Разработка устройства для получения энергии при изменении агрегатного состояния воды

Аннотация

Данная проектная работа ставит целью аккумулировать знания учащихся из различных разделов школьного курса физики, прежде всего разделов механики и термодинамики. Выполнение проекта требует обращения учащихся к основным понятиям и законам этих предметных областей. Кроме того, актуальность исследования обосновывается данными смежных учебных дисциплин: географии, экологии, биологии. Работа над проектом стимулирует развитие конструкторского мышления и технологических умений.

Курс физики. Раздел «Термодинамика». Тема: «Изменение агрегатного состояния вещества». Раздел «Механика». Тема: «Закон сохранения и превращения энергии»

1. Дидактический материал к установочным и иовторно-обоб- щающим занятиям по разделу «Термодинамика»

Основные вопросы

  • • Объект и предмет изучения термодинамики.
  • • Связь термодинамики с другими разделами физики и научными дисциплинами.
  • • Структура раздела термодинамики. Концептуальная схема термодинамики как основа раскрытия содержания раздела.
  • • Превращение энергии при изменении агрегатного состояния вещества. Особенности изменения агрегатного состояния воды. Теория и эксперимент.
  • • Типовые задачи на изменение агрегатного состояния жидкостей.

Опорные схемы для актуализации основных понятий и логических связей курса школьной термодинамики

Предмет изучения термодинамики (концептуальные схемы 1 и 2)

Концептуальная схема:

  • • задает границы изучаемого предмета, демонстрирует учащимся его внутреннюю упорядоченность;
  • • фиксирует основные элементы содержания учебного предмета, их связи и отношения в виде законов предметной области;
  • • раскрывает перспективы изучения представленного материала, позволяя обозначить возможные траектории познавательного продвижения в нем;
  • • является ориентировочной основой преобразовательных действий в решении задач соответствующей предметной области;
  • • выступает эффективным инструментом для учащихся по актуализации уже усвоенных знаний.

Концептуальная схема выступает как опора, логически связующая новые для учащегося знания в общую систему учебного предмета. Рациональное использование концептуальной схемы в ходе учебного процесса направлено на то, чтобы учащийся не «потерялся» в частностях учебного предмета, а сумел встроить и интерпретировать каждый элемент предметного знания в системе базовых понятий. Все это обеспечивает понимание учащимся материала учебного предмета, а не только воспроизведение им предметных знаний, которое, как правило, выполняется преимущественно с опорой на память.

Схема 1

Предмет изучения молекулярной физики (качественное описание)

Термодинамические

величины

Основные

термодинамические состояния вещества

Твердое

Жидкое

Газообразное

Пространственная характеристика

Форма тела Деформация

Объем тела Форма сосуда

Объем сосуда

Время, t

Изучаются квазистационарные1 процессы и состояния

Силовая характеристика (FMM — силы межмолекулярного взаимодействия)

Взаимодействие всех элементов структуры друг с другом:

FMM очень велики

Взаимодействие

близлежащих

частиц:

F,M, имеют заметное значение

FMM пренебрежимо малы

Энергия внутренняя (кинетическая Ек и потенциальная ?п)

Ек« Еп

Екп

Ек» Еп

Температура,

Т

Кельвин, К

Нагревание

Охлаждение

Плавление

Тплае = Тою = = const

Отвердевание

Нагревание

Охлаждение

Испарение

  • испар =
  • — ' конден

= const

Конденсация

Нагревание

Охлаждение

Изменение температуры меняет агрегатное состояние вещества

Прочие характеристики

Масса, удельная теплоемкость, удельная теплота плавления, жесткость и др.

Масса, удельная теплоемкость, удельная теплота парообразования, вязкость

Масса, молярная теплоемкость (зависит от условий процесса)

Приставка «квази-» к термину переводится с латинского русским словом «как бы». В нашем случае обоснованно предполагается справедливость законов термодинамики вне зависимости быстроты их протекания, как бы независимо от времени. В реальности, конечно, изменения состояний (процесс) происходят постепенно, друг за другом, т. е. во времени.

Схема 2

Предмет изучения классической термодинамики (количественные соотношения)

Термодинамические

величины

Основные

термодинамические состояния вещества

Твердое

Жидкое

Газообразное

Пространственная характеристика

Зависимость пространственных характеристик от температуры

Объем тела Форма тела Тепловое расширение твердого тела L = L0( 1 + аДТ) 1/=V0(1 + ЗаЛТ) при пост, давлении

Объем тела Форма сосуда Тепловое расширение жидкости

/=V0(1 +рд Т)

при пост, давлении

Объем сосуда Форма сосуда Тепловое расширение газа l/=V0x Т/Т0 при пост, давлении

Время

Рассматриваем квазистационарные состояния

Сила

Зависимость сил от температуры

Силы упругой деформации

F= -кх; у= о|Е|

Упругость часто уменьшается с ростом температуры

Силы поверхностного натяжения

F= ст L

уменьшаются с увеличением температуры

Давление газа- макро: Р=Р0хТ/Т0 при постоянном объеме микро:

