10 класс
1 пара (2 урока по 40 минут)
Тип урока: комплексно-творческий урок.
Задачи урока:
- Обеспечить усвоение учащимися основных понятий по теме, понимания сущности и значения второго закона термодинамики.
- Содействовать формированию знаний физических закономерностей и влияния различных условий на характер протекания физических процессов.
- Создать условия для развития интеллектуальных способностей и общеучебных умений через организацию самостоятельной работы учащихся и работы в группах.
Оборудование: калориметр, металлический цилиндр, стальной шарик, коробка с мокрым песком, математический маятник, схема работы двигателя второго рода, карточки-задания для групп.
Ход урока
1.Организационный момент.
Сообщение темы урока, задач и плана работы. Формирование рабочих групп с учетом особенностей мышления.
2.Актуализация знаний. Подготовка к основному этапу занятий.
Продолжительность до 7-8 минут.
Учащимся предлагается ответить на вопросы.
На основе ответов формулируются выводы.
- Что представляет собой I-й закон термодинамики?
- Как читается закон?
- Каковы границы применимости данного закона? (Важно: закон справедлив для замкнутых систем).
- В чем состоят недостатки закона? (Важно: в законе не дается никаких указаний на то, в каком направлении протекают процессы, удовлетворяющие принципу сохранения энергии).
- В чем заключается неравноценность одинаковых количеств энергии различных видов?
(Важно: Разные виды энергии не равноценны в отношении способности превращаться в другие виды. Механическую энергию можно целиком превратить во внутреннюю, например, электрическая энергия – внутренняя. Запасы внутренней энергии ни при каких условиях не может превратиться целиком в другие виды энергии.)
Выделенные особенности подтверждаются при разборе примеров.
Пример 1.
Если система состоит из двух тел с различной температурой, то теплообмен происходит так, что температуры тел выравниваются и вся система приходит к состоянию теплового равновесия.
I закон термодинамики не был бы нарушен, если бы передача тепла происходила от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой при условии, что полный запас энергии оставался бы неизменным.
Повседневный опыт показывает, что сама по себе передача тепла от более холодного тела к более горячему никогда не происходит.
Пример 2.
Камень падает с некоторой высоты. При этом потенциальная энергия переходит в кинетическую, а затем механическая - во внутреннюю энергию. При этом закон сохранения энергии не нарушается.
Первому закону термодинамики не противоречил бы и обратный процесс: лежащий на земле камень нагревают переходом тепла от окружающих тел, вследствие чего камень поднимается на некоторую высоту.
Описанную ситуацию в природе наблюдать нельзя.
3.Организация работы в группах
.Продолжительность работы в группах 20-25 минут.
Группа 1.
Задача: познакомиться с текстом учебника, и выполнить предложенные задания.
Задание 1. Изучив материал § 5.8 и 5.9, введите понятия:
- необратимый процесс (приведите примеры);
- второй закон термодинамики;
- вечный двигатель первого рода;
- вечный двигатель второго рода.
Задание 2. Приведите примеры явлений, в которых наблюдается самопроизвольный выход системы из состояния термодинамического равновесия.
Из ответа учащихся:
К заданию 1.
Вечный двигатель первого рода – устройство для совершения работы без использования источника энергии.
(Важно: данная формулировка противоречит I закону термодинамики.)
Вечный двигатель второго рода – устройство, которое совершало бы работу только лишь за счет получения теплоты из окружающей среды.
(Важно: данная формулировка не противоречит I закону термодинамики.)
К заданию 2.
Пример нарушения II закона термодинамики в достаточно малых системах – броуновское движение, при котором взвешенная в жидкости частица получает кинетическую энергию от молекул окружающей среды, хотя температура среды не выше, чем температура смой броуновской частицы.
Группа 2.
Задание. Изучите материал § 5.8 и 5.9. Рассмотрите предложенные ситуации, объясните происходящие явления.
Для выполнения задания группа использует лабораторное оборудование.
a) 
Груз на нити совершает колебания.
Что изменилось бы, если колебания совершались бы в вакууме?
б) 
Сосуд разделен перегородкой. В первой половине находится газ, во второй – вакуум. Что произойдет, если перегородку убрать? Вернется ли газ самопроизвольно через некоторое время в половину 1?
в) 
Сравните две ситуации и сделайте вывод.
1. Два тела привели в соприкосновение. Укажите направление теплопередачи. Может ли самопроизвольно теплота передаваться в обратном направлении?
2.В стакан с водой опустили кусочек марганцовки. Через некоторое время получился равномерно окрашенный раствор. Может ли снова образоваться кусочек марганцовки?
Группа 3.
Задание. Изучите материал § 5.8 и 5.9. Постройте схему устройства, в котором нарушается постулат Клаузиуса; Кельвина. Докажите эквивалентность различных формулировок II закона термодинамики.
К ответу учащихся.
Предполагаемые рассуждения учащихся по доказательству эквивалентности различных формулировок:
1.Предположим, что постулат Кельвина несправедлив.
Тогда можно осуществить такой процесс, единственным результатом которого было бы совершение работы A за счет энергии Q, взятой от единственного источника с температурой T.
Эту работу можно было бы путем трения снова целиком превратить в теплоту, передаваемую телу, температура которого выше, чем T.
Единственным результатом такого составного процесса был бы переход теплоты от тела с температурой T к телу с более высокой температурой. Но это противоречило бы постулату Клаузиуса.
Вывод: постулат Клаузиуса не может быть справедливым, если неверен постулат Кельвина (Томсона).
2.Предположим, что несправедлив постулат Клаузиуса, что постулат Кельвина также не может выполняться.
Построим обычную тепловую машину (левая часть рисунка). Так как постулат Клаузиуса предполагается неверным, можно осуществить процесс, единственным результатом которого будет переход Q2 от холодильника к нагревателю (правая часть рисунка). В результате нагреватель будет отдавать рабочему телу машины теплоту Q1 и получать при процессе, противоречащем постулату Клаузиуса, теплоту Q2, так что в целом он будет отдавать количество теплоты, равное Q1 - Q2. Такое количество теплоты машина превращает в работу.
В холодильнике в целом никаких изменений вообще не происходит, т.к. он отдает и получает одно и тоже Q2.
Комбинируя тепловую машину и процесс, противоречащий постулату Клаузиуса, можно получить процесс, противоречащий постулату Кельвина.
Таким образом, либо верны оба постулата, либо оба постулата неверны, и в этом смысле они эквивалентны.
Цикл является обратимым, если он состоит из обратимым процессов, т.е.таких, которые можно провести в любом направлении через одну и ту же цепочку равновесных состояний.
а) Адиабатические процессы обратимы, если их проводить достаточно медленно.
б) Изотермические процессы – это единственные процессы с теплообменом, которые могут быть проведены обратимым образом.
При любом другом процессе температура рабочего тела изменяется!
4. Представление группами результатов работы.
Общее время на представление результатов работы групп составляет 20-25 минут.
Каждая группа представляет классу результаты своей работы, отвечает на уточняющие, углубляющие понимание материала вопросы ребят, учителя.
По ходу сообщения группы все учащиеся составляют в тетрадях тезисный конспект, включающий в себя основные понятия, положения, закономерности, схемы и другие важные для понимания темы пометки.
5.Закрепление полученных знаний.
Время работы- 8-10 минут.
Вниманию учащихся предлагается сообщение ученика по опережающему заданию.
Задача: Объяснить необратимость реальных тепловых процессов с точки зрения статистической механики.
Тезисы ответа:
Рассмотрим с точки зрения МКТ модель “вечного” двигателя второго рода.
Работа двигателя
- Газ самопроизвольно собирается в левой половине цилиндра.
- Поршень подвигают вплотную к газу. При этом внешние силы работу не совершают, т.к. газ, собравшийся в левой половине, не оказывает давления на поршень.
- Подводим к газу теплоту и заставляем его изотермически расширяться до первоначального объема. При этом газ совершает работу за счет подведенного тепла.
- После того, как поршень перейдет в крайнее правое положение, необходимо ждать, пока газ снова не соберется самопроизвольно в левой половине сосуда, и затем повторяем все снова.
Вывод:
1.Термодинамический подход не объясняет природу необратимости реальных процессов в макроскопических системах.
2.Молекулярно-кинетический подход позволяет проанализировать причины необратимости.
Итог: Получилась периодически действующая машина, которая совершает работу только за счет получения теплоты от окружающей среды.
(МКТ позволяет объяснить, почему такое устройство не будет работать.
Учащимся предлагается поразмышлять над этим вопросом.)
Теперь становится возможным объяснение того, какой смысл вкладывается в понятие необратимого процесса: процесс является необратимым, если обратный процесс в действительности почти никогда не происходит.
Рассмотренный материал станет основой изучения материала следующего урока по теме “Тепловые двигатели”
6. Проверочная работа.
Время работы – 5-7 минут.
1.Когда тело получает тепло за счет совершения механической работы, то это означает необратимое превращение кинетической энергии упорядоченного макроскопического движения в кинетическую энергию хаотического движения молекул.
2.Превращение теплоты в работу, означает превращение энергии беспорядочного движения молекул в энергию упорядоченного движения макроскопического тела.
7. Подведение итогов урока.
Оценка успешности выполнения поставленных в начале урока задач.
Выставление оценок группам за работу.