Расширение газа при нагревании в цилиндре с подвижным поршнем
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 19.09.2024
Доступно для всех учеников 1-11 классов и дошкольников
Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний.
Дидактическая цель: ввести понятие "изопроцесс"; изучить газовые законы.
Образовательные: изучить газовые законы; формировать умение объяснять законы с молекулярной точки зрения; изображать графики процессов; начать обучение учащихся решать графические и аналитические задачи, используя уравнение состояния и газовые законы; установление межпредметных связей (физика, математика, биология).
Воспитательные: продолжить формирование познавательного интереса учащихся; в целях интернационального воспитания обратить внимание учащихся, что физика развивается благодаря работам ученых различных стран и исторических времен; продолжить формирование стремления к глубокому усвоения теоретических знаний через решение задач.
Развивающие: активизация мыслительной деятельности (способом сопоставления), формирование алгоритмического мышления; развитие умений сравнивать, выявлять закономерности, обобщать, логически мыслить; научить применять полученные знания в нестандартных ситуациях для решения графических и аналитических задач.
Место урока в разделе "Основы МКТ": урок проводился в 10 классе после изучения основ молекулярно-кинетической теории газов и понятия температура.
I . Актуализация знаний (мотивационный этап)
Что является объектом изучения МКТ? (Идеальный газ.)
Что в МКТ называется идеальным газом? (Идеальный газ – это газ, в котором взаимодействием между молекулами можно пренебречь.)
Для того чтобы описать состояние идеального газа, используют три термодинамических параметра. Какие? (Давление, объем и температура.)
Какое уравнение связывает между собой все три термодинамических параметра? (Уравнение состояния идеального газа).
Ни один термодинамический параметр нельзя изменить, не затронув один, в то и два других параметра. Бывает так, что газ данной массы переходит из одного состояния в другое, изменяя только два параметра, оставляя третий неизменным. Такой переход называется изопроцессом, а уравнение его закономерности - газовым законом.
Изопроцесс – процесс, при котором масса газа и один из его термодинамических параметров остаются неизменными.
Газовый закон – количественная зависимость между двумя термодинамическими параметрами газа при фиксированном значении третьего.
Газовых закона, как и изопроцесса – три. Используя уравнение состояния идеального газа, можно вывести все три закона за 10 минут. Но в истории физики эти открытия были сделаны в обратном порядке: сначала экспериментально были получены газовые законы, и только потом они были обобщены в уравнение состояния. Этот путь занял почти 200 лет: первый газовый закон был получен в 1662 году физиками Бойлем и Мариоттом, уравнение состояния – в 1834 году Клапейроном, а более общая форма уравнения – в 1874 году Д.И.Менделеевым.
II . Изучение нового материала
История открытия закона
Формула и формулировка закона
1. Изотермический процесс – процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре.
Для идеального газа изотермический процесс описывается законом Бойля-Мариотта.
Закон установлен экспериментально до создания молекулярно-кинетической теории газов английским физиком Робертом Бойлем в 1662 году и французским аббатом Эдмоном Мариоттом, который описал независимо от Бойля аналогичные опыты в 1676 году.
Для газа данной массы при постоянной температуре произведение давления на объем постоянно.
Закон Бойля-Мариотта справедлив для любых газов, а так же и для их смесей, например, для воздуха. Лишь при давлениях, в несколько сотен раз больших атмосферного, отклонения от этого закона становятся существенными.
Изотермическим можно приближенно считать процесс медленного сжатия воздуха или расширения газа под поршнем насоса при откачке его из сосуда. Правда температура газа при этом меняется, но в первом приближении этим изменением можно пренебречь.
Однако газовые законы активно работают не только в технике, но и в живой природе, широко применяются в медицине.
Выдох происходит аналогично: вследствие уменьшения объема легких давление воздуха в них становится больше, чем внешнее атмосферное, и за счет обратного перепада давлений он переходит наружу.
2. Изобарный процесс – процесс изменения состояния термодинамической системы, протекающий при постоянном давлении.
Для идеального газа изобарный процесс описывается законом Гей-Люссака.
Закон установлен в 1802 году французским физиком Гей-Люссаком, который определял объем газа при различных значениях температур в пределах от точки кипения воды. Газ содержали в баллончике, а в трубке находилась капля ртути, запирающая газ, расположенная горизонтально.
