Второй закон термодинамики. Тепловые двигатели

Тип урока: Урок изучения нового материала. Комбинированный.

Цели урока:

образовательные – изучить принцип работы тепловых двигателей, сформулировать второй

закон термодинамики, сформировать представление об устройстве и принципе действия

тепловых двигателей и понятие об идеальной тепловой машине Карно; осмыслить

практическую значимость, полезность приобретаемых знаний и умений;

развивающие – создать условия для развития творческих и исследовательских навыков,

формировать умения выделять главное, сопоставлять, делать выводы; развивать речь,

совершенствовать интеллектуальные способности; решать тренировочные задачи.

Воспитательные – способствовать привитию культуры умственного труда, создать условия

для повышения интереса к изучаемому материалу, формировать экологическую культуру и

активную жизненную позицию.

Задачи урока:

1.

Знать : определения

Теплового двигателя;

КПД теплового двигателя;

КПД идеального теплового двигателя (по циклу Карно).

Второй закон термодинамики

Формулы:

КПД теплового двигателя;

КПД цикла Карно

2.

Уметь

- решать расчетные и графические задачи, используя формулы

- изучить принцип работы тепловых машин

- выяснить, пути повышения КПД тепловых двигателей

Приобретаемые навыки детей:

- мотивация к учебно-познавательной деятельности. ;

- развитие логического мышления, памяти, речи учащихся

- целенаправленная учебная деятельность, когда каждый ученик и группа в целом

объединяются одной целью

- включение ученика в сам процесс активного участия в добывание новых знаний

- повышается уровень восприятия, осмысления и запоминания.

- внимательного отношения к окружающим, друг к другу, учебной дисциплины.

- подводить итоги своей работы, анализировать свою деятельность.

Формы организации работы детей:

- индивидуальная;

- фронтальная;

- групповая;

1.Организационный момент.

Приветствую учащихся, проверяю готовность класса к уроку

2. Мотивация.

Сегодня я хочу, чтобы вы продолжили фразу

Двигателями прогресса являются….

(послушать ответы)

Дать верный

Какие изобретения помогли человеку

облегчить жизнь?

Именно лень привела человека к

изобретению тепловых машин.

Войны и лень человека, стремление

облегчить свои физические усилия…

Двигатели, которые энергию топлива

превращают в механическую работу

Как вы можете сформулировать тему урока?

Тепловые двигатели

Какой

закон описывает процесс…?

Второй закон термодинамики.

Термодинамика и была создана как раздел

физики который объясняет процессы

необходимые для работы тепловых

двигателей

3.Постановка цели занятия перед учащимися.

?

Почему так важно изучит работу тепловых двигателей

,

Дело в том что

–

,

наша цивилизация

машинная цивилизация причем б

льшая часть

.

;

машин это тепловые машины разных видов Но принцип их работы один

.

,

именно он основывается на законах термодинамики Несомненно без

,

тепловых двигателей жизнь общества сразу бы резко затормозилась

…

,

приняла бы другие формы

Не было бы электричества не ездили бы

,

…

–

автомашины не летали бы самолеты

Поэтому тепловые двигатели

это

,

.

великое достижение человеческой культуры научной мысли людей Земли

Я еще не устал удивляться

:

Чудесам что есть на Земле

,

Самолеты летят сквозь тучи

.

Ходят по морю корабли

Как до этих вещей могучих

?

Домечтаться люди могли

«Развитие техники зависит от умения использовать громадные запасы внутренней энергии.

Использовать эту энергию - это значит совершать за счет ее полезную работу. Рассмотрим

источники, которые совершают работу за счет внутренней энергии.»

Учащиеся записывают в тетради тему урока.

4. Актуализация опорных знаний

В качестве активизации мыслительной деятельности –

разминка

Физический диктант.

1.

Перечислите основные термодинамические величины:

2.

Какие способы изменения внутренней энергии вы знаете? …

3.

Запишите первый закон термодинамики….

4.

Перечислите изопроцессы.

5.

Может ли газ нагреться или охладиться без теплообмена с окружающей средой?

6.

Можно ли всю внутреннюю энергию превратить в механическую работу ?Какой

закон описывает этот процесс?

Ответы(взаимопроверка)

1.

P, V, T давление , объем, температура.

2.

Теплопередача, совершение механической работы.

3.

∆U=A+Q

4.

Изотермический, изобарный, изохорный , адиабатный.

5.