Р = п х EKm х 2/3

Температура

Изменение агрегатного состояния в зависимости от температуры

Температура плавления и отвердевания

Температура кипения и конденсации

Любая температура, пока газ «похож» на идеальный

PV=RT

Энергия

Внутренняя энергия

Закон сохранения энергии применим и к тепловым процессам

Внутренняя

энергия:

Q = тс(Тг - - Т) — нагревание

Оп„ = тх — плавление

Энергия упругой деформации:

?упр = кх /2

Внутренняя

энергия:

Q = тс(Т2- - Т) — нагревание

Опл = mr — кипение

Энергия

поверхности:

Е = ст х S

ЕВн = PVj/2

внутренняя

энергия

A = Px(V2-

- Л) — работа газа при расширении

Е2 - Ел = О -

- А — изменение внутренней энергии газа

Окончание схемы 2

Термодинамические

величины

Основные

термодинамические состояния вещества

Твердое

Жидкое

Газообразное

Л = (7"i - T2)/Ti — кпд теплового двигателя

Специфические

характеристики

Модуль Юнга — |?|

Удельная теплоемкость — с

Удельная теплота плавления — X

Коэффициент поверхностного натяжения — СТ Удельная теплоемкость — с Удельная теплота парообразования — г

= Я х //2

Ср = Я х (/ + 2)/2

Молекул, теплоемкость

К= 1,38 х х КГ23 Дж/К — постоянная Больцмана

R = 8,31 Дж/(мольК) — универсальная газовая постоянная

Разобраться в причинах превращения вещества из одного состояния в другое нельзя без изучения структуры вещества, тех мельчайших единиц — атомов и молекул, — из которых состоит любое вещество. Поэтому следует проводить не только макроописание, т. е. описание всего объекта в целом, но и микроописание — описание атомов и молекул, из которых объект состоит. Соответственно некоторые основные физические величины будут использованы для такого двойного описания.

Так, пространственные характеристики на макроуровне — это прежде всего форма и размеры тела, объем тела, площадь поверхности тела и изменения этих параметров (деформация, расширение и др.). На микроуровне — это прежде всего размеры молекул и расстояния между ними. Силовая характеристика на макроуровне описывает силы, приложенные к объекту в целом, например силы упругости, а на микроуровне — силы взаимодействия молекул.

Типовые задачи к изучению темы

  • 1. В калориметр, где находилось 60 г воды при температуре = 80 °С, добавили 120 г воды при температуре t2 = = 20 °С. Какого значения достигла температура воды в калориметре? Теплоемкостью калориметра пренебречь.
  • 2. В калориметр, где находилось 60 г воды при температуре t = 20 °С, добавили 20 г тающего льда. Какого значения достигла температура воды в калориметре? Теплоемкостью калориметра пренебречь.
  • 3. В калориметр, где находилось 60 г воды при температуре t = 80 °С, добавили 120 г льда при температуре t2 = = —20 °С. Какого значения достигла температура воды в калориметре? Теплоемкостью калориметра пренебречь.
  • 4. С какой скоростью должна лететь ледяная пуля, имеющая нулевую температуру, чтобы при ударе о препятствие полностью расплавиться? Считать, что вся энергия удара пошла на плавление пули.
  • 5. На тающий лед положили алюминиевый кубик. До какой температуры должен быть нагрет кубик, чтобы в результате теплообмена он полностью погрузился в лед? Считать, что вся тепловая энергия кубика пошла на плавление льда.
  • 6. Насколько различается температура воды у вершины и подножья водопада высотой 100 м? Считать, что вся энергия падающей воды переходит в тепловую энергию.
  • 7. При одинаковых условиях происходит нагрев шара в двух случаях. В первом — шар находится на поверхности, во втором — подвешен на нити.

Одинаковое ли количество теплоты потребуется на нагревание шара в обоих случаях? Считать, что вся сообщаемая энергия нагревания сообщается шару.

  • 8. В чайник положили 1 кг льда при температуре t = -20 °С. Чайник поставили на электрическую плиту и забыли своевременно выключить. В результате нагревания лед обратился в воду, которая через некоторое время полностью выкипела. Определите энергию, затраченную на этот процесс. Определите стоимость энергозатрат для этого случая. Стоимость одного килловатт/часа составляет 2 руб. 40 коп.
  • 9. В калориметр с пренебрежимо малой теплоемкостью налили воду массой тводы и температурой ?воды, а также поместили лед массой тлъяа и температурой ?льда. Определить содержимое калориметра и его температуру после теплообмена. Исследовать решение задачи.
  • 2. Дидактический материал к повторно-обобщающим занятиям по разделу «Механика». Тема: «Закон сохранения и превращения механической энергии»

Материал этого подраздела представляет собой концептуальные схемы, подробно описанные в теме 2.

В том случае, если эти схемы изучались ранее (как это имело место в настоящем примере), то с учащимися проводится актуализация этого знания. В ходе повторно-обобщающих занятий с применением преимущественно метода обучающего диалога обсуждается роль концептуальных схем в научном познании, решаются задачи на закон сохранения и превращения энергии.

В случае, если ранее концептуальные схемы не использовались, следует провести их более подробный разбор в соответствии с рекомендациями, приведенными в теме 2.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >