ОСНОВИ ТЕРМОДИНАМІКИ

“ОСНОВИ ТЕРМОДИНАМІКИ”

Урок-гра “Що? Де? Коли?”

Мета. Формувати науковий світогляд на основі першого закону термодинаміки; систематизувати знання про закон збереження енергії та його застосування до різних процесів; навчити застосовувати перший закон термодинаміки для пояснення теплових явищ, узагальнити знання про фізичні основи теплових двигунів.

Тип уроку. Урок узагальнення та систематизації знань.

Обладнання. “Рулетка”, таблички із символами команд, “кип’ятильник Франкліна”, кювета, гаряча вода,

лід, сіль, пластилінова кулька, дві стальні або гумові кульки, пробірка з водою, корок, штатив, сухе пальне, сірники, графо-проектор, фільмоскоп, екран.

Методичні поради. У процесі підготовки до уроку учні залучаються до захоплюючого процесу пошуку: частина опрацьовує літературу, решта – оформляють стенди, готують прилади та наочність тощо. Під час проведення уроку учні слідкують за напруженою роботою думки учасників гри, пробують свої сили.

Призначення такого уроку – розвиток пізнавальних інтересів учнів та закріплення знань, набутих на уроках.

Правила проведення гри такі:

1. Команди формуються

виключно за бажанням учнів. Кожна з команд, що бере участь у змаганнях, повинна мати свою емблему, девіз та назву.

2. За стіл сідають по одному представнику кожної команди. Інші члени його команди (1-2 учні) перебувають збоку від столу.

3. За правильну відповідь представника команді присуджується певна кількість очок, якщо відповідь правильна, але неповна, то зараховується половина очок.

4. Команда, яка не відповіла на запитання, вибуває з гри.

Урок-гра зазвичай проводиться у кабінеті або класі. Одна половина класу відводиться для учасників гри, на другій – розміщуються уболівальники. У центрі зали знаходиться стіл із “рулеткою”, навколо нього – стільці (за кількістю команд).

“Рулетка” – це диск діаметром 40 см, розділений на сектори, пофарбовані у різні кольори, зі стрілкою, що обертається навколо осі, або дзигою. Секторів стільки, скільки команд. На секторах лежать таблички із символами команд. Право на відповідь одержує та команда, на яку вказує стрілка рулетки. Якщо стрілка зупиняється над сектором, що відповідає команді, яка вибула з гри, то відповідь дає команда, яка є першою по ходу стрілки. Член команди, на яку вказує стрілка, може давати відповідь самостійно або це може зробити інший член команди після колективного обговорення відповіді.

У ході проведення уроку-вікторини розглядаються такі основні питання:

1. Перший закон термодинаміки – один із найважливіших законів природи.

2. Необоротність теплових процесів, що відображають якісну характеристику теплової форми руху матерії.

3. Принцип дії теплових двигунів.

4. Охорона навколишнього середовища у зв’язку із застосуванням теплових двигунів.

Хід уроку

I. Вступне слово вчителя Шановні учні, ми закінчили вивчення теми “Основи термодинаміки”. Сьогодні урок завершальний, узагальнюючий. Він – підсумок нашої роботи. У своїх виступах ви повинні відобразити:

“Що?” – сутність винаходу, відкриття, методу.

“Де?” – місце відкриття, втілення винаходу у виробництво.

“Коли?” – дата (рік, століття чи епоха) відкриття, винаходу, втілення.

II. Конкурс вікторин Ведучий запускає, рулетку, стрілка-покажчик, зупиняючись, вказує команду, якій дається право на виступ. Під час обертання дзиги можна увімкнути магнітофон з відповідною музикою або розповісти маленькі історії-жарти з життя вчених.

Конверт 1. Розвиток поглядів на природу теплоти Ведучий. Шановні знавці! Відомо, що виникнення і розвиток основних понять вчення про теплові явища, такі як температура, кількість теплоти супроводжувалися розвитком поглядів на природу теплоти. До середини XVII ст. із цього приводу існували дві основні гіпотези.

