Účel lekcie:študovať praktickú aplikáciu prvého zákona termodynamiky na procesy plynov.
Úlohy.
vzdelávacie:
- ukázať prechod od všeobecných znalostí prvého zákona termodynamiky k špecifickým zákonom o plynoch;
- zvážiť uplatnenie získaných poznatkov pri riešení konkrétnych problémov;
- ukázať potrebu prenosu vedomostí z matematiky do iných predmetov, najmä fyziky;
vyvíja:
- rozvíjať schopnosť porovnávať, analyzovať, zovšeobecňovať, vyvodzovať závery;
- rozvíjať schopnosť realizovať prenos vedomostí a zručností v novej neštandardnej situácii;
vzdelávacie:
- zvýšiť záujem o fyziku ako vedu, ktorá vysvetľuje obrovské množstvo okolitých javov a spája poznatky mnohých iných vied;
- formovať komunikatívne a obchodné vlastnosti pri práci v malých skupinách.
Stiahnuť ▼:
Náhľad:
Mestská rozpočtová vzdelávacia inštitúcia
stredná škola číslo 4
Mesto Ak-Dovurak
Aplikácia prvého zákona termodynamiky na rôzne procesy
Hodina fyziky
10. ročník
"Aplikácia prvého zákona termodynamiky na rôzne procesy"
učiteľ fyziky Kuzhuget M.Sh.
Ak-Dovurak-2017
Účel lekcie: študovať praktickú aplikáciu prvého zákona termodynamiky na procesy plynov.
Úlohy.
vzdelávacie:
- ukázať prechod od všeobecných znalostí prvého zákona termodynamiky k špecifickým zákonom o plynoch;
- zvážiť uplatnenie získaných poznatkov pri riešení konkrétnych problémov;
- ukázať potrebu prenosu vedomostí z matematiky do iných predmetov, najmä fyziky;
vyvíja:
- rozvíjať schopnosť porovnávať, analyzovať, zovšeobecňovať, vyvodzovať závery;
- rozvíjať schopnosť realizovať prenos vedomostí a zručností v novej neštandardnej situácii;
vzdelávacie:
- zvýšiť záujem o fyziku ako vedu, ktorá vysvetľuje obrovské množstvo okolitých javov a spája poznatky mnohých iných vied;
- formovať komunikatívne a obchodné vlastnosti pri práci v malých skupinách.
Vybavenie: počítač, multimediálny projektor.
Plán lekcie
1. Organizačný moment.
2. Frontálny prieskum a štúdium nového materiálu.
Príprava študentov na štúdium Nová téma, opakovaním predchádzajúceho.
- Aké izoprocesy poznáte?
- Aké makroparametre môžu byť nezmenené?
- Určte súlad medzi názvom izoprocesu a príslušným zákonom
- Určite zhodu medzi názvom izoprocesu a príslušným grafom
Izotermický proces | |
Izobarický proces |
|
Izochorický proces |
|
Uveďme všetko, o čom sme práve hovorili, vo forme tabuľky, zopakujme všetko znova pre každý proces.
Zoznámime sa s ďalším procesom, o ktorom sa predtým nehovorilo.
Adiabatický proces... Proces vykonaný bez výmeny tepla s životné prostredie Q = 0.
Formulácia: Zmena vnútornej energie plyn vzniká vykonávaním práce. Zapíšme si, čo je potrebné, do potrebných buniek našej tabuľky a pozrime si ilustráciu tohto zákona.
- Otázka pre triedu: Formulujte prvý zákon termodynamiky?
(Odpoveď: Energia v prírode nevzniká z ničoho a nezaniká: množstvo energie je nemenné, len prechádza z jednej formy do druhej. Zákon zachovania a premeny energie, rozšírený o tepelné javy, sa nazýva prvý zákon termodynamiky).
