром, бруском и монетой.

b) самим телом (U).

Так внутренняя энергия металлической монеты может быть увеличена при
нагревании ее на огне, либо за счет трения о деревянную поверхность.

Совершая работу, можно изменить внутреннюю энергию.

Внутренняя энергия и работа.

Если работа совершается над телом, то его внутренняя энергия увеличивается,
если же тело само совершает работу, это ведет к уменьшению его внутренней
энергии.

Когда газ, закачанный под давлением в баллон, совершает работу, например,
выбивает пробку, то он охлаждается, поскольку при совершении работы уменьшается
его внутренняя энергия.

Работа может совершаться за счет внутренней энергии.

А¹ = р∆V – работа газа.

А¹ = -А = р∆V – работа внешних сил.

Q = ∆U + А¹

А¹ – Первое начало термодинамики.

Невозможность вечного двигателя.

Первое начало термодинамики объясняет невозможность построения вечного
двигателя первого рода, который должен бы был работать неограниченно долго без
затрат энергии.

Если к системе не подводится энергия в виде тепла, значит, работа совершается
этой системой только за счет внутренней энергии. Однако величина этой энергии не
безгранична, поэтому система с течением времени перестанет совершать работу, и,
значит, существование вечного двигателя невозможно.

Первое начало термодинамики можно применить для рассмотрения различных
термодинамических процессов.

4. Закрепление.

Дано:

Q = 500 Дж

А = -300 Дж

Найти: ∆U.

Решение:

Q = ∆U + А¹

∆U =
Q – А¹ = 500 + 300 = 800 Дж.

5. Решение тестов.

Выберите ответы вместо многоточия и закончите фразы:

1) Количество теплоты – количественная характеристика изменения внутренней
энергии системы путем …

а) совершения работы.
б) передачи электроэнергии.
в) совершения работы и теплообмена.
г) теплообмена.

2) Внутренняя энергия – это …

а) энергия, зависящая только от внутреннего состояния системы.
б) энергия тел, входящих в термодинамическую систему.
в) кинетическая энергия движения молекул.
г) потенциальная энергия атомов.

3) Если газу передано количество теплоты 500 Дж, а он совершил отрицательную
работу 300 Дж, то изменение внутренней
энергии газа равно …

а) 400 Дж.
б) 800 Дж.
в) 200 Дж.

Вопросы 1-5:

1) Какое определение ошибочно? Внутренней энергией тела называется …

а) энергия этого тела за вычетом механической
энергии тела как целого.
б) сумма кинетической и потенциальной
энергии всех частиц, составляющих тело.
в) сумма кинетических энергии молекул.
г) все определения неправильны.

2) Внутренней энергию можно изменить:

а) можно изменить только путем теплопередачи.
б) нельзя изменить.
в) можно изменить только путем совершения
работы.
г) можно изменить путем совершения
работы и теплопередачи.

3) Термодинамическая система – это …

а) совокупность тел с разными температурами.
б) тела, обладающие высокой температурой.
в) совокупность макроскопических тел, обменивающихся друг с другом веществом.
г) совокупность макроскопических тел и полей, обменивающихся друг с другом и
внешней средой энергией и веществом.

4) Наука, исследующая свойства макроскопических тел с энергетических позиций,
называется …

а) молекулярно-кинетическои теорией.
б) динамикой.
в) термодинамикой.
г) энергодинамикои.

5) Математическое выражение первого начала термодинамики…

а) А = ∆U + Q.
б) ∆U = А + Q.
в) Q = ∆U + A.
д) Q = ∆U.

6. Домашнее задание. Параграфы 77-80.

Р-546

Какую работу совершил воздух массой 290 г при его изобарном нагревании на 20
К и какое количество теплоты ему при этом сообщили.

