Temat

Temperatura i jej związek z energią kinetyczną cząsteczek

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

IV. Zjawiska cieplne. Uczeń:

1) posługuje się pojęciem temperatury; rozpoznaje, że ciała o równej temperaturze pozostają w stanie równowagi termicznej;

2) posługuje się skalami temperatur (Celsjusza, Kelvina, Fahrenheita); przelicza temperaturę w skali Celsjusza na temperaturę w skali Kelvina i odwrotnie;

3) wskazuje, że nie następuje przekazywanie energii w postaci ciepła (wymiana ciepła) między ciałami o tej samej temperaturze;

4) wskazuje, że energię układu (energię wewnętrzną) można zmienić, wykonując nad nim pracę lub przekazując energię w postaci ciepła;

5) analizuje jakościowo związek między temperaturą a średnią energią kinetyczną (ruchu chaotycznego) cząsteczek.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Przedstawienie zależności pomiędzy temperaturą a średnią energią kinetyczną cząsteczek ciała.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Przedstawienie skali bezwzględnej temperatur.

2. Wskazanie sposobu przeliczania temperatury z jednej skali temperatur do drugiej.

3. Wskazanie różnic pomiędzy temperaturą a ciepłem.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- przedstawia zależność pomiędzy temperaturą a średnią energia kinetyczną cząsteczek ciała,

- odróżnia ciepło od temperatury.

Metody kształcenia

1. Metoda odwróconej klasy.

2. Pogadanka, praca z podręcznikiem.

Formy pracy

1. Praca samodzielna uczniów z książką.

2. Wykorzystanie Internetu do wyszukiwania potrzebnych informacji.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Przypomnienie zadań z pracy domowej.

1. Co to jest temperatura?

2. Od czego zależy temperatura ciała?

3. Jak zachowują się cząsteczki ciała, kiedy temperatura ciała wzrasta?

4. Czy istnieje najniższa możliwa temperatura ciała?

5. Do czego służą skale temperatur?

6. Jak jest definiowana skala bezwzględna temperatur?

7. Zdefiniuj skalę temperatur Celsjusza.

8. Porównaj ze sobą skalę Celsjusza ze skalą Kevina.

9. Zdefiniuj pojęcie ciepła.

10. Czym się różni temperatura od ciepła?

11. Czy nawet w bardzo niskich temperaturach można mówić o cieple?

Realizacja lekcji

Proszę przygotuj odpowiedzi na podane pytania.

1. Co to jest temperatura?

Temperatura to jedna z podstawowych wielkości fizycznych opisujących stan ciała. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

Komentarz nauczyciela

Mówimy, że temperatura jest miarą energii kinetycznej cząsteczek, dokładniej – miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek ciała.

Nie bez powodu mówimy o średniej energii kinetycznej. Zderzające się ze sobą cząsteczki lub atomy mają różne energie, w dodatku zmieniające się w wyniku zderzeń. Cząsteczka uderzywszy w inną, o mniejszej prędkości, powoduje wzrost jej prędkości, a zatem i energii. Sama zaś energię „traci” i porusza się wolniej. Nie zmienia to jednak całkowitej sumy oraz wartości średniej energii.

2. Od czego zależy temperatura ciała?

Pod względem mikroskopowym, temperatura zależy od ruchu cząsteczek, z których złożone jest ciało.

Komentarz nauczyciela

Nie możemy bezpośrednio zmierzyć energii kinetycznej cząsteczek i wyznaczyć wartości średniej. Jednak, jak zapewne wiesz, istnieją przyrządy pozwalające zmierzyć rzeczywistą wartość temperatury.

3. Jak zachowują się cząsteczki ciała, kiedy temperatura ciała wzrasta ?

Temperatura rośnie, kiedy wzrasta energia cząstek będących w ruchu. Ruch może być związany z przemieszczaniem się cząsteczki (np. w gazie), z drganiami atomów, cząsteczek (np. w krysztale).

4. Czy istnieje najniższa możliwa temperatura ciała?

Zero w skali Kelvina, zwane też zerem bezwzględnym lub absolutnym, jest najniższą możliwą temperaturą w przyrodzie i odpowiada sytuacji, gdy ustaje wszelki ruch atomów i cząsteczek, z których zbudowana jest materia. Cząsteczki mają wtedy zerową energię kinetyczną.

Komentarz nauczyciela

W rzeczywistości osiągnięcie temperatury zera kelwinów jest niemożliwe. W każdej innej sytuacji temperatura w skali Kelvina jest wielkością wprost proporcjonalną do średniej energii kinetycznej atomów lub cząsteczek.

5. Do czego służą skale temperatur ?

Skale temperatur są to uporządkowane wartości temperatur (pojętych jako określone stany cieplne) przedstawione w postaci liczby i jednostki temperatury.

Zdefiniowanie skali temperatur wymaga:

1) Przyjęcia co najmniej jednej temperatury jako punktu podstawowego skali i przyporządkowanie tej temperaturze określonej wartości. (np. przy normalnym ciśnieniu, w temperaturze 0°C woda zmienia swój stan skupienia z ciekłego na stały i odwrotnie).

2) Określenia przyjętej jednostki temperaturowej.