- čo to ukazuje? (Odpoveď: od akých veličín závisí zmena vnútornej energie)
Q = U + A1
Množstvo tepla preneseného do systému mení jeho vnútornú energiu a pôsobí na vonkajšie telesá systémom)
Teraz vyplňte posledné riadky našej tabuľky. Zapíšme si 1. termodynamický zákon pre každý izoproces. Tieto vzorce sa nemusíte učiť naspamäť, ale ak rozumiete významu, vždy dedukujte z prvého zákona termodynamiky. Vyplnili sme s vami tabuľku, ktorá obsahuje stručné informácie o každom procese, popis, vzorce a formulácie. Ako sa mení vnútorná energia telesa, keď sa ochladzuje?
(Odpoveď: U klesá)
2) Plyn v nádobe bol stlačený pri vykonaní práce 30 J. Vnútorná energia plynu sa zvýši o 25 J. Čo sa stalo s plynom?
(Odpoveď: plyn dal do okolia Q = 5 J)
Ideálny plyn sa prenesie zo stavu 1 do stavu 3, pretože zobrazené v grafe. Akú prácu vykonáva plyn? (Odpoveď: 2P 0 V 0)
4. Samostatné riešenie problému
Problém: Vo zvisle umiestnenom valci pod piestom je plyn pri T = 323 K, ktorý zaberá objem V 1 = 190 cm 3 ... Hmotnosť piestu M = 120 kg, jeho plocha S = 50 cm 2 ... Atmosférický tlak p 0 = 100 kPa. Plyn sa zahreje na T = 100 K.
A ... Určte tlak plynu pod piestom.
B. Ako veľmi sa zmení objem, ktorý zaberá plyn po zahriatí?
V. Nájdite prácu s plynom pri rozširovaní.
Zhrnutie riešenia problému a práce na hodine. Klasifikácia:
5. Domáce úlohy.§ 81 učebnice.
- Cvičenie 15 (8, 9).
- Naučte sa tabuľku.
6. Reflexia. Každý žiak dostane smajlíka a nakreslí sa naň želaný úsmev. Podľa počtu úsmevov môžete odpovedať na otázku: Bola táto lekcia úspešná?
Literatúra
- Myakishev G. Ya, B. B. Bukhovtsev, N. N. Sotsky. Fyzika-10: Učebnica pre vzdelávacie inštitúcie 10. ročníka. - M .: Vzdelávanie, 2005.
- Nebukin N.N. Zbierka úloh na úrovni fyziky. M .: Vzdelávanie, 2006.
- POUŽITIE 2008. Fyzika. Federálna banka materiály na vyšetrenie. Skomplikovaný Demidová M.Yu., Nurminsky I.N. - M .: Eksmo, 2008.
- Digitálne vzdelávacie zdroje .
- Vypracovanie hodiny pre učiteľa fyziky S.N. Gutsil.
Účel lekcie: Zvážte izoprocesy z nového energetického hľadiska.
Ciele lekcie:
Vytvorte súvislosť medzi zmenou vnútornej energie systému, prácou a množstvom tepla odovzdaného izoprocesom v plynoch;
Zvážte adiabatický proces a príklady adiabatických procesov v technológii a prírode;
Rozvoj zručností a schopností na riešenie typických problémov na danú tému.
Počas vyučovania.
Domáca úloha §81, 80 cvičenie 15 (9-12).
