Зачет по теме «Термодинамика» - ТЕРМОДИНАМИКА

Цель урока: проверка знаний по теме «Термодинамика».

Ход урока

I. Групповой зачет

Каждая группа получает задание из четырех качественных задач, включая 1-2 экспериментальные (показать опыт и объяснить наблюдаемое явление или принцип действия установки) и расчетные задачи.

Группа 1

1. Первые термометры представляли собой стеклянный баллон с трубкой, опущенной открытым концом в подкрашенную воду. В баллоне находился воздух под давлением, несколько меньшим атмосферного. По положению уровня воды в трубке определялась температура. В чем главный недостаток таких термометров? (Ответ: Показания зависели от атмосферного давления.)

2. Почему у глубоководных рыб плавательный пузырь выходит чрез рот наружу, если их извлечь из воды? (Ответ: У глубоководной рыбы давление газов внутри больше атмосферного, поэтому при внешнем атмосферном давлении плавательный пузырь раздувается и выходит через рот наружу.)

3. (э). Почему нагретая медицинская банка присасывается к телу человека? Поставьте банку и объясните принцип ее действия. (Ответ: Нагретый пламенем внутри банки воздух, соприкасаясь с ее холодными стенками, охлаждается. Давление внутри становится меньше атмосферного, а поскольку банка плотно прижата к телу и нет сообщения с наружным воздухом, она «присасывается» еще сильнее.)

4. (э). Покажите и объясните, почему из обычной бутылки, перевернутой отверстием вниз, вода выливается прерывистой струей (булькая), а из резиновой медицинской грелки - непрерывной?

Оборудование: модель старинного медицинского термометра (колба с тонкой трубкой, сосуд с подкрашенной водой); спирт, палочка с ватой, медицинская банка; бутылка с водой, медицинская грелка с водой, емкость для слива воды.

(Ответ: Когда воду выливают из бутылки, на месте вытекшей воды образуется разряженное пространство, вода начинает течь медленнее из-за разности внешнего и внутреннего давлений. Когда эта разность достигает некоторого значения, воздух снаружи в виде пузыря прорывается внутрь, давление выравнивается, и процесс «бульканья» повторяется.

Когда воду выливают из медицинской грелки, то мягкие стенки грелки сжимаются под действием атмосферного давления. Давление на воду постоянно равно наружному.)

5. При изобарном расширении газа на 0,5 м³ ему было передано 0,26 МДж теплоты. Рассчитать изменение внутренней энергии газа, если давление газа равно 200 кПа. (Ответ: 160 кДж.)

6. С какой скоростью должна лететь пуля, чтобы при ударе о преграду она расплавилась, если температура пули до удара 57 °С? При ударе в тепло превращается 40 % энергии пули. (Ответ: 548 м/с.)

Группа 2

1. Почему в медицинских термометрах используется ртуть, а не спирт или вода? (Ответ: У ртути по сравнению с водой и спиртом больше теплопроводность и меньше удельная теплоемкость, поэтому сокращается время измерения температуры.)

2. Иногда из водопроводного крана вытекает вода «белая», будто молоко. Чем это объяснить? (Ответ: Воздух растворяется в воде тем лучше, чем больше давление и чем ниже температура. Когда из крана вода вытекает наружу, часть растворенного воздуха выделяется в виде огромного количества мелких пузырьков - вода становится молочно-белой.)

3. Баллоны электрических ламп заполняют азотом при пониженном давлении и температуре. Почему заполнение производят именно при таких условиях? (Ответ: Во время работы лампа разогревается и давление газа внутри нее повышается, что может привести к взрыву, если начальное давление будет равно атмосферному.)

4. (э) При открытом зажиме надуйте ртом резиновый шар. Затем пережмите нижнюю трубку зажимом. Почему резиновый шар остается надутым, ведь полость шара сообщается с атмосферой? Если зажим спять, шар сжимается. Почему?

Оборудование:

Медицинский термометр; электрическая лампа; установка по рисунку: колба с двумя отверстиями, закрытыми пробками, через которые проходят тонкие стеклянные трубочки, резиновый шар, резиновая трубочка с зажимом.

(Ответ: Когда шар надувают, часть воздуха из сосуда вытесняется, и давление в сосуде становится меньше атмосферного. После пережимания трубки зажимом давление на внутреннюю поверхность шара равно атмосферному, а на внешнюю - меньше атмосферного, и он остается надутым. Когда зажим открывают, давление выравнивается, и шар сжимается).

5. Для охлаждения 2 кг воды от 30 °С до 12 °С в воду бросают кусочки льда при 0 °С. Какое количество льда потребуется для охлаждения воды? (Ответ: 0,44 кг.)

6. Какое количество теплоты сообщено 1 молю одноатомного газа при его изобарном нагревании на 100 К? (Ответ: 2,08 кДж.)

Группа 3

1. Почему баллоны со сжатым газом взрывоопасны, а трубы с водой под большим давлением - нет? (Ответ: Сжимаемость воды мала, поэтому при разрыве трубы ее объем практически не изменяется, и она растекается, не вызывая значительного разлета осколков. При взрыве газового баллона объем газа значительно увеличивается практически мгновенно из-за понижения давления, осколки оболочки приобретают большие скорости и производят значительные разрушения.)

2. Два одинаковых сосуда с водородом соединены горизонтальной трубкой, посередине которой имеется столбик ртути. В одном сосуде газ находится при 0 °С, а в другом - при 20 °С (рис. 158). Сместится ли ртуть в трубке, если оба сосуда нагреть на 10 °С? (Ответ: Объем газа в сосудах увеличится неодинаково: в левом содержится большее количество молекул водорода, чем в правом.)

3. Почему при вколачивании гвоздя в дерево шляпка его мало нагревается, а когда гвоздь вбит, достаточно нескольких ударов, чтобы сильно нагреть шляпку? (Ответ: Когда гвоздь перемещается, лишь небольшая часть кинетической энергии молотка превращается во внутреннюю энергию гвоздя и шляпка нагревается слабо. Когда же гвоздь неподвижен, то во внутреннюю энергию шляпки гвоздя превращается большая часть кинетической энергии молотка.

4. (э) Вскипятите воду в бумажной коробке (рис. 159). Почему бумага не загорается?

Оборудование: штатив с кольцом; бумажная коробочка; вода; спиртовка.

(Ответ: Тепло идет на нагревание воды, и бумажная коробка не нагревается до температуры воспламенения.)

5. В закрытом сосуде находится 0,5 кг неона под давлением 1 атм при температуре 37 °С. После нагревания давление в сосуде стало 3 атм. Какое количество теплоты было сообщено газу при его нагревании? (Ответ: 193 кДж.)

6. На электроплитке мощностью 600 Вт, имеющей КПД 45 %, нагрели 0,5 л воды от 10 °С до 100 °С, при этом 25 г ее обратили в пар. Как долго длилось нагревание? (Ответ: 15,2 мин.)

Группа 4

1. Почему проколотый мячик не отскакивает от пола при ударе? (Ответ: При ударе дырявого мяча об пол воздух выходит из него, и кинетическая энергия движения мяча превращается частично в кинетическую энергию движения воздушного потока, и лишь частично - в потенциальную энергию сжатой резины, которая затем превращается в кинетическую энергию обратного движения мяча, - он все-таки чуть-чуть отскакивает.)

2. Почему при холостых выстрелах ствол пушки нагревается сильнее, чем при стрельбе снарядами? (Ответ: При стрельбе снарядами большая часть энергии, выделившейся при сгорании пороха, идет на увеличение кинетической энергии снаряда. При холостом выстреле (стрельбе без снаряда) основная часть энергии сгоревшего пороха идет на нагревание ствола пушки.)

3. Запуск НСЗ показал, что «температура» воздуха на высоте 1000 км достигает нескольких тысяч градусов. Почему же не расплавился спутник, двигаясь на указанной высоте? (Температура плавления железа 1520 °С.) (Ответ: Вследствие большой разреженности воздух на высоте не может передать спутнику то количество теплоты, которое необходимо для его плавления.)

4. (э). Перед вами находится самодельная действующая модель теплового двигателя (рис. 160). Назовите его основные части. Каков принцип его действия? Для чего нужен холодильник?

Оборудование: U-обратная трубка от прибора «сообщающиеся сосуды»; теплоприемник; чашка со смесью воды и снега (льда); электрическая плитка; поплавок из пробки.

(Ответ: Электрическая плитка - нагреватель, воздух в теплоприемнике и под пробкой - рабочее тело, тающий лед - холодильник. Теплоприемник подносят к нагретой плитке, воздух расширяется, давит на воду, и поплавок поднимается вместе со столбом воды. Когда теплоприемник подносят к тающему льду, воздух охлаждается и сжимается, поплавок опускается.)

5. Найти количество теплоты, необходимое для изохорного нагревания 6 моль одноатомного идеального газа на 20 К. (Ответ: 1496 Дж.)

6. Объем кислорода массой 320 г., температура которого 127 °С, при изобарном нагревании увеличился вдвое. Найти работу газа при расширении, количество теплоты, которое пошло на нагревание кислорода, и изменение внутренней энергии газа. (Ответ: 33,2 кДж; 116,3 кДж; 83,1 кДж.)

Группа 5

В каком случае для нагревания металлического шара до одной и той же температуры потребуется больше энергии: если шар висит на нити или если он стоит на подставке? Считать, что подставка и нить энергию не поглощают. (Ответ: Для нагревания шара, стоящего на подставке, потребуется больше энергии, так как при расширении от нагревания его центр тяжести перемещается вверх, и необходимо затратить некоторое количество теплоты на увеличение потенциальной энергии шара. У висящего на нити шара центр тяжести при нагревании перемещается вниз. При этом некоторое количество механической энергии превращается в соответствующее количество теплоты. Следовательно, для нагревания висящего шара надо будет затратить меньше энергии.)

2. Сливки на молоке быстрее отстаиваются в холодном помещении. Почему? (Ответ: Вследствие ослабления броуновского движения капелек шара.)

3. Океан обладает огромным, практически неисчерпаемым запасом энергии. Почему до сих пор не строят тепловых машин, которые использовали бы эту энергию? (Ответ: Нет холодильника.)

4. (э). Налейте стакан до половины водой, положите в него какой-нибудь груз (например, маленькую гайку), закройте листом бумаги и, придерживая рукой, переверните. Несмотря на то что изнутри на бумагу давят воздух, вода и груз, она не отрывается. Объясните явление.

Оборудование: стакан, вода, гайка.

(Ответ: Когда перевернутый стакан придерживают рукой, бумага смачивается водой и «прилипает» к краям под действием сил поверхностного притяжения. Когда руку убирают, то под тяжестью воды и груза бумажка слегка прогибается, объем воздуха внутри увеличивается и его давление становится меньше атмосферного. Разность между силой внешнего атмосферного давления и давления внутри и силы поверхностного натяжения уравновешивает вес содержимого стакана.

5. При изобарном нагревании одноатомного идеального газа его внутреннюю энергию увеличили на 120 Дж. Определить работу, совершенную газом, и количество теплоты, полученной газом. (Ответ: 80 Дж; 200 Дж.)

6. Какую среднюю мощность развивает двигатель мотоцикла, если при скорости движения 108 км/ч расход бензина составляет 3,7 л на 100 км пути, а КПД двигателя - 25 %. с - 700 кг/м³. (Ответ: 8,9 кВт.)

Домашнее задание

П. 82.