Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Кадр 1

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССАХ Диафильм по физике для IX класса

Кадр 2

К СВЕДЕНИЮ УЧИТЕЛЯ Кадры диафильма сгруппированы в фрагменты, названия которых соответствуют заглавиям параграфов в учебнике. Избранная форма представления трудных для понимания вопросов термодинамики расчитана на максимальную визуализацию изучаемых понятий и описываемых с их помощью процессов. Материалы диафильма позволяют применять различные методические приемы обучения и активизировать при этом мыслительную деятельность учащихся.

Кадр 3

"...Понятие закона есть одна из ступеней познания человеком единства и связи, взаимозависимости и цельности мирового процесса". В. И. ЛЕНИН

Кадр 4

Для понимания законов термодинамики прежде всего необходимо выяснить, что такое внутренняя энергия, с какими процессами связаны ее величина и изменения.

Кадр 5

Внутренняя энергия тел — это суммарная кинетическая энергия хаотического движения молекул и суммарная потенциальная энергия их взаимодействий.

Кадр 6

Рассмотрим примеры возникновения и изменения внутренней энергии. Кинетическая энергия поступательного движения шайбы при ударе о борт переходит во внутреннюю ее энергию— амплитуды колебательных движений молекул увеличиваются.

Кадр 7

При нагревании воды ее внутренняя энергия возрастает. Часть энергии расходуется на выбивание пробки. Поэтому в этот момент внутренняя энергия оставшейся воды уменьшается.

Кадр 8

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа m₁=m₂=m₃ Так как внутренняя энергия идеального одноатомного газа зависит только от температуры, то равные массы гелия, будучи помещенными в баллоны разного объема, при одной и той же температуре T₁=T₂=T₃ будут иметь одинаковую внутреннюю энергию U₁=U₂=U₃.

Кадр 9

Внутренняя энергия реального газа помимо температуры зависит еще и от занимаемого объема. При равенстве масс и температур внутренняя энергия больше в большем объеме.

Кадр 10

Понимание законов термодинамики требует еще и рассмотрения того, как в ней выполняется и вычисляется работа и как она изображается графически. Анализ уместно начать с повторения вопроса о работе в механике.

Кадр 11

В механике работа равна произведению модулей силы и перемещения на косинус угла между ними. Потенциальная энергия переходит в кинетическую и наоборот. Процессы, происходящие внутри перемещаемых тел, при этом не учитываются.

Кадр 12

В отличие от механики в термодинамике перемещение тела (цилиндра с газом) как целого не принимается во внимание, а рассматриваются относительные движения его частей, которые изменяют его термодинамические параметры и внутреннюю энергию.

Кадр 13

Если поршень не движется, то скорость каждой молекулы газа (по модулю) до упругого удара о поршень и после него — одинакова. При движении поршня вниз скорости молекул после ударов становятся больше. Внутренняя энергия газа растет, а его температура повышается.

Кадр 14

Вычисление работы, совершенной смятым газом Сжатый газ давит на поршень и перемещает его на малое расстояние Δh, совершая тем самым работу. При малом смещении можно считать, что давление p постоянно. В этом случае работа равна произведению давления газа на изменение его объема.

Кадр 15

Работа расширяющегося газа на изображенных графиках численно равна окрашенной площади.

Кадр 16

Для понимания законов термодинамики необходимо также вспомнить о теплообмене и тех величинах, с помощью которых он описывается и характеризуется.

Кадр 17

Теплообмен (теплопередача) При T₁ > T₂. Теплообмен между двумя телами происходит без совершения работы и возможен, если их температуры различны.

Кадр 18

Отданное остывающим (или полученное нагревающимся) телом количество теплоты прямо пропорционально его удельной теплоемкости, массе и разности температур.

Кадр 19

Приведенные данные показывают соответственно, какое количество тепла требуется на нагревание 1 кг воды на 1 градус, для превращения ее в пар при 100°С и для плавления 1 кг льда при 0°С.

Кадр 20

Первый закон термодинамики устанавливает связи между изменением внутренней энергии газа, совершенной над ним работой и переданным ему количеством теплоты (по закону сохранения энергии).

Кадр 21

Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает. Она только переходит из одной формы в другую.

Кадр 22

Первооткрывателями закона сохранения энергии считаются Р. Майер (1814—1878) Д. Джоуль (1818—1889) Г. Гельмгольц (1821—1894) Р. Майер выявил, что количество окисляемых в организме человека продуктов растет с увеличением выполняемой им работы. На основе этого он допустил, что тепловая и механическая энергии взаимосвязаны, и впервые теоретически установил соотношение между тепловыми единицами (кал) и величиной работы (Дж). Д. Джоуль экспериментально определил, что 1 кал равна 4,19 Дж. Г. Гельмгольц математически строго обосновал закон сохранения энергии, показал его всеобщность для всех механических, тепловых, электрических и других процессов.