Закон Гей-Люссака (изобарный процесс p = const )
ля газа данной массы при постоянном давлении отношение объема к температуре постоянно.
Изобарным можно считать расширение газа при нагревании его в цилиндре с подвижным поршнем, если внешнее давление постоянно. Давление в цилиндре постоянно и равно сумме атмосферного давления и давления mпg/S поршня.
Из уравнения состояния (10.4) вытекает, что в любом состоянии газа с неизменным объёмом отношение давления газа к его температуре остаётся постоянным:
Этот газовый закон был установлен в 1787 г. французским физиком Ж. Шарлем (1746—1823) и носит название закона Шарля.
Согласно уравнению (10.9) давление газа при постоянном объёме пропорционально температуре:
Разным объёмам соответствуют разные изохоры. Также проведём на рисунке произвольную изотерму (рис. 10.3). С ростом объёма газа при постоянной температуре давление его, согласно закону Бойля— Мариотта, падает. Поэтому изохора, соответствующая большему объёму V2, лежит ниже изохоры, соответствующей меньшему объёму V1.
В соответствии с уравнением (10.10) все изохоры идеального газа начинаются в точке Т = 0. Значит, давление идеального газа при абсолютном нуле равно нулю.
Увеличение давления газа в любом сосуде или в электрической лампочке при нагревании можно считать изохорным процессом. Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного объёма.
Можно ли утверждать, что изохорный процесс равновесный?
В заключение составим опорную схему (рис. 10.4) и покажем логические переходы, связывающие различные законы и уравнения.
Вопросы к параграфу
1. Вы надули щёки. При этом и объём, и давление воздуха у вас во рту увеличиваются. Как это согласовать с законом Бойля—Мариотта?
2. Как можно осуществить изотермический, изобарный и изохорный процессы? Какое состояние системы (газа) считается равновесным?
3. Как качественно объяснить газовые законы на основе молекулярно-кинетической теории?
Согласно уравнению (10.4) в любом состоянии газа с неизменным давлением отношение объёма газа к его температуре остаётся постоянным:
Этот закон был установлен экспериментально в 1802 г. французским учёным Ж. Гей-Люссаком (1778—1850) и носит название закона Гей-Люссака.
Согласно уравнению (10.7) объём газа при постоянном давлении пропорционален температуре:
V = const • Т. (10.8)
Разным давлениям соответствуют разные изобары (рис. 10.2). Проведём на рисунке произвольную изотерму. С ростом давления объём газа при постоянной температуре согласно закону Бойля— Мариотта уменьшается. Поэтому изобара, соответствующая более высокому давлению р2, лежит ниже изобары, соответствующей более низкому давлению p1.
В области низких температур все изобары идеального газа сходятся в точке Т = 0. Но это не означает, что объём реального газа обращается в нуль. Все газы при сильном охлаждении превращаются в жидкости, а к жидкостям уравнение состояния (10.4) неприменимо. Именно поэтому, начиная с некоторого значения температуры, зависимость объёма от температуры проводится на графике штриховой линией. В действительности таких значений температуры и давления у вещества в газообразном состоянии быть не может.
Изобарным можно считать расширение газа при нагревании его в цилиндре с подвижным поршнем, если внешнее давление постоянно. Давление в цилиндре постоянно и равно сумме атмосферного давления и давления mпg/S поршня.
Из уравнения состояния (10.4) вытекает, что в любом состоянии газа с неизменным объёмом отношение давления газа к его температуре остаётся постоянным:
Этот газовый закон был установлен в 1787 г. французским физиком Ж. Шарлем (1746—1823) и носит название закона Шарля.
Согласно уравнению (10.9) давление газа при постоянном объёме пропорционально температуре:
р = const • Т. (10.10)
Разным объёмам соответствуют разные изохоры. Также проведём на рисунке произвольную изотерму (рис. 10.3). С ростом объёма газа при постоянной температуре давление его, согласно закону Бойля— Мариотта, падает. Поэтому изохора, соответствующая большему объёму V2, лежит ниже изохоры, соответствующей меньшему объёму V1.