Aktualizácia vedomostí:
| učiteľ | Študent |
| 1. Akú tému študujeme? | Termodynamika. |
| 2. Čo ste sa naučili nové? | Vypočítajte vnútornú energiu pre monoatómové, dvojatómové a polyatómové plyny a pracujte v termodynamike: ∆U = 3mR∆T/2M; ∆U = 5 mR∆T / 2M; ∆U = 6νR∆T. A = p · (V2 - Vi); A = p ∆V; А = νR∆TA = νRTln (V 2 / V 1) |
| 3. Uveďte pojem vnútornej energie. | Vnútorná energia makroskopického telesa sa rovná súčtu kinetických energií náhodného pohybu molekúl (alebo atómov) telesa a potenciálnych energií interakcie všetkých molekúl medzi sebou (ale nie s molekulami iných telies). |
| 4. Formulujte zákon zachovania energie. | Energia v prírode nevzniká z ničoho a nezaniká: Množstvo energie je nezmenené, iba prechádza z jednej formy do druhej. |
| 5. Formulujte prvý termodynamický zákon pre vonkajšie sily. | Zmena vnútornej energie systému počas jeho prechodu z jedného stavu do druhého sa rovná súčtu práce vonkajších síl a množstva tepla preneseného do systému: ∆U = A + Q |
| 6. Formulujte prvý termodynamický zákon, keď systém robí prácu sám. | Množstvo tepla preneseného do systému mení jeho vnútornú energiu a pôsobí na vonkajšie telesá systémom: Q = ∆U + A ´ |
| 7. Pripomeňme si, akými makroskopickými parametrami sa vyznačujú? | V - objem P - tlak T - teplota |
| 8. Aká rovnica súvisí so všetkými makroskopickými parametrami? | Mendelejev - Clapeyronova rovnica p V = νRT |
| 9. Aké plynové zákony možno odvodiť z tejto rovnice? | T - konštantný izotermický V - konštantný izochorický P - konštantná izobarická |
Učenie sa nového materiálu.
Vypĺňame tabuľku, ktorú sme si pre dnešnú hodinu pripravili.
Názov procesu
Harmonogram procesu
Matematický zápis zákona
Zmena vnútornej energie
Fyzikálny význam písania prvého zákona termodynamiky
| učiteľ | Študent |
| S akým izotermickým procesom sme sa prvýkrát stretli a ktorý zostáva konštantný? | Izotermický, teplota sa nemení. |
| Čo sa okrem teploty nezmení, čo myslíte? Pozeráte sa na tabuľu? | Vnútorná energia. |
| Čo je graf izotermického procesu? | Hyperbola. |
| Izotermická expanzia, kam smeruje hyperbola? Izotermická kompresia, aké sily vykonajú prácu, kam bude izoterma smerovať, čo sa stane s objemom? | Izoterma bude smerovať zhora nadol. Vonkajšie sily urobia prácu Izoterma bude smerovať nahor, objem sa zníži. |
| Ako je prvý termodynamický zákon napísaný matematicky? | Q = A' |
| Skúsme sformulovať tento zákon. | Všetko teplo odovzdané plynu sa spotrebuje na vykonanie práce. |
| Správne sa pozeráme na obrazovku, pozorne a rýchlo zapisujeme do zošita, ale iba na rozšírenie a na kompresiu si vyplníme doma sami. | |
| Charlesov zákon pre ktorý proces? Ktorý makroskopický parameter sa nemení? | Pre izochorické. V - objem |
| Ako bude graf zobrazený v osiach P (V) Izochorické zahrievanie? Izochorické chladenie? | Rovná čiara smerujúca nahor. Dolná priamka. |
| A čo energia? O práci s plynom? Pozeráme sa na tabuľu. Výborne. | Zmeny. Práca nie je vykonaná, pretože hlasitosť sa nemení. |
| Ako bude zákon I napísaný matematicky termodynamika? | ∆U = Q Vnútorná energia plynu sa zvyšuje vďaka dodávanému teplu. |
| Na aký proces potrebujeme súvislosť medzi zmenami vnútornej energie, práce a množstva tepla? Čo možno povedať o matematickom písaní tohto zákona? Pozrieme sa na obrazovku, naplníme ju na izobarické zahrievanie a naplníme ju doma na chladenie. | Pre izobarické. Zadanie sa nezmení. |
| V prírode a technike sa musíme vysporiadať s procesmi, pri ktorých nedochádza k výmene tepla s okolím. Proces zmeny objemu a tlaku plynu pri absencii výmeny tepla s prostredím sa nazýva adiabatický. Keďže nedochádza k prenosu tepla, systém neprijíma? | Množstvo tepla Q = 0 |
