O czym mówi pierwsza zasada termodynamiki?, Prezentacje z Termodynamika

Pobierz O czym mówi pierwsza zasada termodynamiki? i więcej Prezentacje w PDF z Termodynamika tylko na Docsity!

O czym mówi pierwsza zasada termodynamiki?

Wprowadzenie Przeczytaj Film samouczek Sprawdź się Dla nauczyciela

W chemii, do zrozumienia wielu zjawisk i procesów, bardzo ważne są dwa opisy: mikroskopowy i makroskopowy. Ten pierwszy związany jest przede wszystkim z charakterystyką właściwości atomów, jonów i cząsteczek. Drugi natomiast dotyczy wielkości, które można uzyskać po bezpośrednim pomiarze. Należą do nich m.in. ciśnienie, objętość oraz temperatura, które są szczególnie eksplorowane w dziale chemii fizycznej, zwanym termodynamiką. Dzięki niemu możliwe jest przewidywanie samorzutności procesów, jak i kierunku przemian chemicznych. Jednym z najważniejszych pojęć teoretycznych, będącym fundamentem tego działu, jest pojęcie energii wewnętrznej. Tu jednak zatrzymaj się i odpowiedz, czy potrafisz zdefiniować energię wewnętrzną? A może wiesz, jak brzmi pierwsza zasada termodynamiki?

Twoje cele

Zdefiniujesz pierwszą zasadę termodynamiki. Sformułujesz i zrównoważysz równania termochemiczne. Obliczysz efekty energetyczne dla różnych reakcji. Przeanalizujesz różnice pomiędzy przemianami: izobaryczną, izotermiczną i izochoryczną.

Perpetuum mobile to hipotetyczna maszyna, której zasada działania, wbrew paradygmatom fizyki klasycznej, umożliwiałaby jej pracę w nieskończoność. Źródło: Johann Ernst Elias Bessler, domena publiczna.

O czym mówi pierwsza zasada termodynamiki?

Ilość energii może jednak ulegać zmianie (i nie jest to już wtedy układ izolowany), przybierając postać energii w formie pracy lub ciepła. Innymi słowy, zmiana energii wewnętrznej układu (lub ciała) jest równa sumie dostarczonego ciepła i pracy wykonanej nad tym układem (lub ciałem), co opisuje poniższe równanie:

gdzie:

• zmiana energii wewnętrznej układu [J];
• ciepło wymienione przez układ z otoczeniem [J];
• praca wykonana nad układem oraz praca wykonana przez układ [J].

Zgodnie z powyższym równaniem, ciepło i praca dostarczone do układu są wyrażane jako wielkości dodatnie, natomiast ciepło i praca oddane przez ten układ jako wielkości ujemne.

Zasada zachowania energii

Pierwsza zasada termodynamiki nazywana jest inaczej zasadą zachowania energii, co prowadzi do następujących wniosków:

1. energia wewnętrzna układu jest funkcją stanu, czyli nie zależy od drogi analizowanej przemiany, lecz od stanu początkowego i końcowego;
2. ciepło i praca są formami przekazywania energii pomiędzy układem a otoczeniem;
3. energia układu izolowanego, który nie wymienia ciepła ani nie wykonuje pracy, pozostaje bez zmian ( ).

Przemiany termodynamiczne

Gaz doskonały to układ, który może być poddawany różnym przemianom termodynamicznym. Zastosowanie pierwszej zasady termodynamiki dotyczy przemian, w wyniku których pewne wielkości, takie jak temperatura, objętość czy ciśnienie, są stałe. Do takich przemian należą:

przemiana izotermiczna, przemiana izochoryczna, przemiana izobaryczna,

ΔU = Q + W

ΔU

Q

W

ΔU = 0

przemiana adiabatyczna.

Przemiana izotermiczna to taka przemiana, która zachodzi w temperaturze stałej ( ). Dzięki temu cała energia, przekazana ciału w postaci ciepła, jest zużywana na wykonanie pracy przez gaz. Z równania stanu gazu wynika, że w tej przemianie ciśnienie gazu jest odwrotnie proporcjonalne do jego objętości, bowiem dla danej masy gazu wyrażonej w molach mamy:

Zależność ta nazywana jest prawem Boyle'a Mariotte'a.

Dla tej przemiany:

ponieważ:

gdzie:

• ciepło właściwe ;
• masa ciała [kg];
• zmiana temperatury [K].

Wykresy ilustrujące zależność ciśnienia od objętości, ciśnienia od temperatury oraz temperatury od objętości dla przemian, które zachodzą w stałej temperaturze gazu doskonałego (T1 < T2 < T3). Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Zgodnie z powyższymi wykresami, w tej przemianie ciśnienie gazu jest odwrotnie proporcjonalne do jego objętości, dlatego mamy następującą zależność:

T = const

p = const V

Q = W

ΔU = mcwΔT = 0

cw [ (^) kg⋅KJ ] m ΔT

p 1 V 1 = p 2 V 2

Ciepło dostarczone do układu zużywa się na zwiększenie jego energii wewnętrznej i na wykonanie pracy przez układ. – początkowa energia wewnętrzna gazu – energia końcowa gazu – ciepło dostarczone do układu – praca wykonana przez układ. Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

lub przy zastosowaniu pojęcia entalpii ( ):

gdzie:

• ciśnienie;
  • zmiana objętości.

Wykresy ilustrujące zależność ciśnienia od objętości, ciśnienia od temperatury oraz objętości od temperatury dla przemian, które zachodzą pod stałym ciśnieniem dla gazu doskonałego ( p < p < p ). Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

U 1 U 2 Q W

H

ΔH = ΔU + pΔV

p ΔV

1 2 3

Zgodnie z powyższymi wykresami, objętość gazu jest wprost proporcjonalna do jego temperatury. Wówczas następuje zależność:

Ostatnia już przemiana adiabatyczna to ta, która zachodzi bez wymiany ciepła z otoczeniem ( ). W jej wyniku zmiana energii wewnętrznej gazu jest spowodowana pracą wykonaną przez siły zewnętrzne.

Dla tej przemiany:

lub przy zastosowaniu równaniu Poissona :

, gdzie

• ciepło właściwe gazu przy stałym ciśnieniu;
  • ciepło właściwe gazu przy stałej objętości.

Ciekawostka

Słynne perpetuum mobile (z łac. „wiecznie poruszające się”) to, jak zapewne wiesz, hipotetyczna maszyna. Możliwość jej działania poprzez wytwarzanie pracy w nieskończoność zaprzecza paradygmatom współczesnej fizyki. Urządzenie to miało wielu zwolenników, a wzmianek na jej temat można się już doszukiwać w XIII wieku. Sam Leonardo da Vinci stworzył projekt tego słynnego urządzenia. Pomimo wielkiego zainteresowania jego konceptem, nikomu, aż do czasów współczesnych, nie udało się skonstruować maszyny, która zaprzeczałaby prawom fizyki, a przede wszystkim, opisanej w tym rozdziale, pierwszej zasadzie termodynamiki.

Słownik

entalpia reakcji

V 1 T 1 =^

V 2 T 2

ΔQ = 0

ΔU = −W

pV κ^ = const κ = (^) CCVp

Cp CV

Projekt perpetuum mobile, 1495- Źródło: Leonardo da Vinci, domena publiczna.

Film samouczek

Polecenie 1

Jaką wartość przyjmuje , jeśli energia wewnętrzna ciała wzrasta, a jaką, jeśli maleje? Jak zmienia się wartość Q , jeśli ciało pobiera ciepło z otoczenia? Zapoznaj się z filmem samouczkiem, odpowiedz na pytania zawarte w poleceniu oraz wykonaj ćwiczenia zamieszczone pod filmem.

Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DRZCcZqLu Film samouczek pt. „O czym mówi pierwsza zasada termodynamiki?” Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Film nawiązujący do treści materiału dotyczącej pierwszej zasady termodynamiki.

Ćwiczenie 1

Wyjaśnij, od jakich czynników uzależniona jest energia wewnętrzna.

ΔU

Odpowiedź:

Ćwiczenie 2

Wyjaśnij, czym jest przemiana adiabatyczna, wiedząc, że dla tej przemiany Δ Q = 0.

Odpowiedź:

Ćwiczenie 4 Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 5

W trakcie prasowania T-shirtu przez ucznia, żelazko podgrzało tkaninę energią 165 J, a tarcie o materiał dostarczyło dodatkowe 11 J, przy założeniu, że obyło się bez strat energii. Oblicz, ile wynosi energia wewnętrzna T-shirtu.

