Внутрішня енергія тіла та способи її зміни.

   .

Мета.

Навчальна Ввести поняття внутрішньої енергії тіла. З’ясувати від чого вона залежить, чи всі тіла мають внутрішню енергію. Ввести поняття теплообміну, кількості теплоти. З’ясувати за яких умов змінюється внутрішня енергія тіла.

Розвиваюча. Розвивати образне мислення, уяву, вчитися міркувати логічно.

Виховна. Прививати цікавість до спостереження за природою. Виховувати культуру формулювання та оформлення письмових відповідей.

Тип уроку. Урок засвоєння нового матеріалу.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Фізика 8 клас, Бар'яхтар В. Г. Довгий С. О., видавництво "Ранок"  
• Флеш-анімація. Рух атомів газу
• Демонстрація. Теплообмін (склянка з гарячою водою, металевий циліндр, гачок) 

• Демонстрація. Зміна внутрішньої енергії тіла під час виконання над ним роботи (скляна пляшка, штатив з лапкою і муфтою, вода в склянці, пасок, корок)
• Демонстрація. Зміна внутрішньої енергії тіла, що виконує роботу (скляна пляшка, штатив з лапкою і муфтою, вода в склянці, корок з трубкою, насос Комовського).

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Внутрішня енергія тіла. Способи зміни внутрішньої енергії.
3. Вчимося розв’язувати задачі.
4. Запитання до уроку.
5. Домашнє завдання.
6. Перевір себе.
7. Для допитливих.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Внутрішня енергія тіла. Способи зміни внутрішньої енергії.

Внутрішня енергія тіла. Завдяки тепловому руху кожна частинка речовини зав­жди має кінетичну енергію.

Значення кінетичної енергії окремої частинки невелике, оскільки маса частинки є дуже малою. Водночас кількість частинок в одиниці об’єму речовини величезна, і тому їхня сумарна кінетична енергія є досить великою.

Крім кінетичної енергії, частинки речо­вини мають і потенціальну енергію, тому що взаємодіють одна з одною — притягуються та відштовхуються.

        Суму кінетичної енергії теплового руху части­нок, із яких складається тіло, і потенціальної енергії їхньої взаємодії називають внутрішньою енергією тіла.

        Одиницею внутрішньої енергії в СІ є джоуль (Дж). Мірою середньої кінетичної енергії руху частинок, із яких складається тіло, є температура. Тому зміна температури означає й зміну сумарної кінетичної енергії всіх частинок, а отже, зміну внутрішньої енергії тіла.

Зі зміною температури тіло розширюється або стискається. При цьому змінюється відстань між частинками речовини і, як наслідок, змінюється потенціальна енергія їхньої взаємодії. Це теж, у свою чергу, зумовлює зміну внутрішньої енергії тіла.

Отже, внутрішня енергія тіла змінюєть­ся зі зміною його температури: зі збільшенням температури тіла його внутрішня енергія збільшується, а зі зменшенням температу­ри — зменшується.

Внутрішня енергія змінюється також зі зміною агрегатного стану речовини: під час зміни агрегатного стану речовини змінюється взаємне розташування її частинок, тобто змінюється потенціальна енергія їхньої взаємодії. Наприклад, під час плавлення речовини її внутрішня енергія збільшується, а під час кристалізації — зменшується.

а)  б) в)

Анімація. Рух частинок у а) газоподібному, б) рідкому та в) твердому  агрегатних станах.

Коли розглядають внутрішню енергію, то йдеться про рух та взаємодію дуже великої кількості частинок (1023 або більше).

У випадку із внутрішньою енергією не можна відстежити індивідуальні характеристики кожної частинки, тому фізики використовують тільки середні характеристики.

Зміна внутрішньої енергії тіла за рахунок теплообміну. Згадаємо деякі приклади з життя: якщо вимкнути з розетки гарячу праску, за якийсь час вона охолоне; занурена в гарячий чай холодна ложка обов’язково нагріється. У кожному з цих прикладів змінюється температура тіл, і це означає, що змінюється їхня внутрішня енергія. Водночас над цими тілами не виконується робота й самі тіла також ніякої роботи не виконують. У таких випадках кажуть про передачу тепла.

Процес зміни внутрішньої енергії тіла без виконання роботи називають теплопередачею (теплообміном).

• Демонстрація. Теплообмін (склянка з гарячою водою, металевий циліндр, гачок)

Для кількісної характеристики теплопередачі використовують поняття кількість теплоти. Кількість теплоти — це фізична величина, що дорівнює енергії, яку тіло одержує, або віддає під час теплопередачі.

Кількість теплоти позначають символом Q. Одиницею кількості теплоти в СІ є джоуль (Дж): [Q]=1 Дж.

Кількість теплоти, як і механічна робота, може бути як додатною, так і від’ємною. У випадках, коли тіло одержує енергію, кількість отриманої ним теплоти вважають додатною; коли тіло віддає енергію, кількість втраченої ним теплоти вважають від’ємною.