| Výborne! Matematicky, ako môžeme napísať zákon, ak systém sám robí prácu? | ∆U = - A' Vnútorná energia plynu klesá v dôsledku skutočnosti, že samotný plyn funguje. Plyn sa ochladí. |
| Ako sa bude čítať prvý zákon termodynamiky, ak prácu vykonávajú vonkajšie sily. | Vnútorná energia plynu sa zvyšuje v dôsledku skutočnosti, že sa na plyne pracuje. Plyn sa zahrieva. ∆U = A |
| Pozeráme sa na tabuľku, ako vyzerá adiabat, je znázornený strmšie ako izoterma. Kde sa stretávame s adiabatickým procesom? Čítame prvý riadok strany 208 o 2 odsek nižšie Druhý riadok strana 208 1 odsek zdola Tretí riadok strana 209 1 odsek vyššie | Diesel V strojoch na skvapalňovanie plynov Tvorba oblakov. |
| Poďme si to zhrnúť, čo by sme sa mali naučiť? Čítame na konci §80, str.209, posledný odsek, medzi riadkami. |
Výborne! Opravujeme, resp Rozvíjame zručnosti a schopnosti riešiť typické problémy
Snímka 2
Ciele lekcie:
2 Zopakujte si teóriu zákonov o plyne Zopakujte si 1. termodynamický zákon Zvážte aplikáciu 1. termodynamického zákona na izoprocesy
Snímka 3
3 Čelný polling Teplota Tlak Objem Aké makroparametre môžu byť nezmenené? Procesy: izotermické, izobarické, izochorické Aké izotermické procesy poznáte?
Snímka 4
Určte súlad medzi názvom izoprocesu a príslušným zákonom
4 Gay Lussacov zákon Charlesov zákon Boyleov zákon
Snímka 5
5 Určite zhodu medzi názvom izoprocesu a príslušným grafom T V P T P V
Snímka 6
6 Т = konštanta, T = 0 Boyle-Mariottov zákon U = 0 Р = konštanta Gay-Lussacov zákon А = 0 Charlesov zákon V = konštanta V = 0
Snímka 7
Adiabatický proces
7 Proces realizovaný bez výmeny tepla s okolím Q = 0. Zmena vnútornej energie plynu nastáva vykonávaním práce.
Snímka 8
8 http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/6cd0134b-bfec-4dcd-88bb- 88c63280df06 /% 5BPH10_06-014% 5D_% 5BIM_35% 5D.swf
Snímka 9
Snímka 10
10 Formulujte 1. termodynamický zákon. Energia v prírode nevzniká z ničoho a nezaniká: množstvo energie sa nemení, iba prechádza z jednej formy do druhej. Zákon zachovania a premeny energie, rozšírený o tepelné javy, sa nazýva prvý termodynamický zákon.
Snímka 11
11 Čo ukazuje? od akých veličín závisí zmena vnútornej energie?
Snímka 12
12 Aký matematický zápis má 1 termodynamický zákon? Ak vezmeme do úvahy prácu na vonkajších telesách (prácu plynu) Q = U + A1
Snímka 13
Snímka 14
14 Fizkultminutka Napísali sme, rozhodli sme sa A trochu unavení, Točili sme sa, otočili, Zohli sme sa a posadili sme sa, A opäť sme pripravení písať A rozhodnúť sa a počítať
Snímka 15
15 Ako sa mení vnútorná energia telesa, keď sa ochladzuje? zmenšuje sa zvyšuje sa nemení
Snímka 16
Plyn v nádobe bol stlačený a vykonal prácu 30 J. Vnútorná energia plynu vzrástla o 25 J. Čo sa stalo s plynom?
16 plyn dal Q = 5 J prijatý plyn Q = 5 J prijatý plyn Q = 55 J plyn dal 55 J
Snímka 17
17 Ideálny plyn sa prenáša zo stavu 1 do stavu 3, pretože zobrazené v grafe. Akú prácu vykonáva plyn? 2P0 V0 P0 V0 0 4P0 V0
Snímka 18
testovať
18 C: \ Documents and Settings \ User \ Desktop \ test 49562.oms
Snímka 19
Problém: A - 3 body; B - 4 body; B - 5 bodov
19 Vo zvisle umiestnenom valci pod piestom je plyn pri T = 323 K, ktorý zaberá objem V1 = 190 cm 3. Hmotnosť piesta je M = 120 kg, jeho plocha je S = 50 cm2. Atmosférický tlak p0 = 100 kPa. Plyn sa zohreje na T = 100 K. A. Určte tlak plynu pod piestom. B. Ako veľmi sa zmení objem, ktorý zaberá plyn po zahriatí? B. Nájdite prácu plynu pri expanzii.