В соответствии с уравнением (10.10) все изохоры идеального газа начинаются в точке Т = 0. Значит, давление идеального газа при абсолютном нуле равно нулю.
Увеличение давления газа в любом сосуде или в электрической лампочке при нагревании можно считать изохорным процессом. Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного объёма.
Можно ли утверждать, что изохорный процесс равновесный?
В заключение составим опорную схему (рис. 10.4) и покажем логические переходы, связывающие различные законы и уравнения.
Вопросы к параграфу
1. Вы надули щёки. При этом и объём, и давление воздуха у вас во рту увеличиваются. Как это согласовать с законом Бойля—Мариотта?
2. Как можно осуществить изотермический, изобарный и изохорный процессы? Какое состояние системы (газа) считается равновесным?
Согласно уравнению (10.4) в любом состоянии газа с неизменным давлением отношение объёма газа к его температуре остаётся постоянным:
Этот закон был установлен экспериментально в 1802 г. французским учёным Ж. Гей-Люссаком (1778—1850) и носит название закона Гей-Люссака.
Согласно уравнению (10.7) объём газа при постоянном давлении пропорционален температуре:
V = const • Т. (10.8)
Разным давлениям соответствуют разные изобары (рис. 10.2). Проведём на рисунке произвольную изотерму. С ростом давления объём газа при постоянной температуре согласно закону Бойля— Мариотта уменьшается. Поэтому изобара, соответствующая более высокому давлению р2, лежит ниже изобары, соответствующей более низкому давлению p1.
В области низких температур все изобары идеального газа сходятся в точке Т = 0. Но это не означает, что объём реального газа обращается в нуль. Все газы при сильном охлаждении превращаются в жидкости, а к жидкостям уравнение состояния (10.4) неприменимо. Именно поэтому, начиная с некоторого значения температуры, зависимость объёма от температуры проводится на графике штриховой линией. В действительности таких значений температуры и давления у вещества в газообразном состоянии быть не может.
Изобарным можно считать расширение газа при нагревании его в цилиндре с подвижным поршнем, если внешнее давление постоянно. Давление в цилиндре постоянно и равно сумме атмосферного давления и давления mпg/S поршня.
Из уравнения состояния (10.4) вытекает, что в любом состоянии газа с неизменным объёмом отношение давления газа к его температуре остаётся постоянным:
Этот газовый закон был установлен в 1787 г. французским физиком Ж. Шарлем (1746—1823) и носит название закона Шарля.
Согласно уравнению (10.9) давление газа при постоянном объёме пропорционально температуре:
р = const • Т. (10.10)
Разным объёмам соответствуют разные изохоры. Также проведём на рисунке произвольную изотерму (рис. 10.3). С ростом объёма газа при постоянной температуре давление его, согласно закону Бойля— Мариотта, падает. Поэтому изохора, соответствующая большему объёму V2, лежит ниже изохоры, соответствующей меньшему объёму V1.
В соответствии с уравнением (10.10) все изохоры идеального газа начинаются в точке Т = 0. Значит, давление идеального газа при абсолютном нуле равно нулю.
Увеличение давления газа в любом сосуде или в электрической лампочке при нагревании можно считать изохорным процессом. Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного объёма.
Можно ли утверждать, что изохорный процесс равновесный?
В заключение составим опорную схему (рис. 10.4) и покажем логические переходы, связывающие различные законы и уравнения.
Вопросы к параграфу
1. Вы надули щёки. При этом и объём, и давление воздуха у вас во рту увеличиваются. Как это согласовать с законом Бойля—Мариотта?
2. Как можно осуществить изотермический, изобарный и изохорный процессы? Какое состояние системы (газа) считается равновесным?
Доступно для всех учеников 1-11 классов и дошкольников
Конспект урока физики в 10 классе
Цель занятия: изучение и первичное закрепление полученных знаний о газовых законах (их значение в природе и технике, закономерности).
Задачи занятия:
Развивающие: закрепить знание уравнений состояния идеального газа и их применение при решении задач, развивать умение сравнивать, выявлять закономерности, обобщать, логически мыслить; научить применять полученные знания в нестандартных ситуациях для решения графических и аналитических задач, раскрыть взаимосвязь между изученным теоретическим материалом и явлениями в жизни;
Воспитательные: воспитывать самостоятельность, трудолюбие, точность и четкость при ответе, сознательное отношение к процессу обучения, формировать практические навыки в применении и закреплении полученных знаний, познавательный интерес к предмету, развивать умение видеть физику вокруг себя, творческий подход к решению задач
Сегодня, ребята, мы попытаемся, используя уже накопленные нами знания, пройти сложный путь первооткрывателей и сформулировать пусть уже открытые законы. Но мы пока учимся, а дальше, может быть, вам откроется то, о чем сегодня ученые даже не думают. Повторим то, что изучали ранее.
Фронтальный опрос
Что является объектом изучения молекулярно-кинетической теории? ( Идеальный газ )
Что в молекулярно-кинетической теории называется идеальным газом? ( Идеальный газ – это модель, в которой взаимодействием между молекулами и размерами молекул можно пренебречь )
Каковы нормальные условия для идеального газа? ( давление 101 325 Па, температура 273,13 К, объем 1 моля газа – 22,4 дм 3 )
Для того чтобы описать состояние идеального газа, используют три термодинамических параметра. Какие? ( Давление, объем и температура )
Какие макроскопические параметры связываются уравнением Клапейрона – Менделеева? ( Давление, объем, температура )
Письменная проверка домашнего задания
А) Тест (слайд 3)
1. Как изменится давление идеального одноатомного газа при изменении его объема в 4 раза и увеличении температуры в 2 раза?
А. Увеличится в 8 раз
Б. Уменьшится в 4 раза
В. Увеличится в 2 раза
2. Вычислите давление кислорода массой 0,032 кг в сосуде объемом
8,3 м 3 при температуре 100 0 С.
3. Как изменится масса воздуха в помещении, если температура увеличится?
4. Чему равен объем одного моля идеального газа при нормальных условиях?
Вариант 1: Какова температура 1,6·10 -2 кг кислорода, находящегося под давлением 10 6 Па и занимающего объем 1,6·10 -3 м 3 ? Молярная масса кислорода 32·10 -3 кг/моль.
Вариант 2: Определите давление воздуха в сосуде объемом 2·10 -3 м 3 , если его масса 1,2 ·10 -2 кг, температура 27 0 С, а молярная масса 29·10 -3 кг/моль.
Изучение нового материала
Мы знаем, что состояние данной массы газа полностью определено, если известны его давление , температура и объем - параметры состояния газа.
Изопроцесс. Газовый закон
Особый интерес представляют процессы, в которых один из параметров (p, V или T) остается неизменным. Такие процессы называются изопроцессами. Запишите определение
Изопроцесс – это переход газа из одного состояния в другое, при котором масса газа и один из его термодинамических параметров остаются неизменными. ( слайд 8)
Газовый закон – количественная зависимость между двумя термодинамическими параметрами газа при фиксированном значении третьего. (слайд 9)
Газовых закона, как и изопроцесса – три. Используя уравнение состояния идеального газа, можно вывести все три закона за 10 минут. Но в истории физики сначала экспериментально были получены газовые законы, и только потом они были обобщены в уравнение состояния. Этот путь занял почти 200 лет: первый газовый закон был получен в 1662 году физиками Бойлем и Мариоттом, уравнение состояния – в 1834 году Клапейроном, а более общая форма уравнения – в 1874 году Д.И. Менделеевым.
4 .1 Изотермический процесс
Изотермический процесс – процесс изменения состояния определенной массы газа при постоянной температуре (Т= const ) (слайд 10)
Для идеального газа изотермический процесс описывается законом Бойля-Мариотта. Закон установлен экспериментально до создания молекулярно-кинетической теории газов английским физиком Робертом Бойлем в 1662 году и французским аббатом Эдмоном Мариоттом, который описал независимо от Бойля аналогичные опыты в 1676 году
Формулировка: Для газа данной массы при постоянной температуре произведение давления на объем постоянно:
Закон Бойля-Мариотта справедлив для любых газов, а так же и для их смесей, например, для воздуха. Лишь при давлениях, в несколько сотен раз больших атмосферного, отклонения от этого закона становятся существенными. Изотермическим можно приближенно считать процесс медленного сжатия воздуха или расширения газа под поршнем насоса при откачке его из сосуда. Правда, температура газа при этом меняется, но в первом приближении этим изменением можно пренебречь.