Q = ∆U + А

А = р∆V =

R∆T = 1660 Дж

∆U =
R∆T = А =
2490 Дж

Q =1660 + 2490 = 4150 Дж (Q = ст∆Т = 5800 Дж)

30.03.2016

Открытый урок по физике «Термодинамика. Внутренняя энергия»

материал предназначен для преподавателей физики

Оценить

1130

Выражение для внутренней энергии одноатомного идеального или разреженного реального газов имеет следующий вид: $U = frac{3}{2} cdot nu cdot R cdot T$.

Для идеального газа из молекул с двумя, тремя или большим числом атомов требуется учёт кинетической энергии вращения молекул (их уже нельзя считать материальными точками), поэтому выражение для их внутренней энергии отличается от $U = frac{3}{2} cdot nu cdot R cdot T$, но только числовым коэффициентом.

Для двухатомного газа (например, H₂, O₂, CO и пр.):

$U = frac{5}{2} cdot nu cdot R cdot T$.

Для газа с тремя атомами и более (например, CO₂, CH₄):

$U = 3 cdot nu cdot R cdot T$.

Чтобы изменить внутреннюю энергию вещества, нужно передать ему некоторое количество теплоты либо совершить над ним работу.

Существует три вида теплопередачи:

Теплопроводность – это процесс переноса энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым, осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Простой пример – нагревание ложки в горячем чае.

Конвекция – вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передаётся струями или потоками жидкости, или газа. Пример: проветривание комнаты.

Излучение – процесс переноса энергии посредством электромагнитного излучения. Простой пример: солнечный свет.

Механическая работа меняет механическую энергию тела. В термодинамике то же самое. К примеру, если газ двигает поршень, расширяясь, то у нас, как и в механике, есть и сила, и перемещение. Разница только в том, что при совершении работы в термодинамике меняется не кинетическая или потенциальная энергия газа как целого тела, а кинетическая энергия его молекул, то есть внутренняя энергия газа.

Если газ расширяется, то работу газа принято считать положительной. Если же сжимается – то отрицательной.

Формула для нахождения работы газа при изобарном процессе примет следующий вид: $A = p cdot Delta V$.

Для изотермического процесса формула принимает следующий вид: $A = nu cdot R cdot T cdot ln frac{V_2}{V_1}$.

Термодинамика — раздел физики, изучающий превращения энергии в макроскопических системах и основные свойства этих систем.

Термодинамика опирается на общие закономерности тепловых процессов и свойств макроскопических систем. Выводы термодинамики эмпирические, то есть опираются на факты, проверенные опытным путем с использованием молекулярно-кинетической модели.

Для описания термодинамических процессов в системах, состоящих из большого числа частиц, используются величины, не применимые к отдельным молекулам и атомам: температура, давление, концентрация, объем, энтропия)

Внутренняя энергия. Формулы

Внутренняя энергия считается важнейшим понятием термодинамики. Макроскопические тела (системы) имеют внутреннюю энергию, состящую из энергии каждой молекулы. Исходя из молекулярно-кинетической теории, внутренняя энергия состоит из кинетической энергии атомов и молекул, а также потенциальной энергии их взаимодействия.

Например, внутренняя энергия идеального газа равняется сумме кинетических энергий частиц газа, которые находятся в непрерывном беспорядочном тепловом движении. После подтверждений большим количеством экспериментов, был получен закон Джоуля:

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от объема.

Применение молекулярно-кинетической теории говорит о том, что выражение для определения внутренней энергии 1 моля одноатомного газа, с поступательными движениями молекул записывается как:

U=32NАkT=32RT.

Зависимость от расстояния между молекулами у потенциальной энергии очевидна, поэтому внутренняя U и температура Т обусловлены изменениями V:

U=U(T, V).

Определение внутренней энергии U производится с помощью наличия макроскопических параметров, характеризующих состояние тела. Изменение внутренней энергии происходит по причине действия на тело внешних сил, совершающих работу. Внутренняя энергия является функцией состояния системы.

Когда газ в цилиндре сжимается под поршнем, то внешние силы совершают положительную работу A’. Силы давления газа на поршень также совершают работу, но равную A=-A’. При изменении объема газа на величину ∆V, говорят, что он совершает работу pS∆x=p∆V, где p – давление газа, S – площадь поршня, ∆x – его перемещение. Подробно показано в примере на рисунке 1.

Наличие знака перед работой говорит о работе газа в разных состояниях: положительная при расширении и отрицательная при сжатии. Переход из начального в конечное состояние работы газа может быть описан с помощью формулы:

A=∑pidVi или в пределе при ∆Vi→0:

A=∫V1V2pdV.

Рисунок 1. Работа газа при расширении.

Обратимые и необратимые процессы

Работа численно равняется площади процесса, изображенного на диаграмме p, V. Величина А зависит от метода перехода от начального состояния в конечное. Рисунок 2 показывает 3 процесса, которые переводят газ из состояние (1) в состояние (2). Во всех случаях газ совершает работу.

Рисунок 2. Три различных пути перехода из состояния (1) в состояние (2). Во всех трех случаях газ совершает разную работу, равную площади под графиком процесса.

Процессы из рисунка 2 возможно провести в обратном направлении. Тогда произойдет изменение знака А на противоположный.

Процессы, которые возможно проводить в обоих направлениях, получили название обратимых.

Жидкости и твердые тела могут незначительно изменять свой объем, поэтому при совершении работы разрешено им пренебречь. Но их внутренняя энергия подвергается изменениям посредствам совершения работы.

Механическая обработка деталей нагревает их. Это способствует изменению внутренней энергии. Имеется еще один пример опыта Джоуля 1843 года, служащий для определения механического эквивалента теплоты, изображенного на рисунке 3. Во время вращения катушки, находящейся в воде, внешние силы совершают положительную работу A’>0, тогда жидкость повышает температуру из-за наличия силы трения, то есть происходит увеличение внутренней энергии.

Процессы примеров не могут проводиться в противоположных направлениях, поэтому они получили название необратимых.

Рисунок 3. Упрощенная схема опыта Джоуля по определению механического эквивалента теплоты.

Изменение внутренней энергии возможно при наличии совершаемой работы и при теплообмене. Тепловой контакт тел позволяет увеличиваться энергии одного тела с уменьшением энергии другого. Иначе это называется тепловым потоком.

Количество теплоты

Количество теплоты Q, полученное телом, называется его внутренней энергией, получаемой в результате теплообмена.

Рисунок 4. Модель работы газа.

Процесс передачи тепла тел возможен только при разности их температур.

Направление теплового потока всегда идет к холодному телу.

Количество теплоты Q считается энергетической величиной и измеряется в джоулях (Дж).

Термодинамические потенциалы
Термодинамика
Внутренняя энергия Энтропия Энтальпия Свободная энергия Гельмгольца Энергия Гиббса Большой термодинамический потенциал (Ω)
Разделы
Начала Уравнение состояния Величины Потенциалы Циклы Фазовый переход
См. также «Физический портал»

Вну́тренняя эне́ргия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.

Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии:

где

Эта формула является математическим выражением первого начала термодинамики

Для квазистатических процессов выполняется следующее соотношение:

где

Идеальные газы

Согласно закону Джоуля, выведенному эмпирически, внутренняя энергия идеального газа не зависит от давления или объёма. Исходя из этого факта, можно получить выражение для изменения внутренней энергии идеального газа. По определению молярной теплоёмкости при постоянном объёме, . Так как внутренняя энергия идеального газа является функцией только от температуры, то

.

Эта же формула верна и для вычисления изменения внутренней энергии любого тела, но только в процессах при постоянном объёме (изохорных процессах); в общем случае является функцией и температуры, и объёма.

Если пренебречь изменением молярной теплоёмкости при изменении температуры, получим:

,

где  — количество вещества,  — изменение температуры.

Литература

• Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Издание 5-е, исправленное. — М.: Физматлит, 2006. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5

Примечания