Дистанційне навчання з фізики для учнів 10 кл 2021-2022 н.р.

 

Дата уроку :03.06.22 

Тема уроку : Повторення з розділу Кінематики.

Пройти тест : https://onlinetestpad.com/ua/testview/170493-mekhanichnij-rukh-i-jogo-vidi

Дата уроку :31.05.22 

Тема уроку : Навчальний проект з теми " Електричне поле" 

Домашнє завдання : написати проект з даної теми.

Дата уроку :30.05.22 

Тема уроку : Навчальний проект з теми " Електричне поле" 

Домашнє завдання : написати проект з даної теми.

Дата уроку :27.05.22 

Тема уроку :Підсумкова контрольна робота  за рік.

1. Два тіла рухаються вздовж осі ОХ згідно рівнянь  х₁=20-4t  I x₂=10+t . Знайдіть час та координату  зустрічі цих тіл.     

   
  2.  Який час пасажир поїзда, що рухається зі швидкістю 15 м/с, буде бачити зустрічний потяг, швидкість якого 10 м/с, а довжина 175 м.     


   3. Який радіус кола, по якому їде автомобіль, якщо його прискорення при швидкості 72 км/год дорівнює половині прискорення вільного падіння? 


 4. З яким прискоренням буде рухатись візок масою 15 кг під дією пружини 
жорсткістю 120 Н/м, якщо пружина розтягнулась на 10 см              
5. Літак масою 14 т летить горизонтально на висоті 2 км зі швидкістю 300 км/год. Знайти роботу сили тяжіння за 2 години.


6. Яка кількість речовини в газі, якщо при температурі -13 °С і тиску 500 кПа об’єм газу дорівнює 30 л?    


 7. Радіус перерізу стрижня 2 см. Визначте, під дією якої сили в ньому виникає механічна напруга 40 кПа?       

                                                                        
                                                       8. Яку роботу виконують 320 г кисню під час ізобарного нагрівання на 20 К? Молярна маса кисню 0,032 кг/моль. 


9. Металевій кулі, радіус якої 30 см, надано заряду 6 нКл. Визначте напругу та напруженість електростатичного поля на поверхні кулі.

Дата уроку :23.05.22 

Тема уроку :Розв"язування задач на розрахунок потенціалу електричного поля.

1. Металева куля радіусом заряджена до потенціалу. Знайти потенціал і напруженість поля в точці, яка знаходиться на відстанівід поверхні кулі

Розв’язок

Дано:

Потенціал поля в точці А дорівнює , деq - заряд кулі; r - відстань від центра кулі до точки .

Заряд кулі знайдемо за значенням потенціалу на поверхні кулі:

.

Звідси (1) і тоді в точці А потенціал  дорівнює:

Обчислимо .

Напруженість електричного поля в точці А дорівнює: ; враховуючи значенняq (1), одержимо:

Обчислимо 

Відповідь: .

2. Пластини плоского конденсатора ізольовані одна від одної шаром діелектрика. Конденсатор заряджений до різниці потенціалів і відключений від джерела напруги. Визначити діелектричну проникність діелектрика, якщо при його видалені різниця потенціалів зросла до.

Дано:

Розв’язок

Оскільки конденсатор відключили від джерела напруги, то . Оскільки , а, то; тобто(1) Для плоского конденсатора , а , тоді(2).

З рівнянь (1) і (2) знаходимо , звідсиОбчислимо .

Відповідь: 3.

3. При замиканні гальванічного елемента на зовнішній опір у колі проходить струмЯкщо ж замкнути елемент опором, то сила струму буде. Який буде струм у колі при короткому замиканні елемента?

Дано:

Розв’язок.

За законом Ома у двох випадках 

. Звідси 

Обчислимо .

З рівняння (1) знайдемо ЕРС елемента

Тоді струм короткого замикання:

.

Відповідь: .

4. Лінія електропередачі довжиною 100 км працює при напрузі . Визначити ККД лінії. Лінія виконана алюмінієвим кабелем з площею поперечного перерізу. По лінії передається потужність. Питомий опір алюмінію.

Дано: 

                                                                    Розв’язок

ККД лінії передачі (1). В лінії передачі на нагрівання дроту втрачається потужність, де- опір кабелю.- сила струму в лінії.

Тоді втрати потужності дорівнюють .

Корисна потужність, що передається (2).

З формули (1) і (2) знайдемо .

Обчислимо шукану величину

Відповідь: 

5. Потік магнітної індукції через поперечний переріз котушки з витків змінюється навнаслідок зміни сили струму в котушці віддо. Визначити коефіцієнт самоіндукції.

Дано:

Розв’язок

Потік магнітної індукції .

Отже початковий магнітний потік , а кінцевий-. Через поверхню, обмежену всіма витками котушки, зміна магнітного потоку становить звідкитоді

Обчислимо 

Відповідь: 

6. Коливальний контур, що складається з котушки індуктивності і повітряного конденсатора, настроєний на довжину хвилі . При цьому відстань між пластинами конденсатора. Якою має бути ця відстань, щоб контур був настроєний на довжину хвилі?.

Дано:

Розв’язок

Довжина хвилі, на яку настроєний контур, дорівнює , дес – швидкість світла, - період коливань,- ємність плоского конденсатора.

, звідки одержимо або, тоді. Обчислюємо

Відповідь: d₂ = 

Домашнє завдання : написати конспект та виконати наступні задачі:

1. Дві однойменно заряджені кульки, центри котрих розташовані на відстані 250 мм, взаємодіють із силою 1 мкН. До якого потенціалу заряджені кульки, якщо їх діаметри дорівнюють 10 мм? (Відповідь:4,84 · 10³ В)

2. Плоский конденсатор із розмірами пластин 250 х 250 мм і відстанню між ними 50 мм заряджений до різниці потенціалів 10 В та відключений від джерела. Якою буде різниця потенціалів, якщо пластини розсунути ще на 5 мм? (Відповідь:11 В)

Дата уроку :20.05.22 

Тема уроку :Робота при переміщенні заряду в однорідному електростатичному полі.Потенціал електричного поля.

Робота в електричному полі. З погляду теорії близькодії на заряд безпосередньо діє електричне поле, створене іншим зарядом. Під час переміщення заряду, діюча на нього з боку поля сила виконує роботу. Тому можна стверджувати, що заряджене тіло в електричному полі має енергію.

Розглянемо дві пластинки, розміщені вертикально. Нехай ліва пластинка заряджена позитивно, а права - негативно.

    

Обчислимо роботу, що виконується полем під час переміщення позитивного заряду q із точки А, яка знаходиться на відстані d1 від негативної пластини у точку В, розміщену на відстані d2<d1 від тієї ж пластинки. Точки А і В лежать на одній силовій лінії.

Якщо вектор переміщення позитивного заряду співпадає з вектором напруженості поля, електричне поле виконує додатну роботу, якщо протилежні - від’ємну. Для від’ємного заряду навпаки.

На ділянці шляху = d1 - d2 електричне поле виконує додатну роботу:

A == qE(d1 - d2) = - (qEd2 - qEd1)       (1)       

Робота з переміщення зарядженого тіла в електричному полі не залежить від форми траєкторії руху, а визначається положенням початкової і кінцевої точок руху.

Поля, у яких робота не залежить від форми тарєкторії і визначається лише положенням тіла в початковий і кінцевий моменти руху, називають потенціальними полями (гравітаційні, електростатичні).

            Оскільки ця робота не залежить від форми траєкторії, то вона дорівнює зміні потенціальної енергії, взятій з протилежним знаком:

A =  - Wp= - (Wp2 - Wp1)    (2)                         

Порівнюючи рівняння (1) і (2) бачимо, що потенціальна енергія заряду в однорідному електричному полі Wp = qEd, де заряд q може бути і позитивним, і негативним.

При переміщенні зарядженого тіла в електростатичному полі замкнутою траєкторією робота дорівнює нулю: A = Wp = - (Wp2 - Wp1) = 0.

Потенціал електричного поля. Потенціальна енергія в електростатичному полі пропорційна заряду (Wp = qEd), тому відношення Wp до q не залежить від вміщеного в поле заряду. Це дозволяє ввести нову кількісну характеристику поля - потенціал - відношення потенціальної енергії до заряду:

,   [φ] = В = Дж/Кл.

Потенціал - скалярна фізична величина, що є енергетичною характеристикою електричного поля і визначає потенціальну енергію заряду q в довільній точці електричного поля.

Потенціал поля в даній точці рівний тій роботі, яку виконає поле переміщуючи одиничний заряд з даної точки в нескінченність, тобто туди, де поля немає.

Напруженість електричного поля завжди спрямована в бік зменшення потенціалу.

Потенціал однорідного поля: .

Потенціал поля точкового заряду: .

Електричне поле рівномірно зарядженої кулі радіусом R, повний заряд якої q, співпадає ззовні з електричним полем точкового заряду q, поміщеного в центр кулі. Тому напруженість електричного поля і потенціал точок  поля, створеного кулею на відстанях  визначають за формулами, що відповідають напруженості електричного поля і потенціалу, точок поля, створеного точковим зарядом.

Потенціал в довільній точці поля визначають як суму потенціалів, створених окремими точковими зарядами: .

Практичне значення має не сам потенціал, а його зміна. Оскільки , то робота

,

де  - різниця потенціалів або напруга. Вона дорівнює:

 .

Різниця потенціалів (напруга) між двома точками - це фізична скалярна величина, що дорівнює відношенню роботи поля, яка виконується для переміщення заряду із початкової точки поля в кінцеву, до величини цього заряду.

Знаючи потенціал в кожній точці поля, можна знайти напруженість поля. Між напруженістю електростатичного поля E і напругою існує зв'язок. Оскільки A = qEd і A = qU, то у разі рівності лівих частин рівними будуть і праві частини цих формул. Отже, звідси

.                

Ця формула показує:

1) чим менше змінюється потенціал на відстані d, тим меншою є напруженість електричного поля;

2) якщо потенціал не змінюється, то напруженість дорівнює нулю;

3) напруженість електричного поля спрямована в бік зменшення потенціалу.

Під час переміщення заряду під кутом 90° до силових ліній електричне поле не виконує роботу, оскільки сила перпендикулярна до переміщення, а це означає, що всі точки поверхні, перпендикулярної до силових ліній, мають однаковий потенціал. Поверхні однакового потенціалу називають еквіпотенціальними.

Еквіпотенціальне поле - це геометричне місце точок однакових потенціалів.

Еквіпотенціальні поверхні однорідного поля є площинами, а поля точкового заряду - концентричними сферами.

    

Анімація. Заряди і поля.

Силові лінії, так само, як і еквіпотенціальні поверхні, якісно характеризують розподіл поля в просторі. 

Вектор напруженості електричного поля перпендикулярний до еквіпотенціальних поверхонь.

Еквіпотенціальною є будь-яка поверхня провідника в електростатичному полі.

Мал. Еквіпотенціальні лінії поля над Землею та над заземленими провідниками.

Домашнє завдання : написати та вивчити конспект.

Дата уроку :16.05.22 

Тема уроку :Розв"язування задач на обчислення напруженості електричного поля.

Домашнє завдання : написати конспект.

Дата уроку :13.05.22 

Тема уроку : Електричне поле. Напруженість електричного поля.Силові  лінії електричного поля. Точковий заряд як електричний аналог матеріальної точки.

Електричне поле

Відповідно до ідей Майкла Фарадея електричні заряди не діють один на одного безпосередньо. Кожний заряд створює в навколишньому просторі електричне поле, і взаємодія зарядів відбувається за допомогою полів, створюваних цими зарядами. Взаємодія, наприклад, двох електричних зарядів q1 і q2 зводиться до того, що поле заряду q1 діє на заряд q2, а поле заряду q2 діє на заряд q1.

Людина не може безпосередньо за допомогою органів почуттів сприймати електричне поле, але об’єктивність його існування, матеріальність доведені експериментально.

Поле, як і речовина, є однією з форм існування матерії.

O Електричне поле – це форма матерії, що існує біля заряджених тіл і проявляється в дії з деякою силою на будь-яке заряджене тіло, що перебуває в цьому полі.

Поле, створене нерухомими в цій системі відліку зарядами, називають електростатичним.

Необхідно звернути увагу на те, що електричне поле поширюється в просторі хоча й із величезною, але кінцевою швидкістю – швидкістю світла. Завдяки цій властивості взаємодія між двома зарядами починається не миттєво, а через певний інтервал часу? t = l/c, де l – відстань між зарядами, а c – швидкість світла у вакуумі.

2. Напруженість електричного поля

Якщо по черзі поміщати в ту саму точку поля невеликі заряджені тіла й вимірювати сили, що діють на них з боку поля, то виявиться, що сили прямо пропорційні величинам зарядів. Відношення сили до заряду F/q залишається постійним, не залежить від модуля заряду й характеризує тільки електричне поле в тій точці, де перебуває заряд. Цю характеристику називають напруженістю електричного поля.

O Напруженість електричного поля , – це векторна величина, що характеризує електричне й дорівнює відношенню сили , з якою електричне поле діє на пробний заряд, поміщений у деяку точку поля, до значення q цього заряду:

Напруженість поля в СІ виражається: [E] = Н/Кл.

За напрямок вектора напруженості в деякій точці електричного поля вибирають напрямок кулонівської сили, що діяла б на пробний позитивний заряд, якби він був поміщений у цю точку поля.

3. Напруженість поля точкового заряду

Нехай точковим зарядом Q, розташованим у вакуумі, створено електричне поле. Щоб знайти напруженість даного поля в довільній точці, помістимо в цю точку пробний заряд q. На заряд q, що перебуває на відстані r від заряду Q, діє сила  Оскільки модуль напруженості поля E = F/q, одержуємо, що модуль напруженості поля точкового заряду 

4. Принцип суперпозиції

Знаючи напруженість поля  електричного поля, створеного деяким зарядом у певній точці простору, нескладно визначити модуль і напрямок вектора сили, з якою поле буде діяти на будь-який заряд q, поміщений у цю точку:

Якщо ж поле утворене не одним зарядом, а декількома, то результуючу силу, що діє на пробний заряд з боку системи зарядів, визначають векторною сумою всіх сил, з якими діяли б заряди системи окремо на цей пробний заряд.

Звідси випливає принцип суперпозиції електричних полів:

O напруженість електричного поля системи N зарядів дорівнює векторній сумі напруженостей полів, створюваних кожним з них окремо:

5. Лінії напруженості

Електричне поле можна зобразити графічно, використовуючи так звані лінії напруженості електричного поля (силові лінії) – лінії, дотичні до яких у кожній точці збігаються з напрямком вектора напруженості електричного поля.

Властивості силових ліній: вони не перетинаються; не мають зламів; починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативні. Щоб охарактеризувати не тільки напрямок, але й модуль напруженості поля в різних точках, силові лінії проводять так, що густота силових ліній пропорційна модулю напруженості.

Домашнє завдання:  написати та вивчити конспект.

Дата уроку :09.05.22 

Тема уроку :Навчальний проект на тему : Основи термодинаміки.

Домашнє завдання :Підготувати навчальний проект з даної теми.

 Можливі теми проектів : 

1. Залежність температури кипіння від зовнішнього тиску, наявності домішок тощо.

2. Вирощування кристалів і вивчення їх фізичних властивостей.

3. Дослідження капілярних явищ.

4. Залежність швидкості випаровування води від різних факторів.

5. Адіабатний процес у природі, техніці.

6. Аномальні властивості води.

7. «Жива» і «мертва» вода.

8. Капілярні явища в ґрунті.

9. Чому з’являються тріщини на стінах будинків. Як запобігти їх появі.

10. Фізика і хімія у процесах випікання та зберігання хліба.

11. Захист двигунів від перегріву.

12. Теплові процеси в тілі людини.

13. Порівняння економічної доцільності використання автомобілів із ДВЗ і електромобілів.

14. Ваші поради прем’єр-міністру: чи доцільно розвивати альтернативну енергетику в Україні.

15. Еволюція автомобільних двигунів.

Дата уроку :06.05.22 

Тема уроку :Контрольна робота  з теми : Основи термодинаміки.

Пройти тест :https://naurok.com.ua/test/start/187678

Зробити скрін контрольної роботи.

Дата уроку :02.05.22 

Тема уроку :Теплові  двигуни . Принцип дії  теплових двигунів. Коефіцієнт корисної дії ( ККД) теплових машин. Цикл Карно. Принцип дії холодильної машини.

   ·  Теплові двигуни й охорона природи.  Повсюдне застосування теплових двигунів для добування зручної у використанні енергії негативно впливає на навколишнє середовище.

  За законами термодинаміки електричну й механічну енергію у принципі неможливо виробляти без відведення в навколишнє середовище  значної  кількості  теплоти.  Це не може не призводити до поступового підвищення середньої температури на Землі. Тепер споживана потужність двигунів становить приблизно 10¹⁰кВт. Коли ця потужність досягне 3*10¹² кВт, то середня температура підвищиться приблизно на один градус. Дальше підвищення температури може створити загрозу танення льодовиків і катастрофічного підвищення рівня Світового океану.

   Крім  того, температура на Землі може загрозливо підвищитися внаслідок збільшення в атмосфері кількості вуглекислого газу (СО₂), який виділяється в процесі згорання палива у великих масштабах. Вуглекислий газ в атмосфері поряд з водяною парою призводить до виникнення « парникового ефекту». Атмосфера в малій кількості  поглинає видиме сонячне проміння, яке нагріває поверхню Землі.  Нагріта поверхня Землі в  свою чергу випромінює невидиме (теплове) проміння, яке поглинається в основному атмосферним вуглекислим  газом.  При ясній погоді  лише  10-20% сонячного  проміння, що падає на Землю, повертається в космос. Температура  на поверхні  Землі  внаслідок «парникового ефекту»  приблизно на 35⁰С вища за ту,яка була б без нього. Збільшення концентрації  СО₂ призведе до ще більшого поглинання теплового проміння з поверхні Землі. Це  спричинеть підвищення температури Землі.

Об’ємна концентрація вуглекичлого газу в атмосфері становить 0,0314% від усіх газів атмосфери. Є серйозні підстави побоюватися,що навіть незначне збільшення цієї концентрації здатне різко порушити тепловий баланс Землі. А вже тепер кожного року в атмосферу викидається  близько   5млрд.т CO₂.

Але цим далеко не вичерпуються негативні наслідки використання теплових двигунів. Топки теплових електростанцій,двигуни внутрішнього згоряння автомобілів безперервно викидають в атмосферу шкідливі для рослин,тварин і людей речовини:сірчисті сполуки (під час згоряння кам’яного вугілля),оксиди азоту,вуглеводні,оксиди вуглецю(ІІ)СО тощо. Особливу небезпеку щодо цього становлять автомобілі,кількість яких загрозливо зростає,а очищення відпрацьованих газів становить складний процес. На атомних електростанціях постає проблема захворювання небезпечних радіоактивних відходів.

Крім того,застосування парових турбін на електростанціях потребує відведення великих площ під ставки,в яких охолоджується відпрацьована пара. Із збільшенням потужностей електростанцій різко зростає потреба у воді. У 1980 р. в нашій країні вона становила близько 200 км³ води,35% водопостачання всіх галузей господарства.

Усе це ставить ряд серйозних проблем перед суспільством. Поряд з дуже важливим завданням підвищення ККД теплових двигунів вживаються заходи щодо охорони навколишнього середовища.  Необхідно підвищувати ефективність споруд,які запобігають викиданню в атмосферу шкільнивих речовин,добиватися якомога повнішого згоряння палива в автомобільних двигунах. Уже тепер не допускаються до експлуатації автомобілі з підвищеним вмістом СО у відпрацьованих газах. Обговорюється можливість створення електромобілів,здатних конкурувати із звичайними,та можливість використання пального без шкідливих речовин у відпрацьованих газах,наприклад у двигунах,що працюють на суміші водню з киснем.

Доцільно для економії площі й водних ресурсів споруджувати комплекси електростанцій,насамперед атомних,із зімкнутим циклом водопостачання.

Інший напрям зусиль-це підвищення ефективності використання енергії,боротьба за її економію.

Розв’язання проблем,розглянутих вище,має життєво важливе значення для людства. Організація охорони навколишнього середовища вимагає зусиль у маштабі земної кулі.

Основні типии теплових двигунів-парові турбіни,двигуни внутрішнього згоряння і реактивні двигуни. Всі вони під час роботи виділяють велику кількість теплоти і викидають в атмосферу шкідливі для рослин і тварин хімічні сполуки. Це ставить серйозні проблеми охорони навколишнього середовища.

                                Принцип дії теплових двигунів.

Внаслідок виконання над газом роботи або передачі йому певної кількості теплоти можна збільшити його внутрішню енергію і, напавки,за рахунок внутрішньої енергії газу може бути виконана механічна робота. Внутрішня енергія є одним з найдешевших видів енергії. Її дістають,спалюючи різні види палива,використовуючи енергію сонячних променів тощо. Разом з тим,на виробництві,транспорті,для роботи різних механізмів неоюхідна механічна енергія. Тому перетворення внутрішньої енергії в механічну є надзвичайно важливим для практичної діяльності людей. Здійснюється таке перетворення за допомогою теплових машин.

Як робоче тіло використовується газ(пара).Під час розширення газу в циліндрі з рухомим поршнем виконується робота і внутрішне енергія газу(головним чином кінетична енергія молекул) частково перетворюється в механічну енергію поршня. Газ може розширятися  ізотермічно чи адіабатично. Щою при ізотермічному розширенні температура залишалася сталою,газові необхідно передавати кількість теплоти, що дорівнює її зміні внутрішньої енергії при розширенні і виконаній поршнем роботі. Під час адіабатичного розширення  виконана рухомим поршнем робота дорівнює зменшенню внутрішньої енергії газу.

Циліндр має обмежені розміри, тому за один хід поршня можна перетворити в механічну енергію обмежену кількість теплоти. Щоб газ міг виконувати роботу і далі, його слід повернути у початковий стан з більшою внутрішньою енергію. Таку сукупність змін стану газу називають круговим  процесом  або циклом.

З яких змін стану можна дістати цикл?Очевидно, якщо здійснити спочатку розширення газу при деякому процесі,а потім стискання при цьому ж процесі,то в данному випадку не буде виконана корисна робота,оскільки додатна робота розширення газу дорівнюватиме від'ємній роботі стискання. Для одержання в результаті здійснення циклу корисної роботи необхідно розширити газу вести при високому тиску і температурі, а стискання при нижчому тиску й температурі. Французький фізик  Саді Карно у 1824 році показав, що найбільш вигідним є цикл з двох процесів-ізотермічного й адіабатичного.

Нехай ідеальний газ міститься в закритому циліндрі з поршнем у початковому стані з об'ємом V₁ і під тиском  P₁. Поставимо цилідр на нагрівгик,температура якого  T₁ підтримується сталою(мал.. 108, а). При  ізотермічному (дуже повільному) розширенні газу до об’єму  V₂ і

  тиску P₂ він виконує роботу A₁ за рахунок кількості теплоти Q₁. На графіку в системі координат P,V процес зображується ізотермою 1-2(мал.109).

Припустимо,що ми теплоізоллювали циліндр і надали газу можливість розширятися адіабатно від стану з об’ємом V₂ і тиском P₂ до стану з об’ємом V₃ і тиском P₃(мал.108,б). Газ виконує додатну роботу розширення  A₂ за рахунок внутрішньої енергії,тоді температура його знижується від T₁ до T₂. Цьому процесову ( мал. 109)відповідає адіабата 2-3.

Далі  приведемо циліндр у контакт з холодильником,температура якого T₂  підтримується сталою. Стискатимемо газ ізотермічно від стану з об’ємом V₃ і тиском P₄ (мал. 108,в).Стан V₄,P₄ добираємо так,щоб подальше адіабатне стискання придосягненні температури T₁ привело газ до об’єму V₁ інакше цикл не замкнеться.) Зовнішні сили виконують у даному випадку від’ємну роботу по стисканню газу-A₃і,щоб температура газу не змінилася,він має віддати холодильнику еквівалентну кількість теплоти:Q₂=A₃ (мал. 109)ізотерма 3-4.

Нарешті,знову тепло ізолюємо циліндр(мал. 1080г) і адіабатним стисканням повернемо газ у початковий стан(мал. 108,д). на графіку(мал. 109) цьому процесу відповідає адіабата 4-1. При стисканні газу відбувається збільшення його внутрішньої енергії і підвищення температури до T₁.

В результаті здійснено один цикл роботи ідеальної теплової машини,який складається з двох ізотермічних і двох адіабатних процесів. Він дістав назву цикл Карно. При розширеннях робоче тіло виконує роботу,а при стисканнях роботу над ним виконують зовнішні сили. В результаті кожного циклу робоче тіло повертається до початкового стану.

З графіка(мал. 109) видно,що в результаті даного циклу робоче тіло виконує корисну роботу,яка чисельно дорівнює площі,описаній циклом,тобто площі 12341. Справді робота розширення газу чисельно дорівнює площі 123V₃V₁1,а робота стискання газу чисельно дорівнює площі  143V₃V₁1. Різниця  цих робіт якраз і дорівнює площі,обмежиній циклом.

Закон збереження й перетворення енергії для циклу Карно полягає в тому,що енергія,одержана робочим тілом від навколишнього середовища,дорівнює енергії,переданій

 ним цьому ж  сердовищу.Зовнішнім середовищем передана кількість теплоти Q₁ при розширенні робочого  тіла і виконана робота A₃+A₄  при стисканні(мал.110).  Робоче тіло здійснює роботу A₁+A₂ при розширенні і передає кількість  теплоти Q₂  при  стисканні. Отже,Q₁+A₃+A₄=Q₂+A₁+A₂,або,враховуючи,що A₂=A₄,

                                                         A₁-A₃=Q₁-Q₂ .                                                     (46.1)

Різниця A₁-A₃ є корисною роботою, виконаною робочим тілом у даному циклічному процесі. Вона дорівнює різниці кількостей теплоти,підведеної при розширенні  газу і відведеної при стисканні.

Для характеристики ефективності циклу,а  отже і теплової машини,яка перетворює внутрішню енергію в механічну,вводиться коефіцієнт корисної дії (ККД) циклу або машини. Він дорівнює відношенню роботи A₁-A₃, фактично використаної в даному циклі,до роботи A₁, яку можна було б дістати при повному перетворенні в неї всієї кількості теплоти Q₁,південої до газу:

                                                        ŋ=A₁-A₃/A₁                                                        (46.2)

фбо,враховуючи (46.1),

                                                                       ŋ=Q₁-Q₂/Q₁=1-Q₂-Q₁.                                  (46.3)

Утермодинаміці доводиться,що при  ідеальному процесі перетворення внутрішньої енергії в механічну і за відсутності теплових втрат найвищий тепловий ККД був би

                                                                      ŋ _max=T₁-T₂/T₁                                                   (46.4)

де T₁- максимальна температура робочого тіла(газу,пари),T₂- мінімальна температура,при якій робоче тіло віддає частину внутрішньої енергії холодильнику. Оскільки T₂- температура холодильника або відпрацьованих продуктів горіння-не може дорівнювати абсолютному нулю,то максимальний тепловий ККД машини не може дорівнювати 1.

З(46.4) випливає,що для збільшення ККД теплових машин необхідно прагнути до підвищення температури нагрівника і до зниження  холодильника. Тому в сучасній техніці використовують пару високих  параметрів(температури і тиску)або,що значно вигідніше,застосовують газові двигуни внутрішнього згоряння і газові турбіни,в яких можуть бути досягнуті ще вищі температури.

Максимальна температура нагрівника T₁  навіть теоретично не може перевищувати температуру плавлення матеріалів,з яких виготовлено двигун. Тому збільшувати ККД двигуна за рахунок підвищення T₁ можна лише в певних межах. На жаль,небагато можна досягти і за рахунок зниження температури холодильника T₂,оскільки практично не має сенсу братии температури T₂  нижчою за температуру навколишнього повітря. Тому для підвищення ККД прагнуть підвищити жаростійкість і жароміцність матеріалів для виготовлення двигунів.

Крім температури нагрівника й холодильника істотну роль у підвищенні ККД теплової машини відіграють й інші фактории,наприклад,зниження втрат енергії на подолання тертя в деталях машин,зменшення теплопередачі  навколишньому повітрю тощо. Тому ККД теплової машини залежить і від її конструкції та характеру процесів,які відбуваються під час її роботи.

У таблиці 7 вказано кілька типів теплових машин,їх ККД і найближені значення температур,які можна прийняти  за температуру нагрівника і холодильника. З таблиці видно,що ККД реальних машин значно нижчий за максимально можливі його значення.

Описаний принцип дії теплової машини передає,зрозуміло,лише найістотніші з погляду фізики риси кожного теплового двигуна,а сааме:робочим тілом в них служить газ або пара,холодильником-навколишнє середовище, нагрівником у двигунах внутрішнього згоряння-пальне,а в парових двигунах-паровий котел.

Ті ж три частини є необхідним і для холодильної машини,в якій цикл проходить у зворотному напрямі. В ній розширення робочого тіла відбувається під час контакту з холодильником. Цим холоднее тіло охолоджується ще сильніше. Далі,щоб цикл став можливим,робоче тіло стискається і йому передається певна кількість теплоти від холодильника. Це виконується при контакті робочого тіла з нагрівником,який,таким чином,нагрівається ще сильніше.

                                                                                                                                                          Таблиця7

Теплова      Машина	Робоче         тіло	Температура  Нагрівника,К	Температура Холодильника,К	ŋ,%	ККД    машини,%
Поршнева парова машина	Пара	480	300	37	7-15
Парова турбіна	Пара	850	380	55	20-25
Дизель	Продукти    згоряння     палива	2100	380	82	30-39
Карбюраторний двигун	Продукти    згоряння      палива	2100	380	82	18-24

                            4.Холодильна машина і тепловий насос.

Будь-яку теплову машину можна змусити за допомогою другою двигуна здійснити цикл у зворотному напрямі. Такий процес є обернений до прямого циклу Карно і на діаграмі зобразиться тим самим чотирикутником 1234(мал.118),лише точка,яка описує стан газу,рухатиметься на діаграмі проти годинникової стрілки. Тепер газ,розширюється по ізотермі 4-3,відбирає від холодильника з температурою T₀ кількість теплоти Q₀,виконуючи при цьому роботу А_4-3:Q=A_4-3.

При ізотермічному стисканні газ віддає кількість теплоти IQI тілу з температурою Т>Т₀,яка дорівнює роботі стискання ІА_2-1І:ІQI=IA_2-1I. Повна робота газу за цикл А від’ємна ,і її абсолютне значення дорівнює абсолютному значенню суми робіт А_2-1+А_4-3 газу на ізотермах:ІАІ=ІА_2-1І-А_4-3=IQI-Q₀. Звідси випливає,що кількість теплоти IQI,віддана на ізотермі 2-1,дорівнює:

                                                       IQI=Q₀+IAI.

Сума робіт газу по розширенню і стисканню на адіабатах дорівнює нулю.

В оберненому циклі Карно за традицією тіло,яке має низьку температуру,прийнято називати холодильником,а тіло,яке має високу темпаературу,-нагрівником,хоча ролі вони виконують протилежні:холодильник віддає певну кількість теплоти,а нагрівник її одержує. За оберненим циклом працюють холодильні машини і теплові насоси.

Холодильна машина призначена для підтримання в холодильній камері температури,нижчої за температуру навколишнього середовища. Це можливо,якщо робоче тіло теплової машини провести за обертаним циклом,аналогічним оберненому циклу Карно. Розглянемо принцип дії холодильної машини на прикладі роботи побутового холодильника.

У лівій частині холодильника(мал.119)є невеликий компресор К,який приводиться в рух електродвигуном Е. Система холодильного агрегату заповнюється робочою речовиною-рідиною,яка легко випаровується(має низьку температуру кипіння). Найчастіше це аміак або фреон-12(дифтордихлорметан СF₂CI₂). Компресор холодильника засмоктує пару фреону з кожуха компресора через клапан П₁. Канал,який циркулює фреон,має звуження у вигляді трубки-капіляра А. Під час руху потоку фреону на кінцях капіляра виникає велика різниця тисків,яка необхідна,з одного боку,для збереження високого тиску в конденсаторі,який би не давав рідині можливості випаровуватися в його трубках,а з другого боку,для забезпечення малого тиску у випарнику,що обумовлювало б інтенсивне випаровування поступаючої в нього рідини.

Компресор стискає пару фреону і виштовхує її через клапан П₂ в конденсатор Р. Робота, виконана компресором при стисканні,збільшує внутрішню енергію фреону, оскільки стискання йде швидко, майже адіабатно. Температура стиснутого фреону зростає. Для охолодження фреону конденсатор забезпечений радіатором (Р). Радіатор-металева поверхня великої площі,яка має добрий тепловий контакт з трубкою,якою тече фпеон. Радіатор охолоджується повітрям  кімнатної температури. Фреон віддає певну кількість теплоти радіатору,охолоджується і частково конденсується. Температура фреону наближається до кімнатної.

Потім фреон просочується через капіляр А. За капіляром міститься змійовик,прокладений в стінках охолоджуваного об’єму Х. Оскільки по другий бік капіляра тиск нижчий,то фреон,який

проник сюди,випаровується. На випаровування затрачається певна кількість теплоти,яка відбирається від стінок холодильної камери і від предметів,які в ній містяться. Ця кількість теплоти плюс кількість теплоти,яка виділяється за рахунок роботи двигуна,виконаної над газом за цикл,віддається повітрю кімнати. В результаті цього температура всередині холодильника знижується,а в кімнаті підвищується. Процес зниження температури всередині холодильника звичайно швидко завершується,оскільки стінки холодильної шафи,хоч і погано,але проводять тепло. В стаціонарному режимі,коли температура всередині камери підтримується сталою,кількісті теплоти,відібрана від холодильника за одиницю часу,дорівнює кількості теплоти,яка надходить всередину холодильної шафи крізь стінки. Холодильник працює мов насос,перекачуючи внутрішню енергіювід одного тіла-холодильної камери-до другого-радіатора,де енергія віддається навколишньому повітрю.

Ефективність холодильної машини оцінюється за холодильним коефіцієнтом:

                                                                   k=Q₀/A,

тобто за відношенням кількості теплоти,відібраної за цикл від холодильної камери,до роботи зовнішніх сил над газом за цикл. Для холодильної машини,яка працює за оберненим циклом Карно,холодильний коефіцієнт дорівнює:

                                                                 k=T₀/T-T₀.

Чим менша різниця температур між холодильною камерою і навколишнім середовищем,тим менше треба затратити механічної(або електричної)енергії для «перекачування теплоти» від холодного тіла до гарячого. Природно,що в цьому випадку підвищується і холодильний коефіцієнт. Зверніть увагу,що холодильний коефіцієнт може бути більший за 100%. Це аж ніяк не суперечить тому,що ККД теплового двигуна завжди значно менший за 100%.

Під час роботи холодильна машина передає навколишньому середовищу більшу кількість теплоти,ніж відбирає від холодної камери. Це означає,що холодильну машину можна використати для обігрівання приміщень у холодну пору року. Для цього холодильну камеру слід винести на вулицю,а решту агрегатів холодильної машини залишити в приміщенні.

Якщо опалювати приміщення за допомогою звичайних електронагрівників,то кількість теплоти,що виділяється в нагрівних елементах,точно дорівнює витраті електроенергії. Коли ж електроенергію використати для приведення в дію холодильної машини,в якій нагрівником служить опалюване приміщення,а холодильною камерою-зовнішня атмосфера,то опалюване приміщення дістане більшу кількість теплоти,ніж її виділення дістане більшу кількість теплоти,ніж її виділилося б при безпосередньому перетворенні електроенергії у внутрішню в нагрівниках типу електроплиток,електропечей тощо.

Справді,виконавши роботу А(за рахунок електричної енергії мережі) і відібравши від зовнішньої атмосфери кількість теплоти Q₂,ми передаємо в опалюване приміщення кількість теплоти Q₁=A+Q₂>A. В реальній установці внаслідок втрат Q₁<Q₂+A. Та все ж і за наявності втрат можна при добрій конструкції машини дістати Q₁>A. Зрозуміло,що ніякої суперечності з законом збереження енергії немає-додаткова енергія відбирається від холодного зовнішнього повітря.

Холодильна машина,яка так працює,називається  т е п л о в и м   н а с о с о м,тому що вона «перекачує» певну кількість теплоти ззовні всередину приміщення. В результаті роботи теплового насоса в приміщенні стає тепліше,а на вулиці-ще холодніше(останній ефект,звичайно ж,мізерною малий). ККД теплового насоса ŋ_н визначається відношенням одержаної приміщенням кількості теплоти Q₁ до необхідної для цього зовнішньої роботи А(затрат електроенергії). В ідеальному випадку він дорівнює ŋ_{н мах}=Q₁/A=Q₁/Q₁-Q₂=T₁/T₁-T₂ і завжди більший за одиницю. Для прикладу розглянемо випадок,коли температура навколишнього повітря -20°С(Т₂=253 К),а всередині будинку слід підтримувати температуру +20°С(Т₁=293 К). Тоді ŋ_н=293/40=7,3,тобто,використовуючи електричну енергію для теплового насоса,ми можемо дістати в сім разів більшу кількість теплоти,ніж користуючись електронагрівним приладом. Звичайно,реальний ККД завжди нижчий,до того ж електродвигун теплового насоса також перетворює в роботу не всю споживну енергію. І все ж використання теплового насоса виявляється в кілька разів ефективнішим за використання електронагрівника,ґрунту тощо.

Перша промислова тепло насосна станція тепло забезпечення запрацювала в 1986р.у Криму. Вона цілий рік забезпечує теплою водою міжнародний пансіонат «Дружба». Теплонасосні станції працюють в багатьох європейських,особливо,скандинавських країнах,у південних районах США. В нашій країні теплонасосні  установки,на жаль,не дістали належного поширення,хоча їх застосування могло б дали значну економію енергоресурсів.

Домашнє завдання : написати конспект з даноі теми та підготовити невеличку доповідь на тему :"Види теплових машин."

Дата уроку :29.04.22 

Тема уроку : Оборотні та необоротні процеси. Другий закон термодинаміки.

Необоротним називається фізичний процес, який може мимовільно протікати тільки в одному визначеному напрямку.

У зворотному напрямку такі процеси можуть протікати тільки як одна з ланок складнішого процесу.

Необоротними є практично всі процеси, що відбуваються в природі. Це пов’язано з тим, що в будь-якому реальному процесі частина енергії розсіюється за рахунок випромінювання, тертя і т. д. Наприклад, тепло, як відомо, завжди переходить від більш гарячого тіла більш холодному — це найбільш типовий приклад незворотного процесу (хоча зворотний перехід не суперечить закону збереження енергії).

Також кулька яка висить на легкій нитці (маятник) ніколи мимовільно не збільшить амплітуду своїх коливань, навпаки, одного разу наведений в рух за допомогою сторонньої силою, він обов’язково, зрештою, зупиниться в результаті опору повітря і тертя нитки об підвіс. Таким чином, повідомлена маятнику механічна енергія переходить у внутрішню енергію хаотичного руху молекул (повітря, матеріалу підвісу).

Математично незворотність механічних процесів виражається в тому, що рівняння руху макроскопічних тіл змінюється зі зміною знака часу: вони не інваріантні при заміні t на -t. При цьому прискорення і сили, що залежать від відстані, не змінюють свої знаки. Знак при заміні t на -t змінюється у швидкості. Відповідно змінює знак сила, що залежить від швидкості, — сила тертя. Саме тому при вчиненні роботи силами тертя кінетична енергія тіла необоротно переходить у внутрішню.

Спрямованість процесів у природі вказує другий закон термодинаміки.

ДРУГИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ

Другий закон термодинаміки — один з основних законів термодинаміки, що встановлює необоротність реальних термодинамічних процесів.

Другий закон термодинаміки було сформульовано як закон природи Н. Л. С. Карно в 1824 р., потім У. Томсон (Кельвін) в 1841 р. і Р. Клаузиусом в 1850 р. Формулювання закону різні, але еквівалентні.

Німецький вчений Р. Клаузіус формулював закон так: неможливо перевести теплоту від більш холодної системи до більш гарячої системи при відсутності інших одночасних змін в обох системах або оточуючих тілах. Це означає, що теплота не може мимоволі переходити від більш холодного тіла до більш гарячого (принцип Клаузіуса).

Згідно формулюванню Томсона процес, при якому робота переходить в тепло без яких-небудь інших змін стану системи, є необоротним, тобто неможливо перетворити в роботу все тепло, взяте від тіла, не роблячи ніяких інших змін стану системи (принцип Томсона).

ПОНЯТТЯ ЕНТРОПІЇ

Вперше це поняття ввів у 1865 р. німецький фізик Рудольф Клаузіус. Ентропією він назвав функцію стану термодинамічної системи, що визначає міру необоротного розсіювання енергії.

Що ж таке ентропія?

Перш ніж відповісти на це питання, познайомимося з поняттям «наведеної теплоти». Будь-який термодинамічний процес, що проходить в системі, складається з деякої кількості переходів системи з одного стану в інший. Приведеною теплотою називають відношення кількості теплоти в ізотермічному процесі до температури, при якій відбувається передача цієї теплоти.

Q’ = Q/T.

Для будь-якого незамкнутого термодинамічного процесу існує така функція системи, зміна якої при переході з одного стану в інший дорівнює сумі приведених теплот. Цю функцію Клаузіус назвав «ентропія» і позначив її буквою S, а відношення загальної кількості теплоти ∆Q до величини абсолютної температури Т назвав зміною ентропії.

Звернемо увагу на те, що формула Клаузіуса визначає не саме значення ентропії, а тільки її зміну.

Що ж являє собою «необоротне розсівання енергії» в термодинаміці?

Одне з формулювань другого закону термодинаміки виглядає наступним чином: “Неможливий процес, єдиним результатом якого є перетворення в роботу всієї кількості теплоти, отриманої системою“. Тобто частина теплоти перетворюється в роботу, а якась її частина розсіюється. Цей процес необоротний. Надалі розсіяна енергія вже не може виконувати роботу. Наприклад, в реальному тепловому двигуні до робочого тіла передається не вся теплота. Частина її розсіюється в навколишнє середовище, нагріваючи його.

В ідеальній тепловій машині, що працює за циклом Карно, сума всіх наведених теплот дорівнює нулю. Це твердження справедливо і для будь-якого квазістатичного (оборотного) циклу. І неважливо, з якої кількості переходів з одного стану в інший складається такий процес.

Якщо розбити довільний термодинамічний процес на дільники нескінченно малої величини, то наведена теплота на кожній такій ділянці буде дорівнює δQ/T. Повний диференціал ентропії dS = δQ/T.

Ентропію називають мірою здатності теплоти необоротно розсіюватися. Її зміна показує, яка кількість енергії безладно розсіюється в навколишнє середовище у вигляді теплоти.

У замкнутій ізольованій системі, що не обмінюється теплом з навколишнім середовищем, при оборотних процесах ентропія не змінюється. Це означає, що диференціал dS = 0. У реальних і необоротних процесах передача тепла відбувається від теплого тіла до холодного. У таких процесах ентропія завжди зростає (dS > 0). Отже, вона вказує напрямок протікання термодинамічного процесу.

Формула Клаузіуса, записана у вигляді dS = δQ/T, справедлива лише для квазістатичних процесів. Це ідеалізовані процеси, які є низкою станів рівноваги, наступних безперервно один за одним. Їх ввели в термодинаміку для того, щоб спростити дослідження реальних термодинамічних процесів. Вважається, що в будь-який момент часу квазістатична система знаходиться в стані термодинамічної рівноваги. Такий процес називають також квазірівноважним.

Звичайно, в природі таких процесів не існує. Адже будь-яка зміна в системі порушує її рівноважний стан. В ній починають відбуватися різні перехідні процеси релаксації, що прагнуть повернути систему в стан рівноваги. Але термодинамічні процеси, що протікають досить повільно, цілком можуть розглядатися як квазістатичні.

На практиці існує безліч термодинамічних задач, для вирішення яких потрібно створення складної апаратури, створення тиску у кілька сот тисяч атмосфер, підтримання високої температури протягом тривалого часу. А квазістатичні процеси дозволяють розрахувати ентропію для таких реальних процесів, передбачити, як може проходити той чи інший процес, реалізувати який на практиці дуже складно.

Домашнє завдання : написати та вивчити конспект.

Дата уроку :26.04.22 

Тема уроку :Розв"язування задач на застосування першого закону термодинаміки.

1. Внутрішня енергія повітря масою 290 г після ізобарного нагрівання до 400 К збільшилася на 20,7 кДж. Визначте початкову температуру повітря, вважаючи, що його питома теплоємність у цьому випадку дорівнює 1000 Дж/(кг ∙ К). Молярна маса повітря становить 29 ∙ 10^-3 кг/моль, універсальна газова стала — 8,3 Дж/(моль ∙ К).

Рекомендації до розв'язання. Розрахункові задачі на застосування першого закону термодинаміки слід починати із запису саме цього закону:

Q = ∆U + A.

Тут Q = сm(Т₂ - Т₁) — кількість теплоти, надана газу, ∆U — зміна внутрішньої енергії газу, А — робота, виконана газом.

Розв'язання

Запишемо перший закон термодинаміки:

Q = ∆U + A. (1)

Тут Q = cm(T₂ - T₁); ∆U відома з умови задачі; А = p∆V = R∆T — процес ізобарний.

Підставимо отримані вирази у рівняння (1):

cm(T₂ - T₁) = ∆U + R(T₂ - T₁).

Зверніть увагу на процес, який описано в задачі:

✵ якщо процес адіабатний (відсутній теплообмін), то Q = 0;

✵ якщо процес ізобарний, то А = p∆V= R∆T;

✵ якщо процес ізохорний (не змінюється об'єм), то А = 0;

✵ якщо процес ізотермічний (не змінюється температура), то ∆U = 0.

Розв'яжемо це рівняння відносно Т₁:

сm(Т₂ - T₁) -  R(T₂ - T₁) = ∆U  (T₂ - T₁)(cm - R) = ∆U  Т₂ - Т₁ = .

Отже, Т₁ = Т₂ - . Звідси маємо:

T₁ = 400 -  = 400 - 100 = 300 (К).

300 К = (300 - 273) °С = 27 °С.

Відповідь: 27 

2. Визначте (у джоулях) кількість теплоти, яку отримав одноатомний ідеальний газ під час процесу, зображеного на рисунку.

Розв'язання

Запишемо перший закон термодинаміки:

Q = ∆U + A. (1)

Процес не є ізохорним, оскільки об'єм газу змінюється. Процес не є ізобарним, оскільки тиск газу змінюється. Процес не є ізотермічним, оскільки p₂V₂ ≠ р₁V₁.

Модуль роботи газу чисельно дорівнює площі трапеції:

A =  =  ∙ (5 ∙ 10^-3 - 1 ∙ 10^-3) = 40 ∙ 10³ ∙ 4 ∙ 10^-3 = 160 (Дж).

Об'єм газу збільшується, тому робота газу додатна. Оскільки газ одноатомний ідеальний, то

∆U =  (p₂V₂ - p₁V₁) =  (30 ∙ 10³ ∙ 5 ∙ 10^-3 - 50 ∙ 10^{3 .} 1 ∙ 10^-3) = (150 - 50) = 150 (Дж).

Отже, Q = 160 +150 = 310 (Дж).

Відповідь: 310.

Підставте вирази для Q, ∆U і А у перший закон теомодинаміки. Розв'яжіть отримане рівняння відносно невідомої величини.

Зверніть увагу: якщо газ одноатомний ідеальний, то внутрішня енергія газу розраховується за формулою

U =  RT = pV.

Зміна внутрішньої енергії одноатомного ідеального газу дорівнює:

∆U =   R(T₂ - T₁) =  (Р₂V₂ - Р₁V₁).

Домашнє завдання :  написати  конспект, розв"язати задачі : 1,2.

1 Після ізохорного нагрівання до 400 К внутрішня енергія повітря масою 150 г збільшилася на 14,7 кДж. Визначте початкову температуру повітря, вважаючи, що його теплоємність у цьому випадку дорівнює 700 Дж/(кг ∙ К).

A	Б	В	Г
200 К	260 К	300 К	320 К

2.* Визначте (у джоулях) кількість теплоти, яку отримав ідеальний газ під час процесу, зображеного на графіку.

Зверніть увагу: якщо Т₁ = Т₂ або p₂V₂ = р₁V₁, то ∆U = 0, навіть якщо процес не є ізотермічним.

Дата уроку :25.04.22 

Тема уроку :  Перший закон термодинаміки. Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів ів ідеальному газі. Адіабатний процес.

У середині XIX ст. Джеймс Джоуль (1818-1889), Юліус фон Маєр (1814-1878) і Герман фон Гельмгольц (1821-1894), спираючись на проведені досліди, встановили закон, згідно з яким в замкнутій фізичній системі енергія нікуди не зникає і нізвідки не виникає, вона лише перетворюється з одного виду на інший і є величиною сталою. Це твердження, як ми вже знаємо, називають законом збереження і перетворення енергії. Чи можна цей закон застосувати і до теплових процесів?

1. Перший закон термодинаміки

Перший закон (начало) термодинаміки:

Зміна внутрішньої енергії системи (∆U) у випадку переходу з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил (A') і кількості теплоти (Q), переданої системі.

∆U=Q+A'

Якщо система одержує певну кількість теплоти, то в наведеній формулі Q беруть зі знаком «+», якщо віддає, то зі знаком «–».

A'=-A

A' – робота зовнішніх сил (робота над газом)

A – робота проти зовнішніх сил (робота газу)

Перший закон (начало) термодинаміки можна сформулювати інакше:

Кількість теплоти Q, передана системі, йде на зміну внутрішньої енергії системи (∆U) та на виконання системою роботи A проти зовнішніх сил.

Q=∆U+A

Згідно з першим законом термодинаміки неможливо створити вічний двигун першого роду – циклічний пристрій, який виконував би механічну роботу без споживання енергії ззовні або виконував би роботу більшу, ніж споживана ним енергія.

2. Перший закон термодинаміки (Q=∆U+A) для ізопроцесів

Ізохорний процес

m=const; V=const; ∆V=0; A=0        =>          Q=∆U

При ізохорному процесі вся передана газу кількість теплоти витрачається на збільшення внутрішньої енергії газу.

Якщо газ ідеальний одноатомний, то кількість теплоти, передана газу, дорівнює:

Ізотермічний процес

m=const; T=const; ∆T=0; ∆U=0        =>          Q=A

При ізотермічному процесі вся передана газу кількість теплоти йде на виконання механічної роботи.

Ізобарний процес

m=const; p=const; ∆p=0        =>          Q=∆U+A

При ізобарному процесі передана газу кількість теплоти йде і на збільшення внутрішньої енергії газу, і на виконання механічної роботи.

Якщо газ ідеальний одноатомний, то кількість теплоти, передана газу, дорівнює:

3. Адіабатний процес

Адіабатний процес – це процес, який відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем.

∆U+A=0         або         A=-∆U

У ході адіабатного розширення газ виконує додатну роботу за рахунок зменшення внутрішньої енергії, при цьому температура газу зменшується.

p=nkT, у разі адіабатного стиснення тиск газу зростає набагато швидше, ніж у разі ізотермічного, адже одночасно зі збільшенням концентрації молекул газу збільшується і його температура (синій – адіабата, червоний – ізотерми).

В разі адіабатного розширення тиск падає швидше, ніж у разі ізотермічного, адже одночасно зменшуються і концентрація, і температура газу

У реальних умовах процес, близький до адіабатного, можна здійснити, якщо газ міститиметься всередині деякої оболонки з дуже хорошими термоізоляційними властивостями. 

Адіабатними можна вважати й процеси, які відбуваються дуже швидко, тому що в такому випадку газ не встигає обмінятися теплотою з навколишнім середовищем (наприклад, розширення і стиснення повітря в ході поширення звукових хвиль; розширення газу під час вибуху).

Збільшення температури внаслідок різкого стиснення повітря використовується в дизельному двигуні, в якому відсутня система запалювання пальної суміші.

Розв'язування задач.

Домашнє завдання :  написати та вивчити конспект.

Дата уроку :22.04.22 

Тема уроку :Розв"язування задач на обчислення роботи газу та кількості теплоти.

1. Написати коспект :

1. Яку масу спирту потрібно спалити, щоб нагріти 2 кг води від 14 до 50 °С , якщо вся теплота, що виділяється внаслідок згоряння спирту, піде на нагрівання води?

2. Яка кількість теплоти необхідна для того, щоб перетворити у водяну пару лід масою 2 кг, взятий при 0°С?

 Задачі за збірником  Римкевича.

550. У скільки разів кількість теплоти, яка витрачається на нагрівання газу при сталому тиску, більша, ніж робота, що її виконує газ під час розширення? Питома теплоємність газу при сталому тиску с_р, молярна маса .

,   ,         

551*. Знайшовши з таблиць значення питомої теплоємності повітря с_р і молярну масу М, обчисліть, у скільки разів більша кількість теплоти буде потрібна для ізобарного нагрівання, ніж для ізохорного. Маса повітря і різниця температур в обох випадках однакові.

Ізобарне нагрівання: 

Ізохорне нагрівання: 

,     

2. Домашнє завдання : 

Задача 1. На скільки змінилася енергія = 10 моль одноатомного газу під час його ізобарного нагрівання на  = 100 К?Яку роботу виконав при цьому газ і якої кількості теплоти йому було надано?

Задача 2.Для приготування ванни, місткість якої 200 л, змішали холодну воду при 10 °С з гарячою при 60 °С. Які об'єми холодної і гарячої води треба взяти, щоб у ванні встановилася температура 40 °С.

Дата уроку :18.04.22 

Тема уроку : Розв"язування задач на розрахунок внутрішньої енергії.

Домашнє завдання : переглянути відео , написати та вивчити конспект.

Дата уроку :15.04.22 

Тема уроку : Основні поняття термодинаміки . Внутрішня енергія . Способи зміни внутрішньої енергії.

1. Внутрішня енергія

При вивченні курсу механіки ми познайомилися з поняттям механічної енергії і знаємо, що механічна енергія — це сума кінетичної енергії, зумовленої рухом тіл, і потенційної енергії, яка зумовлена їх взаємодією.

Якщо тіла взаємодіють за допомогою сил тяжіння та пружності, то механічна енергія зберігається. Механічна енергія убуває, якщо між тілами діє сила тертя або ковзання. При цьому тіла нагріваються, а ми вже знаємо, що підвищення температури означає збільшення енергії хаотичного руху частинок. Однак механічна енергія може спадати і без підвищення температури. Наприклад, якщо терти лід за температури 0 °С, він буде перетворюватися на воду, температура якої теж 0 °С. На що ж перетворюється при цьому механічна енергія? Вона перетворюється на потенційну енергію взаємодії молекул. Під час перетворення льоду на воду ця потенціальна енергія збільшується. Ми говоримо, що в обох випадках збільшується внутрішня енергія тіла.

Ø  Внутрішня енергія — це сума кінетичної енергії хаотичного руху всіх частинок, що входять до складу даного тіла, і потенційної енергії їх взаємодії одна з одною: U = Ek + Еp.

Приклади зміни внутрішньої енергії: нагрівання та охолодження; плавлення і кристалізація; випаровування і конденсація; хімічні реакції; ядерні реакції.

Внутрішня енергія тіла залежить від його стану, тобто є функцією стану, і визначається однозначно параметрами р, V, Т. Це означає, що тіло, перебуваючи в стані з даними значеннями параметрів, має одне, і тільки одне значення внутрішньої енергії. Під час зміни стану тіла змінюється значення внутрішньої енергії.

2. Два способи зміни внутрішньої енергії

Змінити внутрішню енергію тіла можна двома способами:

1) під час здійснення над тілом роботи (наприклад, якщо стискати газ у теплоізольованій посудині, то він нагрівається);

2) завдяки теплопередачі, тобто без здійснення роботи (наприклад, під час контакту тіл різної температури, їх температури вирівнюються, тобто внутрішня енергія більш нагрітого тіла зменшується, а менш нагрітого — збільшується). Кількісну міру зміни внутрішньої енергії в процесі теплопередачі називають кількістю теплоти й позначають Q. Кількість теплоти вимірюється в джоулях.

3. Внутрішня енергія ідеального газу

Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу має вигляд  Рівняння стану ідеального газу можна записати у вигляді р = nkT.

З цих двох виразів можна отримати 

Якщо ідеальний газ складається з N молекул, то їх загальна енергія  Підставляючи сюди вираз  отримуємо:

Для одного моля цей вираз матиме вигляд:

Ця енергія називається внутрішньою енергією ідеального газу Так як для ідеального газу взаємодією молекул нехтують, потенціальна енергія молекул дорівнює нулю.

Ø  Внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури і не залежить ні від його тиску, ні від об’єму.

Збільшення маси газу призводить до збільшення його внутрішньої енергії (U ~ m). Внутрішня енергія залежить від роду газу, тобто від його молярної маси (U ~     1/M). Це відбувається за таких умов: чим більша молярна маса М, тим менше атомів міститься в газі даної маси. Якщо ідеальний газ складається з більш складних молекул, ніж одноатомний, то його внутрішня енергія також пропорційна абсолютній температурі, тільки коефіцієнт пропорційності між U та Т інший. Пояснюється це тим, що складні молекули не тільки рухаються поступально, а й обертаються. Внутрішня енергія таких газів дорівнює сумі енергій поступального і обертального руху молекул.

Домашнє завдання : переглянути відео , написати та вивчити конспект.

Дата уроку :12.04.22 

Тема уроку : Контрольна робота № 5 . Властивості пари ,

                                      рідин і твердих тіл.

Варіант 1

 Початковий рівень

(1б)1. До насиченої пари можна застосувати …

 а) закон Бойля-Маріотта; б) закон Гей-Люссака;

в) рівняння стану ідеального газу (рівняння Клапейрона-Менделєєва);

г) усі газові закони.

(1б)2. Поверхневий натяг рідини залежить …

а) від роду рідини, її температури і наявності у ній домішок;

б) від роду рідини і її температури;

 в) тільки від роду рідини; г) тільки від її температури.

(1б)3. Тверді тіла, атоми, йони або молекули яких впорядковано розміщені у просторі, утворюючи кристалічну решітку, називаються …

а) пластмасами; б) пружними; в) аморфними; г) кристалічними.

Середній рівень

(2б)4. Температура повітря дорівнює 19°С, а його абсолютна вологість становить 8 г/м³ . Яка відносна вологість повітря?

(2б) 5. Яка площа поперечного перерізу сталевого гака підйомного крана, якщо при підніманні вантажу, маса якого 8 т, був забезпечений шестикратний запас міцності? Межа міцності сталі становить 500 МПа.

Достатній рівень

(2б)6. Гас піднявся у капілярній трубці на висоту 30 мм. Який радіус капіляра, якщо σ = 73 мН/м? Густина гасу 1000 кг/м³ .

Високий рівень

 (3б)7. Яку силу треба прикласти до сталевого арматурного стержня завдовжки 5 м і діаметром 20 мм, щоб видовжити його на 2 мм? Модуль пружності сталі 200 ГПа.

Варіант 2

 Початковий рівень

(1б)1. Прилад, за допомогою якого вимірюють вологість повітря, називається…

 а) барометром; б) психрометром; в) манометром; г) термометром.

 (1б)2. Висота підняття рідини у капілярній трубці залежить від …

а) температури середовища і матеріалу, з якого виготовлено капіляр;

б) роду рідини, її густини і розмірів капіляра;

в) атмосферного тиску; г) атмосферного тиску і матеріалу, з якого виготовлено капіляр.

(1б)3. Рідкі кристали – це речовини, що мають природу, споріднену з…

 а) рідинами і тільки; б) твердими тілами і тільки;

 в) монокристалами; г) рідинами і твердими тілами.

 Середній рівень

 (2б)4. Температура повітря дорівнює 19°С, а його відносна вологість =50%. Яку температуру показує вологий термометр психрометра?

 (2б)5.  Гас піднявся у капілярній трубці на висоту 20 мм. Який радіус капіляра, якщо σ = 24 мН/м? Густина гасу 800 кг/м³ .

 Достатній рівень

 (2б)6. Із 910 мг мінерального масла (σ = 31 мН/м) одержали 76 крапель. Який внутрішній діаметр шийки крапельниці?

Високий рівень

(3б)7. Удень за температури 20°С відносна вологість повітря становила 65%. Скільки води у вигляді роси виділиться з 50 м³ повітря уночі, коли температура повітря знизиться до 7°С? 

Домашнє завдання : виконати контрольну роботу.

Дата уроку :11.04.22 

Тема уроку :  Самостійна робота на тему "Властивості пари, рідин і твердих тіл. "

1. Якщо кількість молекул, які щосекунди вилітають із рідини та повертаються до неї, однакова, то пара над рідиною є … 

2. Пароутворення, яке відбувається в усьому об’ємі рідини, - це … Кількість водяної пари у 1 м3 повітря – це … 

3. Температуру вимірюють у градусах Цельсія і …

4. Три агрегатних стани речовини – це … 

5. Тонка плівка атомів на поверхні рідини називається … 

6. Процес перетворення рідини на газ – це … 

7. Якщо речовина зберігає об’єм та форму – це … 

8. Тверді тіла бувають кристалічні та … 

9. За яким законом можна визначити силу пружності речовини? 

10. Які бувають деформації твердих тіл? 

11. Тверді тіла, які мають певну температуру плавлення й кристалізації, називаються …

12. Тверді тіла, які не мають точної температури плавлення й молекули яких не утворюють кристалічної решітки, - це … 

13. Процес перетворення твердого тіла на рідину – це … 

14. Розташування атомів у певному порядку та напрямку у твердому тілі називається … 

15.   Рідина, яка утворює увігнутий меніск зі стінками посудини, є … 

16. Сила, що діє на поверхні рідини, - це … 

17. Якщо рідина скручується в краплю на поверхні твердого тіла, то вона… 

18. Рідина, яка розпливається по поверхні твердого тіла… 

19. Змочувальна й не змочувальна рідина утворюють зі стінками посудини… 

20. Що лежить в основі надходження поживних речовин із грунту в рослини? 

21. Чи залежить висота підняття рідини в капілярній трубці від роду речовини? 

22. Чи достатньо знати покази тільки сухого термометра, щоб визначити відносну вологість? 

23. Сила, яка припадає та діє на одиницю площі, - це … 

24. Найменша частинка речовини – це … 

25. Між атомами та молекулами існують сили… 

26. Речовина, яка утворює дві кристалічні решітки, - це … Речовина, яка не зберігає ні форми, ні об’єму, - це … 

27. Речовина, яка є учасником капілярних явищ, - це … 

28. Властивість деяких речовин утворювати різні кристалічні решітки називається … 

 Задача 1

На скільки подовжиться сталевий дріт завдовжки 2 м і діаметром 0,4 мм під дією вантажу вагою 20 Н? (Відповідь: 1,45 мм.)

 Задача 2

Корковий кубик, ребро якого – 2 см, плаває на поверхні води. Визначте силу поверхневого натягу, яка діє на корок, вважаючи змочування повним. (Відповідь: 5,8 мН.)

 Задача 3

Визначте діаметр алюмінієвого стрижня, до якого підвішена люстрамасою 250 кг, якщо запас міцності стрижня – 4. (Відповідь: 1,6 см.)

Дата уроку : 08.04.22 

Тема уроку : Лабораторна робота № 9 . Визначення модуля пружності  ( модуля Юнга ) речовини.

Мета роботи: експериментально перевірити закон Гука і визначити модуль пружності гуми.

Обладнання:

1. Лінійка.

2. Гумовий шнур.

3. Штангенциркуль.

4. Штатив.

5. Динамометр або тягарець.

Хід роботи

Дослід.

1. Візьмемо гумовий шнур і виміряємо (дивимось значення на малюнку) його діаметр. (Хто не пам’ятає, як користуватися штангенциркулем, шукайте відео в Yuotube з підказками). Результат записуємо в зошит d= .

2. Фіксуємо повну довжину шнура (на малюнку). Записуємо значення l0= .

3. Підвішуємо до шнура тягарець масою 2 кг та фіксуємо його довжину в розтягненому стані: l= . Обчислюємо, на скільки розтягнувся шнур: Δl= .

Опрацювання результатів експерименту

4. Знаючи масу важка, обчислюємо силу, з якою тягарець розтягує гумовий шнур. Зрозуміло, що ця сила буде дорівнювати вазі тягарця, тобто силі тяжіння, яка на нього діє: F=P=Fтяж=mg= .

5. Обчисліть модуль пружності (модуль Юнга) за наступною формулою:

Висновок:

6. Зробіть висновок та запишіть його в робочий зошит.

Домашнє завдання: виконати лабораторну роботу та 

знайти через додаткові джерела інформацію про Роберта Гука та написати есе про наукові відкриття та винаходи вченого.

Дата уроку : 05.04.22 

Тема уроку : Розв"язування задач на деформацію твердих тіл.

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ: ознайомитись з задачами та записати їх в зошит.

Дата уроку : 04.04.22 

Тема уроку : Види деформації твердих тіл. Механічна напруга твердих тіл . Закон Гука , модельЮнга . Механічні властивості твердих тіл, їх теплове розширення.

Прикладами пружних деформацій є деформації гумового шнура, гумки, сталевої пружини, сталевих кульок під час зіткнень.

Дослід. Взяти пружину і розтягнути. Вона видовжилась, але якщо на неї більше не діяти, то вона повертається в попереднє положення.

За зміною форми тіла деформації поділяють на п’ять видів, які зводяться до перших трьох:

1. Розтягнення (канати, троси, ланцюги, сухожилля).

2. Стиснення (колони, стовпи, стіни, хребти).

3. Зсув (заклепки, шпонки, болти, м’язи).

4. Кручення = розтягнення + зсув (свердла, шурупи, вали, шкіра).

5. Вигин = розтягнення + стиснення (мости, панелі, балки, осі, кістки).

Усередині вигнутого тіла є шар, який майже не зазнає зміни розмірів, — нейтральний шар. У разі його видалення:

1) економиться матеріал;

2) підвищується міцність конструкції внаслідок зменшення навантаження.

У сучасній техніці і в будівництві замість стрижнів і суцільних брусів використовують: труби, двотаврові балки, рейки, швелери, що полегшує конструкцію й економить матеріал.

Сама природа наділила людину й тварину трубчатими кістками кінцівок, а злаки та деякі рослини — трубчастими стеблами.

Складання узагальненої таблиці.

Вид деформації	Ознаки
Розтягнення	Збільшується відстань між молекулярними шарами
Стиснення	Зменшується відстань між молекулярними шарами
Кручення	Поворот одних молекулярних шарів щодо інших
Вигин	Одні молекулярні шари розтягуються, а інші стискаються або розтягуються, але менше за перших
Зсув	Одні шари молекул зрушуються щодо інших

Далі вводяться поняття абсолютного та відносного видовження.

де ε — відносне видовження тіла (%); Δl — абсолютне видовження тіла (м); l₀ — початкова довжина тіла (м).

Також вводиться поняття механічної напруги.

де σ — механічна напруга тіла (Па); F_пр — сила пружності, що виникає в тілі під час розтягнення (стиснення) (Н); S — площа перерізу тіла (м²).

Для дослідження деформації розтягнення стрижень з досліджуваного матеріалу за допомогою спеціальних пристроїв (наприклад, за допомогою гідравлічного преса) піддають розтягненню і вимірюють видовження зразка і механічну напругу, що виникає в ньому. За результатами дослідів накреслюють графік залежності механічної напруги σ від відносного видовження ε. Цей графік називають діаграмою розтягнення.

Обговорення фізичного змісту різних ділянок діаграми. Пояснення механічних властивостей твердого тіла: пружність, пластичність, крихкість, твердість.

· Число, що показує, у скільки разів межа міцності більша за допустиму напругу, називають коефіцієнтом запасу міцності:

Запас міцності вибирають залежно від багатьох причин: якості матеріалу, характеру навантаження (статична або така, що змінюється з часом), ступеня небезпеки, що виникає при руйнуванні, тощо. На практиці запас міцності коливається від 1,7 до 10. Вибравши правильно запас міцності, інженер може визначити допустиму в конструкції напругу.

Механічна напруга	Позначення	Пояснення
Межа пропорційності	σп	Максимальна напруга, за якої ще виконується закон Гука
Межа пружності	σуп	Максимальна напруга, за якої ще не виникають помітні пластичні деформації
Межа текучості	σт	Максимальна напруга, за якої припиняються пластичні деформації
Межа міцності	σпр	Найбільша напруга, яку зразок витримує без руйнування

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ : написати та вивчити конспект ,  відповісти на питання.

1). Яка стеля міцніша: плоска чи склеписта? Матеріал стелі в обох випадках однаковий.

2). Виконайте рисунок діаграми розтягу для металу і поясніть її. Що називають межею пропорційності? Пружності? Плинності? Міцності?

3). Що називають пластичністю? Крихкістю?

Дата уроку : 01.04.22 

Тема уроку : Будова та властивості твердих тіл. Монокристали , полікристали . Анізотропія кристалів. Рідкі кристали та їх властивості.

Молекули й атоми можуть лише коливатися навколо положення рівноваги, перейти в інше положення рівноваги молекула не може. Енергія й амплітуда коливань молекул тим більша, що вищою є температура тіла.

За впорядкованістю самих положень рівноваги тверді тіла поділяють на аморфні й кристалічні.

Аморфні тіла

Аморфні тіла дуже близькі до рідин. Молекули, атоми, йони аморфних тіл взагалі розташовані хаотично, і тільки всередині невеликих локальних груп, які містять усього кілька частинок, вони розташовані в певному порядку (ближній порядок).

У аморфних тіл зберігається ближній порядок у розміщенні частинок (атоми, молекули, йони), але відсутній дальній (скло, різні затверділі смоли (янтар), пластики).

Властивості аморфних тіл:

1) ізотропія – фізичні властивості (теплопровідність, електропровідність, міцність, оптичні властивості) однакові у всіх напрямках;

2) не мають певної температури плавлення й питомої теплоти плавлення (з підвищенням температури вони поступово перетворюються на рідину);

3) пластичність (вони не відновлюють форму після припинення дії деформуючої сили);

4) нестійкість (через деякий час аморфна речовина переходить у кристалічний стан. Але часто цей час буває дуже тривалим (роки й десятиліття). До таких речовин належить скло. Будучи спочатку прозорим, протягом багатьох років воно мутніє: у ньому утворюються дрібні кристалики силікатів).

Кристалічні тіла

У кристалічних тілах частинки речовини (атоми, молекули, йони) розташовані в чітко визначеному порядку (метали, лід, сіль, кварц).

Наслідком цього є геометрично правильна кристалічна ґратка. Вузол кристалічної ґратки –  це точка, відносно якої атом (молекула) здійснює коливання.

Властивості кристалів:

1) наявність чіткої температури плавлення; уся енергія, яка підводиться до тіла за даної температури, йде на збільшення потенціальної енергії молекул та руйнування кристалічної ґратки Кінетична енергія молекул незмінна, тому температура тіла під час плавлення не змінюється;

2) залежність від типу кристалічної ґратки.

Монокристали та полікристали

Кристалічні тіла можуть бути монокристалами і полікристалами.

Монокристал – тверде тіло, частинки якого утворюють єдину кристалічну ґратку (кварц, турмалін, сегнетові солі).

Фізичні властивості монокристалів залежать від обраного в них напрямку.

Анізотропія – залежність фізичних властивостей від вибраного в кристалі напрямку.

Механічна міцність багатьох кристалів різна в різних напрямках: шматок слюди легко розшаровується на тонкі пластинки в одному напрямку, але його набагато складніше розламати перпендикулярно до пластинок. Від напрямку, обраного в кристалі, залежать його теплопровідність, електропровідність, заломлення, прозорість, лінійне розширення та багато інших фізичних властивостей. Анізотропія кристалів зумовлена їх кристалічними ґратками: в різних напрямках відстані між частинками, що утворюють кристалічну ґратку, різні

Полікристали – тверді тіла, які складаються з багатьох хаотично орієнтованих маленьких кристаликів, що зрослися між собою (метали, глина, сплави металів).

Полікристалічні тіла ізотропні, тобто їх властивості однакові в усіх напрямках.

Рідкі кристали

Рідкий кристал – стан речовини, який поєднує плинність рідини й анізотропію кристалів.

У рідині частинки в цілому розташовані хаотично та можуть вільно обертатись і переміщуватись у будь-яких напрямках.

У кристалічному твердому тілі існує тривимірний далекий порядок і частинки можуть лише коливатися біля положень рівноваги.

У рідкому кристалі є певний ступінь упорядкованості в розташуванні молекул, але й допускається деяка свобода їх переміщення. Найчастіше рідкокристалічний стан спостерігається в органічних речовин, молекули яких мають видовжену або дископодібну форму.

Нематичні (нитковидні молекули напрямлені паралельно одна одній, але можуть ковзати вгору та вниз); смектичні (молекули орієнтовані паралельно одна одній і утворюють тонкі шари); холестеричні (плоскі довгі молекули зібрані в шари, повернуті один відносно одного)

Залежність оптичних властивостей рідких кристалів від температури та електричного поля забезпечила їх широке застосування.

Застосування: дисплеї годинників і калькуляторів, персональні комп’ютери, плоскі телевізійні екрани; їх використовують у медицині (наприклад, як індикатори температури).

Так, кут повороту осей молекул у кожному шарі холестеричного рідкого кристала залежить від температури, а від кута повороту залежить забарвлення кристала, тому якщо тонку полімерну плівку з мікропорожнинами, заповненими холестериком, накласти на тіло, то вийде кольорове відображення розподілу температури.

1. Кварцова кулька після нагрівання набула форми еліпсоїда. Чому?

Кварц відноситься до монокристалів, для яких є характерна анізотропія (залежність фізичних властивостей від вибраного в кристалі напрямку). Тому і коефіцієнт теплового розширення залежить в таких тілах від напрямку – в одному напрямі коефіцієнт лінійного розширення є більшим ніж у іншому. Тому і кварцова куля при нагрівання перетвориться в еліпсоїд.

2. Кожну з двох тонких пластин, виготовлених із різних речовин, зверху покрили шаром воску. Знизу до кожної пластини притиснули вістря розпеченої голки (а) –  на невеликій ділянці навколо вістря віск розтанув.

За формою ділянок (б, в) визначте, яка пластина виготовлена з полікристалічної речовини, а яка є монокристалом. Відповідь обґрунтуйте.

Монокристали є анізотропними -  в них фізичні властивості (і теплові також) залежать від напрямку. Полікристалічні тіла є ізотропними – в них фізичні властивості однакові в різних напрямках.

На рисунку (в) видно, що теплові властивості пластини однакові в різних напрямах – це означає, що пластина виготовлена з полікристалічної речовини

На рисунку (б) видно, що теплові властивості різні в різних напрямках, тобто пластина є монокристалом.

Домашнє завдання : переглянути відео , опрацювати матеріал , написати та вивчити конспект.

Дата уроку : 29.03.22 

Тема уроку : Розв"язування задач на поверхневий натяг рідини та капілярні явища.

Домашнє завдання : ознайомитись з задачами та написати їх в зошит.

Дата уроку : 28.03.22 

Тема уроку :Лабораторна робота № 8. Визначення поверхневого натягу рідини.

Мета роботи: експериментально визначити поверхневий натяг води методом відривання крапель і порівняти його з табличним значенням.

Обладнання:

1. Лінійка.

2. Медичний шприц (найкраще, об’ємом 2 мл, без голки).

3. Склянка з водою (бажано дистильована).

4. Клин з паперу або тонкого пластику.

Хід роботи

Дослід.

1. Виміряємо внутрішній діаметр вихідного отвору медичного шприца (без голки!) за допомогою паперового або пластикового клина (прямокутний трикутник, як на рисунку). Для цього користуємося знаннями про подібні трикутники з геометрії. Помістивши клин в отвір, ми можемо відмітити та виміряти глибину занурення l1. Далі виміряти лінійкою довжину катетів клина (він же прямокутний трикутник). А з формули нижче, зможете легко обчислити внутрішній діаметр шприца d. Запишіть отриманий результат на чернетку, а потім внесіть в таблицю.

2. Наберіть в шприц рівно 2 мл води і повільно натискаючи на поршень, виміряйте загальну кількість крапель в даному об’ємі.

3. Намалюйте в зошиті таблицю. Повторіть дослід 3 рази, заносячи дані в відповідні клітинки. Внесіть туди ж діаметр отвору, об’єм води 2 мл (не забувайте перевести в м3) та кількість крапель (пораховані для кожного досліду).

Номер досліду	Діаметр отвору d, м	Об’єм води V, м3	Кількість крапель		Поверхневий натяг σ, Н/м
			N	Nсер
1.
2.
3.

Опрацювання результатів експерименту

4. Використовуючи отримані дані, обчислюємо середнє значення кількості крапель. На основі них рахуємо середнє значення поверхневого натягу за формулою нижче.

5. Обчисліть відносну похибку експерименту, порівнявши експериментальний результат з табличним значенням (ст. 197 в підручнику «Фізика 10 клас, В. Г. Бар’яхтар, С. О. Довгий»).

6. Зробіть висновок та запишіть його в робочий зошит, порівнявши отриманий результат з табличним значенням поверхневого натягу для води. Чи здається вам цей метод вимірювання зручний?

Домашнє завдання : виконати лабораторну роботу.

Дата уроку : 25.03.22 

Тема уроку : Будова рідини. Поверхневий натяг рідини. Змочування . Капілярні явища.

Властивості рідин.  «Дослід Плато» 

Рідина має деякі властивості, характерні для твердого тіла; (зберігає об'єм, утворює поверхню, характеризується певною міцністю на розрив) і газу (набуває форми посудини, в якій міститься), водночас має ряд притаманних лише рідині властивостей. 

Отже, рідини мають такі властивості:

займають певний об'єм, бо Екін < Епот (обумовлено міжмолекулярною взаємодією);

спричиняють поверхневий (молекулярний) тиск, бо молекули і поверхневого шару стискають рідину (пояснено нижче);

нестисливі, бо мають великий молекулярний тиск.

текучі, тобто набирають форми посудини, бо результуюча сил притягання дорівнює нулю;

проявляють в’язкість, бо під час зсування шарів виникають сили внутрішнього тертя, що залежать від речовини, температури, тиску;

проявляють пружність (tдії≤tосідлого життя молекул~10-10 – 10-12с), бо час взаємодії дуже малий;

наявний ближній порядок розміщення молекул, чим схожі до твердих тіл.

Поверхневий натяг  

Кожна молекула рідини відчуває притягання сусідніх молекул. Відстань, на якій молекула ще чинить дію на інші молекули, називається радіусом її молекулярної дії. Молекули поверхневого шару мають додаткову потенціальну енергію порівняно з молекулами, що містяться всередині рідини. Додаткова потенціальна енергія, яку мають молекули поверхневого шару порівняно з молекулами рідини, називається поверхневою енергією

Поверхнева енергія пропорційна площі вільної поверхні рідини:   

Силами поверхневого натягу називається властивість поверхні рідини скорочуватися. (сили, які намагаються скоротити поверхню рідини)

Здатність рідини до скорочення своєї поверхні називають поверхневим натягом.  Поверхневий натяг рідини позначається символом σ,  одиниця в СІ – ньютон на метр (Н/м). Це скалярна додатна величина. Поверхневий натяг рідини – це відношення сили поверхневого натягу, яка діє на елемент контуру, що обмежує цю поверхню, до довжини контуру:   . Фізичний зміст поверхневого натягу: поверхневий натяг чисельно дорівнює силі поверхневого натягу, яка діє на кожну одиницю довжини контуру, що обмежує поверхню рідини Залежить від роду рідини, її температури та наявності домішок.  Підвищення температури рідини супроводжується зменшенням поверхневого натягу рідини, бо слабшають сили міжмолекулярної взаємодії.

3. Змочування. 

На межі дотику твердих тіл з рідинами спостерігаються явища змочування, які полягають у викривлені вільної поверхні рідини біля твердих стінок посудини. Поверхня рідини, викривлена на межі називається меніском. Лінія, вздовж якої меніск перетинається з твердим тілом, називається периметром змочування. Явище змочування характеризується крайовим кутом θ між поверхнею твердого тіла і меніском в точках їх перетину, тобто в точках периметра змочування.  Рідина називається змочуючою тверде тіло,якщо крайовий кут гострий 0°≤ Θ <π/2. Наприклад вода змочує чисте скло, ртуть змочує цинк. Для рідин, що не змочують тверде тіло, крайовий кут тупий: π/2<Θ<π. Наприклад,вода не змочує парафін, ртуть не змочує чавун. Якщо Θ=0, змочування ідеальне; якщо Θ=π, то ідеальне незмочування. При θ=0 і θ=π спостерігається сферична форма меніска, увігнута чи випукла. При Θ=π/2 рідина має плоску вільну поверхню. Цей випадок називається відсутністю змочування і незмочування. 

Викривлення поверхні рідини створює надлишковий тиск на рідину порівняно з тиском під плоскою поверхнею. Для сферичної поверхні рідини, при крайовому куті Θ, рівному 0° або π, додатковий тиск рм дорівнює: рм=2σ/R, де σ – коефіцієнт поверхневого натягу, R – радіус сферичної поверхні; рм>0, якщо меніск опуклий; рм<0, якщо меніск увігнутий. При опуклому меніску рм збільшує той тиск, який існує під плоскою поверхнею рідини (наприклад, атмосферний тиск на вільну поверхню рідини). При увігнутому меніску тиск зменшується на рм.

4. Капілярні явища.      

Вузькі циліндричні трубки с діаметром близько міліметра і менше називаються капілярами. Капіляри (від лат. capillaris – волосок), трубки з дуже вузьким каналом; система сполучених пор (наприклад, в гірських породах, і пінопластах. Явище підняття (чи опускання) рідини в капілярах називається капілярністю. 

Дослід: У воду занурити два капіляри різного діаметра. Спостерігати підйом рідини у капілярах. Вода піднімається вище від її рівня в посудині, і вище у капілярі, який має менший діаметр.

Дослід: Капіляр занурити в олію. Спостерігати опускання рідини нижче від її рівня в  посудині.

Викривлення поверхні рідини спричинює додатковий молекулярний тиск, що визначається формулою Лапласа. Якщо поверхня має сферичну форму при повному змочування чи незмочуванні, то p_л=F_н/S=2πRσ/(πR^2 )=2σ/R

 Тиск рл алгебраїчно додається до атмосферного. Якщо меніск опуклий, то сумарний тиск більший від атмосферного і рідина опускається капіляром. Якщо меніск увігнутий, то – менший від атмосферного і рідина піднімається 

Рідина піднімається (або опускається) доти, поки гідростатичний тиск p=ρgh стовпа рідини висотою h не компенсує додатковий (лапласівський тиск) рл: 2σ/R=ρgh

Одні й ті ж речовини поводять себе по-різному в залежності від поверхні, на якій вони знаходяться.

Домашнє завдання : переглянути відео , опрацювати матеріал, написати та вивчити конспект.

Дата уроку : 22.03.22 

Тема уроку : Розв"язування задач на розрахунок вологості

                        повітря.

Домашнє завдання : ознайомитись з задачами , написати конспект та виконати задачі 1,2

Дата уроку : 21.03.22 

Тема уроку : Лабораторна робота №7 . Вимірювання відносної вологості.

Домашнє завдання : виконати лабораторну роботу.

Дата уроку : 18.03.22 

Тема уроку : Вологість повітря , її вимірювання . точка роси. Рівновага фаз  та фазові переходи. 

            1. Вологість

У повітрі завжди міститься якась кількість водяної пари. На від­міну від водяної пари, повітря є необхідною умовою існування жит­тя на Землі. Як же оцінити ступінь вологості повітря? Така оцінка особливо важлива, наприклад, для складання прогнозу погоди.

Щоб здійснити аналіз ступеня вологості повітря, важливо зна­ти, наскільки водяна пара, що знаходиться в ньому, відрізняється, від стану насичення. Наприклад, тиск водяної пари (кімнатної тем­ператури) складає близько 2 % від звичайного атмосферного тиску.

Тиск ненасиченої пари менший за тиск насиченої. Тому сту­пінь «насиченості» водяної пари можна тлумачити як відношення тиску водяної пари до тиску насиченої пари за тієї ж температури. Ця величина, виражена у відсотках, називається відносною воло­гістю і позначається φ. Отже,

відносною вологістю повітря φ називають відношення тис­ку водяної пари за даної температури р до тиску насиченої пари р_И з тією ж температурою.

Зазвичай комфортні умови для людини відповідають вологості близько 50 — 60 %.

            2. Точка роси

Якщо кількість водяної пари в повітрі не змінюється, то зі зни­женням температури відносна вологість зростає, у цей момент, во­дяна пара ближча до насичення. Зниженням температури відносну вологість можна довести до 100 %, не змінюючи кількості пари, яка міститься в ній. При подальшому зниженні температури воло­гість вже не збільшується, а частина водяної пари конденсується. З’являється туман, випадає роса. Температуру, за якої водяна пара стає насиченою, називають точкою роси. Тепер учням стане зро­зуміло, чому тумани частіше бувають уранці, і чому роса випадає вранці, коли повітря вночі охолоняє.

Температуру, за якої водяна пара стає насиченою, називають точкою роси.

            3. Способи визначення вологості повітря

Вологість вимірюють за допомогою спеціальних приладів, один

з яких називається психрометром. Психрометр складається з двох термометрів: сухого і вологого. Через випаровування води воло­гий термометр звичайно показує нижчу температуру, ніж сухий: чим нижча відносна вологість, тим більша різниця показників.

З їх урахуванням, за допомогою заздалегідь складеної таблиці, ви­значають відносну вологість повітря.

Сучасні психрометри можна розділити на три категорії: станцій­ні, аспіраційні та дистанційні. У станційних психрометрах термо­метри закріплені на спеціальному штативі в метеорологічній будці. Основний недолік станційних психрометрів — залежність показань зволоженого термометра від швидкості повітряного потоку в будці.

У аспіраційному психрометрі термометри розташовані в спеці­альній оправі, яка захищає їх від пошкоджень і теплового впливу прямих сонячних променів, де обдуваються за допомогою аспіратора (вентилятора) потоком досліджуваного повітря з постійною швид­кістю близько 2 м/с. Якщо температура повітря позитивна, аспіра- ційний психрометр — найбільш надійний прилад для вимірювання температури та вологості повітря. У дистанційних психрометрах ви­користовуються термометри опору, терморезистори, термопари.

^ Гігрометр — вимірювальний прилад для визначення вологос­ті повітря. Існує кілька типів гігрометрів, дія яких заснована на різних принципах: ваговий, волосяний, плівковий і т.д.

Дія волосяного гігрометра заснована на властивості знежирено­го волосся — змінювати свою довжину при зміні вологості повітря, що дозволяє вимірювати відносну вологість від ЗО до 100 %. Воло­сина натягнута на металеву рамку. Зміна довжини волосся переда­ється стрілці, що переміщується уздовж шкали.

Плівковий гігрометр має чутливий елемент з органічної плів­ки, яка розтягується при підвищенні вологості й стискається під час зниження. Зміна положення центру плівкової мембрани пере­дається стрілці. Волосяний і плівковий гігрометр у зимовий час є основним приладом для вимірювання вологості повітря. Показ­ники волосяного й плівкового гігрометрів періодично порівнюють­ся з показниками більш точного приладу — психрометра.

Задачі до даної теми      :                   

Домашнє завдання : написати та вивчити конспект.

Дата уроку : 25.02.22 

Тема уроку :Пароутворення та конденсація. Насичена 

                        та ненасичена пара. Властивості насиченої 

                        та ненасиченої пари. Кипіння.

А) Пароутворення.

Процес перетворення рідини в пару називається пароутворенням. Якщо пароутворення відбувається з вільної поверхні рідини, воно називається випаровуванням. Випаровування відбувається за будь-якої температури: наприклад, вода поступово «вивітрюється» з будь-якої відкритої посудини. Від яких же факторів залежить швидкість випаровування? Виконавши ряд дослідів і проаналізувавши їх результати з учнями, можна зробити висновок, що швидкість випаровування залежить:

а) від температури рідини;

б) від роду рідини;

в) від величини вільної поверхні рідини;

г) від швидкості видалення пари з поверхні рідини.

Спостереження й досліди показують, що випаровуються і тверді тіла. Випаровується, наприклад лід, тому білизна висихає і на морозі. Випаровується нафталін, тому ми відчуваємо його запах. Цей процес називають сублімацією. Одночасно з випаровуванням відбувається перехід молекул з пари в рідину (конденсація). Як правило, конденсація відбувається на поверхні рідини або твердого тіла, або ж вимагає наявності в газі центрів конденсації. їх роль відіграють різні домішки або пилинки. Конденсація пари супроводжується виділенням енергії. Пара конденсату пояснює утворення хмар, випадання роси.

Б) Молекулярна картина випаровування.

Серед молекул рідини завжди є молекули, кінетична енергія яких достатня для того, щоб, подолавши тяжіння інших молекул, вилетіти з рідини. Саме з цієї причини й відбувається випаровування. А оскільки рідину залишають найшвидші молекули, середня кінетична енергія молекул, що залишилися, зменшується. Ось чому рідина під час випаровування охолоджується.

В) Кипіння.

Учні повинні чітко уявляти, що спільного між кипінням і випаровуванням, і в чому полягає істотна відмінність між ними. Кипіння, як і випаровування, -- це пароутворення. Випаровування відбувається з поверхні рідини за будь-якої температури і з будь-яким зовнішнім тиском; а кипіння -- це пароутворення в усьому об'ємі рідини за характерної для кожної речовини температури, яка залежить від зовнішнього тиску.

Кипіння -- це інтенсивний перехід рідини в пару, який відбувається під час утворення пухирців пари у всьому об'ємі рідини за певної температури.

Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння. Під час кипіння температура рідини не змінюється. Кожна речовина має свою температуру кипіння. Щоб температура випаровування рідини не змінювалася, до рідини необхідно підводити певну кількість теплоти. Для характеристики енергетичних витрат на випаровування рідин вводиться поняття питомої теплоти пароутворення.

Питома теплота пароутворення r чисельно дорівнює кількості теплоти, необхідної для того, щоб перетворити на пару 1 кг рідини за незмінної температури:

Якщо рідину спочатку потрібно нагріти до температури кипіння, а потім перетворити на пару, то загальна кількість теплоти дорівнює:

Г) Насичена і ненасичена пара.

Калюжі після дощу за вітряної погоди сохнуть швидше, ніж за тієї ж температури в безвітря. Це доводить наступне: для випаровування рідини потрібно, щоб пара, яка утворюється, зникала.

Якщо процес випаровування відбувається в закритій посудині, то за деякий час кількість рідини в посудині припинить зменшуватися, хоча швидкі молекули продовжуватимуть переходити в пару. Це відбувається тому, що одночасно з випаровуванням в посудині відбувається конденсація.

Якщо рівень рідини не змінюється, це означає, що обидва процеси йдуть з однаковою швидкістю, тобто за кожну секунду рідина покидає в середньому стільки ж молекул, скільки їх переходить з пари в рідину. У цьому випадку говорять, що рідина і пара перебувають у динамічній рівновазі.

Пара, що знаходиться в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою парою.

Саме така пара знаходиться над поверхнею рідини в закритій посудині. Якщо процес випаровування йде швидше за процес конденсації, говорять, що над рідиною знаходиться ненасичена пара. Якщо повітря з посудини, у якій знаходиться рідина, попередньо відкачано, то над поверхнею рідини буде знаходитися тільки насичена пара.

Домашнє завдання : переглянути відео, написати та вивчити конспект.

Дата уроку : 07.02.22 

Тема уроку : Розв"язування задач на застосування основного рівняння МКТ

Домашнє завдання : переглянути відео за посиланням :https://youtu.be/lGXvaT9YVHs, написати  конспект з даного відео.

Дата уроку :08.02.22 

Тема уроку : Рівняння стану ідеального газу.

1. Співвідношення Клапейрона

Величинами, що визначають стан газу, є: тиск р, під яким знаходиться газ, його температура Т і об’єм V. їх називають параметрами стану. Перераховані три величини не є незалежними. Кожна з них є функцією двох інших. Рівняння, що зв’язує всі три параметри — тиск, об’єм і температуру газу для даної його маси,— називається рівнянням стану і може бути в загальному вигляді записано так:

Це означає, що стан газу визначається тільки двома параметрами (наприклад, тиском і об’ємом, тиском і температурою або об’ємом і температурою), третій параметр, однозначно, визначається двома іншими. У першій половині 19-го століття французький фізик Клапейрон вивів співвідношення, що пов’язує ці три параметри — рівняння Клапейрона (рівняння стану для даної маси газу).

Для даної маси газу добуток тиску газу на його об’єм, поділено на абсолютну температуру газу, є величина постійна:

Якщо газ переводять зі стану 1 в стан 2, то параметри, які характеризують газ у кожному із станів, пов’язані виразом:

Використовуючи рівняння Клапейрона, можна довести, що всі три закони для ізопроцесів є приватними випадками цього рівняння. Дійсно, при р = const отримуємо, що V/T = const; при V = const отримуємо, що P/T = const; а при Т = const отримуємо — pV = const.

2. Закон Авогадро

Щоб переконатися в тому, що значення виразу pV/Т не завжди є постійним, наберіть повітря в щоки: одночасно збільшиться і тиск, і об’єм повітря в роті, а температура повітря залишиться практично незмінною (рівною температурі тіла). Отже, значення виразу pV/Т збільшилося. Причина в тому, що збільшилося число молекул газу.

Коли тиск і температура є постійними, об’єм газу пропорційний числу молекул N, тому значення виразу pV/Т пропорційне числу молекул N. Але чи однаковий коефіцієнт пропорційності для різних газів? Відповідь на це запитання дає закон, який був встановлений Авогадро:

Ø  при однакових температурі й тискові в рівних об’ємах різних газів міститься однакове число молекул.

Це означає, що pV/T = kN з одним і тим же коефіцієнтом пропорційності k для всіх газів. Цей коефіцієнт називають постійною Больцмана, на честь австрійського фізика, одного з творців молекулярно-кінетичної теорії.

Вимірювання показали, що k = 1,38·10-23 Дж/К.

З рівняння pV/T = kN випливає, що тиск газу можна дуже просто виразити через концентрацію газу n = N/V і його абсолютну температуру. Ми отримаємо: р = (N/V)kT = nkT.

3. Рівняння Менделєєва-Клапейрона

Ми вже знаємо, що число молекул N пов’язане з масою речовини m і його молярною масою співвідношенням 

Підставляючи цей вираз у співвідношення pV/T = kN, отримуємо:

Добуток kNA позначається R і називається універсальною незмінною: R = kNA. Вимірювання показали, що R = 8,31 Дж/(моль·К). Використовуючи цю постійну, отримуємо рівняння Менделєєва-Клапейрона:

.

Це рівняння було виведено російським ученим Д. І. Менделєєвим у другій половині 19-го століття.

 Тренуємося розв'язувати задачі

1. Визначте густину водню ρ за температури 127 °С і тиску 830 кПа.

Розв’язок

Скориставшись рівнянням Менделєєва-Клапейрона і співвідношенням ρ = m/V, отримуємо:

Тут 

Перевіримо одиниці величин:

Підставимо числові значення:

Домашнє завдання

1. Конспект.

2. Розв’яжіть задачі:

2. У циліндрі під поршнем знаходиться певна маса ідеального газу. Його об’єм збільшився в 3 рази, а абсолютну температуру зменшили в 3 рази. У скільки разів змінився тиск газу?

3. У скільки разів змінився тиск ідеального газу в герметично закритому посуді, якщо його об’єм збільшили в 4 рази, а абсолютну температуру збільшили в 2 рази?

Дата уроку :11.02.22 

Тема уроку : Розв"язування задач на застосування рівняння стану ідеального газу.

Задача 1. Визначити масу гідрогену, що знаходиться в балоні місткістю 20 л за тиску 830 кПа, якщо температура газу дорівнює 17 °С.

Дано: V = 20 л, р = 830 кПа, t = 17 °C, М = 2·10-3  кг/моль, R = 8,31 Дж/(моль·К).

Знайти: m - ?

Розв’язання

Виведемо розмірність шуканої фізичної величини:

Відповідь: m = 1,38·10-2 кг.

Задача 2. У балоні знаходиться газ під тиском 40 Па і за температури 27 °С. Коли з балона випустили 3/5 газу, що містився в ньому, його температура знизилася до -33 °С. Визначити тиск газу, що залишився в посудині.

Дано: V - const, р1 = 40 МПа, t1 = 27 °С, t2 = -33 °С, m2 = 2/5m1

Знайти: р2 — ?

Розв’язання

Відповідь: р2 = 12,8 Па.

Задача 3. Скільки молекул повітря виходить з кімнати об’ємом 120 м3, якщо температура підвищується від 15 до 25 °С? Атмосферний тиск дорівнює 105 Па.

Дано: V = 120 м3, t1 = 15 °С, t2 = 25 °С, р = 105 Па.

Знайти: N - ?

Розв’язання

NA = 6·1023 моль-1 — число Авогадро;

R = 8,31 Дж/(моль·К) — універсальна газова стала;

Значення Δm підставляємо в рівняння (1):

Виведемо розмірність шуканої фізичної величини:

Відповідь: N = 1·1026 молекул.

 Домашнє завдання

Повторити рівняння стану ідеального газу, основне рівняння МКТ.

Задача. Балон об’ємом 100 л містить гелій під тиском р1 = 5·106 Па за температури Т1 = 300 К. Вентиль балона зіпсувався і гелій почав витікати. Коли вентиль відремонтували, тиск у балоні виявився рівним р2 = 5,1·106 Па, але температура підвищилась до Т2 = 340 К. Знайти масу гелію, яка витекла з балона. Молярна маса гелію М = 4·10-3 кг/моль.

Дата уроку : 28.12.2021 - 31.12.2021 н.р.

Тема уроку : Захист навальних проектів 

Підготувати навчальний проект на тему :

1. Подорож у часі за теорією А. Ейнштейна.

2. Навіщо потрібні прискорювачі елементарних частинок.

3. Повчальні історії з життя першого космонавта незалежної 

    України Л. К. Каденюка.

4. Придатні для життя планети. Як до них дістатися?

5. Темна енергія і темна матерія.

6. Всесвіт як результат Великого вибуху.