Методика формування понять "внутрішня енергія", види теплопередачі.

Приступаючи до вивчення теми, необхідно повторити і уточнити з учнями основні положення молекулярно-кінетичної теорії про будову речовини. При повторенні з’ясовують особливості руху частинок, із яких складаються тверді, рідкі і газоподібні тіла. Рух молекул речовини дістав назву теплового. Означення:

Тепловим рухом називають безладний рух частинок: молекул, атомів, іонів кристалічних решіток, пов’язаний з температурою тіла.

Пригадують, що чим швидше рухаються частинки, тим більш нагрітим є тіло. Отже, своєю назвою тепловий рух зобов’язаний тому, що він пов’язаний з температурою тіла і визначає теплові явища. Головні ознаки теплового руху:

1) хаотичність;

2) в ньому приймає участь безліч об’єктів (часинок)

Роблять висновок, що для великої кількості частинок характерна відсутність порядку у русі і не можна говорити про швидкість і траєкторію однієї частинки.

На основі поняття про тепловий рух уточнюють поняття температури. В результаті обговорення зміни різноманітних властивостей тіл при нагріванні (збільшення, зменшення, різна провідність, випромінювання і ін.), роблять висновок про те, що однаково нагріті тіла, контактуючи одне з одним, не змінюють своїх властивостей, а, отже, перебувають у стані теплової рівноваги. Тоді:

Температура - це фізична величина, яка характеризує стан теплової рівноваги системи тіл.

Фізичний зміст поняття температури:

Температура є мірою середньої кінетичної енергії хаотичного руху частинок, із яких складається тіло.

Але безпосередньо виміряти кінетичну енергію руху частинок неможливо, тому використовують прилад для вимірювання зміни якоїсь властивості тіла при нагріванні - термометр.

Внутрішня енергія. При формуванні цього поняття слід виходити з того, що мірою зміни енергії є робота. Тобто, якщо тіло може виконати роботу, то воно має енергію. Демонструють дослід з пробковим пістолетом, розміщеним під ковпаком повітряного насоса. При відкачуванні повітря з-під ковпака пробка вилітає з пробірки:

Роблять висновок: роботу виконало повітря, яке було у пробірці, отже, воно мало енергію. Але на відміну від механічної енергії, цю енергію називають внутрішньою. Це енергія руху і взаємодії частинок, із яких складається тіло.

Якщо робота виконується за рахунок внутрішньої енергії, то повинна зменшитися температура тіла, тому доречно показати дослід, який демонструє зменшення внутрішньої енергії стиснутого повітря під час його розширення. Пропонують учням пояснити окремі етапи досліду: З чого видно, що повітря в колбі охолодилося? Як змінилася при цьому швидкість руху його молекул? Їх кінетична енергія? внутрішня енергія повітря? При цьому нагадують учням, що утворення туману під час охолодження повітря пов’язане з конденсацією парів, про яку учні знають лише з життєвого досвіду. Тому туман є ознакою охолодження вологого повітря.

Про практичне застосування внутрішньої енергії буде сказано пізніше, під час вивчення теплових двигунів. Проте підкреслюють, що внутрішня енергія тіл, разом з енергією падаючої води, є основним джерелом енергії, зокрема, внутрішня енергія палива використовується у двигунах внутрішнього згоряння. Та і вивчення природи теплоти почалося після появи теплових машин.

Пропонують учням дати відповідь на наступні запитання: Які перетворення енергії відбуваються у наведених прикладах:

1) удар яблука об землю;

2) вибух нагрітого балону з газом;

3) падіння метеориту в атмосфері;

4) пружний м’яч вдаряється об пружну стінку;

5) пластилінова кулька падає на стіл.

Способи зміни внутрішньої енергії. Змінити внутрішню енергію можна. Пригадайте як ви змінювали її після того, як грали в сніжки і повернулися в клас. Після відповідей учнів пропонують проаналізувати ряд дослідів:

а) дотикаються руками колби з водою зі скляною трубкою, пропущеною через пробку;

б) цю ж колбу натирають сукном;

в) фронтально: дитячу кульку швидко розтягнути і прикласти до лоба.

Питання класу: Як змінювалася внутрішня енергія повітря у випадку а) і б)? Які ознаки свідчать про це? Якими способами було змінено внутрішню енергію тіл у першому і другому дослідах? Як змінювалася швидкість руху частинок повітря в ході дослідів? Наведіть приклади, коли внутрішня енергія тіла може зменшуватися.

Таким чином, внутрішня енергія тіла змінюється при виконанні роботи і при теплопередачі. Робота і теплота не є видами енергії, вони являють собою дві можливі форми передачі енергії від одного тіла до іншого. Терміни "теплообмін", "надання теплоти", застосовують тільки у випадку, коли є зміна внутрішньої енергії, причому під "кількістю теплоти" розуміють міру зміни внутрішньої енергії, яка перейшла від одного тіла до іншого. Якщо внутрішня енергія тіла не змінюється, то ні про яку теплоту, яка "міститься" в тілі, не може бути мови - тіла мають тільки внутрішню енергію.

Потім пояснюють механізм зміни внутрішньої енергії тіла за рахунок виконаної роботи: внаслідок тертя частинки скла колби а потім і молекули повітря почали швидше рухатися, від чого температура повітря підвищилася.

Пропонують учням пояснити причини нагрівання оброблюваних напилком деталей, залежності збільшення їх температури від виконаної роботи, розповісти про роль змащення верстаків і транспортних машин, про застосування шарикопідшипників.

Потім виділяють характерну ознаку другого способу зміни внутрішньої енергії – теплопередачі: в ньому внутрішня енергія тіла збільшується завдяки контакту з більш нагрітим тілом. Механізм цього способу передачі енергії – частинки більш нагрітого тіла, маючи більшу кінетичну енергію, ніж частинки даного тіла, передають цю енергію безпосередньо частинкам даного тіла. .
Види теплопередачі. Розглянувши питання про теплопередачу, переходять до вивчення її видів, тобто трьох процесів, при яких відбувається передача теплоти. Пропонують учням спробувати пояснити, як відбувається теплопередача від гарячого чаю в чашці до руки, якою її тримають? Очевидно, що в самій стінці чашки має місце процес поширення теплоти від більш нагрітих її елементів до менш нагрітих, який приводить до вирівнювання температури. Такий процес має назву теплопровідності.

Пропонують виконати фронтально дослід: взявши в руки цвях довжиною 5-6 см, внести його в полум’я сірника. Пояснити, чому рука відчуває цвях особливо гарячим вже після того, як згасне сірник. Переходять до з’ясування механізму теплопровідності. Характерною рисою теплопровідності є атомно-молекулярний характер переносу енергії, не пов’язаний з мікроскопічними переміщеннями в тілі. Тобто, в тілі відбувається передача кінетичної енергії частинок від більш нагрітого до менш нагрітого кінців (цвяха, стержня, стінки чашки).

Далі розглядають таке питання: Чому ту частину печі, на якій варять їжу, накривають чавунною плитою?

Міркування підводять до висновку, що для більш швидкої передачі внутрішньої енергії від одного тіла до іншого слід спеціально підбирати матеріали для виготовлення тіла, яке передає тепло. Відтак показують дослід на порівняння теплопровідності різних тіл: порівнюють теплопровідність стержнів з різних матеріалів, теплопровідність води й повітря.

У механізмі теплопровідності твердих тіл, рідин та газів є відмінності. У твердих кристалічних діелектриках посилення коливань атомів однієї частини тіла зумовлює посилання коливань атомів сусідніх частин внаслідок того, що атоми взаємодіють. Теплопровідність металів зумовлена рухом і взаємодією вільних електронів. Метали мають великий коефіцієнт теплопровідності.

У рідинах енергія переноситься з більш нагрітої ділянки в менш нагріту під час зіткнення молекул, а також частково за рахунок дифузії.

У газах теплопровідність пов’язана з перенесенням енергії молекулами газу, явище дифузії відіграє тут більш помітну роль, ніж у рідинах.

Повідомляють учням, що залізо у 163 рази краще проводить тепло ніж дерево і в 100 разів краще, ніж вода; вода - у 27 разів краще, ніж повітря. Тому погану теплопровідність повітря використовують у конструкції калориметра, у віконних рамах і ін.

Умовно можна зобразити механізм теплопровідності так:

«тепло передається» – змінюється енергія руху частинок

Конвекція. Конвекція – це перенесення теплоти всередині ділянки, заповненої рідким або газоподібним середовищем. Як відомо, теплопровідність води або газів мала і при нагріванні верхнього шару води, нижній її шар лишається холодним. Однак воду в каструлі досить швидко доводять до кипіння. Пропонують учням пояснити, яким чином нагрівається вода.

Потім демонструють конвекцію за допомогою спеціального приладу.
Явище конвекції в газах демонструють за допомогою тіньової проекції.
Показують роль конвекції у багатьох життєвих процесах, техніці, побуті.
Механізм конвекції умовно можна зобразити так: :

**

Випромінювання. Методично доцільно почати вивчення цього виду теплопередачі з питання про те, чи передається енергія від Сонця до Землі який-небудь з уже вивчених видів теплопередачі – теплопровідністю, або конвекцією. Бесіду проводять у поєднанні з опитуванням і підводять учнів до того, що енергія від Сонця до Землі передається якимось іншим способом. Після цього демонструють дослід:

З’ясовують, як напрямлені конвекційні потоки. Разом з учнями висувають гіпотезу: можливо енергія передається завдяки теплопровідності? Для перевірки гіпотези поміщають біля плитки лист металу (метал має велику теплопровідність). Але він надійно захищає від тепла електроплитки. Замінюють лист металу на скло і, незважаючи на гарні теплоізоляційні властивості скла, спостерігають, що воно менше захищає від тепла, ніж метал. Роблять висновок: тепло від електроплитки передається не тільки завдяки теплопровідності. Отже, маємо справу ще з одним видом теплопередачі - випромінюванням.

Випромінювання - це вид теплопередачі, при якому енергія передається за допомогою електромагнітних хвиль.

Цей вид теплопередачі може існувати і у вакуумі.

Після цього з’ясовують, які тіла краще, а які гірше поглинають випромінювання. Використовуючи теплоприймач, порівнюють на досліді поглинання випромінювання чорною матовою та білою блискучою поверхнями.

Потім знайомлять учнів з мірою зміни внутрішньої енергія при теплопередачі - кількістю теплоти.