Методические особенности темы «Законы термодинамики. Тепловые двигатели» с применением компьютерных технологий

Освещение проблемы необратимости в молекулярно-кинетической теории основано на использовании статистического метода, применимого для описания поведения системы многих частиц. Решение проблемы необратимости было предложено Больцманом на основе расчета вероятности состояний. Проведенные расчеты показали, что процессы, обратные теплопроводности, диффузии, свободному расширению газа оказываются не абсолютно невозможными, но чрезвычайно маловероятными. При этом очень важно подчеркнуть, что статистические закономерности проявляются лишь в массовых событиях для систем, содержащих очень большое число частиц.

В заключение следует отметить еще одно важное обстоятельство, а именно, правомерность применения законов термодинамики к Вселенной в целом. Оказывается, что рассматривать Вселенную как термодинамическую систему нельзя, поскольку она расширяется и вследствие этого не находится в стационарном состоянии. Кроме того, одним из признаков термодинамической системы является аддитивность некоторых ее характеристик, например, энергии. Исследования последнего времени показали, что этим признаком Вселенная не обладает.

Хорошо известно, что глубокому усвоению теоретического материала способствует решение конкретных задач по изучаемому разделу курса. Поэтому уместно дать методические рекомендации, которыми следует руководствоваться при решении задач по термодинамике.

1. Записать выражение первого закона термодинамики в общем виде.

2. Учитывая условия протекания процесса, заданные в условии задачи, перейти к конкретному выражению первого начала для данного процесса.

3. Пользуясь составленной заранее таблицей, записать выражение всех величин, входящих в уравнение первого закона термодинамики для конкретного процесса.

4. Определиться со значением теплоемкости с учетом заданных условий процесса. При этом следует помнить, что теплоемкость может быть выражена через универсальную газовую постоянную R, величину или число степеней свободы молекул, если речь идет о газе.

5. Определяя работу в ходе процесса, следует иметь в виду, что она может быть найдена графически как площадь под кривой процесса в координатах PV. Если график процесса представлен в других координатах, его нужно перестроить в координатах PV.

6. Поскольку внутренняя энергия идеального газа есть функция только температуры, то для вычисления изменения внутренней энергии необходимо определить конечную температуру газа или ее выражение через другие параметры состояния.

7. Далее, используя уравнение состояния или уравнение заданного процесса, следует установить связь между начальными и конечными параметрами состояния системы, через которые выражены величины, входящие в первое начало.

8. В задачах на вычисление теплоемкости следует записать определение этой величины, из первого начала с учетом условий процесса найти количество теплоты, подведенной к системе, а далее, пользуясь уравнением процесса или уравнением состояния, найти изменение температуры и определить значение теплоемкости.

9. Нередко приходится решать и обратную задачу - по зависимости теплоемкости от параметров состояния найти уравнение процесса, которому соответствует заданное изменение теплоемкости. Решение задач этого типа можно проводить с учащимися, владеющими некоторыми навыками интегрирования элементарных функций.

10. Для определения КПД цикла тепловых машин следует внимательно проанализировать все стадии процесса для того, чтобы определить, на каких участках цикла рабочее тело получает тепло, а на каких - отдает.

11. Далее, вновь пользуясь первым началом термодинамики с учетом условий процесса, рассчитать соответствующие количества теплоты и, используя определение КПД, найти его значение.

Приложение 1

Укажите изменение внутренней энергии системы.

Условные обозначения:

- теплота подводится к системе,

- теплота отводится от системы,

- система совершает работу,

- работа над системой совершается внешними силами,

- внутренняя энергия системы увеличивается,

- внутренняя энергия системы уменьшается.

Подробно о педагогике:

Сущность и истоки жестокого обращения с ребенком в семье
Первый опыт переживания и разрешения конфликтов между ребенком и близкими родственниками закладывает основу его предрасположенности к возникновению того или иного типа конфликта в будущем, поведения в них и способов их разрешения. Постепенно растет сфера общения ребенка, в нее включаются различные ...

Практическое усвоение конструкций сложных предложений
После усвоения детьми предшествующего материала и многократного закрепления его, логопед приступил к обучению детей применять грамматические конструкции в сложных предложениях. Первоначально логопед отрабатывал с детьми структуру сложносочиненного предложения, используя соединительный союз «и» (На ...

Структурная модель учебно-научно-инновационного социально ориентированного университетского комплекса
ЮРГУЭС является многоуровневым учебно-научно-инновационным комплексом – единственным вузом сервисного профиля, легкой и текстильной промышленности на юге России (рис. 1). учебный инновационный социальный образование Рис. 1. Структурная модель учебно-научно-инновационного университетского комплекса ...