Розділ ІХ. Змістовний модуль 11

Лекція 11

Методика вивчення теплових явищ (продовження)

План

1. Внутрішня енергія палива

2. Вивчення процесів зміни агрегатних станів речовини і зміни її внутрішньої енергії.

В даній темі розширюється поняття енергії. Спочатку пригадують учням деякі відомості із хімії, зокрема, що при горінні відбувається з’єднання елементів з киснем і утворенням нових молекул. Наприклад, при горінні метану утворюється вуглекислий газ і вода:

CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O.

Горіння супроводжується виділенням деякої кількості тепла. Зміна внутрішньої енергії відбулося не засобом теплообміну і не шляхом виконання роботи тілом чи над тілом, а в результаті термохімічних явищ, які відбуваються з паливом. При цьому енергія руху молекул продуктів згорання (і їх температура) буде більшою, ніж у молекул палива.

Всі види палива мають внутрішню енергію, яка виділяється під час згоряння. Але різні види палива мають різну теплотворну здатність. Переконуються у цьому за допомогою досліду, наведеного у підручнику. Для кількісної характеристики теплотворності палива застосовують фізичну величину, яку називають питомою теплотою згоряння палива.

Пропонують учням розглянути таблицю "Питамо теплота згоряння деяких видів палива".

Далі вводять поняття коефіцієнта корисної дії нагрівника і на заріплення матеріалу розв’язують задачі.

Розвиток поняття внутрішньої енергії відбувається при вивченні зміни агрегатних станів речовини, тому що для пояснення процесів, що відбуваються при цьому, мова йтиме про зміну енергії взаємодії молекул. Учні повинні запам’ятати, що внутрішня енергія речовини змінюється не лише при зміні температури, а і при переході речовини із одного агрегатного стану в інший (при плавленні, твердненні, (кристалізації), випаровуванні і конденсації).

Учні повинні засвоїти три положення про процес плавлення:

1) існує температура, вище якої речовина у твердому стані не може знаходитися;

2) температура під час плавлення залишається незмінною;

3) процес плавлення потребує притоку енергії до тіла, що плавиться.

З’ясовують, куди ж дівається енергія, що підводиться до тіла? Очевидно, вона йде на руйнування кристалічної гратки тіла, тобто, на зміну енергії взаємодії між молекулами і атомами. Звідси висновок: за однакової температури внутрішня енергія речовини у рідкому стані більша від внутрішньої енергії речовини у твердому стані. Далі вводять поняття питомої теплоти плавлення і тверднення.

Наступне явище – випаровування і конденсація. Аналізують дослід з випаровуванням ефіру чи спирту (наприклад, на теплоприймач, з’єднаний з манометром, поміщають декілька крапель спирту). По мірі випаровування спирту рідина в коліні манометра, з’єднаному з теплоприймачем, піднімається.

Пояснюють, що внутрішня енергія спирту зменшуються. З іншого боку, відбувається збільшення внутрішньої енергії тієї частини речовини, яка перетворилася у пару внаслідок збільшення відстані між молекулами пари у порівнянні з їх відстанями у рідині. Тому внутрішня енергія одиниці маси пари більша, ніж внутрішня енергія одиниці маси рідини при тій же температурі.

Пропонують учням відповісти і обґрунтувати свої відповіді, від чого залежить швидкість випаровування рідини. З’ясовують роль випаровування у технологічних і природних процесах.

Особливим видом випаровування є явище кипіння. Звертають увагу на зовнішні ознаки явища, на те, що під час кипіння температура рідини не змінюється. Кипіння як і випаровування – це процес пароутворення. Але випаровування відбувається з поверхні рідини за будь-якої температури, а кипіння – це процес пароутворення по всьому об’ємі рідини при певній температурі для кожної речовини, яка залежить від зовнішнього тиску.

Залежність температури кипіння від тиску пояснюють тим, що зовнішній тиск перешкоджає росту бульбашок пари всередині рідини. Цю залежність демонструють за допомогою дослідів. Наприклад, пробірку, заповнену на третину водою, нагрівають до кипіння і, приєднавши до неї гумову грушу, швидко стискують її. Кипіння припиняється, хоча вода нагрівається. Прибирають нагрівник і швидко відпускають грушу і знову спостерігають кипіння рідини. Відомий дослід з кипінням води під ковпаком насоса більш трудомісткий і демонструє лише зниження точки кипіння при зменшенні тиску.

Після пароутворення знайомлять учнів із протилежним процесом – конденсацією пари. Доцільно продемонструвати конденсацію пари, що є у повітрі. Це явище використовують для пояснення кругообігу води в природі, утворення туману, випадання роси.

Наявність теплоти конденсації демонструють за допомогою досліду: кінець гумової трубки, приєднаної до колби з киплячою водою, опускають в склянку з холодною водою. Пара, що попадає у холодну воду, конденсується і рівень води у склянці підвищується. Нагрівання води встановлюють за допомогою термометра. Наливаючи у склянку стільки ж кип’ятку, скільки сконденсувалося пари, ми отримаємо значно менше підвищення температури. Висновок: питома теплота пароутворення показує, на скільки за даної температури внутрішня енергія 1 кг речовини в газоподібному стані більша, ніж 1 кг цієї самої речовини в рідкому стані.

Вивчаючи теплові явища, звертають увагу учнів на те, що ці явища відбуваються згідно із законом збереження енергії. Рівняння, що описують цей закон – це рівняння теплового балансу при теплопередачі, при перетворенні внутрішньої енергії у механічну енергію (теплові двигуни) це формула:

, або

Вивчення теплових двигунів має яскраво виражену політехнічну спрямованість матеріалу, який дозволяє пов’язати теорію з практичним використанням. Основне завдання при вивченні цієї теми – розширити уявлення учнів про перетворення енергії молекул в механічну енергію і механічної енергії в енергію молекул (внутрішню). Вивчають парову турбіну та двигун внутрішнього згоряння. Учні повинні засвоїти, що пара (чи газ) може виконати роботу тільки тоді, коли вона не знаходиться у тепловій рівновазі з навколишнім середовищем, що процес перетворення внутрішньої енергії пари у механічну можливий лише за наявності різних температур.

Пропонують учням дослідити (виконати проект) енергетичні перетворення, які відбуваються у природі, наприклад "Сонце - джерело енергії на Землі", "Вплив температури на клімат і погоду", "Теплові явища на вашій кухні" і ін.