Внутренняя энергия

 Интерактивный курс «Физика, 7 – 11 классы», Физикон, 2003 год.

Цветкова Оксана Михайловна

Учитель школы № 1017, г. Москва

Урок «Внутренняя энергия»

 

Цель урока: Ознакомление учащихся с историей и логикой развития физики, расширение представления учащихся о предмете изучения науки физики, воспитание любознательности у учащихся. Раскрыть значение термодинамики для описания явлений природы, для объяснения действия технических устройств.

Задачи урока: Ознакомить с объектами изучения термодинамики, сформировать понятие «внутренняя энергия».

Использование новых информационных технологий: В качестве дополнительного иллюстративного материала показ пошаговой анимации.

План урока


 

Этапы урока

Время, мин

Приемы и методы

I. Изучение нового материала: объекты и предмет изучения термодинамики, внутренняя энергия

23

Рассказ учителя. Беседа. Записи на доске и в тетради. Показ пошаговой анимации

II. Формирование умений и навыков

5

Решение задач. Ответы на вопросы учащихся

III. Первичная проверка усвоения знаний. Рефлексия

15

Самостоятельная работа

IV. Подведение итогов

1

Сообщение учителя

V. Домашнее задание

1

Запись на доске

I. Рассказ учителя. Новый подход к изучению тепловых явлений наметился еще в XVII в. Термоскоп Галилея и последовавшие за ним термометры флорентийских академиков, Герике, Ньютона подготовили почву, на которой выросла уже в первой четверти нового столетия термометрия. Термометры Фаренгейта, Делия, Ломоносова, Реомюра и Цельсия, отличались друг от друга конструктивными особенностями, вместе с тем определили тип термометра с двумя постоянными точками, принятый и в настоящее время.

Данцигский стеклодув Фаренгейт (1686–1736) с 1709 изготовлял спиртовые термометры с постоянными точками. С 1714 он начал изготовлять ртутные термометры. Точку замерзания воды Фаренгейт принимал за 32, точку кипения воды – за 212. За нуль Фаренгейт принимал точку замерзания смеси воды, льда и нашатыря или поваренной соли. Точку кипения воды он назвал только в 1724 в печатной публикации. Пользовался ли он ею раньше, неизвестно.

Французский зоолог и металлург Реомюр (1683–1757) предложил термометр с постоянной нулевой точкой, за которую он принял температуру замерзания воды. Пользуясь в качестве термометрического тела 80-процентным раствором спирта, а в окончательном варианте ртутью, он принял в качестве второй точки точку кипения воды, обозначив ее числом 80. Свой термометр Реомюр описывал в статьях, опубликованных в журнале Парижской Академии наук в 1730, 1731.

Проверку термометра Реомюра проводил шведский астроном Цельсий (1701–1744). Расскажите, что Вы узнали об этом ученом, выполняя домашнее задание?

Примерный ответ учащихся: Цельсий описал свои опыты в 1742 г. Тщательно проверив постоянство точки плавления льда, Цельсий исследовал точку кипения воды, и установил, что она зависит от давления. В итоге исследований появился новый термометр, известный ныне как термометр Цельсия. Точку плавления льда Цельсий принял за 100, точку кипения воды при давлении 25 дюймов 3 линии ртутного столба – за 0. Известный шведский ботаник Карл Линней (1707–1788) пользовался термометром с переставленными значениями постоянных точек. 0 означал температуру плавления льда, 100 – температуру кипения воды. Таким образом, современная шкала Цельсия по существу является шкалой Линнея.

Показ интерактивной пошаговой анимации «Температура»


                    

Рисунок М. 2.9.1


Рисунок M.2.9.2.

При измерениях термометры приводятся в тепловой контакт с телом, температура которого измеряется. В науке чаще всего используется шкала Кельвина K.

                         

                                                                       Рисунок M.2.9.3.

Термометры могут быть прокалиброваны с использованием разных температурных шкал. В бытовых условиях наиболее часто применяется шкала Цельсия °C (в Америке – шкала Фаренгейта °F).

                         

                                                                           Рисунок M.2.9.4.

Температуру, измеренную по шкале Кельвина, называют абсолютной температурой.

Если в XVIII в. в физике (за исключением механики) господствовал эксперимент, так что физику определяли как науку «о всем том, что через опыты познать можно», то в XIX в. картина начинает меняться. Экспериментальная физика продолжает господствовать над теоретической, но многие отрасли физики (волновая оптика, электростатика и магнитостатика) представляли собой, кроме совокупности изящных и остроумных опытов, стройную теоретическую систему. Труднее всего поддавались теоретической обработке тепловые явления. Здесь шло накопление эмпирических фактов, разрабатывались методы определения тепловых характеристик: коэффициентов расширения, теплопроводности, удельных теплоемкостей. Эти измерения нужны были и для бурно развивающейся теплотехники. «Его Величество Пар» работал на фабриках и заводах, на железных дорогах, на морских и речных путях. Паровая машина была основным и единственным двигателем бурно развивающейся индустрии. Приведите примеры.

Примерный ответ учащихся: Паровая водоподъемная установка была построена англичанами Ньюкоменом и Коули в 1712 году, в России паровой двигатель был предложен Ползуновым в 1765 году, а в 1784 году в Англии Уатт получил патент на универсальный паровой двигатель, внедрение которого имело огромное влияние на развитие промышленности и транспорта. Развитие термодинамики было в большей степени связано с анализом работы тепловых машин.

Рассказ учителя. Воззрения на теплоту как форму движения мельчайших «нечувствительных» частиц материи высказывались еще в XVII в. Ф. Бэкон, Декарт, Ньютон, Гук и многие другие приходили к мысли, что теплота связана с движением частиц вещества. Но со всей полнотой и определенностью эту идею разрабатывал и отстаивал Михаил Васильевич Ломоносов. Однако он был в одиночестве, его современники переходили на сторону концепции теплорода, и, эта концепция разделялась многими выдающимися учеными XIX столетия. Поэтому идея закона сохранения и превращения энергии вызревала не у специалистов-физиков. И не специалисты сыграли решающую роль в утверждении великого закона. Врач Майер, пивовар Джоуль, врач Гельмгольц – вот те три человека, за которыми история науки навсегда закрепила славу открывателей закона сохранения и превращения энергии.

Юлиус Роберт Майер родился 25 ноября 1814 года в городе Гейльбронне в семье аптекаря. Он получил медицинское образование и отправился в качестве корабельного врача на остров Ява (до этого он несколько месяцев работал в клиниках Парижа). В течение годичного плавания врач Майер пришел к своему великому открытию. По его словам, на этот вывод его натолкнули наблюдения над изменением цвета крови у людей в тропиках. Проводя многочисленные кровопускания на рейде в Батавии, Майер заметил, что «кровь, выпускаемая из ручной вены, отличалась такой необыкновенной краснотой, что судя по цвету, я мог бы думать, что я попал на артерию». Он сделал отсюда вывод, что «температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови, то есть артериальной и венозной… Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме». То есть процессы окисления происходят в жарком климате медленнее, т. к. организму не требуется большого количества теплоты. Вернувшись из путешествия, он тут же написал статью под заглавием «О количественном и качественном определении сил», которую направил 16 июня 1841 в журнал «Анналы…» Поггендорфу. Тот не напечатал статью и не вернул ее автору, она пролежала в его письменном столе 36 лет, где и была обнаружена после смерти Поггендорфа. Свою вторую статью «Замечания о силах неживой природы» Майер опубликовал в химическом журнале; третью статью «Органическое движение в его связи с обменом вещества» он напечатал за свой счет.

Пользуясь современной терминологией, коротко можно сказать следующее: Роберт Майер установил количественное соотношение между теплотой и работой и первый вычислил с доступной в то время точностью значение механического эквивалента теплоты, исследовал превращения всех известных видов энергии и сформулировал закон сохранения и превращения энергии.

Вполне понятно, что открытие Майера не дошло до физиков, и закон сохранения открывали независимо от него и другими путями другие авторы, прежде всего Джоуль и Гельмгольц. Закономерно также, что Майер оказался втянутым в тягостно отразившийся на нем спор о приоритете. Его травили в газетах, обвиняли скромного и честного ученого в мании величия, подвергли принудительному «лечению» в психиатрической больнице. Майер умер 20 марта 1878. Незадолго до его смерти, в 1874 вышло собрание его трудов по закону сохранения и превращения энергии под заглавием «Механика тепла». В 1876 вышли его последние сочинения «О торричелиевой пустоте» и «Об освобождении сил».

Широкое, философское понимание закона сохранения энергии Майером, обобщение им закона на явления жизни и космос смущали физиков и рассматривались ими как метафизические размышления. Но проводимые одновременно и независимо от Майера эксперименты Джоуля подвели под обобщения Майера прочную экспериментальную основу.

