Przemiany gazu doskonałego – powtórzenie, Ćwiczenia z Fizyka

Pobierz Przemiany gazu doskonałego – powtórzenie i więcej Ćwiczenia w PDF z Fizyka tylko na Docsity! Przemiany gazu doskonałego – powtórzenie Wprowadzenie Przeczytaj Film (standardowy) Grafika interaktywna Dla nauczyciela Czy to nie ciekawe? Stan gazu określają trzy parametry: temperatura, ciśnienie i objętość. W przemianach gazowych te parametry mogą zmieniać się w dowolny sposób. Wyróżnione są takie przemiany, w których jeden z parametrów jest stały, czyli przemiany: izotermiczna, izobaryczna i izochoryczna. Gdy podczas przemiany gaz nie wymienia ciepła z otoczeniem, mówimy o przemianie adiabatycznej. W tym materiale zbierzemy najważniejsze informacje dotyczące tych przemian. Przemiany gazu doskonałego – powtórzenie Rys. 1. Wykres zależności ciśnienia od objętości w przemianie izotermicznej. W przemianie izobarycznej stałe jest ciśnienie p i masa m gazu. Przekształcając równanie Clapeyrona, otrzymujemy: czyli prawo Gay‐Lussaca mówiące, że objętość jest wprost proporcjonalna do temperatury w skali bezwzględnej. Wykres zależności objętości od temperatury to linia prosta, której przedłużenie przechodzi przez punkt przecięcia osi (Rys. 2.). Rys. 2. Zależność objętości gazu od temperatury w skali bezwzględnej w przemianie izobarycznej. V T = m M R p = const W przemianie izochorycznej stała jest objętość V i masa m gazu. Z równania Clapeyrona otrzymujemy wiec: Ciśnienie jest wprost proporcjonalne do temperatury w skali bezwzględnej – jest to treść prawa Charles’a. Wykresem zależności ciśnienia od temperatury w skali bezwzględnej w przemianie izochorycznej jest linia prosta (Rys. 3.). Rys. 3. Zależność ciśnienia gazu od temperatury w skali bezwzględnej w przemianie izochorycznej. Jak widać, z równania Clapeyrona można w prosty sposób otrzymać równania opisujące przemiany, w których jeden z parametrów jest stały. Jednak znajomość równań nie wystarczy, by zrozumieć zjawisko. Dobrze wiesz, że zapomniane równanie można bardzo szybko znaleźć w Internecie. Jednak bez zrozumienia znaczenia tego równania nie na wiele się ono przyda. Przeanalizujmy więc przyczyny zmian parametrów w poszczególnych przemianach. Zacznijmy od przypomnienia, czym jest temperatura i ciśnienie gazu. Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek. Wzrost temperatury oznacza, że cząsteczki poruszają się coraz szybciej i zwiększa się przy tym energia wewnętrzna, która jest sumą energii kinetycznych i potencjalnych wszystkich cząsteczek układu. Ciśnienie to siła, jaką działają cząsteczki gazu na jednostkę powierzchni ścianki naczynia podczas zderzeń ze ścianką. p T = m M R V = const Aby poddać gaz przemianie izotermicznej należy przy stałej temperaturze zmienić objętość gazu, na przykład sprężać gaz, przesuwając tłok w dół (Rys. 4a.). Siła popychająca tłok w dół wykonuje pracę, przekazując energię cząsteczkom gazu. Tyle samo energii gaz musi oddawać w postaci ciepła, aby energia wewnętrzna gazu, a więc i temperatura pozostała niezmieniona. Rys. 4a. Izotermiczne sprężanie gazu doskonałego. Siła zewnętrzna wykonuje pracę, a ciepło jest oddawane przez układ. Energia wewnętrzna nie zmienia się. Jak wyjaśnić zwiększanie się ciśnienia, gdy maleje objętość gazu? Podczas sprężania cząsteczki uderzają w ścianki średnio z taką samą siłą, bo średnia energia kinetyczna cząsteczek nie zmienia się. Zmniejsza się jednak pole powierzchni ścianek. Na jednostkę powierzchni ścianek przypada więc coraz więcej uderzeń cząsteczek w miarę sprężania gazu i dlatego ciśnienie rośnie. Z przemianą izochoryczną mamy do czynienia, gdy gaz zamknięty jest w naczyniu o stałej pojemności. Praca w tej przemianie równa jest zeru. Aby zrealizować przemianę izochoryczną, należy zmienić temperaturę gazu, na przykład go podgrzać. → F z Rys. 5. Wykres przedstawia zależność ciśnienia od objętości w przemianie adiabatycznej (Q = 0) oraz izotermicznej (T = const). Słowniczek Energia wewnętrzna (ang.: internal energy) – suma energii kinetycznych i potencjalnych wszystkich cząsteczek ciała. Energia wewnętrzna gazu jest wprost proporcjonalna do temperatury w skali wewnętrznej. Film (standardowy) Przemiany gazu doskonałego – powtórzenie Obejrzyj 4 filmy, przedstawiające przemiany: izotermiczną, izobaryczną, izochoryczną i adiabatyczną i wykonaj polecenia. Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D13kL9ZP2 Przemiana izotermiczna Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D13kL9ZP2 Przemiana adiabatyczna Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D13kL9ZP2 Przemiana izobaryczna Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D13kL9ZP2 Przemiana izochoryczna Polecenie 1 Uzupełnij zdania: Praca wykonana przez gaz podczas rozprężania równa jest pobranemu ciepłu w przemianie izotermicznej / izobarycznej / izochorycznej / adiabatycznej. Praca wykonana przez gaz podczas rozprężania równa jest różnicy między początkową i końcową energią wewnętrzną gazu w przemianie izotermicznej / izobarycznej / izochorycznej / adiabatycznej. Polecenie 2 Podczas izobarycznego rozprężania gaz pobiera ciepło. Wyjaśnij i zapisz, na jakie formy energii zamienia się to ciepło. Polecenie 3 Uzupełnij W dwóch jednakowych cylindrach z ruchomym tłokiem znajduje się gaz o jednakowej masie i w jednakowym stanie początkowym. W jednym z cylindrów gaz został poddany przemianie adiabatycznej, w wyniku czego jego objętość wzrosła dwukrotnie, a ciśnienie zmieniło się od wartości p do wartości p . W drugim cylindrze gaz rozprężył się izotermicznie tak, że objętość również zwiększyła się dwukrotnie, a ciśnienie zmieniło się od wartości p do wartości p . Która z relacji jest prawidłowa? p < p p > p p = p 1 2 1 3 2 3 2 3 2 3    Ćwiczenie 2 Siła zewnętrzna wykonuje pracę sprężając gaz od objętości V1 do objętości V2. Na jaką formę energii zamienia się ta praca w przemianie: a) izotermicznej, b) adiabatycznej. Praca gazu podczas rozprężania w przemianie adiabatycznej jest zawsze większa od pracy gazu podczas takiego samego rozprężania w przemianie izotermicznej. Uzupełnij  Dla nauczyciela Imię i nazwisko autora: Krystyna Wosińska Przedmiot: Fizyka Temat zajęć: Przemiany gazu doskonałego – powtórzenie Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony Podstawa programowa: Cele kształcenia – wymagania ogólne Zakres rozszerzony Treści nauczania – wymagania szczegółowe VI. Termodynamika. Uczeń: 9) stosuje pierwszą zasadę termodynamiki do analizy przemian gazowych; rozróżnia przemiany: izotermiczną, izobaryczną, izochoryczną i adiabatyczną gazów. Kształtowane kompetencje kluczowe: Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.: kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii, kompetencje cyfrowe, kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się. Cele operacyjne: Uczeń: 1. przypomni równanie Clapeyrona opisujące stan gazu doskonałego; 2. korzystając z równania Clapeyrona, wywnioskuje postać równań opisujących przemiany gazowe: izotermiczną, izobaryczną i izochoryczną; 3. przeanalizuje przyczynę zmian parametrów gazu w tych przemianach; 4. przeanalizuje przyczynę zmian parametrów gazu w przemianie adiabatycznej. Strategie nauczania: strategia eksperymentalno‐obserwacyjna (dostrzeganie i definiowanie problemów) Metody nauczania: wykład informacyjny, pokaz multimedialny, analiza pomysłów Formy zajęć: praca w grupach, praca indywidualna Środki dydaktyczne: komputer z rzutnikiem lub tablety do dyspozycji każdego ucznia Materiały pomocnicze: „Czym jest przemiana izotermiczna gazów?”, „Czym jest przemiana izobaryczna gazów?”, „Czym jest przemiana izochoryczna gazów?”, „Czym jest przemiana adiabatyczna gazów?” PRZEBIEG LEKCJI Faza wprowadzająca: Wprowadzenie zgodnie z treścią w części pierwszej „Czy to nie ciekawe?”. Uczniowie przypominają postać i sens równania Clapeyrona. Faza realizacyjna: Uczniowie z równania Clapeyrona wyprowadzają równania opisujące przemiany, w których jeden z parametrów jest stały. Otrzymane równania i wynikające z nich wykresy zależności parametrów gazu w tych przemianach zapisują na tablicy. Uczniowie dyskutują o przyczynach zmian parametrów oraz o bilansie energii w poszczególnych przemianach. Na koniec uczniowie z pomocą nauczyciela omawiają przebieg przemiany adiabatycznej, rozważając przyczyny zmian temperatury i ciśnienia podczas zmian objętości gazu. Uczniowie oglądają 4 filmy, przedstawiające przemiany: izotermiczną, izobaryczną izochoryczną i adiabatyczną oraz grafikę interaktywną. Faza podsumowująca: Uczniowie w grupach rozwiązują zadania związane z multimediami i dyskutują odpowiedzi na forum klasy. Praca domowa: Uczniowie rozwiązują zadania, których nie udało się rozwiązać na lekcji. Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium Multimedia można wykorzystać na lekcji i połączyć z wykonaniem zadań tam zawartych oraz przedyskutowaniem wyników. Mogą też być wykorzystane przez uczniów poza lekcjami do powtórzenia i utrwalenia wiadomości.