Snímka 20
Riešenie problému
20 Dané: T1 = 323 K V1 = 190 cm3 M = 120 kg S = 50 cm2 P0 = 100 kPa T = 100 K A. P1 -? B.V-? Q. A =? Riešenie: A. Tlak vyvíjaný na piest sa rovná súčtu atmosférických tlakov a tlaku samotného piestu. P1 = P0 + P1 = 105 + = = 340 kPa
Snímka 21
21 Riešenie: 2. Zapíšme si stavovú rovnicu pre izobariku Р = const Vyriešme výslednú rovnicu V1 (T1 + T) = T1 (V1 + V) V1 T1 + V1T = T1V1 + T1 V V1T = T1V V = V = 0,59 cm3
Snímka 22
Riešenie: 3. Práca plynu pri expanzii je určená vzorcom: A = p1V V predchádzajúcich krokoch sme už dostali výraz pre p1 a pre V. Takže A = (P0 +) dosaďte číselné hodnoty a nájdite požadovanú hodnotu A = 20 J Odpoveď: A. P0 = 340 kPa B. V = 0,59 cm3 B. A = 20 J
Snímka 23
Zhrňme si riešenie problému
23 5 bodov - známka "5" 4 body - známka "4" 3 body - známka "3"
Náčrt lekcie na tému:
"Prvý zákon termodynamiky"
Abramova Tamara Ivanovna, učiteľka fyziky
Ciele: 1. Vzdelávacie- sformulovať 1 termodynamický zákon; zvážiť dôsledky z toho vyplývajúce.
2. Rozvíjanie - rozvoj metód duševnej činnosti (analýza, porovnávanie, zovšeobecňovanie), rozvoj reči (vlastnenie fyzikálnych pojmov, pojmov), rozvoj kognitívneho záujmu žiakov.
3. Výchovné- formovanie vedeckého svetonázoru, rozvoj stabilného záujmu o predmet, pozitívny vzťah k poznaniu.
Organizačné formy a metódy výučby:
- Tradičný - rozhovor v úvodnej fáze hodiny
- Problematické – učenie sa nového vzdelávacieho materiálu kladením otázok
Prostriedky vzdelávania:
- Inovatívny - počítač, multimediálny projektor
- Tlačené - testovacie úlohy
Počas tried:
- Organizácia času
- Kontrola domácej úlohy:
- Akými spôsobmi možno zmeniť vnútornú energiu systému? (z dôvodu výkonu práce, alebo z dôvodu výmeny tepla s okolitými telesami)
- Aká je práca plynu a práca vnútorných síl na plyn pri konštantnom tlaku? (A g = -A ext = p ΔV)
- Múka vychádza spod mlynských kameňov horúca. Chlieb sa tiež vyberie z rúry, kým je horúci. Čo spôsobuje v každom z týchto prípadov zvýšenie vnútornej energie múky a chleba? (Múka - práca, chlieb - kvôli výmene tepla)
- V lekárskej praxi sa často používajú zahrievacie obklady, zahrievacie podložky a masáže. Aké metódy zmeny vnútornej energie sa v tomto prípade používajú? (výmena tepla a výkon práce)
- Vysvetlenie nového materiálu:
Vieš to mechanická energia nikdy nezmizne bez stopy.
Pod údermi kladiva sa zahrieva kúsok olova, zahrieva sa studená čajová lyžička ponorená do horúceho čaju.
Na základe pozorovaní a zovšeobecnení experimentálnych faktov bol sformulovaný zákon zachovania energie.
Energia v prírode nevzniká z ničoho a nezaniká: množstvo energie sa nemení, iba prechádza z jednej formy do druhej.
Zákon objavili v polovici 19. storočia nemecký vedec R. Mayer a anglický vedec D. Joule. Presnú formuláciu zákona podal nemecký vedec G. Helmholtz.