Джеймс Прескотт Джоуль, манчестерский пивовар, владелец большого пивоваренного завода, родился 24 декабря 1818. Он рано увлекся электрическими исследованиями и конструированием электрических приборов, которые описывал систематически в небольшом специальном журнале. В октябре 1841 он опубликовал статью о тепловом эффекте электрического тока, в которой установил, что количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока. Джоуль сделал свои эксперименты по выделению тепла электрическим током исходным пунктом дальнейших исследований выяснения связи между теплотой и работой. Уже на первых опытах он стал догадываться, что теплота, выделяемая в проволоке, соединяющей полюсы гальванической батареи, порождается химическими превращениями в батарее, т. е. Стал прозревать энергетический смысл закона. В работе «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом эффекте теплоты», доложенной на собрании Британской Ассоциации в августе 1843, Джоуль сформулировал вывод, что теплоту можно создавать с помощью механической работы, используя магнитоэлектричество (магнитную индукцию), и эта теплота пропорциональна квадрату силы индукционного тока.

Сообщение Джоуля было встречено собранием Британской Ассоциации с недоверием. Джоулю не было еще 25 лет, когда он выступил с этими новыми революционными воззрениями. Джоуль продолжал свои эксперименты. В 1870 он вошел в состав комиссии по определению механического эквивалента теплоты. В состав этой комиссии входили В. Томсон, Максвелл и другие ученые. Но Джоуль не ограничился работой экспериментатора. Он решительно встал на точку зрения кинетической теории теплоты и стал одним из основоположником кинетической теории газов.

Джоуль умер 11 октября 1889, за пять лет до смерти третьего члена «триады» Германа Гельмгольца.

Гельмгольц был одним из самых знаменитых физиков второй половины XIX столетия, общепризнанным лидером физической науки.

Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц родился 31 августа 1821 в семье Потсдамского учителя гимназии, в городе, бывшем резиденцией прусских королей, в том самом Потсдаме, где спустя 124 года после его рождения состоялась Потсдамская конференция, зафиксировавшая разгром фашистской Германии.

Гельмгольц получил медицинское образование, и его диссертация, защищенная им в 1842, была посвящена строению нервной системы. В этой работе двадцатидвухлетний врач впервые доказал существование целостных структурных элементов нервной ткани, получивших позднее название нейронов.

С 1843 начался служебный путь Гельмгольца в качестве Потсдамского военного врача. Эскадронный хирург гусарского полка находил время и для занятия наукой. В 1845 он едет в Берлин для подготовки к государственным экзаменам на звание врача и здесь усердно занимается в домашней физической лаборатории Густава Магнуса. Другим учителем Гельмгольца в берлине был известный физиолог Иоганн Мюллер. Вокруг Магнуса и Мюллера сплотилась группа молодых ученых, образовавших в последствии молодое Физическое Общество. Научное развитие Гельмгольца происходило, таким образом, в благоприятной обстановке возросшего интереса к естествознанию в Берлине. Уже в первом томе журнала «Успехи физики», вышедшем в Берлине в 1847 году, Гельмгольцем был напечатан обзор по теории физиологических тепловых явлений. 23 июля 1847 он сделал на заседании Берлинского физического общества доклад «О сохранении силы». Подобно Майеру, Гельмгольц от физиологии перешел к закону сохранения энергии. Однако в отличие от Майера Гельмгольц не был одинок, его поддерживала научная молодежь и молодое Берлинское физическое общество. Что же касается отношения к работам Майера и Джоуля, то Гельмгольц неоднократно признавал приоритет Майера и Джоуля, подчеркивая, однако, что с работой Майера он не был знаком, а работы Джоуля знал недостаточно. Умер Гельмгольц 8 сентября 1894.

Разными путями шли открыватели закона сохранения и превращения энергии к его установлению. Майер, начав с медицинского наблюдения, сразу рассматривал его как глубокий всеобъемлющий закон и раскрывал цепь энергетических превращений от космоса до живого организма. Джоуль упорно и настойчиво измерял количественное соотношение теплоты и механической работы. Гельмгольц связал закон с исследованиями великих механиков XVIII века. В результате наука получила в свое распоряжение великий закон сохранения и превращения энергии.

Вильям Томсон родился 26 июня 1824 года в Белфасте в семье преподавателя математики. Когда Вильяму было 8 лет, семья переехала в Глазго, который стал впоследствии местом жизни и труда знаменитого физика. Одаренный мальчик уже в десятилетнем возрасте стал студентом Глазговского университета. Вскоре юный студент опубликовал свою первую работу по теории теплопроводности. Двадцати двух лет Томсон становится профессором в Глазго и занимает кафедру до 1889 года в течение 53 лет. В 1892 году Томсону за его большие научные заслуги был присвоен титул лорда Кельвина (по имени речки Кельвин, протекающей вблизи университета в Глазго).

