Фізика 10 клас

ДИСТАНЦІЙНЕ НАВЧАННЯ ФІЗИКА 10 КЛАС

2024-2025  навчальний  рік.

УРОК

(роботи виконуємо в робочих зошитах)

5 квітня   2025 р.

ТЕМА      Перший закон термодинаміки . Адіабатний процес.

Зміна внутрішньої енергії системи (∆U) при переході з одного термодинамічного стану в інший дорівнює сумі роботи A′ зовнішніх сил і кількості
теплоти Q, переданої системі або переданої системою навколишнім тілам у процесі теплообміну: ΔU=A′+Q

Кількість теплоти Q, передана системі, йде на зміну внутрішньої енергії системи (ΔU) та на виконання системою роботи A проти зовнішніх сил:Q=ΔU+A

Адіабатний процес — це процес, який відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем. При адіабатному процесі кількість теплоти Q, передана системі, дорівнює нулю, тому перший закон термодинаміки має вигляд:

 

−ΔU=AΔU=−AΔU=A′

Ізохорний процес (ΔV=0)	Ізотермічний процес (ΔT=0)	Ізобарний процес (Δp=0)
У ході цього процесу об’єм газу не змінюється і газ роботу не виконує, тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд: Q=ΔU. При ізохорному процесі вся передана газу кількість теплоти витрачається на збільшення внутрішньої енергії газу. Якщо газ ідеальний одноатомний, то кількість теплоти, передана газу, дорівнює: Q=ΔU=32υRΔT=32VΔp.	У ході цього процесу температура, а отже, і внутрішня енергія газу не змінюються тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд:Q=A При ізотермічному процесі вся передана газу кількість теплоти йде на виконання механічної роботи.	У ході цього процесу виконується робота і змінюється внутрішня енергія газу, тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд:Q=ΔU+A.При ізобарному процесі передана газу кількість теплоти йде і на збільшення внутрішньої енергії газу, і на виконання механічної роботи. Якщо газ одноатомний і ідеальний то: Q=ΔU+AQ=32υRΔT+υRΔTQ=52υRΔTQ=52ΔVp

Задача 2.1

При швидкому стисканні m = 4 г гелію (М = 4 г/моль) в циліндрі під поршнем газ нагрівається від t₁ = 7 °C до t₂ = 87 °C.

Визначити

·роботу A стискання газу.

 

Дано: m = 4·10–3 кг  М = 4 кг/кмоль t1 = 280 К t2 = 360 К

A - ?

Розв’язання

Через швидкоплинність процесу теплообміном газу із навколишніми тілами можна знехтувати й уважати процес адіабатним (див. п. 2.2). Отже, робота стискання А йде тільки на зміну внутрішньої енергії U, котра визначається формулою (2.1):

A=32⋅mRM(T2−T1)${\displaystyle A=\frac{3}{2}\cdot \frac{mR}{M}(T_2-T_1)}$.

Обчислення дають

А ≈ 1,0 кДж.

ДОДОМУ- П. 38, впр. 38 (1-2). Зап. ст.227.

21 березня 2025 р.

УРОК 78        

                                                РОБОТА В ТЕМОДИНАМІЦІ

   

Внутрішня енергія газу може змінюватися, якщо зовнішні сили, що діють на нього, виконують роботу (додатну або від’ємну). Наприклад, якщо газ стискають (газ виконує від’ємну роботу) і він при цьому не віддає енергію навколишньому середовищу, то швидкість руху молекул газу, а відповідно, і внутрішня енергія, і температура газу збільшуються. І навпаки, якщо газ розширюється (тобто виконує додатну роботу), то швидкість руху молекул, температура і внутрішня енергія газу зменшуються.

 

Очевидно, що виконана газом робота сильно залежить від того, який процес відбувається з газом. Виведемо формули для основних процесів, які можуть з газом відбуватися.

 

Ізобарний процес

Згадаємо, що в цьому процесі змінюються температура газу і об'єм. Зміна температури вплине на зміну внутрішньої енергії газу (ΔU=32υRΔT) .

 

Розберемо як вплине зміна об'єму на роботу газу. Визначення роботи з курсу 10-го класу: A=F⋅l⋅cosα, де F — сила, що виконує роботу; l — переміщення, яке здійснює тіло під дією цієї сили; кут альфа це кут між напрямком сили і переміщенням, яке відбувається під дією цієї сили. Скористаємося цим визначенням, щоб вивести формулу для роботи газу в ізобарному процесі. Для початку виберемо просту ситуацію, помістимо газ в циліндричну посудину під рухомий поршень (стандартний ізобарний процес):

 

 

A=FlcosαA=FΔVS=FSΔV=pΔV

 

У цьому випадку переміщення відбувається в під дією газу, що розширяється, отже кут рівний 0 °, а косинус — 1. З простоти ситуації видно, що переміщення рівне зміні об'єму поділене на площу, а відношення сили до площі — тиску. Скористаємося рівнянням стану ідеального газу і виведемо додаткову формулу для роботи:

 

pV=υRTpΔV=υRΔTA=pΔV=υRΔT

 

Таким чином отримаємо дві формули для розрахунку роботи газу в ізобарному процесі, яких вистачить для розв'язку задач шкільного курсу. На малюнку наведено зображення цього процесу в системі p(V), на графіку видно, що робота газу це площа під графіком. Зауважимо, що для будь-якого процесу площа під графіком в системі p(V) це теж буде робота, але для інших процесів і ситуацій фігури можуть бути складнішими і стандартними формулами їх площі порахувати неможливо.

