22. Нма «основы тд»

С тепловым движением связана внутренняя энергия. При рассмотрении тепловых явлений под внутренней энергией можно понимать сумму кинетической энергии хаотического движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия:U=E_k + E_р Внутренняя энергия может изменяться под действием каких-либо внешних факторов: либо при совершении работы, либо в процессе теплопередачи. В первом случае мерой изменения внутренней энергии является работа, во втором - количество переданной теплоты. Работа, так же как и количество теплоты, зависит не только от конечного и начального состояний системы, но и от того, при каком процессе происходило изменение состояния. Количество теплоты и работа характеризуют процесс изменения состояния и не являются функциями состояния.

Имеют место различные пути формирования понятий энергии и работы при изучении механики в средней школе.

1) Ввести понятие энергии независимо от понятия работы, с последующим раскрытием связи между работой и энергией. Суть этого подхода заключается в отыскании сохраняющейся в механических процессах величины , в которой - кинетическая энергия, а -потенциальная. Затем вводят работу как изменение энергии в механических процессах. Недостаток такого подхода в средней школе определяется тем, что учащиеся должны следить за сохранением величины, значение которой выясняется после ее вывода.

2) Совместно ввести понятия энергии и работы из уравнения, связывающего работу с изменением кинетической энергии. При таком подходе изучение энергетических понятий начинают с рассмотрения явлений разгона и торможения тел. Никакая сила не может мгновенно изменить движение. Вычисляя перемещение, получают уравнение .Первый член называют кинетической энергией, второй — механической работой. Чтобы тело приобрело эту энергию, оно должно пройти соответствующий путь разгона. Потенциальную энергию вводят как «запас», за счет которого и возникает кинетический энергии. Через выявление далее постоянства суммы кинетической и потенциальной энергии вводят механическую энергию как величину, не только не изменяющуюся в механических процессах, но и способную к превращениям.

Из проведённого выше анализа следует, что понятия работы и энергии – близкие понятия и, следовательно, в практике преподавания их следует различать.

Следует разъяснить школьникам, что работа и теплопередача -неравноценные способы изменения энергии. Работа - изменение энергии упорядоченного движения, совершение работы может привести к изменению как механической, так и внутренней энергии. При теплопередаче изменяется энергия хаотического движе­ния частиц системы, а это ведет лишь к изменению ее внутренней энергии. Впервые с понятием внутренней энергии учащихся знакомят в базовом курсе. В старших классах понятие внутренней энергии получает дальнейшее развитие и обобщение на основе молекулярно-кинетических и термодинамических представлений. В частности, внутреннюю энергию рассматривают как величину, зависящую от состояния тела (или системы), определяемого термодинамическими параметрами (р, V, Т). Используя первый закон термодинамики, показывают, как изменяется внутренняя энергия идеального газа при различных изопроцессах, и объясняют характер этого изменения с молекулярно-кинетической точки зрения.

В школьном курсе физики первый закон термодинамики изучают как обобщение большого числа опытных данных, устанавливавших соотношение между количеством теплоты, получаемым за счет работы, и совершенной работой. Прежде чем приступить к изучению первого закона термодинамики, повторяют закон сохранения энергии в механических процессах. Далее рассматривают, какими способами можно изменить внутреннюю энергию системы: внутреннюю энергию можно изменить либо в процессе теплопередачи, либо при совершении работы, либо при совершении работы и при теплопередаче одновременно. Делают вывод: изменение внутренней энергии системы равно сумме количества теплоты, переданного системе, и работе внешних сил над системой: ΔU=Q + A, где ΔU - изменение внутренней энергии, равное разности значений внутренней энергии в конечном и в начальном состояниях. Эту формулу можно записать иначе: ΔQ = AU+A', (A' = -A). Далее рассматриваются примеры применения первого закона термодинамики к изопроцессам в идеальных газах. Усвоению первого закона термодинамики способствует и решение вычислительных задач. Рассмотрение применения первого начала термодинамики к изопроцессом создает основу для понимания старшеклассниками принципов работы тепловых двигателей. В курсе физики старших классов рассматривают энергетические процессы, происходящие при работе тепловых двигателей. При изучении принципов работы тепловых двигателей прежде всего вводят понятие необратимости и формируют представление о втором законе термодинамики. После этого рассмотр-ся принцип работы идеальной тепловой машины Карно. Важным является вопрос о коэффициенте полезного действия. Как известно, КПД - это отношение полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя. Температура представляет собой макроскопический параметр состояния системы, физический смысл которого может быть раскрыт лишь на основе молекулярно-кинетических представлений. Научное содержание понятия температуры опирается на постулат о тепловом равновесии системы и на свойства теплового равновесия. Эти свойства следующие:

1. если два тела находятся в тепловом равновесии с одним и тем же третьим телом, то они находятся в тепловом равновесии друг с другом (транзитивность теплового равновесия);

2. существует такая физическая величина, значения которой во всех точках равновесной системы одинаковы (эту величину, характеризующую тепловое равновесие, называют температурой);

3. при равновесии возможно одно единственное распределение энергии системы по ее частям; при увеличении энергии системы растут энергии ее частей. В связи с этим температуру можно определить как функцию, характеризующую состояние равновесной системы, увеличивающуюся с ростом внутренней энергии системы. С точки зрения МКТ температура - мера средней кинетической энергии молекул идеального газа. Понятие температуры - процесс, состоящий из нескольких этапов. I. Пропедевтический этап. Температуру вводят как одну из величин, характеризующих тепловое состояние тел. Рассматривают способ измерения температуры. Далее говорят о том, что скорость движения молекул и температура тела связаны между собой: чем больше скорость движения молекул, тем выше температура тела. На данном этапе важно, чтобы учащиеся усвоили связь температуры тела и скорости движения молекул и правила использования термометра. Целесообразно ознакомить их с принципом построения шкалы Цельсия.

II. Основной этап. В старших классах понятие температуры формируют постепенно. Сначала понятие температуры вводят на качественном уровне, а затем при изучении основ теории идеального газа раскрывают статистический смысл температуры. 1) Качественно понятие температуры вводят при рассмотрении свойств теплового равновесия. Температура - физическая величина, характери­зующая состояние теплового равновесия системы: во всех частях системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, темпера­тура имеет одно и то же значение. Если одно из состояний принять за нулевое, то температура системы указывает степень отклонения ее состояния от теплового состояния, принятого за нулевое. Далее необходимо раскрыть статистический смысл понятия температуры, сказав о том, что при тепловом равновесии средние кинетические энергии молекул всех тел системы выравниваются. Следовательно, с точки зрения МКТ температура является мерой средней кинетической энергии хаотического движения молекул. Необходимо рассмотреть способ измерения температуры. Полезно показать учащимся, как строить эмпирическую шкалу Цельсия. 2) Вводят понятия абсолютной температуры и абсолютной шкалы температур. При индуктивном изучении газовых законов понятие абсолютной температуры в ряде учебных пособий вводят после изучения закона Гей-Люссака или закона Шарля путем экстраполирования этих законов на область низких температур. 3) Можно выделить четыре подхода к объяснению статистического смысла понятия температуры. а) Определяя температуру как величину, пропорциональную средней кинетической энергии молекул, следует иметь в виду, что такое определение ограничивается рамками классической теории; в квантовой статистике, где не выполняется теорема Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы, это опреде­ление нельзя считать приемлемым. Поэтому приведенное опреде­ление температуры не является полным и не может быть принято в качестве основного. б) Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул и температура одинаково характеризуют процесс перехода к тепловому равновесию: средняя кинетическая энергия микроскопически, а температура макроскопически. Следовательно, эти величины связаны между собой. в) Понятие температуры как меры средней кинетической энергии поступательного движения молекул может быть введено как следствие основного уравнения кинетической теории газов) Возможен подход, при котором понятие абсолютной температуры вводят при рассмотрении различных газов в состоянии теплового равновесия.