Методика вивчення теми “ОСНОВИ ТЕРМОДИНАМІКИ”
1. Науково-методичний аналіз змісту та структури теми
Тема має велике світоглядне і політехнічне значення. Під час вивчення теми поглиблюється розуміння учнями закону збереження і перетворення енергії. Він виконується в усіх процесах, які відбуваються на всіх відомих сучасній науці рівнях руху матерії і є вагомим свідченням матеріальної єдності об’єктивного світу. Закон збереження і перетворення енергії, окремим випадком якого є перший закон термодинаміки, встановлює нерозривний зв’язок матерії і руху, характеризує перехід одних форм руху матерії в інші. Вивчення термодинаміки потрібне для розуміння фізичних основ теплоенергетики, принципів дії теплових машин тощо.
У програмі з фізики [34] зміст теми викладено так.
Робота газу. Перший закон термодинаміки. Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів. Рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів. Адіабатичний процес. Необоротність теплових процесів. Принцип дії теплових двигунів. Двигун внутрішнього згоряння. Парова і газова турбіни. Реактивний двигун. Холодильна машина ККД теплового двигуна. Шляхи підвищення ККД теплових двигунів. Роль теплових двигунів у народному господарстві. Екологічні проблеми, пов’язані з використанням теплових двигунів.
Структуру і зміст теми можна подати за такою схемою:
2. Основні поняття та їх науково-методичний аналіз
У термодинаміці вивчаються взаємні перетворення різних видів енергії, пов’язані з кількістю теплоти і роботою. Основне завдання вивчення теми полягає у з’ясуванні фізичного змісту понять внутрішньої енергії, кількості теплоти, роботи.
Під внутрішньою енергією тіла в термодинаміці розуміють енергію, що залежить лише від його внутрішнього стану і не пов’язану з рухом відносно інших тіл. Внутрішня енергія тіла є однозначною функцією його стану і визначається його параметрами: тиском, об’ємом, температурою. Зміна внутрішньої енергії системи при переході з одного стану в інший не залежить від шляху її переходу, тобто вона є функцією стану, а не процесу.
З точки зору молекулярно-кінетичної теорії у сучасній фізиці під внутрішньою енергією розуміють суму енергії хаотичного руху і взаємодії молекул і енергію руху і взаємодії частинок, з яких складаються молекули (енергія коливального руху частинок, енергія електронних оболонок атомів, внутріядерна енергія тощо). У термодинаміці вивчають процеси, що відбуваються при не дуже високих температурах. За таких умов зміни внутрішньої енергії відбуваються лише за рахунок її перших двох складових і оскільки завжди цікавляться зміною внутрішньої енергії, то під внутрішньою енергією можна розуміти суму кінетичної енергії хаотичного руху молекул і потенціальної енергії їх взаємодії, тобто вважають: U=Ek+Ep.
Внутрішня енергія системи може змінюватись шляхом виконання роботи або у процесі теплопередачі. У першому випадку мірою зміни внутрішньої енергії є робота, а у другому – кількість переданої теплоти. Робота і кількість теплоти залежать не тільки від початкового і кінцевого стану системи, а й від того, як відбувається процес зміни цих станів. Це означає, що робота і кількість теплоти характеризують процес зміни стану системи, вони є не функціями стану, а функціями процесу. З цього випливає, що говорити про запас кількості теплоти і запас роботи не можна. Можна лише говорити про внутрішню енергію системи.
Шляхом виконання роботи і передачі кількості теплоти можна досягти однакових змін внутрішньої енергії. Це дає підстави говорити про еквівалентність кількості теплоти і роботи. Проте робота і кількість теплоти нерівноцінні способи зміни енергії. Робота – це зміна енергії упорядкованого руху системи, виконання роботи може приводити до зміни як механічної, так і внутрішньої енергії. При теплопередачі (передачі кількості теплоти) змінюється енергія хаотичного руху частинок системи, що приводить лише до зміни її внутрішньої енергії. Роботу вважають макрофізичною формою зміни енергії, а кількість теплоти – мікрофізичною формою її зміни.
Оскільки внутрішню енергію системи можна змінювати шляхом передачі кількості теплоти і виконанням роботи зовнішніми силами над системою, то записують:
Останній вираз є математичним записом першого закону термодинаміки.
3. Навчальний фізичний експеримент Демонстрації
Зміна внутрішньої енергії тіла внаслідок виконання механічної роботи. [9, с.119; 26, с.40]
Зміна температури повітря при адіабатичному розширенні та стисканні.[9, с.49; 26, с.49, с.122].
Необоротність явища дифузії (на моделі). [9, с.25].
