Temat

Sposoby zmiany energii wewnętrznej ciała

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

IV. Zjawiska cieplne. Uczeń:

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.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Sformułowanie I zasady termodynamiki.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Definiuje energię wewnętrzną ciała.

2. Wymienia i wyjaśnia sposoby zmiany energii wewnętrznej ciała.

3. Formułuje I zasadę termodynamiki.

4. Stosuje I zasadę termodynamiki do rozwiazywania zadań.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

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

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

Metody kształcenia

1. Pogadanka, „burza mózgów”.

2. Uczenie się przez stosowanie poznanych reguł i rozwiązywanie zadań problemowych.

Formy pracy

1. Współpraca ucznia z nauczycielem przy rozwiązywaniu powstałych problemów.

2. Praca w grupach nad rozwiązywaniem zadań problemowych.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Pytania wprowadzające:

1. Z czego zbudowana jest materia?

2. Jakie znasz rodzaje energii?

3. Jaki rodzaj energii posiadają cząsteczki? Czy można ją zmienić? W jaki sposób?

4. W jaki sposób moglibyśmy zmienić temperaturę np. pręta aluminiowego?

5. Czy istnieje jakiś związek między temperaturą pręta a energią cząsteczek?

Wniosek:

Temperatura jest wielkością określającą stan ciała ze względu na energię kinetyczną poruszających się cząsteczek ciała. Im większa energia kinetyczna poruszających się cząsteczek ciała, tym większa temperatura ciała.

Realizacja lekcji

Definicja energii wewnętrznej.

Energia wewnętrzna to suma energii kinetycznych i energii wiązań międzycząsteczkowych wszystkich drobin (atomów lub cząsteczek) danej substancji.

Pojęcie energii wewnętrznej jest ściśle związane z energią potencjalną i kinetyczną wszystkich cząsteczek ciała.

Energia kinetyczna cząsteczek związana jest z prędkością cząsteczek, a energia potencjalna z wzajemnym oddziaływaniem między nimi.

Energia kinetyczna cząsteczek zmienia się np. podczas zmiany temperatury ciała, a energia potencjalna cząsteczek zmienia się podczas zmiany stanu skupienia ciała.

Jednostką energii wewnętrznej jest dżul [J].

Wynika z tego, że wartość energii wewnętrznej zależy od trzech czynników:

- liczby atomów i cząsteczek tworzących to ciało – więcej cząsteczek to więcej składników sumy,

- temperatury ciała – wyższa temperatura to większa wartość średniej energii kinetycznej cząsteczek, zatem całkowita energia układu będzie większa,

- rodzaju substancji i stanu jej skupienia – wielkość energii potencjalnej pochodzącej od oddziaływań międzycząsteczkowych zmienia się wraz ze stanem skupienia i jest różna w przypadku różnych substancji. Wyjaśnimy to dokładniej w podrozdziale poświęconym procesom zmiany stanów skupienia ciał.

Przykłady wyjaśniające powyższe sformułowania:

1. W takiej samej ustalonej temperaturze wiadro wody ma większą energię wewnętrzną niż szklanka wody, gdyż w wiadrze wody jest znacznie więcej cząsteczek niż w szklance wody.

2. Szklanka gorącej herbaty ma większą energię wewnętrzną niż ta sama ilość zimnej herbaty, ponieważ cząsteczki gorącego płynu mają większą średnią energię kinetyczną, a w obu szklankach jest ich tyle samo.

3. Szklanka wody o temperaturze 0°C ma większą energię wewnętrzną niż powstała z niej bryła lodu o tej samej temperaturze.

Zmienić energie wewnętrzną ciała można na dwa sposoby.

Przykłady zmiany energii wewnętrznej poprzez wykonanie pracy:

- pocieranie rąk o siebie (energia wewnętrzna rośnie),
- pompowanie koła rowerowego za pomocą pompki (energia wewnętrzna rośnie, pompka w dotyku jest gorąca),
- uderzanie młotkiem w blachę (energia wewnętrzna rośnie, blacha w dotyku jest gorąca),
- rozpylanie areozolu (energia wewnętrzna maleje, pojemnik w dotyku jest zimny).

Przykłady zmiany energii wewnętrznej poprzez wymianę ciepła:

- chłodzenie potraw w lodówce (energia wewnętrzna potrawy maleje),
- ogrzewanie wody w czajniku (energia wewnętrzna wody rośnie),
- zamarzanie wody na jeziorze (energia wewnętrzna wody maleje, a otoczenia rośnie),
- parowanie wody ze skóry człowieka po wyjściu z kąpieli‑odczuwamy chłód (energia wewnętrzna wody maleje, a otoczenia rośnie).

Definicja ciepła.

Ciepło to ta część energii wewnętrznej, którą przekazuje ciało o wyższej temperaturze ciału o niższej temperaturze. Mechanizm przekazywania energii wewnętrznej na skutek różnicy temperatur to cieplny przepływ energii. Jednostką ciepła, tak jak każdego rodzaju energii, jest dżul [J].

Cieplny przepływ energii jest możliwy tylko pomiędzy ciałami o różnej temperaturze, odbywa się zawsze od ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej i ustaje po wyrównaniu się temperatur.

I zasada termodynamiki.

Zmiana energii wewnętrznej ciała/układu ciał (układem ciał może być np. woda w szklance, bądź woda we wiadrze, itp.) jest zawsze równa sumie pracy wykonanej nad ciałem (przez ciało) oraz ciepła dostarczonego do ciała (oddanego przez ciało).

gdzie:
∆U - zmiana energii wewnętrznej ciała,
W – praca wykonana nad układem (przez układ),
Q – ciepło dostarczone do układu (oddane przez układ).

W celu uniknięcia nieporozumień wprowadzono następującą umowę dotyczącą odróżnienia pracy wykonanej nad ciałem lub przez układ.

W – praca wykonana nad układem jest zawsze dodatnia (W > 0).

W – praca wykonana przez układ jest zawsze ujemna (W < 0).

Podobna umowa dotyczy wymiany ciepła z otoczeniem.

Q – ciepło dostarczone do układu jest zawsze dodatnie (Q > 0).

Q – ciepło oddane przez układ jest zawsze ujemne (Q < 0).

Jeżeli stosujemy powyższe ustalenia, to ∆U < 0 oznacza zmniejszenie się energii wewnętrznej ciała, a tym samym zmniejszenie się jego temperatury. Natomiast ∆U > 0 oznacza wzrost energii wewnętrznej ciała, a tym samym wzrost temperatury ciała.

Jeżeli umiejętnie wykorzystamy pewne procesy, to możemy zbudować silnik cieplny, który część ciepła pobranego z grzejnicy o wysokiej temperaturze zamienia w pracę użyteczną.

[Slideshow]

Polecenie 1

Szklankę i litrowy garnek napełniono do pełna wodą o tej samej temperaturze. Czy energia wewnętrzna wody w tych naczyniach jest taka sama? Uzasadnij odpowiedź.

Polecenie 2

W dwóch jednakowych szklankach znajduje się woda o różnej temperaturze: 20°C i 40°C. Czy energia wewnętrzna wody w każdej ze szklanek jest taka sama? Uzasadnij odpowiedź.

Podsumowanie lekcji

Podsumowanie:

1. Energia wewnętrzna ciała to suma energii kinetycznych i potencjalnych wszystkich atomów lub cząsteczek tworzących to ciało.

2. Wartość energii wewnętrznej zależy od: 
- liczby atomów lub cząsteczek tworzących to ciało – więcej cząsteczek to więcej składników sumy,
- temperatury ciała – wyższa temperatura to większa wartość średniej energii kinetycznej cząsteczek,
- rodzaju substancji i stanu jej skupienia – wielkość energii potencjalnej pochodzącej od oddziaływań międzycząsteczkowych zmienia się wraz ze stanem skupienia i jest różna w przypadku różnych substancji.

3. Pierwsza zasada termodynamiki określa związek między zmianą energii wewnętrznej ciała a pracą wykonaną przez ciało (lub nad ciałem) i ciepłem (dostarczonym lub oddanym przez ciało).
Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że zmiana wewnętrznej energii układu ΔU równa jest sumie ilości dostarczonego ciepła Q oraz pracy wykonanej nad układem W.

4. Praca wykonana przez ciało przeciwko sile tarcia może spowodować wzrost jego energii wewnętrznej. Przykładem takiej sytuacji może być pocieranie rąk lub rozniecanie ognia metodą pocierania o siebie dwóch odpowiednio przygotowanych suchych drewienek.