Знаком. При расширении >0 и сжатии газа<0.

6.

А кто ответил на седьмой вопрос???...

5. Изучение нового материала

Что является источником внутренней энергии? (различные виды топлива, энергия ветра,

солнца, приливов и отливов)

Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение

одного вида энергии в другой. Но нас сегодня интересуют тепловые машины.

Тепловые машины могут быть устроены различным образом, но в любой

тепловой машине должно быть рабочее вещество, или тело, которое в рабочей части

машины совершает механическую работу, нагреватель, где рабочее вещество

получает энергию. Рабочим веществом может быть водяной пар или газ.

В процессе работы теплового двигателя рабочее тело забирает у нагревателя некоторое

количество теплоты и превращает его в механическую работу Как сделать , чтобы все

количество теплоты превращалось в работу?

∆U=0 изотермический процесс

нарисуем график процесса

для многократного совершения работы нужно понизить температуру рабочего тела

а это возможно только если в двигатель добавить холодильник тело с температурой Т2

меньшей Т1тогда не превращенную часть теплоты тело передает холодильнику. По

закону сохранения энергии Q

1

=Q

2

+A.

Работа любого теплового двигателя циклична. Каждый цикл состоит из разных

процессов:

- получение энергии из нагревателя;

- рабочего хода (расширение рабочего тела и превращения части полученной энергии в

механическую);

- передачи неиспользованной части энергии холодильнику.

Наличие нагревателя, рабочего тела и холодильника – необходимое условие для

непрерывной работы любого теплового двигателя.

Согласно I закону термодинамики, если Q = 0, то работа может совершаться за счет

убыли внутренней энергии. Если запас энергии исчерпан, двигатель перестал работать.

Если система изолирована и не совершается работа, то внутренняя энергия остается

неизменной.

Закон сохранения энергия утверждает, что внутренняя энергия при любых ее

превращениях остается неизменной, но ничего не говорит о том, какие превращения

возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона

сохранения, в действительности не протекают.

Более нагретое тело само собой остывает, передавая свою энергию более холодным

телам. Обратный процесс передачи от более холодного тела к горячему не противоречит

закону сохранения, но не происходит. Таких примеров можно привести много. Это

говорит о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, не как не

отраженную в первом законе термодинамики. Все процессы в природе необратимы

(старение организмов).

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических

превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Был установлен

путем обобщения опыта.

Немецкий ученый Р. Клаузиус сформулировал его так:

Невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при

отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

Английский ученый У. Кельвин сформулировал так:

Невозможно осуществлять периодически такой процесс, единственным

результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного

источника.

Иначе говоря, ни один тепловой двигатель не может иметь коэффициент полезного

действия, равный единице.

Формулировка второго закона, данная Кельвином, позволяет выразить этот закон в

виде утверждения. Невозможно построить вечный двигатель второго рода, т. е. создать

двигатель, совершающий работу за счет охлаждения какого-нибудь одного тела.

Второй закон термодинамики указывает направление процессов в природе.

Для оценки эффективности преобразования внутренней энергии газа в механическую

работу, совершаемую за цикл, вводится КПД.

Важнейшей характеристикой

двигателей является

.

коэффициент полезного действия

КПД

–

это

,

,

характеристика теплового двигателя равная отношению энергии

,

,

которая затрачена на работу ко всей энергии полученной от сгорания

.

топлива

По закону сохранения энергии работа газа равна разности

.

энергии отданной нагревателем холодильнику



=A/Q

1

В цикличном тепловом двигателе нельзя преобразовать в механическую работу все

количество теплоты, полученное от нагревателя. Некоторое количество теплоты он отдает

холодильнику, поэтому работа, совершаемая двигателем за цикл не может быть

больше A=Q

1

-Q

2.

Учитывая полученное равенство, выражение для КПД можно записать в

виде



= (Q

1

-Q

2)

/Q

1

КПД теплового двигателя всегда меньше единицы. Круговой цикл не реализуется

при отсутствии холодильника, т. е. при

Q

2

=0.

Тепловые двигатели – необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью

вырабатывается около 80% электроэнергии, без них невозможно представить

современный транспорт.

максимальный КПД можно получить в двигателе работающем по циклу Карно

Цикл

;

Карно рассматривается для идеального газа на практике абсолютно

:

адиабатный процесс неосуществим

невозможно резко перейти от изотермического к адиабатному

.

процессу

Реальные двигатели дают меньший КПД

. А теперь давайте найдем пути его повышения.