Komentarz nauczyciela

Za punkty podstawowe skali temperatur przyjmuje się najczęściej temperatury zmiany stanu skupienia substancji czystych np. wody. Najczęściej wybiera się punkty i substancje odznaczające się dużą odtwarzalnością i niezmiennością. Przykładem może być skala Celsjusza oparta na punktach charakterystycznych dla wody. Woda przy normalnym ciśnieniu 101325 $\frac{N}{m^3}$, w temperaturze 0°C zmienia swój stan skupienia z ciekłego na stały i odwrotnie, a w temperaturze 100°C wrze.

Temperaturę mierzymy metodą pośrednią tzn. mierząc inne wielkości zależne od temperatury. W termometrach cieczowych wykorzystuje się zależność objętości cieczy od temperatury – właściwość tę nazywamy rozszerzalnością termiczną cieczy. Używane są też często termometry bimetaliczne, w których od temperatury zależy długość jakiegoś ciała.

6. Jak jest definiowana skala bezwzględna temperatur ?

Skala Kelvina - jest podstawową jednostką temperatury układu SI, powstała przez przyporządkowanie punktowi potrójnemu wody wartości równej 273,15 K. Za wartość zerową tej skali przyjęto temperaturę zera absolutnego. Jednostką temperatury w tej skali jest kelwin (1 K). Wartość T dobrano w taki sposób aby między wartością temperatury $T_k$ w skali Kelvina a wartością temperatury $T_c$ w skali Celsjusza zachodził związek.

$T_c=T_k-273,15$

$T_k=T_c+273,15$

7. Zdefiniuj skalę temperatur Celsjusza.

Skala Celsjusza - jest oparta na dwóch punktach stałych: $0^{°}C$ - temperaturze topnienia lodu przy ciśnieniu normalnym i ${100}^{°}C$ - temperaturze wrzenia wody przy ciśnieniu j.w. Jednostką temperatury w tej skali jest jeden stopień Celsjusza ($1^{°}C$).

Komentarz nauczyciela

Początkowo skala Celsjusza była określana na podstawie cieplnych zmian objętości rtęci, następnie po wielu udoskonaleniach przekształcono ją w Międzynarodową Praktyczną Skalę Temperatur.

8. Porównaj ze sobą skalę Celsjusza ze skalą Kevina.

Jeden stopień na skali temperatur Celsjusza jest zawsze równy jednemu kelwinowi. Skala Kelvina jest podobna do skali Celsjusza i jedyna różnica między nimi polega na przesunięciu wartości liczbowych w obydwu skalach względem siebie o stałą wartość.

[Ilustracja interaktywna]

[Ilustracja 1]

9. Zdefiniuj pojęcie ciepła.

Ciepło w fizyce – jeden ze sposobów przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu poprzez przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów). Drugim sposobem na przekazywanie energii jest praca.

Komentarz nauczyciela

Ciepło oznacza również ilość energii wewnętrznej przekazywanej w procesie cieplnym. Aby uniknąć nieporozumień, dla odróżnienia przepływu ciepła jako zjawiska fizycznego od ciepła jako wielkości fizycznej można używać określenia wymiana cieplna lub cieplny przepływ energii na określenie procesu, a ilość ciepła na wielkość fizyczną określającą zmianę energii wewnętrznej wywołaną tym zjawiskiem.

10. Czym się różni temperatura od ciepła?

Temperatura to miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek danego ciała (substancji).
Ciepło zaś jest formą energii, która może być przekazywana (oddawana przyjmowana).

Komentarz nauczyciela

Jeśli masz dwa ciała o tej samej temperaturze, to po ich zetknięciu nie nastąpi przepływ energii (czyli ciepła). Różne temperatury ciał po ich zetknięciu spowodują przepływ tej energii, bo układ będzie dążył do stanu równowagi (w tym przypadku jedno ciało odda część energii, drugie przyjmie ją a cały układ ustabilizuje się osiągając nową temperaturę - pomiędzy wartościami początkowymi).

11. Czy nawet w bardzo niskich temperaturach można mówić o cieple?

Tak! Jeżeli tylko stykają się ze sobą ciała o różnych temperaturach ( nawet bardzo niskich) to zawsze wtedy będziemy mieli do czynienia z przepływem ciepła.

Podsumowanie lekcji

Wielkość fizyczna zwana temperaturą związana jest ze średnią energią kinetyczną atomów i cząsteczek – dwa ciała mają taką samą temperaturę, jeśli średnia energia kinetyczna ich atomów lub cząsteczek jest taka sama. Ciała o wyższej temperaturze mają większą wartość średniej energii kinetycznej atomów i cząsteczek.

W skali Kelvina (zwanej też bezwzględną skalą temperatur) oraz w skali Celsjusza, temperatura jest wprost proporcjonalna do średniej energii kinetycznej atomów lub cząsteczek.

W skali Celsjusza punktem zerowym jest temperatura, w której woda zamarza, a 100 stopni oznacza temperaturę, w której woda wrze przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym.

Zero kelwinów (inaczej zero bezwzględne) jest najniższą możliwą temperaturą w przyrodzie, w tej temperaturze średnia energia kinetyczna atomów i cząsteczek jest równa zero (atomy i cząsteczki są w bezruchu).

Różnica temperatur ma taką samą wartość zarówno skali Celsjusza, jak i w skali bezwzględnej.