При изотермическом расширении происходит уменьшение средней кинетической энергии молекул газа, т. е газ охлаждается . Поэтому для поддержания постоянной температуры газа к нему нужно подводить тепло.
Графически этот закон можно изобразить в виде изотермы , которую вы видите в осях ( p , V ) ( V , T ) ( p , T ) (слайд 12)
Решим задачу: (слайд 13) Сосуд объемом 12 л, содержащий газ при давлении 4·10 5 Па, соединяют с другим сосудом объемом 3 л, из которого полностью откачан воздух. Найти конечное значение давления. Процесс изотермический.
4.2 Изобарный процесс
Изобарный процесс – процесс изменения состояния определенной массы газа, протекающий при постоянном давлении (Р= const ) (слайд 14).
Для идеального газа изобарный процесс описывается законом Гей-Люссака. Закон установлен в 1802 году французским физиком Жозефом Луи Гей-Люссаком, который определял объем газа при различных значениях температур в пределах от точки кипения воды. Газ содержали в баллончике, а в трубке находилась капля ртути, запирающая газ, расположенная горизонтально
Формулировка: для газа данной массы при постоянном давлении отношение объема газа к его термодинамической температуре постоянно:
Графически этот закон изображается с помощью изобары . Вы видите изобары в осях ( p , V ) ( p , T ) ( V , T ) (слайд 16)
Изобарным можно считать расширение газа при нагревании его в цилиндре с подвижным поршнем. Постоянство давления в цилиндре обеспечивается атмосферным давлением на внешнюю поверхность поршня.
При изобарном расширении температура газа и соответственно средняя квадратичная скорость молекул возрастают за счет тепла, подводимого к газу.
Решим задачу: (слайд 17) Газ при температуре 300 К занимает объем 250 см 3 . Какой объем займет та же масса газа, если температура повысится до 324 К? Давление считать постоянным.
4.3 Изохорный процесс
Изохорный процесс – процесс изменения состояния определенной массы газа, протекающий при постоянном объеме ( V = const ). (слайд 18)
Для идеального газа изохорный процесс описывается законом Шарля. В 1787 году французский ученый Жак Александр Цезар Шарль измерял давление различных газов при нагревании при постоянном объеме и установил линейную зависимость давления от температуры, но не опубликовал исследования. Через 15 лет к таким же результатам пришел и Гей-Люссак и, будучи на редкость благородным, настоял, чтобы закон назывался в честь Шарля (слайд 19)
Формулировка: Для газа данной массы при постоянном объеме отношение давления к температуре постоянно:
Что происходит с давлением при нагревании? При охлаждении? Почему? Графически этот закон изображается с помощью изохоры: (слайд 20) эта зависимость показана в координатах ( V , T ) ( p , T ) и (р, V )
Изохорным можно считать увеличение давления газа в любой емкости или в электрической лампочке при нагревании.
При изохорном нагревании газа за счет подводимого к нему тепла средняя квадратичная скорость молекул и соответственно температура и давление газа возрастают.
Решим задачу. (слайд 21) Газ находится в баллоне при температуре 288 К и давлении 18 атм. При какой температуре давление газа станет равным 15,6 атм? Объем газа считать неизменным.
Закрепление и систематизация полученных знаний
А теперь проверим, насколько хорошо вы разобрались в газовых законах. Необходимо самостоятельно выполнить задания (слайд 22)
Задание 6. Даны графики процессов в различных системах координат:
Найти во всех трех системах координат:
Подведение итогов и рефлексия
Сегодня мы с вами хорошо поработали. Результаты следующие (выставить и прокомментировать оценки). А еще ответьте на вопросы:
1. Сегодняшний урок мне (понравился или не понравился)
2. Мне понравилось …(назвать, что именно)
3. Что нового узнали? Чему научились?
Домашнее задание :
§ 54 ( учебник Физика – 10, Касьянов В.А)
№ 500, 509, 511, 515 (Сборник задач по физике – А.П. Рымкевич, П.А. Рымкевич)
Решить задачу: При температуре 27 о С давление газа в закрытом сосуде было 75кПа. Каким будет давление этого газа при температуре – 13 о С?
Читайте также: