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物理教育

有关热力学第一定律的讲解与说课

时间:2017/11/13 8:51:00   作者:小刁   来源:www.jiaoyulw.com   阅读:353   评论:0
内容摘要:【摘要】热力学基础是《大学物理》课程的重要教育章节。热力学第一规定是热力学基础的重点和难点之一,是借鉴热力学第二规律的基础。作者从教育内容规划环节展开了活跃的教育改革实践,从方法论和数学推导等方面执行教育内容,激起学生的借鉴爱好和热心,该教育效果对同类课程设计具有借鉴意义。  【...
【摘要】热力学基础是《大学物理》课程的重要教育章节。热力学第一规定是热力学基础的重点和难点之一,是借鉴热力学第二规律的基础。作者从教育内容规划环节展开了活跃的教育改革实践,从方法论和数学推导等方面执行教育内容,激起学生的借鉴爱好和热心,该教育效果对同类课程设计具有借鉴意义。

  【关键词】热力学第一规律 热量 功 内能 大学物理

  【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2017)09-0135-02

  现有教材刚性规定了热量、功和内能增量三个基础物理量的符号,而没有给出具体的解说,形成学生在承受的过程中,心存问题。作者设计了三个物理过程,凭助数学推导解说内能增量、功和热量符号的规定准则,并选用概括法介绍了热力学第一规律。

  一、从生活中寻找例子,积极课堂气氛

  冬季摸到冰块,手感觉冰冷,这是由于我们手的温度高于冰块的温度,人手的热量传递到冰块上了。这个过程是热量从高温物体自发传递到低温物体的过程,是热力学第零规律描述的过程。

  二、凭助内能表达式,规定内能增量的符号

  内能E是系统所有动能和势能的总和,内能的数学表达式:关于一特定的某种理想气体,气体的摩尔数ν,自由度数目i和气体常数R都是定值,气体的内能E是温度T的单值函数。令理想气体的初始温度为Ti,末态温度为Tf,温度改变量ΔT = Tf - Ti,则气体内能的改变量能够表明为。当气体温度升高,ΔT为正值,故内能改变量ΔE为正值;当温度下降,ΔT为负值,故内能改变量ΔE为负值。

  三、凭助绝热过程,规定功的符号

  根据牛顿力学基本知识,学生现已对功建立直观的了解,认识到功是力在空间的积累效应,力对恣意质点做功能够表明为。力对带有轻质活塞的绝缘密闭理想气体做功,是力对活塞做功,然后活塞把能量传递给理想气体的过程。活塞在外力的推进下,极端缓慢向前移动Δl的间隔,并紧缩理想气体,在这个过程中外力做功可以表明为。由所以绝缘系统,气体既无法从外界取得热量也无法向外界传递热量。外力推进活塞紧缩理想气体的过程是外界对理想气体施加能量的过程,给予的能量等于外力做功的大小,在这个过程中气体分子之间的间隔变小了,所以分子磕碰就愈加频频了,气体分子之间剧烈冲突发生热量,然后气体的温度升高,这说明外界对气体做功能够增加气体的内能。如果令理想气体初始的内能为为Ei,末态的内能为Ef,则外界对气体做功W =ΔE = Ef - Ei。这个表达式说明系统内能增量与外界对气体做功之间是能量互相转化的效果。据此规定功的符号:外界紧缩气体,外界对气体做正功。气体对外做功则为负值。如果是气体胀大,气体对外界做功,气体做功为正值。

  四、凭助等体吸热过程,规定热量符号

  假定有一个刚性导热的容器,其体积不会改变,故外界无法对气体做功,相同气体也无法对外做功。刚性容器内盛有υ摩尔的理想气体,理想气体的初始内能是Ei,当加热容器,外界传递给气体的热量为Q,根据能量守恒的观念,热量悉数转化为气体的内能,此刻气体的内能Ef = Ei+Q,内能改变量ΔE = Ef - Ei = Q。如果系统向外传递热量为Q,系统的内能减少。故而,系统吸收热量,热量的符号为正值;系统放出热量,热量的符号为负值。通过这段授课内容向学生清晰了二个内容:(1) 热量符号的规定; (2) 热量的效果之一:增加系统的内能。

  五、凭助密闭非刚性容器内气体吸热过程,概括热力学第一规律的表达式

  假设有一个带有轻质活塞的密闭容器,在平衡状态下,活塞静止不动。加热密闭容器,气体吸收热量,气体分子运动速度增加,然后其平动动能Ek增加,根据压强P的表达式,容器内气体的压强增大,然后活塞受到气体的推进力变大,曾经处于平衡态的活塞将在加热后推进活塞向外运动,如果活塞向外运动了Δl的间隔,在这个过程中气体对外做功大小能够表明为。另一方面,根据,气体分子的均匀平动动能Ek增加,意味气体温度升高,气体内能增加。

  理想气体与外界交流热量Q,能够发生两个效应,其一是改变气体的内能,令内能改变量为;其二是气体对外做功,令气体做功为W。在重复试验和验证的基础上,人们从能量守恒的角度总结出热力学第一规定,其数学表达式为。热力学第一规定是一个以热力学系统为研究目标的阅读公式,是特别包括热能的、对能量守恒的描述,其符号规定是:系统吸收热量时Q为正值,系统放出热量时Q为负值;系统对外做功时W为正值,外界对系统做功时W为负值;系统温度升高时为正值,系统温度下降时为负值。

标签:有关 热力 热力学 力学 第一 
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