За першою, а згодом основною, сутність теплоти полягає в невидимому русі частинок тіла, з яких воно складається. За іншою гіпотезою, теплота – це особлива, невагома (флюїдна) субстанція – теплород. У рамках вчення про теплород сформувалися такі основні калориметричні поняття: кількість теплоти, питома теплоємність тощо.

У кінці XVII – початку XIX ст. різко зросла зацікавленість у проблемі теплоти, що було пов’язано з розвитком металургії та створенням теплових машин. Тоді і було нанесено рішучий удар по гіпотезі теплороду. Працями яких англійських учених було нанесено цей удар по теплородові? Який експериментальний факт примусив заперечити існування теплороду? (Працями Б. Румфорда і X. Деві. При свердлінні каналів гарматних стволів виділялася значна кількість теплоти.)

Конверт 2. Винайдення парової машини

Ведучий. У XIX ст. дослідження процесів перетворення теплоти в роботу набуло важливого практичного значення. Це пояснюється тим, що з початку цього століття в техніці все більш широке застосування дістає парова машина. У 1782 році була побудована парова машина, яка складалася з одного циліндра з поршнем. Пара впускалася то з одного боку поршня, то з іншого. Це було досягнуто в результаті застосування золотника. Машина швидко дістала широке застосування на заводах (для приведення механізмів в дію), на транспорті. Хто винахідник цієї машини? У якій країна він жив? Джеймс Уатт. В Англії)

Конверт 3. Відкриття закону збереження і перетворення енергії

Ведучий. У сорокових роках XIX ст. відбулася дуже важлива подія в історії фізики та в історії науки взагалі – було встановлено закон збереження та перетворення енергії.

Ідею про збереження у природі висловлювали ще древньогрецькі філософи. Вони вважали, що в природі, яка нас оточує, весь час відбуваються зміни, які не можуть ніколи припинитися.

Розвиток фізики вимагав від учених визнання ідеї взаємоперетворення матерії і тим самим готував грунт для встановлення закону, який оформив би цю ідею в конкретну форму та з’єднав її з іншою важливою ідеєю – ідеєю збереження. Але побачити сам закон в дуже обширному фактичному матеріалі було нелегко. Для його аналізу та узагальнення були потрібні широта філософського підходу, точність математичного аналізу дослідних даних та скрупульозність експериментального дослідження. І так вже сталося, що ці три “функції” розподілилися між трьома вченими. І, можливо, невипадковою є та обставина, що ні жоден із них не був, власне кажучи, фізиком-професіоналом.

Німецький учений Роберт Майєр (1814-1878) – лікар, німецький учений Герман Гельмгольц (1821-1894) за освітою фізіолог, а третій фізик – англійський промисловець. Для узагальнення фактичного матеріалу та висунення закону, що виходив за межі механіки, потрібно було відмовитися від упередженості і піднятися вище (традиційного для фізиків-професіоналів того часу) механістичного світогляду. Хто цей третій учений? Назвіть роки його життя. (Джеймс Джоуль. 1818-1889.)

Конверт 4. Закон збереження та перетворення енергії

Ведучий. Якісна особливість енергії – можливість її перетворення з одного виду в інший. Одним із важливих законів природи є перший закон термодинаміки.

Шановні знавці! Згадайте, як формулюється цей закон, до яких явищ природи його можна застосувати? (Перший закон термодинаміки – це закон “збереження енергії для механічних і теплових явищ: кількість теплоти, що передана системі, дорівнює зміні її внутрішньої енергії та роботі, яку виконує система над зовнішніми тілами.)

Конверт 5. Експериментальне підтвердження закону збереження енергії

Ведучий. Дорогі друзі. Сьогодні ми розглядаємо дуже важливий закон природи – закон збереження енергії. І хоча цей закон був встановлений не фізиками-професіоналами, все ж таки ідея закону руху належала фізикам: Декарту, Гюйгенсу, Лейбніцу, Ломоносову. Адже фізики – народ розумний, винахідливий. А ще – веселий і кмітливий. Для того, щоб наш урок був цікавим, потрібно прийняти естафету гумору у видатних фізиків – вони жартувати вміли.

Наприклад, кепкуючи над балакучим американським фізиком Робертом Міллікеном, його співробітники запропонували ввести нову одиницю – КЕН – для вимірювання балакучості, а тисячна частина – мілікен – мала перевершувати середню балакучість людини.

А особливо фізики-експериментатори любили пожартувати над фізиками-теоретиками.

Про “експериментальні здібності” видатного фізика-теоретика Л. Д. Ландау ходили легенди: досить йому було з’явитися в лабораторії, як установки виходили з ладу, розбивалися скляні колби, псувалися прилади.

Фізики не могли з’ясувати причини: чи то великий Дау (так Ландау називали друзі) боявся експерименту, чи то експеримент боявся його. Щоб нічого лихого не сталося у лабораторії Дау просили покласти руки на спинку стільця. Жартуючи чи всерйоз, але ми говоримо про фізику… Отож, наші експерименти.

Шановні знавці! Проведіть експерименти, які підтверджують, що:

A. Внутрішня енергія може перетворюватись у механічну.

(Експеримент-відповідь (можливий варіант) – приклад теплового двигуна одноразової дії, (мал. 1.))

Мал. 1.

Б. Механічна енергія може перетворюватись у внутрішню енергію.

(Експеримент-відповідь (можливий варіант) – не пружний удар пластилінової кулі об перешкоду.)

B. Внутрішня енергія може передаватися від тіла до тіла так, що повна внутрішня енергія тепло ізольованої системи зберігається. (Лабораторний дослід щодо теплообміну в калориметрі.)

Г. Механічна енергія може передаватися від тіла до тіла так, що повна енергія замкнутої системи зберігається.

(Експеримент-відповідь – пружний удар стальних або гумових куль.)

Конверт 6. Необоротність теплових процесів. Другий закон термодинаміки

Ведучий. Перший закон термодинаміки дав змогу описати будь-який процес, у ході якого відбувається перетворення різних видів енергії у внутрішню. Проте цей закон не дає жодних вказівок на те, які енергетичні перетворення можливі і в якому напрямі мають розвиватися. Перший закон термодинаміки не накладає жодних обмежень на напрям перетворення енергії з одного виду в інший, вимагаючи лише збереження енергії в замкнутих системах. Між тим, досвід свідчить, що різні види енергії неоднаково здатні перетворюватися в інші види. Виявляється, що всі макроскопічні процеси у природі, які протікають самочинно, є необоротними. Принцип про необоротність природних процесів становить одне із загальних формулювань другого закону термодинаміки. Цей закон, як і всякий фундаментальний закон, є узагальненням великого числа дослідних фактів.

Він не має теоретичного виведення і тому приймається за постулат.

Шановні знавці! 1. Що таке необоротний процес?

2. Як сформулював другий закон термодинаміки німецький учений Роберт Клаузіус (1822-1888)? (1. Необоротними називаються такі процеси, які можуть самовільно протікати тільки в одному напрямі; у зворотному напрямі вони можуть протікати тільки як одна з ланок більш складного процесу. 2. Неможливо перевести теплоту від більш холодної системи до більш гарячої за відсутності інших одночасних змін в обох системах або в навколишніх тілах. Іншими словами, теплота не може переходити сама по собі від тіла менш нагрітого до тіла більш нагрітого.)

Конверт 7. Принцип дії теплових двигунів

Ведучий. Відомо, що в результаті виконання над газом роботи або передачі йому певної кількості теплоти можна збільшити його внутрішню енергію і, навпаки, за рахунок внутрішньої енергії газу може бути виконана механічна робота. На виробництві, транспорті, для роботи різних механізмів потрібна механічна енергія. Тому перетворення внутрішньої енергії в механічну с надзвичайно важливе для практичної діяльності людини. Таке перетворення здійснюється за допомогою теплових машин.

Шановні знавці! Просимо вас відповісти на такі запитання: 1. У чому полягає принцип дії теплової машини? 2. Як теоретично обчислити її ККД? (1. На екран проектується принципова схема теплового двигуна (мал. 2). Робоче тіло (газ, пара), одержуючи від нагрівника кількість теплоти Q1, виконує роботу А’ і передає холодильнику кількість теплоти Q2. При цьому Q1 > Q2. 2. ККД теплового двигуна дорівнює для ідеального двигуна – .)

Мал. 2.

Конверт 8. Умова, за якої теплова машина має найвищий ККД

Ведучий. На початку XIX ст. було доведено, що найвигіднішим у роботі теплового двигуна є цикл із чотирьох процесів – двох ізотермічних і двох адіабатичних. У першому процесі розширення газу відбувається за сталої температури, а в другому – газ розширюється, будучи тепло ізольованим від навколишнього середовища.

Адіабатний та ізотермічний процеси дозволяють якнайповніше використати внутрішню енергію тіла для виконання механічної роботи: в адіабатному процесі – за рахунок внутрішньої енергії газу, в ізотермічному – за рахунок внутрішньої енергії іншого тіла (нагрівника). Для неперервної роботи газу за рахунок його внутрішньої енергії необхідний циклічний процес. Розширення газу здійснюється за високих значень тиску та температур, а стискання його – за нижчих у третьому й четвертому процесах.

Цикл, що складається із двох ізотермічних і двох адіабатних процесів названо іменем ученого, який першим його розглянув. Під час розширення робоче тіло виконує роботу, а в результаті стискання роботу над ним виконують зовнішні сили. Після кожного циклу робоче тіло повертається у вихідний стан.

(На екран проектується цикл (мал. 3).

Особливість роботи реальних теплових двигунів полягає у тому, що у циклічному процесі не можна перетворити в роботу всю кількість теплоти, яку отримали від нагрівника. Якусь частину цієї кількості теплоти доводиться віддати третьому тілу з більш низькою температурою. Хто з учених і коли вказав умови роботи ідеальної теплової машини? (Французький інженер-фізик Саді Карно (мал. 4) у 1824 році.)

Мал. 4.

Конверт 9. Вічний двигун другого роду неможливий

Ведучий. Оскільки в реальній тепловій машині не можна перетворити в механічну роботу всю кількість теплоти, одержану від нагрівника, то із другого закону термодинаміки випливає висновок: не всі джерела енергії на Землі можуть бути зараховані до енергетичних ресурсів; не може бути використана енергія таких тіл, температура яких дорівнює температурі навколишнього середовища.

Доволі цікавим здається використання майже безмежних запасів внутрішньої енергії, яка міститься у водах океанів. Але для одержання роботи за рахунок цієї енергії необхідно мати такий самий гігантський холодильник, який приймав би частину цієї величезної кількості теплоти.

Саме тому енергія океанів не може бути зарахована до енергетичних ресурсів земної кулі.

Другий закон термодинаміки накладає обмеження на перетворення внутрішньої енергії в механічну. Гіпотетична машина, яка виконувала б роботу лише за рахунок одержання теплоти з навколишнього середовища дістала назву “вічного двигуна другого роду”.

Другий закон термодинаміки можна сформулювати ще так: вічний двигун другого роду неможливий.

Таким чином, якщо перший закон термодинаміки забороняє можливість існування машини, за допомогою якої можна було б виробляти енергію з нічого, то другий закон забороняє можливість створення машини, здатної виконувати роботу лише за рахунок охолодження одного тіла.

Шановні знавці! І. Як звучить другий закон термодинаміки у формулюванні англійського вченого Вільяма Томсона (1824-1907)? 2. Яке друге прізвище мав цей учений у зв’язку з присвоєнням йому титулу лорда? (1. У тепловій машині, що діє циклічно, неможливо перетворити в механічну роботу всю кількість теплоти, одержану від нагрівника. 2. Кельвін.)

Конверт 10. Цікаві експерименти

Експеримент 1. Вносять пробірку, в яку налито небагато етеру (ефіру); на дні пробірки лежить невеликий тягарець (для стійкого плавання, мал. 5). Пробірка щільно закрита корком, крізь який пропущено скляний трійник із двома кінцями, загнутими у вигляді сегнерового колеса. Пробірку пускають плавати у посудину з гарячою водою. Вона починає обертатися.

Мал. 5.

Ведучий. Шановні знавці! За одну хвилину дайте відповідь на запитання: “Чому пробірка обертається?” (Пробірка обертається внаслідок реакції струменя пари етеру. Внаслідок нагрівання у гарячій воді етер інтенсивно випаровується.)

