Закон сохранении внутренней энергии и уравнение теплового баланса

Урок № Тема: Закон сохранении внутренней энергии и уравнение теплового баланса.

Цель урока: выяснить физическое содержание закона сохранения энергии для теп­ловых процессов; вывести уравнение теплового баланса.

Демонстрации: смешивание холодной и горячей воды в термосе.

Ход урока

План изложения нового материала:

1. Закон сохранения энергии в тепловых процессах.

2. Уравнение теплового баланса.

3. Калориметр.

Изучение нового материала

1. Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Приступая к изложению нового материала, можно заметить, что среди законов физики есть такие, которые очень широко применяются в описании поведения тех или иных систем. Закон сохранения энергии в тепловых процессах принадлежит к таким законам.

Ранее уже было получено выражение вида: U = Q + А

Чтобы понять смысл этого выражения, важно прежде всего определить рамки его применения. Данное соотношение справедливо для изолированных систем.

Опр. Система называется изолированной, если теплообмен и совершаемая работа происходят только между телами данной системы.

Для такой системы изменение внутренней энергии всегда равно нулю: U = 0

При этом суммарная работа в системе тоже равна нулю: А = 0.

Равно нулю и суммарное количество отданного и полученного телами тепла: Q = 0.

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Для любой изолированной системы при любых изменениях внутри нее внутренняя энергия остается неизменной.

т. е. U = const, или U = 0.

Этот закон косвенно подтверждает невозможность остановки теплового движения.

2. Уравнение теплового баланса

Как можно применять этот закон?

Если привести в соприкосновение два тела разной температуры , то, во-первых, теплообмен будет протекать до тех пор, пока температуры тел не сравняются, и, во-вторых, первое тело будет передавать тепла Q_omд ровно столько, сколько второе тело получит.

Таким образом, из закона сохранения тепловой энергии получим:

Уравнение теплового баланса: =

Критерием истинности является практика. Поэтому, используя термос, смешаем фиксированные массы горячей и холодной воды с заданными температурами. Затем, минуты через две, измерим температуру смеси .

После этого, используя уравнение теплового баланса, рассчитаем тем­пературу смеси:

Пусть - масса горячей воды, - масса холодной воды, тогда:

= 0,2 кг = 0,1 кг

= С = С

Используя = , получим

с( - ) = с( - )

0,2·70 - 20 = 0,1 - 0,1·10

= С

Затем сравнивая измеренное значение с рассчитанным, мы убеждаемся, что .

3.Калориметр

Обычно при проведении лабораторных работ пользуются более про­стыми приборами, которые называют калориметрами.

Опр. Калориметр - это два цилиндрических сосуда с разными диаметрами. Между их дном и стенками - воздушный зазор, который уменьшает теплоотдачу в окружающую среду.

Калориметр назван по единице измерения количества теплоты в старой системе измерений.

1 калория - количество теплоты, необходимое для нагревания 1 г воды на 1°С.

Легко найти связь между 1 кал и 1 Дж:

Q = cmt = 4200 · 0,001 кг · С = 4,2 Дж

Таким образом:

1 кал = 4,2 Дж,

1 ккал = 4200 Дж.

Закрепление изученного материала

• Докажите, что ветряные мельницы (двигатели) работают за счет энергии солнечных лучей.

• Стальной шарик равномерно падает в касторовом масле. Совер­шается ли при этом работа? Какие превращения энергии при этом происходят?

• Изменяется ли потенциальная энергия медного шара, лежащего на горизонтально расположенной поверхности стола, если повы­сить его температуру?

• Со дна водоема всплывает пузырек воздуха. Совершает ли воздух работу?

Домашнее задание: §7 - 9