Rozwiązanie oraz odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Zaloguj się, aby dodać ilustrację.

Ćwiczenie 6

Oblicz pracę, jaką wykona układ podczas przemiany izobarycznej w reakcji:

Reakcja biegnie w ciśnieniu 1000 hPa oraz temperaturze 298,15 K. Objętość molowa gazów w tych warunkach wynosi 24,.

2 SO3(g) → 2 SO2(g) + O2(g)

dm^3

Rozwiązanie oraz odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Zaloguj się, aby dodać ilustrację.

Ćwiczenie 7

Oblicz, jaka praca zostanie wykonana podczas pękania słoika z zamarzającą w nim wodą ( g), wiedząc, że pod ciśnieniem 101325 Pa w temperaturze 0ºC lód ma gęstość 0,9167 , a woda ciekła 0,.

g g^ ml ml

Rozwiązanie oraz odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Zaloguj się, aby dodać ilustrację.

Ćwiczenie 8

W reakcji 0,05 mola z 0,05 mola w sposób ilościowy powstaje 0,05 mola

. Reakcja ta przebiega z wydzieleniem 2,9 kJ ciepła. Napisz zrównoważone równanie termochemiczne w odniesieniu do 1 mola HCl i oblicz, ile ciepła ( ) wydziela się w czasie jej przebiegu.

HCl(aq) NaOH(aq)

NaCl(aq)

ΔH

Rozwiązanie oraz odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Zaloguj się, aby dodać ilustrację.

Ćwiczenie 10

W cylindrze znajduje się gaz, który jest zamknięty od góry ruchomym tłokiem obciążonym masą M. Boczne ścianki tego naczynia dobrze izolują układ od otoczenia, a jego dolna ścianka dobrze przewodzi ciepło. Wzór jest wzorem na siłę, jaka oddziałuje na tłok. Całość jest umieszczona nad palnikiem z regulowanym strumieniem ognia (temperatura otoczenia). Odpowiedz, jakiego typu przemiany termodynamicznej dotyczą opisane poniżej podpunkty, odnoszące się do gazu umieszczonego w tym naczyniu (rys.).

Rysunek do ćwiczenia nr 10 Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Gaz początkowo znajdował się w stanie równowagi, a więc jego temperatura była równa temperaturze otoczenia. Natomiast ciśnienie musiało być takie, aby ciężar tłoka został zrównoważony. Wybierz poprawną odpowiedź:

F=PA

1. Z jaką przemianą będziemy mieć do czynienia, jeśli równomiernie i małymi odważnikami zaczniemy zmniejszać obciążenie tłoka?

Jest to przemiana adiabatyczna. Zmianie ulega tutaj obciążenie tłoka, dlatego ciśnienie gazu będzie musiało być mniejsze, żeby zrównoważyć zmiany masy tłoka.

Jest to przemiana izotermiczna. Zmianie ulega tutaj obciążenie tłoka, dlatego ciśnienie gazu będzie musiało być mniejsze, żeby zrównoważyć zmiany masy tłoka.

Jest to przemiana izobaryczna. Mamy tutaj do czynienia ze zmianą temperatury otoczenia i układu oraz ciśnienia.

Jest to przemiana izochoryczna. Mamy tutaj do czynienia ze zmianą temperatury otoczenia i układu, a ciśnienie pozostaje takie samo, ponieważ obciążenie tłoka pozostaje niezmienione.

2. Z jaką przemianą zmierzy się prezentowany układ, jeśli zwiększy się strumień ognia w palniku?

Jest to przykład przemiany izobarycznej. Mamy tutaj do czynienia ze stałą temperaturą otoczenia i układu, a ciśnienie się zmienia.

Jest to przemiana izotermiczna. Zmianie ulega tutaj obciążenie tłoka, dlatego ciśnienie gazu będzie musiało być mniejsze, żeby zrównoważyć zmiany masy tłoka.

Jest to przykład przemiany izochorycznej. Mamy tutaj do czynienia ze zmianą temperatury otoczenia i układu, a ciśnienie pozostaje takie samo, ponieważ obciążenie tłoka pozostaje niezmienione.

Jest to przykład przemiany izobarycznej. Mamy tutaj do czynienia ze zmianą temperatury otoczenia i układu, a ciśnienie pozostaje takie samo, ponieważ obciążenie tłoka pozostaje niezmienione.

Odpowiedź:

asocjacyjna.

Metody i techniki nauczania:

burza mózgów; dyskusja dydaktyczna; analiza materiału źródlowego; ćwiczenia uczniowskie; film samouczek; technika gadająca ściana; technika zdań podsumowujących.

Forma pracy:

praca zbiorowa; praca w grupach; praca indywidualna.

Środki dydaktyczne:

komputery z głośnikami, słuchawkami/smartfony/tablety z dostępem do internetu; podręczniki tradycyjne; zasoby multimedialne zawarte w e‐materiale; rzutnik multimedialny; tablica interaktywna/tablica.

Przed lekcją:

Uczniowie proszeni są o przeanalizowanie filmu samouczek zawartego w e‐materiale, gdyż ułatwi im to pracę na przyszłych zajęciach.

Przebieg zajęć

Faza wstępna:

1. Zaciekawienie i dyskusja. Nauczyciel zadaje pytania uczniom: Co wiedzą na temat perpetuum mobile? Z czy im się kojarzy ono, czym jest, czy zostało wynalezione?
2. Rozpoznawanie wiedzy wyjściowej uczniów. Burza mózgów wokół I. zasady termodynamiki.
3. Ustalenie celów lekcji. Nauczyciel podaje temat zajęć i wspólnie z uczniami ustala cele lekcji, które uczniowie zapisują w portfolio.

Faza realizacyjna:

1. Nawiązując do dyskusji dydaktycznej z fazy wstępnej lekcji uczniowie są proszeni o zapoznanie się z materiałem źródłowym dotyczącym perpetuum mobile:

https://gadzetomania.pl/4759,prawie-jak-perpetuum-mobile-zachwycajace- urzadzenie-dziala-z-niezwykla-wydajnoscia

2. Po przeczytaniu tekstu źródłowego uczniowie podsumowują:

Perpetuum mobile jest to maszyna, która... Nie została wynaleziona, ponieważ...

3. Tym zagadnieniem nauczyciel wprowadził uczniów do pierwszej zasady termodynamiki. Podaje jej treść i zapisuje odpowiedni wzór na tablicy.
4. Uczniowie samodzielnie mają za zadanie zapoznać się z definicją standardowej entalpii, energii wewnętrznej (oraz czynników które na nią się składają), pracy, układu i otoczenia. W tym celu uczniowie analizują dostępne źródła informacji, w tym e‐materiał. Chętni uczniowie podają na forum klasy znaczenie wskazanych pojęć.
5. Nauczyciel dzieli uczniów na cztery grupy, rozdaje arkusze papieru A2 i mazaki. Podopieczni w grupach mają za zadanie scharakteryzować wylosowaną przemianę - każda grupa jedną przemianę (izobaryczną, izochoryczną, izotermiczną, adiabatyczną). Uczniowie powinni zwrócić uwagę na to, na czym polega dana przemiana, podać przykład tej przemiany, podać odpowiednie wzory zgodne z pierwszą zasadą termodynamiki, przedstawić odpowiednie wykresy opisujące daną przemianę, podać przykład zadania i jego rozwiązania, uwzględniającego warunki tej przemiany. Nauczyciel monitoruje przebieg pracy uczniów i wyjaśnia ewentualne trudności.
6. Po zakończonej pracy chętni uczniowie każdej grupy prezentują rezultaty pracy grupowej z wykorzystaniem techniki gadająca ściana. Nauczyciel weryfikuje poprawność merytoryczną wypowiedzi uczniów i ewentualnie uzupełnia luki.
7. Uczniowie samodzielne sprawdzają swoją wiedzę, wykonując ćwiczenia zawarte w e‐materiale – „Sprawdź się”.

Faza podsumowująca:

1. Nauczyciel sprawdza wiedzę uczniów zadając przykładowe pytania: Jak brzmi treść pierwszej zasady termodynamiki? Co to jest energia wewnętrzna? Jakie znasz rodzaje układów? Czym jest gaz doskonały?
2. Jako podsumowanie lekcji nauczyciel może wykorzystać zdania do uzupełnienia, które uczniowie również zamieszczają w swoim portfolio:

Przypomniałem/łam sobie, że... Co było dla mnie łatwe ... Czego się nauczyłem/łam... Co sprawiało mi trudność...

Praca domowa: