Закон сохранения внутренней энергии и уравнение теплового баланса - Внутренняя энергия

Цели: выяснить физическое содержание закона сохранения энергии для тепловых процессов; вывести уравнение теплового баланса.

Демонстрации: смешивание холодной и горячей воды в термосе.

Ход урока

I. Анализ итогов контрольной работы

Начало урока можно посвятить краткому анализу итогов контрольной работы. Часто ошибки и неточности в контрольной связаны с неправильным переводом величин в систему СИ; непониманием, почему в расчетах количество теплоты получается со знаком «-» и так далее.

Если по той или иной задаче в контрольной работе было много неверных решений, есть смысл привести подробное решение у доски. Это могут сделать те ученики, которые сумели справиться с задачей.

II. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Закон сохранения энергии в тепловых процессах.

2. Уравнение теплового баланса.

3. Калориметр.

1. Приступая к изложению нового материала, можно заметить, что среди законов физики есть такие, которые очень широко применяются в описании поведения тех или иных систем. Закон сохранения энергии в тепловых процессах принадлежит к таким законам.

Ранее уже было получено выражение вида:

ΔU = Q + A.

Чтобы понять смысл этого выражения, важно прежде всего определить рамки его применения. Данное соотношение справедливо для изолированных систем.

Система называется изолированной, если теплообмен и совершаемая работа происходят только между телами данной системы.

Для такой системы изменение внутренней энергии всегда равно нулю:

ΔU = 0.

При этом суммарная работа в системе тоже равна нулю:

А = 0.

Равно нулю и суммарное количество отданного и полученного телами тепла:

Q = 0.

Для любой изолированной системы при любых изменениях внутри нее внутренняя энергия остается неизменной.

То есть U= const, или ΔU = 0.

Это - закон сохранения энергии в тепловых процессах. Он косвенно подтверждает невозможность остановки теплового движения.

2. Как можно применять этот закон?

Если привести в соприкосновение два тела разной температуры t₁ > t₂, то, во-первых, теплообмен будет протекать до тех пор, пока температуры тел не сравняются, и, во-вторых, первое тело будет передавать тепла Q_отд ровно столько, сколько второе тело получит.

Таким образом, из закона сохранения тепловой энергии получим:

Q_отд = lQ_полl.

Эго соотношение называют уравнением теплового баланса.

Критерием истинности является практика. Поэтому, используя термос, смешаем фиксированные массы горячей и холодной воды с заданными температурами. Затем, минуты через две, измерим температуру смеси Θ.

После этого, используя уравнение теплового баланса, рассчитаем температуру смеси.

Пусть m₁ - масса горячей воды, m₂ - масса холодной воды, тогда:

m₁ = 0,2 кг

t₁ = 70 °С

m₂ = 0,1 кг

t₂ = 10 °С

Используя Q_отд = Q_пол, получим:

Откуда Θ = 50 °С.

Затем, сравнивая измеренное значение Θ с рассчитанным, мы убеждаемся, что Θ_изм ~ Θ_расч.

3. Обычно при проведении лабораторных работ пользуются более простыми приборами, которые называют калориметрами. Калориметр - это два цилиндрических сосуда с разными диаметрами (рис. 3). Между их дном и стенками - воздушный зазор, который уменьшает теплоотдачу в окружающую среду.

Калориметр назван по единице измерения количества теплоты в старой системе измерений.

1 калория - количество теплоты, необходимое для нагревания 1 г воды на 1 °С. Легко найти связь между 1 кал и 1 Дж:

Таким образом:

1 кал = 4,2 Дж,

1 ккал = 4200 Дж.

III. Закрепление изученного

С целью закрепления изученного материала можно коллективно обсудить решение нескольких качественных задач по теме, например:

- Докажите, что ветряные мельницы (двигатели) работают за счет энергии солнечных лучей.

- Стальной шарик равномерно падает в касторовом масле. Совершается ли при этом работа? Какие превращения энергии при этом происходят?

- Изменяется ли потенциальная энергия медного шара, лежащего на горизонтально расположенной поверхности стола, если повысить его температуру?

- Со дна водоема всплывает пузырек воздуха. Совершает ли воздух работу?

Домашнее задание

Повторить § 11 учебника; Упражнение 6.