Кадр 23

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе.

Кадр 24

Внутренняя энергия газа в цилиндре увеличивается: 1—только за счет теплопередачи; 2—только за счет совершения работы при сжатии газа.

Кадр 25

Работа системы над внешними телами Выделившееся при сгорании горючей смеси тепло идет на совершение работы по перемещению поршня и на увеличение внутренней энергии газа.

Кадр 26

„ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ“ первого рода и его схема

Кадр 27

Рассмотрите две схемы „вечных двигателей“ и объясните, почему они не могут функционировать.

Кадр 28

Чтобы глубже вникнуть в физическую суть первого закона термодинамики, рассмотрим на его основе ранее изученные изохорные, изотермические, изобарные и адиабатные процессы в идеальном газе.

Кадр 29

При нагревании газа в замкнутом сосуде его внутренняя энергия увеличивается, а при охлаждении — уменьшается.

Кадр 30

Цилиндр с поршнем помещен в сосуд с водой. Когда с поршня убирают гирю, газ быстро расширяется, а температура его понижается. Затем он поглощает тепло до тех пор, пока его температура не сравнивается с температурой воды. В результате этого поршень поднимется еще выше.

Кадр 31

При изобарном нагревании газа передаваемая теплота идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение работы над внешними телами. При изобарном охлаждении внутренняя энергия газа уменьшается и внешние тела совершают над ним работу.

Кадр 32

Если стенки цилиндра теплоизолированы, то внутренняя энергия находящегося в нем газа при сжатии увеличивается за счет произведенной над ним работы. Температура газа при этом повышается.

Кадр 33

При адиабатном расширении газа его внутренняя энергия уменьшается за счет произведенной им работы. Температура газа при этом понижается.

Кадр 34

В левом цилиндре находится газ с температурой, равной температуре окружающего воздуха. С помощью гири газ в цилиндре сжимается и нагревается — адиабатный процесс (0-1). Если снять теплоизоляцию, газ охладится до температуры окружающего воздуха и объем его уменьшится — изотермический процесс (0-2).

Кадр 35

Примеры адиабатных процессов Воздушное огниво Цилиндр двигателя дизеля При быстром сжатии воздуха его температура значительно повышается. А. В воздушном огниве вспыхивает вата, смоченная эфиром. Б. В двигателе дизеля загорается впрыснутая порция горючей смеси.

Кадр 36

Рассчитайте температуру воды в стальном калориметре после опускания туда двух стальных цилиндров А и Б, если известно, что начальные температуры были: у воды—20°С, а у цилиндров—140°С и 6°С. Массы всех тел (А, Б, В, Г) одинаковы (теплоемкость стали—500 Дж/(кг·К)).

Кадр 37

VI. Второй закон термодинамики (В ознакомительном плане) Первый закон термодинамики не позволяет определить направление возможных энергетических превращений. Оно устанавливается лишь на основе второго закона термодинамики.

Кадр 38

Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от менее нагретого тела к более нагретому.

Кадр 39

В бытовом холодильнике тепло переходит от холодного тела (камера холодильная) к более нагретому (радиатор) благодаря поступлению внешней энергии.

Кадр 40

Невозможен периодический процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.

Кадр 41

Во всех тепловых двигателях поступившее от нагревателя тепло позволяет рабочему телу совершать работу. При этом часть тепла уходит в холодильник.

Кадр 42

Законы термодинамики совместно с газовыми законами являются теоретической основой для изучения всех видов тепловых двигателей и выяснения возможностей их дальнейшего совершенствования. Вопросы использования законов термодинамики в тепловых двигателях рассмотрены в следующих диафильмах: „Тепловые машины“, „Необратимость тепловых процессов“.

Кадр 43

КОНЕЦ Диафильм создан по программе, утвержденной Министерством просвещения СССР Авторы А. Восканян, А. Марленский Художник-оформитель И. Шаталова Редактор В. Чернина Д-060-85 © Студия «Диафильм» Госкино СССР, 1985 г. 103062, Москва, Старосадский пер., 7 Цветной 0-30

Кадр 44

КОЛЛОИДНЫЕ И ИСТИННЫЕ РАСТВОРЫ В ПРИРОДЕ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССАХ Диафильм по химии для VIII–XI классов

Кадр 45

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

Кадр 46

ЧТО НАДО ЗНАТЬ о ядерном оружии

Кадр 47

Диафильм сделан по заказу Министерства просвещения СССР для факультативных занятий по физике в 9 классе

Кадр 48

ПОЛИТИЧЕСКАЯ ЭКОНОМИЯ НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ЭКОНОМИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОГО КАПИТАЛИЗМА ДЛЯ ЗАННИМАЮЩИХСЯ В СИСТЕМЕ ПАРТИЙНОЙ УЧЕБЫ