Експеримент 2. Демонструється прилад, головною частиною якого є “кип’ятильник Франкліна”. Прилад закріплено на осі над кюветою, що заповнена теплою водою (мал. 6). “Кип’ятильник” періодично коливається, тобто його кульки почергово занурюються у воду.

Мал. 6.

Ведучий. Шановні знавці! Поясніть це явище. (“Кип’ятильник Франкліна” складається із двох скляних кульок, з’єднаних між собою трубкою. Повітря з кульок викачане, і вони частково заповнені спиртом. Та кулька, у якій спирту більше, переважує і, торкаючись теплої води, нагрівається. У ній зростає тиск насиченої пари спирту, що займає простір над рідким спиртом. У другій кульці, що знаходиться у контакті з навколишнім холодним повітрям, тиск насиченої пари буде меншим. Тому спирт із нижньої кульки витісняється у верхню, остання переважує і занурюється у воду. Потім процес повторюється.)

Експеримент 3. Ще один дослід із “кип’ятильником Франкліна”. Одну з кульок “кип’ятильника Франкліна” поміщають у посудину з водою, другу – її суміш снігу із сіллю. За кілька хвилин навколо кульки, що знаходиться у воді, утворюється кільце з льоду (мал. 7), найбільш товсте у тому місці, не знаходиться поверхня спирту.

Мал. 7.

Ведучий. Шановні знавці! Поясніть, чому замерзла вода. (В охолодженій кульці пара спирту конденсується, що видно зі збільшення кількості рідини в цій кульці. У другій кульці рідина посилено випаровується з поверхні, тому в цьому місці стінки кульки найбільше охолоджуються і у воді утворюється лід)

Конверт 11. Охорона навколишнього середовища у зв’язку із застосуванням теплових двигунів

Ведучий. Теплові машини широко використовуються. Залізничними магістралями водять состави потужні тепловози, водними шляхами – теплоходи. Мільйони автомобілів із двигунами внутрішнього згоряння перевозять вантажі і пасажирів.

Поршневі, турбогвинтові та турбореактивні двигуни встановлені на літаках і гелікоптерах. За допомогою реактивних двигунів здійснюються запуски штучних супутників, космічних кораблів і станцій. Двигуни внутрішнього згоряння є основою механізації виробничих процесів у сільському господарстві, їх використовують на тракторах, комбайнах, самохідних шасі, насосних станціях.

Шановні знавці! Яку небезпеку несуть теплові двигуни навколишньому середовищу? Яких заходів вживають з метою зниження цієї небезпеки? (Теплові машини забирають кисень, викидають в атмосферу вуглекислий газ, золу, отруйний оксид Сульфуру (SO2). Жителі великих міст задихаються від вихлопних газів автомобільних двигунів. У всіх країнах світу вживають заходів з метою зниження забруднення повітря. На автомобільних двигунах встановлюють каталізатори, опрацьовують зразки нових типів двигунів внутрішнього згоряння і навіть парових двигунів. Найперспективнішими є електромобілі й автомобілі з двигунами на водні, продуктом згоряння яких є звичайна вода.)

Ведучий. Поки журі підбиватиме підсумки уроку та визначатиме команду-переможця, послухаємо пісню “Про вчених”, яку виконують учасники нашого конкурсу та їхні вболівальники.

Хто, хто, хто

Міг знати наперед,

Що фізику започаткують

Аристотель й Архімед?

А потім долучився

Великий із людей,

Непокірний італієць

Галілео Галілей.

Він Землю закрутив

Як ніхто й ніколи,

Бо естафету він прийняв

В Коперніка Миколи.

В Ньютона яблуко влучило…

Спасибі – не каміння.

І він планети пов’язав

Законами тяжіння.

Так поступово, день за днем,

(О, Боже! Яка мука). Науці сповіщає,

Творилось чудо із чудес –

Фізика-наука.

А потім Ломоносов

Науці сповіщає,

Що взагалі матерія

Нікуди не щезає.

З електрикою зв’язаний

Аж цілий ряд ідей,

Які у фізику принесли

Кулон, Максвелл і Фарадей.

А англієць Резерфорд

Без мікроскопа, раптом

Усьому світу заявив,

Що він побачив атом.

III. Підсумок уроку.