ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОНЯТИЯ ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ В ПРОФИЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОНЯТИЯ ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ В ПРОФИЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ

​АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются особенности формирования понятий работа, внутренняя энергия и количество теплоты в профильном курсе физики, с использованием учебника по физике за 10-11 класс под авторством Громова С. В. и Шароновой Н. В.

ABSTRACT

This article discusses the features of the formation of the concepts of work, internal energy and the amount of heat in a specialized physics course, using a physics textbook for grades 10-11, authored by S. V. Gromov and N. V. Sharonova.

Ключевые слова: термодинамика, основные понятия термодинамики, работа, внутренняя энергия, количество теплоты.

Keywords: thermodynamics, basic concepts of thermodynamics, work, internal energy, amount of heat.

К сложным и важным понятиям школьного курса физики относятся внутренняя энергия газа и количество теплоты.

Все понятия, которые нужно усвоить учащимся и студентам, требуют тщательной разработки методики их формирования. Учитель при этом должен опираться на знания, полученные учащимися и студентами при изучении первоначальных сведений о строении вещества в 7-8 классах, на понятия о работе и энергии. Для объяснения сущности тепловых явлений и формирования основных понятий, надо использовать демонстрационные и лабораторные физические эксперименты, решение задач и привлечение примеров из жизни, быта, природы и производства.

В современном курсе физики содержание понятия «внутренняя энергия» раскрывается как зависимость внутренней энергии от характера движения и взаимодействия частиц, образующих тело, и представлена следующими составными частями:

а) кинетической энергией хаотического движения молекул (поступательного и вращательного);

б) потенциальной энергией, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия;

в) кинетической потенциальной энергией колебательного движения атомов и молекул;

г) энергией электронных оболочек атомов и ионов, а также внутриядерной энергией.

В 8 классе для учащихся будет достаточным усвоить, что энергия броуновского движения молекул (молекулярно-кинетическая) и энергия взаимодействия молекул (молекулярно-потенциальная) являются частью внутренней энергии тела. С научной точки зрения, этот подход вполне оправдан, так как тепловые явления, которые изучаются в школе, протекают в температурных пределах от 0 до 100 градусов по цельсию, при этом изменение внутренней энергии тел связано, в основном, с изменением кинетической и потенциальной энергией молекул.

В старших классах понятие внутренней энергии расширяется, развивается, обобщается на основе молекулярно-кинетических и термодинамических представлений.

Формирование понятия стоит начать с исторической предыстории. Напомнить, что понятие «внутренняя энергия» ввел Лорд Кельвин в 1852 г. Оно возникло в связи с установлением закона сохранения энергии и благодаря успешному развитию физики в области молекулярно-кинетической теории.

Для формирования понятия можно использовать разные приемы. Обычно используют абстрактный «идеальный» газ, по отношению к которому рассматриваются все законы термодинамики и производится вывод различных формул. Если мы говорим об изменении внутренней энергии, то для идеального газа можно вычислить значение внутренней энергии газа в начальном и конечном состоянии, но стоит учесть, что потенциальная энергия взаимодействия молекул идеального газа в таком случае равна нулю, следовательно, его внутренняя энергия определяется кинетической энергией движения всех его молекул.

Если средняя энергия движения одной молекулы равна

,

а в одном киломоле содержится N_a молекул, то внутренняя энергия одного киломоля газа будет равна

.

Зная, что

,

получаем формулу внутренней энергии для одного киломоля газа равную равна

.

Для того, чтобы эту формулу можно было применить к любой массе газа, т.е. любому числу киломолей

,

необходимо добавить в качестве множителя количество вещества. И итоговая формула примет вид:

.

Четкое объяснение последней формулы будет способствовать закреплению соответствующего материала.

Из этого выражения следует, что внутренняя энергия является функцией состояния и, при совершении системой любого процесса, в результате которого система возвращается в исходное состояние, полное изменение внутренней энергии равно нулю. Следовательно, внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры.

Далее надо объяснить, что внутренняя энергия тела в термодинамике — это энергия, зависящая только от его внутреннего состояния и не связанная с движением относительно других тел, так как за счет совершения механической работы или теплообмена с окружающей средой происходит только изменение внутренней энергии системы: ∆U =∆A + ∆Q.

Так же нужно обратить внимание на очень важное свойство внутренней энергии. Если самопроизвольный, неравновесный процесс внутри системы (например, химическая реакция) осуществляется изохорно (при постоянном объеме), то при этом не совершается механическая работа (∆A=0). Если при этом процесс идет еще и без теплообмена с окружающей средой (∆Q=0), внутренняя энергия системы во время процесса сохраняется (∆U=0). Закон сохранения внутренней энергии U широко используется в прикладных термодинамических расчетах изохорных процессов.

Очень важно, чтобы учащиеся поняли, что внутренняя энергия не изменяет свое абсолютное значение при возвращении системы в исходное состояние (к тем же параметрам) при осуществлении кругового процесса. То есть величина внутренней энергии полностью определяется (с точностью до константы) только внутренними параметрами - массой, давлением, объемом, температурой, характеризующими состояние системы. Такие функции, которых в термодинамике несколько (например, это уже известные нам p, T, V, ν), называются, наряду с известным нам термином «функции состояния», также и характеристическими функциями.

Нужно использовать знания учащихся из курса алгебры и начала анализа о понятии приращения аргумента и функции, и предложить формулу для полного изменения внутренней энергии. Заменив в выражении для изменения внутренней энергии конечные приращения «∆» на бесконечно малые величины, получим выражение для дифференциала внутренней энергии: dU =dA + dQ.

Необходимо обратить внимание на то, что тепло Q и работа A не являются функциями состояния: нельзя говорить отдельно о содержании тепла и работы; количество получаемого тепла и работы являются характеристикой процесса, а не состояния.

Закреплению материала следует уделить особое внимание, оно должно стать составляющей частью всего обучения, в виду сложности рассматриваемых понятий.

На завершающем этапе изучения понятия «внутренняя энергия» целесообразно закрепить материал при решении задач.

Для формирования понятия количество теплоты, нам необходимо перейти к способам изменения внутренней энергии, так как в профильном курсе физики эти понятия рассматриваются именно с такой точки зрения.

Для продолжения формирования и расширения понятия «количество теплоты» в профильном курсе физики, необходимо обратиться к 8 классу, где это понятие было введено впервые. Так в курсе основной школы количество теплоты - энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.

В современном курсе профильной физики содержание понятия «количества теплоты» несколько расширенно, это не просто энергия, а мера изменения внутренней энергии в процессе теплопередачи. Но, прежде чем определить единицы измерения количества теплоты, необходимо вспомнить о механической работе и её расчете. Механическая работа прямо пропорциональна силе и длине пути, т.е. зависит от нескольких физических величин, так же, как и количество теплоты, которая в свою очередь, являясь мерой изменения внутренней энергии, зависит, как и внутренняя энергия, от температуры. Если температура тела возросла, это означает, что тело получило некоторое количество теплоты, если температура тела понизилась — оно отдало некоторое количество теплоты.

То есть первое от чего зависит количество теплоты – температура. Второй физической величиной является масса, так как любой учащийся, основываясь на собственном опыте может легко найти ответ на вопрос: что закипит быстрее, маленькая пробирка или чайник? Причем огонь будет одинаковым, как и время, предоставленное для нагревания. То есть делаем вывод, чем больше масса тела, в данном случае воды, тем большее количество теплоты потребуется для нагревания его на одну и ту же разность температур.

То же самое справедливо и при охлаждении тела. Отсюда можно сделать вывод, что количество теплоты пропорционально массе тела.

Обобщая оба случая, можно говорить о том, что количество теплоты прямо пропорционально массе тела и его разности температур в начале и в конце теплообмена.

Зависимость количества теплоты, переданного телу при нагревании, от рода вещества, из которого изготовлено тело, наблюдают в опыте при нагревании двух тел равной массы, но изготовленных из различных веществ.

Единицей измерения внутренней энергии служит джоуль. Но, так как еще до того, как стало известным молекулярное строение вещества и выяснен вопрос об энергии движения молекул уже были введены иные единицы измерения: калории. И даже сейчас они иногда используются в расчетах.

Таким образом можно сделать вывод, что учащимся необходимо освоить основные понятия, формирование которых имеет широкое влияние на построение в дальнейшем «храма знаний» на этом фундаменте. К таким понятиям относят: тепловое движение, внутренняя энергия, способы изменения внутренней энергии, количество теплоты, удельная теплоемкость вещества, изменение агрегатных состояний вещества (плавление и отвердевание, испарение и конденсация) их объяснение на основе молекулярно-кинетических представлений, превращения энергии в механических и тепловых процессах, тепловые двигатели.

Список литературы:

1. Громов С. В. Физика: оптика. Тепловые явления. Строение и свойства вещества. Строение Вселенной: учеб. для 11 кл. общеобразоват. Учреждений/ С. В. Громов, Н. В. Шаронова, Е. П. Левитан; под ред. Н. В. Шароновой. – 7-е изд., доп. И перераб. – М.: Просвещение, 2006. – 336 с.: ил. – ISBN 5-09-014625-X.
2. Бухарова, Г. Д.  Молекулярная физика и термодинамика. Методика преподавания : учебное пособие для академического бакалавриата / Г. Д. Бухарова. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2019. — 221 с. — (Образовательный процесс). — ISBN 978-5-534-09388-9. — Текст : электронный // ЭБС Юрайт [сайт]... — URL: https://urait.ru/bcode/436993 (дата обращения: 04.06.2021).
3. Герасимов Иван Александрович, Матрончик Алексей Юрьевич, Синицына Галина Александровна Модернизация программы элективного курса физики в рамках довузовской подготовки в физико-математических классах лицея // Символ науки. 2016. №1-2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modernizatsiya-programmy-elektivnogo-kursa-fiziki-v-ramkah-dovuzovskoy-podgotovki-v-fiziko-matematicheskih-klassah-litseya (дата обращения: 29.05.2021).
4. Магомадова Р.А. Методические аспекты изучения темы «Внутренняя энергия» в школьном курсе физики. Журнал: Известия Чеченского государственного педагогического университета. Статья в выпуске: 3-2 (11), 2015 года [Электронный ресурс]... Режим доступа URL: https://readera.org/140198948(дата обращения: 24.05.2021).
5. Ордановская А.И. Технология конструирования педагогического процесса в подготовке будущих учителей физико-математических дисциплин профильной школы // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2014. №4-2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/tehnologiya-konstruirovaniya-pedagogicheskogo-protsessa-v-podgotovke-buduschih-uchiteley-fiziko-matematicheskih-distsiplin (дата обращения: 30.05.2021).
6. Саяпин Д. А. Особенности содержания курса физики как профильного предмета индустриально-технологического профиля обучения // Вестник Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета. Серия: Информационные компьютерные технологии в образовании. 2010. №6. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-soderzhaniya-kursa-fiziki-kak-profilnogo-predmeta-industrialno-tehnologicheskogo-profilya-obucheniya (дата обращения: 02.06.2021).
7. Тулькибаева Н.Н., Старченко С.А. ФОРМИРОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОГО МЫШЛЕНИЯ СТАРШЕКЛАССНИКОВ В УСЛОВИЯХ ИНТЕГРАЦИИ ФИЗИКИ И БИОЛОГИИ // Вестник ЮУрГГПУ. 2019. №5. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/formirovanie-estestvennonauchnogo-myshleniya-starsheklassnikov-v-usloviyah-integratsii-fiziki-i-biologii (дата обращения: 07.06.2021).