Досліди свідчать: теплопередача є мож­ливою тільки в разі наявності різниці тем­ператур, причому самовільно тепло може передаватися тільки від тіла з більшою тем­пературою до тіла з меншою температурою.

Чим більшою є різниця температур, тим швидше за інших рівних умов здійснюється передача тепла. Теплообмін триватиме, доки температури тіл не стануть однаковими, тобто доки між тілами не встановиться теплова рівновага.

Зміна внутрішньої енергії тіла під час виконання над ним роботи. Численні спостереження й експерименти переконують: навіть у разі відсутності тепло­обміну внутрішня енергія тіла може збільшу­ватись, якщо над тілом виконується робота.

• Демонстрація. Зміна внутрішньої енергії тіла під час виконання над ним роботи (скляна пляшка, штатив з лапкою і муфтою, вода в склянці, пасок, корок)

Першим це довів англійський фізик Бенджа­мін Томпсон. Так, робота сил тертя шин автомобіля об дорожнє покриття спричиняє збільшення внутрішньої енергії шин та покриття дороги. Доказ цього — їхнє нагрівання під час руху автомобіля. Так само, якщо інтенсивно терти долоні одну об одну, їхня внутрішня енергія збільшується. З описаним явищем доводиться мати справу в техніці. Наприклад, у процесі обробки металевих деталей через роботу сил тертя помітно зростає температура як самого інструмента (свердла, різця тощо), так і деталі, яку обробляють.

Зміна внутрішньої енергії тіла, що виконує роботу. А як змінюється внутрішня енергія тіла, якщо воно саме виконує роботу? Проведемо дослід. Візьмемо товстостінну скляну посудину, дно якої вкрите шаром води. Оскільки вода випаровується, в посудині буде водяна пара. Закоркуємо посудину і через корок пропустимо трубку. Сполучимо трубку з насосом та почнемо накачувати до посудини повітря.

Через деякий час корок вилетить, при цьому в посудині з’явиться туман — дрібні краплинки води, що утворилися з водяної пари. Поява туману відбувається в разі зниження температури. Отже, температура повітря в посудині зменшилася, відповідно зменшилася внутрішня енергія повітря. Таким чином, повітря виконало механічну роботу (виштовхнуло корок) за рахунок власної внутрішньої енергії. Якщо тіло саме виконує роботу, то його внутрішня енергія змен­шується.

• Демонстрація. Зміна внутрішньої енергії тіла, що виконує роботу (скляна пляшка, штатив з лапкою і муфтою, вода в склянці, корок з трубкою, насос Комовського).

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 03.1. Якщо підняти камінь з поверхні землі, то потенціальна енергія каменя, а отже, кожної його частинки збільшується. Чи означає це, що внутрішня енергія каменя також збільшується? Обґрунтуйте свою відповідь.

Задача 03.2. Доки лід плавиться, його температура не змінюється. Чи змінюється при цьому внутрішня енергія льоду? Відповідь обґрунтуйте.

4. Запитання до уроку.

Запитання 03.1. Чому частинки речовини мають потенціальну енергію? завжди мають кінетичну енергію?

Запитання 03.2. Що називають внутрішньою енергією тіла? Від чого залежить внутрішня енергія тіла?

Запитання 03.3. Згадайте фізичні величини, одиницею яких в СІ є джоуль.

Запитання 03.4. Чи може тіло мати внутрішню енергію, але не мати при цьому механічної енергії?

Запитання 03.4. В яких одиницях вимірюють внутрішню енергію тіла? Як розписується ця одиниця в СІ?

Запитання 03.6. У які способи можна змінити внутрішню енергію тіла?

Запитання 03.7. Що називають теплопередачею?

Запитання 03.8. Наведіть приклади теплопередачі.

Запитання 03.9. Що таке кількість теплоти? Назвіть одиницю кількості теплоти.

Запитання 03.10. Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії тіла внаслідок виконання роботи.

Запитання 03.11. На малюнку зображено схему експерименту Румфорда. Чому закипає вода в казані, поставленому на заготовку гарматного дула, під час свердління дула?

5. Домашнє завдання.

Підручник: §3-4.

Задача 03.3. Чому військові, що десантуються з гелікоптерів по канатах, вдягають рукавички? Відповідь обґрунтуйте.

Задача 03.4. Металеву кульку підвісили на мотузці й нагріли. Як змінилася внутрішня енергія кульки? механічна енергія кульки?

Усне опитування по запитаннях до уроку.

6. Перевір себе.

7. Для допитливих.

Розширюємо кругозір. Позасистемна одиниця вимірювання енергії. Історично склалося так, що у теплових явищах спершу запровадили і широко використовували як одиницю вимірювання енергії - калорію (кал). Це кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання грама дистильованої води на один градус. Між калорією і джоулем існує таке співвідношення: 1 кал = 4,1668 Дж.

Експеримент. Дослідження охолодження води з плином часу. Наберіть у склянку окропу. Вимірюйте температуру кожні 2 хв. Результати занесіть до таблиці, в якій вказуйте час та відповідне значення температури. За даними експерименту побудуйте графік залежності температури від часу. Зробіть висновок.