Uvažovali sme o procesoch, pri ktorých sa vnútorná energia systému menila buď v dôsledku práce, alebo v dôsledku výmeny tepla s okolitými telesami (snímka 1)
A ako sa mení vnútorná energia systému všeobecný prípad? (snímka 2)
Prvý zákon termodynamiky je formulovaný presne pre všeobecný prípad:
ΔU = Aout + Q
plyn = - vonkajší,
Q = AU + Ag
Dôsledky:
- Systém je izolovaný (A = O, Q = 0)
Potom Δu = u2-u1 = 0 alebo u1 = u2 -Vnútorná energia izolovaného systému zostáva nezmenená
- Nemožnosť vytvoriť perpetum mobile - zariadenie schopné vykonávať prácu bez míňania paliva.
Q = ΔU + Ag, Q = 0,
Ar = - ΔU. Po vyčerpaní dodávky energie motor prestane pracovať.
- Ukotvenie
(práca s navigátorom - výstup je zhrnutý)
Riešenie problému 1
Kontrola odpovede (snímka 3)
Riešenie problému 2
Kontrola odpovede (snímka 4)
- Záver (snímka 5)
- Reflexia
(Komu sa lekcia páčila – zdvihnite ruky gestom „palec hore“ (snímka 6), komu sa nepáčili – zdvihnite ruky gestom „palec nadol“ (snímka 7)
- Domáca úloha: s.78, cvičenie. 15 (2,6)
Navigátor
Na tému: "I zákon termodynamiky".
Zákon zachovania a premeny energie, rozšírený na tepelné javy.
Vnútorné energetické zmeny:
PROBLÉM:
Ako sa vo všeobecnosti mení vnútorná energia?
ΔU = A ext + Q
Výkon:
- Zmena vnútornej energie sústavy pri prechode sústavy z jedného stavu do druhého sa rovná súčtu práce vonkajších síl a množstva tepla odovzdaného sústave.
- Ar = - Ext
Výchovno-vzdelávací cieľ: osvojiť si u študentov zákon zachovania a premeny energie pre tepelné procesy - prvý termodynamický zákon; ukázať praktický význam zákona
Základné vedomosti a zručnosti: poznať formuláciu zákona, definíciu adiabatického procesu a vedieť interpretovať prirodzený fenomén na základe zákonov termodynamiky
Organizačný moment (informujte plán hodiny) SNÍMKA 1
Opakovanie preberanej látky: pomenujte rôzne procesy na grafe, vyberte vzorce pre každú časť, odpovedzte na otázky SNÍMKY 2 - 4
1. Prečo sa teplota v týchto dvoch oblastiach nemení?
2. Čo sa stane s molekulami na každom mieste?
3. V akých prípadoch Q> 0 a Q<0?
4. Aký je stav látky v týchto oblastiach?
5. Definujte izoprocesy.
6. Čo sa nazýva vnútorná energia a od čoho závisí?
7. Kedy plyn funguje? Od čoho závisí znamenie práce?
8. Čo sa nazýva množstvo tepla?
9. Aké vzorce používame na výpočet množstva tepla?
3. Riešenie problémov. Zatiaľ čo prebieha ústne kladenie otázok, zvyšok študentov rieši úlohy ďalej
výpočet množstva tepla podľa možností SLIDE 5
Kontrola riešenia problémov
Opakovanie: Spôsoby, ako zmeniť vnútornú energiu
Opakovanie: zákon zachovania energie a príklady jeho prejavu v prírode
Prvý zákon termodynamiky: definícia a vzorec (zapíšte si)
Prvý zákon termodynamiky pre izochorický proces (zapíšte si)
Prvý zákon termodynamiky pre izotermický proces (zapíšte si)
Prvý zákon termodynamiky pre izobarický proces (zapíšte si)
Adiabatický proces (zapíšte si). Zvážte príklady
Rovnica tepelnej bilancie (zapíšte si)
Ukážkové riešenie úlohy pre rovnicu tepelnej bilancie (zapíšte si)
Zhrnutie lekcie:
1. Formulácia prvého zákona
2. Ako sa mení rovnica pre rôzne procesy?
3. Aký proces sa nazýva adiabatický?
4. Príklady adiabatických procesov?
5. Prečo sa atmosféra ochladzuje so vzdialenosťou od zemského povrchu?
15. Domáce úlohy:
Poznať znenie zákona
Prvý zákon termodynamiky
Na obr. 3.9.1 konvenčne znázorňuje energetické toky medzi zvoleným termodynamickým systémom a okolitými telesami. Hodnota Q> 0, ak tepelný tok smeruje do termodynamického systému. Hodnota A> 0, ak systém vykonáva pozitívnu prácu na okolitých telesách.
Obrázok 3.9.1.
Výmena energie medzi termodynamickým systémom a okolitými telesami v dôsledku výmeny tepla a vykonanej práce.
Ak si systém vymieňa teplo s okolitými telesami a vykonáva prácu (pozitívnu alebo negatívnu), potom sa zmení stav systému, to znamená, že sa zmenia jeho makroskopické parametre (teplota, tlak, objem). Keďže vnútorná energia U je jednoznačne určená makroskopickými parametrami charakterizujúcimi stav sústavy, vyplýva z toho, že procesy prenosu tepla a výkonu práce sú sprevádzané zmenou ΔU vnútornej energie sústavy.
Prvý zákon termodynamiky je zovšeobecnením zákona zachovania a transformácie energie pre termodynamický systém. Je formulovaný nasledovne:
Zmena ΔU vnútornej energie neizolovaného termodynamického systému sa rovná rozdielu medzi množstvom tepla Q odovzdaným do systému a prácou A, ktorú systém vykoná na vonkajších telesách.
Vzťah vyjadrujúci prvý termodynamický zákon sa často píše v inej forme:
Množstvo tepla prijatého systémom sa využíva na zmenu jeho vnútornej energie a prácu na vonkajších telesách.
Prvý zákon termodynamiky je zovšeobecnením experimentálnych faktov. Podľa tohto zákona energiu nemožno vytvárať ani ničiť; prechádza z jedného systému do druhého a mení sa z jednej formy do druhej. Dôležitým dôsledkom prvého termodynamického zákona je konštatovanie o nemožnosti vytvoriť stroj schopný vykonávať užitočnú prácu bez spotrebovávania energie zvonku a bez akýchkoľvek zmien vo vnútri samotného stroja. Takýto hypotetický stroj sa nazýva perpetuum mobile prvého druhu. Početné pokusy o vytvorenie takéhoto stroja sa vždy skončili neúspechom. Akýkoľvek stroj môže vykonať pozitívnu prácu A na vonkajších telesách iba prijatím určitého množstva tepla Q od okolitých telies alebo znížením ΔU svojej vnútornej energie.
Aplikujme prvý termodynamický zákon na izoprocesy v plynoch.
V izochorickom procese (V = const) plyn nepracuje, A = 0. Preto
Q = ΔU = U (T2) - U (T1).
Tu U (T1) a U (T2) sú vnútorné energie plynu v počiatočnom a konečnom stave. Vnútorná energia ideálneho plynu závisí iba od teploty (Jouleov zákon). Pri izochorickom ohreve je teplo absorbované plynom (Q> 0) a jeho vnútorná energia sa zvyšuje. Pri ochladzovaní sa teplo prenáša do vonkajších telies (Q< 0).
Pri izobarickom procese (p = konšt.) je práca vykonaná plynom vyjadrená vzťahom
A = p (V2 - VI) = pAV.
Prvý zákon termodynamiky pre izobarický proces dáva:
Q = U (T2) - U (T1) + p (V2 - V1) = AU + pAV.
Pri izobarickej expanzii Q> 0 je teplo absorbované plynom a plyn koná pozitívnu prácu. Pri izobarickej kompresii Q< 0 - тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.
Pri izotermickom procese sa teplota plynu nemení, preto sa nemení ani vnútorná energia plynu, ΔU = 0.