Томсон написал огромное количество работ по экспериментальной теоретической физике. Томсону наряду с Клаузиусом принадлежит заслуга в обосновании второго закона термодинамики. Работа Карно подсказала Томсону важную мысль о введении температурной шкалы, не зависящей от выбора термометрического тела, – абсолютной шкалы температур. Эта «шкала Кельвина» основана на процессе Карно, который, как известно, носит абсолютный характер, не зависящий от выбора рабочего вещества и характера процессов, применяемых в цикле. Введение «шкалы Кельвина» представляет первый существенный вклад Томсона в термодинамику. Томсон умер 17 декабря 1907 года.

Термодинамический метод позволяет изучать свойства веществ, не рассматривая их внутреннее строение. В его основе лежат законы энергетических превращений.

Сумма энергии хаотического (теплового) движения всех частиц тела и энергии взаимодействия этих частиц называется внутренней энергией. U = Ep + Ek.

Для реального газа внутренняя энергия является функцией температуры и объема. U = U (TV). Для идеального газа внутренняя энергия является функцией температуры. U = U (T). Таким образом, внутренняя энергия U тела однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние тела. Она не зависит от того, каким путем было реализовано данное состояние. Принято говорить, что внутренняя энергия является функцией состояния.

Внутренняя энергия идеального газа рассчитывается по формуле

   

где i = 3 для одноатомного газа, i = 5 – для двухатомного газа, i = 6 – для многоатомных газов.

Показ интерактивной пошаговой анимации «Закон сохранения энергии в механических и тепловых процессах».

Показать вторую часть этой анимации, при которой изменяется только внутренняя энергия. Вторую часть этой анимации имеет смысл показать позже, на следующем уроке.

                               

                                                                              Рисунок M.2.9.5.

Во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой и передается от одного тела другому, при этом ее значение сохраняется. В этом состоит закон сохранения и превращения энергии.

                              

                                                                           Рисунок M.2.9.6.

В тепловых процессах тело может получать или отдавать некоторую энергию в виде количества теплоты и при этом может изменяться внутренняя энергия тела.

                             

                                                                              Рисунок M.2.9.7.

II. Решение задач (устно, с места).

1.     Как изменится внутренняя энергия идеального газа, если его объем увеличится в 2 раза, а температура останется неизменной? Внутренняя энергия не изменится, т.к. у идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры.

2.     Как изменится внутренняя энергия идеального газа, если его давление уменьшится в 2 раза, а объем возрастет в 2раза? Не изменится.

III. Самостоятельная работа.

Вариант 1.

1.     Какова внутренняя энергия U одноатомного газа, занимающего объем 40 м3 и давлении 90 кПа?

2.     В стальном баллоне находится гелий массой 0,5 кг при температуре 100 °С. Как изменится внутренняя энергия гелия, если его температура повысится до 30 С?

3.     Можно ли определить внутреннюю энергию 1 моля кислорода, используя формулу для расчета внутренней энергии одноатомного идеального газа? Ответ обоснуйте.

Вариант 2.

1.     Какова внутренняя энергия 5 моль одноатомного газа при 100 С?

2.     Каково давление одноатомного газа, занимающего объем 2 л, если его внутренняя энергия 300 Дж?

3.     Можно ли определить внутреннюю энергию 1 моля азота, используя формулу для расчета внутренней энергии одноатомного идеального газа? Ответ обоснуйте.

IV. Подведение итогов. Если механика в XVIII столетии становится зрелой, вполне определившейся областью естествознания, то наука о теплоте делает по существу только первые шаги. В процессе своего развития термодинамика необычайно расширилась и приобрела характер фундаментальной физической науки. Ныне объектом ее исследования являются практически любые процессы превращения энергии, связанные с выделением или поглощением энергии, совершением работы, переносом вещества и т.п. Термодинамика изучает процессы расширения и сжатия, нагрева и охлаждения, плавления и затвердевания, испарения и конденсации, химические реакции, тепловое излучение и т.д.

V. Параграф «Внутренняя энергия», задача № 617 – Рымкевич. Повторить «Механическая работа». Каково определение механической работы и какова формула для ее расчета? В каком случае A > 0; A < 0; A = 0?

Список использованной литературы:

1.     М.Ю. Блудов «Беседы по физике» – М.: Просвещение, 1992.

2.     П.С. Кудрявцев «Курс истории физики» – М.: Просвещение, 1982.

3.     Энциклопедический словарь юного физика, – М.: «Педагогика», 1984.

4.     Мультимедийный курс «Физика 7 – 11», 2003.

19 июня 2013 г.