 

Ізохорний процес. З точки зору розрахунку роботи даний процес набагато простіший. Робота напряму залежить від переміщення, а в цьому процесі переміщення не відбувається(об' єм залишається сталим). Отже що б не відбувалось з газом в ізохорному процесі його робота тут завжди рівна 0.

 

Ізотермічний процес. В ізотермічному процесі газ може змінювати свій об'єм і тому робота тут не рівна 0. Залежність тиску і об'єму в цьому процесі гіперболічна, що показано на графіку:

 

 

Користуючись фактом про те, що робота це площа під графіком в координатах p(V) помічаємо, що фігура під графіком — криволінійна трапеція. Розрахувати її площу звичайними шкільними методами складно, відповідно формули вивести складніше і задач на розрахунок роботи в цьому процесі напряму не буде.

Для тих хто прагне знати більше наведемо її: A=υRT⋅ln(V2V1).

 

Отже, робота в кожному процесі рахується по різному і треба слідкувати за умовами, які відбуваються з газом.

 

Зазначимо на останок, що справедливо наступне твердження: A газу=−Aнад газом, тобто роботу, яку ми виконуємо над газом протилежна по знаку, але рівна величині роботи газу. Цей факт може бути корисним в розв'язанні задач.

Попередня тема

Повернутись до теми

Наступне завдання

ДОДОМУ- П. 37, Зап. ст. 220 , впр. 37 (1-2) 

19 березня

Урок 77

Тема-  Внутрішня енергія. Способи зміни внутрішньої енергії.

Пройдіть тестування з теми.

Запитання 1

Розділ фізики, що вивчає співвідношення і перетворення теплової та інших форм енергії

варіанти відповідей

 

механіка

 

 

кінематика

 

 

термодинаміка

 

 

динаміка

Запитання 2

Сума кінетичних енергій хаотичного (теплового) руху частинок речовини (атомів, молекул, йонів), з яких складається тіло, і потенціальних енергій їх взаємодії

варіанти відповідей

 

внутрішня енергія

 

 

потенціальна енергія

 

 

кінетична енергія

 

 

зовнішня потенційна енергія

Запитання 3

Як позначають внутрішню енергію і яка одиниця вимірювання

варіанти відповідей

 

U, Дж

 

 

Ek, Дж

 

 

Ep, Дж

 

 

W, Дж

Запитання 4

Процес зміни внутрішньої енергії тіла або частин тіла без виконання роботи

варіанти відповідей

 

тепловіддача

 

 

теплопередача

 

 

теплоємність

 

 

теплопровідність

Запитання 5

Укажіть види теплопередачі

варіанти відповідей

 

теплопровідність, випромінювання

 

 

конвекція, випаровування

 

 

випромінювання, пароутворення

 

 

теплопровідність, конвекція, випромінювання

Запитання 6

Вид теплопередачі, який зумовлений хаотичним рухом частинок речовини та не супроводжується перенесенням цієї речовини

варіанти відповідей

 

кипіння

 

 

теплопровідність

 

 

конвекція

 

 

випромінювання

Запитання 7

Вид теплопередачі, за якого тепло переноситься потоками рідини або газу

варіанти відповідей

 

теплопровідність

 

 

пароутворення

 

 

конвекція

 

 

випромінювання

Запитання 8

Вид теплопередачі, за якого енергія передається за допомогою електромагнітних хвиль

варіанти відповідей

 

конвекція

 

 

випромінювання

 

 

конденсація

 

 

теплопровідність

Запитання 9

Укажіть властивості для внутрішньої енергії

варіанти відповідей

 

внутрішня енергія дорівнює сумі кінетичної і потенціальної енергій

 

 

внутрішня енергія ідеального газу дорівнює кінетичній енергії поступального та обертального рухів його частинок

 

 

внутрішня енергія даної маси ідеального газу прямо пропорційна його абсолютній температурі

 

 

внутрішня енергія – функція стану системи

 

 

внутрішню енергію можна змінити двома способами: виконанням роботи і теплопередачею

Запитання 10

фізична величина, що дорівнює енергії, яку тіло одержує (або віддає) в ході теплопередачі

варіанти відповідей

 

питома теплоємність речовини

 

 

кількість теплоти

 

 

маса речовини

 

 

питома теплота пароутворення

Запитання 11

Кількість теплоти, яка поглинається при нагріванні речовини (або виділяється при її охолодженні):

варіанти відповідей

 

Q=rm

 

 

Q=cmΔt

 

 

Q=qm

 

 

Q=λm

Запитання 12

Знайдіть внутрішню енергію 2 кмоль ідеального одноатомного газу, взятих за температури 300 К

варіанти відповідей

 

2 МДж

 

 

1,5 МДж

 

 

7,5 МДж

 

 

10 МДж

Додому- П.36 впр.36 (3)

         

          17 березня

Урок  76

Внутрішня енергія. Способи зміни внутрішньої енергії.

Внутрішня енергія макроскопічного тіла визначається характером руху та взаємодії всіх мікрочастинок, з яких складається тіло (система тіл). Таким чином, до внутрішньої енергії слід віднести:

• кінетичну енергію хаотичного (теплового) руху частинок речовини
  (атомів, молекул, йонів);
•  потенціальну енергію взаємодії частинок речовини;енергію взаємодії атомів у молекулах (хімічну енергію);
•  енергію взаємодії електронів і ядра в атомі (внутрішньоатомну енергію);
• енергію взаємодії нуклонів у ядрі (внутрішньоядерну енергію).

Однак для описування теплових процесів є важливим не стільки значення внутрішньої енергії, як її зміна. У ході теплових процесів хімічна енергія, а також внутрішньоатомна і внутрішньоядерна енергії практично не змінюються. Саме тому внутрішня енергія в термодинаміці визначається як сума кінетичних енергій хаотичного (теплового) руху частинок речовини (атомів, молекул, йонів), з яких складається тіло, і потенціальних енергій їх взаємодії.

Внутрішню енергію позначають символом U. Одиниця внутрішньої енергії в СІ — джоуль: [U]=1 Дж (J).

 

Особливості внутрішньої енергії ідеального газу:

1. Атоми і молекули ідеального газу практично не взаємодіють між собою, тому внутрішня енергія ідеального газу дорівнює кінетичній енергії поступального та обертального рухів його частинок.
2. Внутрішня енергія даної маси ідеального газу прямо пропорційна його абсолютній температурі.
3. Внутрішня енергія — функція стану системи, тобто вона однозначно визначається основними макроскопічними параметрами (p, V, T), що характеризують систему, і незалежно від того, яким чином систему переведено з одного стану в інший, зміна внутрішньої енергії буде однаковою.
4. Внутрішню енергію можна змінити двома способами: виконанням роботи і теплопередачею

Доведемо останнє твердження для одноатомного газу. Атоми такого газу рухаються тільки поступально, тому, щоб визначити його внутрішню енергію, слід середню кінетичну енергію поступального руху атомів помножити на кількість атомів:

 

E¯¯¯ =32kT

 N⋅E¯¯¯= 32kT⋅N

N⋅E¯¯¯ = U

U=32NkT

 

Розпишемо кількість атомів через кількість речовини і отримаємо кінцеву формулу:

 

U=32NkT=32NAmMkT=32mMRT=32υRT

 

Згадаємо рівняння Менделєєва — Клапейрона і виведемо ще одну корисну формулу:

 

pV=υRTU=32pV

 

Теплопередача (теплообмін) — процес зміни внутрішньої енергії тіла або частин тіла без виконання роботи.
Процес теплопередачі можливий тільки в разі наявності різниці температур. Довільно внутрішня енергія завжди передається від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Чим більша різниця температур, тим швидше(за інших рівних умов) відбувається процес передачі тепла. Існують 3 основних види теплопередачі:

• Теплопровідність. Вид теплопередачі, який зумовлений хаотичним рухом частинок речовини та не супроводжується перенесенням цієї речовини. Найкращими провідниками тепла є метали, погано проводять тепло дерево, скло, шкіра, рідини (крім рідких металів); найгірші провідники тепла — гази. Передача енергії від гарячої води до батареї опалення, від поверхні води до її нижніх шарів тощо відбувається завдяки теплопровідності.

 

Кількість теплоти Q — це фізична величина, що дорівнює енергії, яку тіло одержує (або віддає) в ході теплопередачі. Одиниця кількості теплоти в СІ — джоуль: [ ] Q =1 Дж (J).

Нагадаємо: і під час плавлення, і під час кипіння температура кристалічних речовин не змінюється.

2.2.2. Приклади розв’язування задач

 

1. Тіло масою 5кг падає з висоти 3м. На скільки збільшиться внутрішня енергія тіла (втрату енергії в навколишньому середовищі до уваги не брати)?

Розв’язання:

Відповідь: внутрішня енергія збільшилася на 150Дж.

2. Газ, який займає об’єм 20л за нормальних умов, було ізобарно нагріто до 80⁰С. Визначити роботу розширення газу.

Розв’язання:

Робота розширення газу: А = 

Відповідь: А = 590 Дж.

ДОДОМУ-П.36, ? ст.220 .впр.36(1-2)