Prvý termodynamický zákon pre izotermický dej vyjadruje vzťah
Množstvo tepla Q prijatého plynom v procese izotermickej expanzie sa mení na prácu na vonkajších telesách. Pri izotermickej kompresii sa práca vonkajších síl, ktoré vznikajú na plyn, mení na teplo, ktoré sa odovzdáva okolitým telesám.
Spolu s izochorickými, izobarickými a izotermickými procesmi termodynamika často zvažuje procesy, ktoré sa vyskytujú pri absencii výmeny tepla s okolitými telesami. Nádoby s tepelne nepriepustnými stenami sa nazývajú adiabatické obaly a procesy expanzie alebo kontrakcie plynu v takýchto nádobách sa nazývajú adiabatické.
Model. Adiabatický proces.
V adiabatickom procese je Q = 0; preto prvý termodynamický zákon nadobúda formu
to znamená, že plyn funguje kvôli strate jeho vnútornej energie.
V rovine (p, V) je proces adiabatickej expanzie (alebo kontrakcie) plynu znázornený krivkou nazývanou adiabat. Pri adiabatickej expanzii plyn vykonáva pozitívnu prácu (A> 0); preto jeho vnútorná energia klesá (ΔU< 0). Это приводит к понижению температуры газа. Вследствие этого давление газа при адиабатическом расширении убывает быстрее, чем при изотермическом расширении (рис. 3.9.2).
Obrázok 3.9.2.
Rodiny izoterm (červené krivky) a adiabatov (modré krivky) ideálneho plynu.
V termodynamike sa odvodzuje rovnica adiabatického procesu pre ideálny plyn. V súradniciach (p, V) má táto rovnica tvar
Tento pomer sa nazýva Poissonova rovnica. Tu je γ = Cp / CV adiabatický exponent, Cp a CV sú tepelná kapacita plynu v procesoch s konštantným tlakom a konštantným objemom (pozri § 3.10). Pre jednoatómový plyn pre dvojatómový pre viacatómový
Práca plynu v adiabatickom procese sa jednoducho vyjadruje teplotami T1 a T2 počiatočného a konečného stavu:
A = CV (T2 - T1).
Adiabatický proces možno označiť aj ako izoprocesy. V termodynamike hrá dôležitú úlohu fyzikálna veličina nazývaná entropia (pozri §3.12). Zmena entropie v akomkoľvek kvázistatickom procese sa rovná redukovanému teplu ΔQ / T získanému systémom. Pretože na akomkoľvek mieste adiabatického procesu ΔQ = 0, entropia v tomto procese zostáva nezmenená.
Adiabatický proces (ako iné izoprocesy) je kvázistatický proces. Všetky medzistavy plynu v tomto procese sú blízke stavom termodynamickej rovnováhy (pozri § 3.3). Akýkoľvek bod na adiabate opisuje rovnovážny stav.
Nie každý proces uskutočňovaný v adiabatickom obale, teda bez výmeny tepla s okolitými telesami, túto podmienku spĺňa. Príkladom nekvázistatického procesu, v ktorom sú medzistavy nerovnovážne, je expanzia plynu do prázdna. Na obr. 3.9.3 ukazuje pevný adiabatický plášť, pozostávajúci z dvoch prepojených nádob, oddelených ventilom K. V počiatočnom stave plyn naplní jednu z nádob a v druhej nádobe vákuum. Po otvorení ventilu sa plyn roztiahne, naplní obe nádoby a nastolí sa nový rovnovážny stav. V tomto procese je Q = 0, pretože nedochádza k výmene tepla s okolitými telesami a A = 0, pretože plášť nie je deformovateľný. Z prvého zákona termodynamiky vyplýva: ΔU = 0, t.j. vnútorná energia plynu zostáva nezmenená. Keďže vnútorná energia ideálneho plynu závisí len od teploty, teploty plynu v počiatočnom a koncovom stave sú rovnaké - body na rovine (p, V, reprezentujúce tieto stavy, ležia na rovnakej izoterme. Všetky medzistavy plynu sú nerovnovážne a nie je možné ich znázorniť na diagrame.