Пути повышения КПД:

1) повышение температуры нагревателя;

2) понижение температуры холодильника ;

3) уменьшение потерь энергии в частях двигателя.

Физкультминутка

6. Первичное закрепление

Учащиеся решают задачи. 2 человека у доски

Оцените максимальное значение КПД, которое может иметь тепловая машина с

температурой нагревателя 727

о

С(100, 2023) и температурой холодильника 27

о

С.(0,-270)

Учащиеся сдающие ЕГЭ по физике решают задачи на своем столе (из открытого банка

ФИПИ)

1.

Один моль одноатомного идеального газа участвует в циклическом процессе, график

которого изображён на TV−диаграмме.

Выберите два верных утверждения на основании анализа представленного графика.

1) Давление газа в состоянии 2 больше давления газа в состоянии 4.

2) Работа газа на участке 2–3 положительна.

3) На участке 1–2 давление газа увеличивается.

4) На участке 4–1 от газа отводится некоторое количество теплоты.

5) Изменение внутренней энергии газа на участке 1−2 меньше, чем изменение внутренней

энергии газа на участке 2−3.

2.

В таблице приведена зависимость КПД идеальной тепловой машины от температуры

ее нагревателя при неизменной температуре холодильника. Чему равна температура

холодильника этой тепловой машины? (Ответ дайте в кельвинах.)

.

3. В идеальной тепловой машине абсолютная температура нагревателя отличается от

температуры холодильника в 2 раза. Чему равен КПД этой машины? Ответ приведите в

процентах.

1.

На рабочем столе учащиеся берут листок самоконтроля с тестовым заданием.

1. Какие устройства относятся к тепловым двигателям:

а)

устройства, превращающие тепловую энергию в механическую;

б)

устройства, превращающие электрическую энергию в тепловую;

в)

устройства, превращающие внутреннюю энергию в тепловую.

2.

Какой элемент теплового двигателя совершает работу:

а)

холодильник;

б)

газ или пар;

в)

нагреватель;

3.

Какие условия необходимы для циклического получения механической

работы в тепловом двигателе:

а)

наличие нагревателя и холодильника;

б)

наличие рабочего тела и холодильника;

в)

наличие нагревателя и рабочего тела

4.

КПД теплового двигателя всегда:

а)

больше1; б)

равен 1;в)

меньше 1.

5.

При каком замкнутом процессе тепловой двигатель имеет максимальный

КПД:

а)

состоящий из двух изотерм и двух изобар:

б)

состоящий из двух изохор и двух изобар:

в)

состоящий из двух изотерм и двух адиабат.

6.Коэффициент полезного действия теплового двигателя:

а)Отношение времени полезной работы ко времени, затраченному на техническое обслуживание и

ремонт;

б)Отношение механической работы, совершаемой двигателем, к израсходованной энергии;

в)Отношение температуры нагревателя к температуре охладителя

7.Полезная работа в цикле Карно - это:

а)Площадь под верхней изотермой;

б)Сумма площадей под верхней изотермой и верхней адиабатой;

в)Сумма площадей под верхней изотермой и нижней изотермой;

г)Площадь, ограниченная двумя изотермами и двумя адиабатами;

8.Для приближения КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, к единице,

необходимо:

а)Повышать температуру нагревателя и понижать температуру холодильника;

б)Повышать температуру холодильника и понижать температуру нагревателя;

в)Повышать температуру холодильника и нагревателя;

г)Понижать температуру холодильника и нагревателя;

д)Стремиться сделать равной температуру холодильника

Взаимоконтроль , д/з

Подведение итогов урока. Выставление оценок учащимся.

Домашнее задание. Д/з параграфы №80,82

Рымкевич №678

упр 15(11,12) вариант №

3723569 решу егэ

Рефлексия

Лень - двигатель прогресса. Ключ к Диогену - лень… Андрей Вознесенский

Как вы сейчас понимаете слова поэта? Давайте обратимся к Андрею Вонесенскому.

Уважаемый поэт, я понял сегодня, что лень ,,,,,

1.

Энергию топлива проще всего преобразовать в механическую работу, а значит можно

ничего не делать самому.

2.

Сжигая топливо, мы получаем работу.

3.

Жаль, но КПД повысить невозможно.

4.

Будущее – за новыми видами двигателей, которые черпают энергию в альтернативных

источниках.

5.

наш мир мир тепловых машин.