Идеальный газ – физическая модель реального газа, представляющая

собой совокупность большого числа материальных точек, между которы-

ми отсутствует взаимодействие. В этой модели пренебрегают двумя свойствами реального газа:

1) наличие собственных размеров атомов и молекул; они считаются материальными точками;

2) наличие взаимодействия между частицами (притяжением на больших

расстояниях и отталкиванием на малых)

Как следствие этих пренебрежений реальные газы подчиняются законам идеального газа только при :

1) малых плотностях или концентрациях, когда можно пренебречь размерами молекул и их взаимодействием;

2) при температурах значительно выше температуры сжижения газа, когда кинетическая энергия значительно больше потенциальной энергии притяжения.

Уравнение состояния идеального газа связывает между собой основные термодинамические параметры газа .

Экспериментально для идеального газа получены два уравнения состояния: калорическое и термическое .

Калорическое уравнение связывает внутреннюю энергию газа с температурой:

где с – экспериментальная константа.

Термическое уравнение – уравнение Менделеева-Клапейрона.

Уравнение, устанавливающее связь между давлением, объемом и абсолютной температурой газов, было получено французским физиком Б. Клапейроном (1799-1864). В форме:

его впервые применил великий русский ученый Д.И. Менделеев, поэтому уравнение состояния газа называется уравнением Менделеева-Клапейрона.

Уравнение Менделеева можно записать через другие термодинамические параметры:

1 Так как , то .

2 Если учесть, что , то .

3 По определению плотности , следовательно .

4 По определению концентрации , тогда , , тогда:

– основное уравнение МКТ ,

где – постоянная Больцмана, которая связывает энергию и температуру.

Уравнение Менделеева-Клапейрона справедливо только для идеальных газов.

Уравнение Менделеева-Клапейрона для неизменной массы газа запишется в виде:

.

Точное значение постоянной в правой части этого уравнения зависит от количества газа. Если количество газа равно одному молю, то соответствующая постоянная обозначается буквой R и называется универсальной газовой постоянной:

.

Это уравнение называют уравнением состояния идеального газа . Оно было получено в 1834 г. французским физиком и инженером Б. Клапейроном. Универсальную газовую постоянную еще называют газовой постоянной:

.

Для любой, но постоянной, массы газы из уравнения Менделеева-Клапейрона получаем обобщенный газовый закон: отношение произведения давления газа на объем к его температуре есть величина постоянная для неизменной массы газа:

.

Изотермический процесс –процесс изменения состояния газа при постоянной температуре: Τ = const . Для его осуществления надо сосуд с поршнем, наполненный газом, привести в контакт с термостатом, т.е. телом настолько большой массы, что она обеспечивает постоянство температуры газа, даже когда отдает газу или получает от него некоторое количество теплоты.

при постоянной температуре получается зависимость

или .

которая описывает закон Бойля-Мариотта: при постоянной температуре, неизменной массе и неизменном химическом составе газа произведение давления на объем есть величина постоянная.

Графики зависимости между параметрами данной массы при постоянной температуре называются изотермами . На рис. 1.1 изображены изотермы в ко

Т 2 >Т 1

ординатах (p , V ), (V , Τ ), (p , Т ).

Закон Бойля-Мариотта – один из основных газовых законов, открытый в 1662 году Робертом Бойлем (1627-1691) и независимо переоткрытый Эдмом Мариоттом (1620-1684) в 1676 году.

Важно уточнить, что в данном законе газ рассматривается, как идеальный. На самом деле, все газы в той или иной мере отличаются от идеального. Чем выше молярная масса газа, тем больше это отличие.

Изобарный процесс – процесс изменения состояния газа при постоянном давлении: p = const .

Количественное исследование зависимости объема газа от температуры при неизменном давлении было произведено в 1802 г. французским физиком и химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком (1778-1850).

Из обобщенного газового закона

при постоянном давлении получается зависимость

или,

которая описывает закон Гей-Люссака: объем данной массы газа при постоянном давлении и постоянном химическом составе прямо пропорционален абсолютной температуре.

Графики зависимости между параметрами газа при постоянной массе газа и давлении называют изобарами (рис. 1.2).

р 1

p

T

р 1

р 2

V

p

р 1

р 2

Закон Гей-Люссака можно записать через температуру t

,

где V 0 – объем газа при 0 °С, α = 1/273 К -1 – температурный коэффициент объемного расширения, оказавшийся одинаковым для всех газов.

Изохорный процесс – процесс изменения состояния газа при постоянном объеме: V = const . Экспериментальным путем зависимость давления газа от температуры при постоянном объёме установлена в 1787 году французским физиком Жаком Шарлем (1746-1823) и уточнена Ж.Л. Гей-Люссаком в 1802 году.

Из обобщенного газового закона

при постоянном объеме получается зависимость

или,

которая описывает закон Шарля или второй закон Гей-Люссака: давление данной массы газа при постоянном объеме и постоянном химическом составе прямо пропорционально абсолютной температуре.

Закон Шарля или второй закон Гей-Люссака можно записать через температуру t , измеряемую по шкале Цельсия:

,

где р 0 – объем газа при 0 °С, β = 1/273 К -1 – температурный коэффициент давление, одинаковый для всех газов.

V 1

V

T

V 1

V 2

V

p

р 1

р 2

Графики зависимости между параметрами газа при постоянной массе газа и постоянном объеме называют изохорами (рис. 1.3).

Урок в 10 классе «Применение газов в технике»

Цель: Изучить свойства газов и их применение в технике

Задачи: воспитательные :

развивающие :

образовательная

Ход урока

Орг.момент

Проверка домашнего задания (тест)

Организация работ учащихся по группам

Выступление групп

Домашнее задание

Тест

1. Количество вещества измеряется в:

А. молекулах

В. атомах

Г. килограммах

Е. кг/моль

2. Молярная масса – это:

А. масса вещества

Б. масса одного моля вещества

В. относительная молекулярная масса

Г. масса одной молекулы (одного атома)

Д. количество вещества

Е. 1/12 массы атома углерода

3. Постоянная Авогадро численно равна:

4. Постоянная величина в уравнении Клапейрона называется:

А. постоянной Авогадро

Б. постоянной Больцмана

В. универсальной газовой постоянной

Г. абсолютной температурой

Д. количеством вещества

Е. молярной массой

5. При изотермическом процессе:

А. при увеличении давления объём уменьшается

Б. при увеличении давления объём увеличивается

В. давление и объём не меняются

Г. при уменьшении давления объём уменьшается

Д. при увеличении температуры объём увеличивается

Е. при увеличении объёма температура уменьшается

6. Постоянная Авогадро – это:

А. масса одного моля вещества

Б. число молекул в единице объёма вещества

В. число молекул в моле вещества

Г. универсальная газовая постоянная

Д. отношение массы вещества к его молярной массе

Е. отношение числа молекул вещества к числу молекул в моле вещества

7. Количество вещества равно отношению:

А. массы молекулы (атома) к молярной массе

Б. молярной массы к постоянной Авогадро

В. массы вещества к относительной молекулярной массе

Г. числа молекул (атомов) к постоянной Авогадро

Д. числа молекул (атомов) к молярной массе

Е. массы молекулы (атома) к постоянной Авогадро

Класс делится на группы, по заданным материалам учащиеся готовят кластер и защищают его.

Материал к подготовки

Свойства газов

Газ (газообразное состояние) (от нидерл. gas, восходит к др.-греч. χάος) - одно из четырех агрегатных состояний вещества, характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами (молекулами, атомами или ионами), а также их большой подвижностью. Частицы газа почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения. Так же термин «газ» можно определить как вещество, температура которого равна или превышает критическую точку, при такой температуре сжатие газа не приводит к образованию жидкости. В этом и заключается отличие газа от пара. При повышении давления насыщенный пар частично превращается в жидкость, газ нет.

Газообразное состояние вещества в условиях, когда возможно существование устойчивой жидкой или твёрдойфазы этого же вещества, обычно называется паром.

Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма и не образуют свободной поверхности, а стремятся заполнить весь доступный объём (например, сосуда).

Газообразное состояние - самое распространённое состояние вещества Вселенной (межзвёздное вещество, туманности, звёзды, атмосферы планет и т. д.). По химическим свойствам газы и их смеси весьма разнообразны - от малоактивных инертных газов до взрывчатых газовых смесей. Понятие «газ» иногда распространяют не только на совокупности атомов и молекул, но и на совокупности других частиц - фотонов, электронов, броуновских частиц, а также плазму.

Важнейшей чертой теплового движения молекул газа - это беспорядочность (хаотичность) движения. Экспериментальным доказательством непрерывного характера движения молекул является диффузия и броуновское движение.

Диффузия - это явление самопроизвольного проникновения молекул одного вещества в другое. В результате взаимной диффузии веществ происходит постепенное выравнивание их концентрации во всех областях занимаемого ими объёма. Установлено, что скорость протекания процесса диффузии зависит от рода веществ и температуры.

Одним из самых интересных явлений, подтверждающих хаотичность движения молекул, является броуновское движение, которое проявляется в виде теплового движения микроскопических частиц вещества, находящиеся во взвешенном состоянии в газе. Это явление в 1827 году впервые наблюдал Р. Браун, от имени которого оно получило название. Беспорядочность перемещения таких частиц объясняется случайным характером передачи импульсов от молекул газа частице с разных сторон. Броуновское движение оказывается тем заметнее, чем меньше частица и чем выше температура системы. Зависимость от температуры свидетельствует о том, что скорость хаотического движения молекул возрастает с увеличением температуры, именно поэтому его и называют тепловым движением.

Газ как амортизатор

Амортизатор можно с уверенностью назвать важнейшим компонентом подвески любого автомобиля. Без этого небольшого узла езда была бы просто невыносимой по причине непрерывной вертикальной раскачки кузова автомобиля. Автомобильный амортизатор играет роль своеобразного демпфера, гасящего колебания пружин, рессор или торсионов. Масса кузова автомобиля распределяется на пружины подвески таким образом, что последние постоянно сжаты на определенную величину в зависимости от веса машины и жесткости пружин. Таким образом, каждое колесо автомобиля имеет возможность перемещаться как вверх, так и вниз относительно кузова. За счет этого достигается постоянный контакт каждого колеса с дорожным покрытием независимо от того попадает колесо на кочку или в яму. Но если бы не было амортизатора, то контакт с дорогой не был бы постоянным из-за колебаний пружин. Многим автолюбителям, наверное, знакомы ощущения, когда колеса машины начинают подпрыгивать на малейшей неровности и даже на скорости от 30 км/ч чувствуется ухудшение контроля над автомобилем. Такие симптомы как раз говорят о вышедшем из строя амортизаторе. Из всего вышесказанного можно понять, что амортизатор служит для гашения излишних колебаний пружин и обеспечения постоянного контакта колес с дорожным покрытием. Разновидности амортизаторов Если спросить любого водителя о том, какие типы амортизаторов ему известны, то ответ будет примерно таков: масляные, газо-масляные и газовые. И это в корне неверно, так как абсолютно во всех автомобильных амортизаторах присутствует масло или другая жидкость (об этом позже). Более корректно амортизаторы можно разделить на масляные и газовые. И если не затрагивать всевозможные пневматические и регулируемые подвески, то амортизаторы бывают одно- и двухтрубные. Двухтрубный масляный (гидравлический) амортизатор Гидравлический двухтрубный амортизатор является самым простым, самым дешевым и, к сожалению, самым нестабильным. Двухтрубный амортизатор состоит из следующих компонентов: цилиндрический корпус (резервуар); рабочий цилиндр; клапан прямого хода (сжатия) встроенный в рабочий цилиндр; поршень; клапан обратного хода (отбоя) встроенный в поршень; шток; кожух. Рабочий цилиндр расположен в корпусе амортизатора, который служит одновременно резервуаром и наполнен определенным количеством масла. Поршень соединен со штоком и располагается в рабочем цилиндре. Принцип работы такого амортизатора весьма прост. При работе на сжатие, поршень со штоком движется вниз и вытесняет масло через клапан прямого хода из рабочего цилиндра в корпус амортизатора. При этом воздух, который находится в верхней части резервуара, немного сжимается. При работе на отбой, поршень движется в обратном направлении и через клапан обратного хода перепускает масло из корпуса в рабочий цилиндр. У гидравлического амортизатора имеется ряд серьезных недостатков. Главным недостатком является нагрев. Как известно гашение одной энергии порождает возникновение другой, так и в амортизаторе – компенсированные колебания пружины превращаются в тепловую энергию и масло соответственно нагревается. Из-за двухтрубной конструкции и сравнительно малого объема, масло быстро нагревается, но плохо охлаждается. Данная проблема автоматически порождает следующую – вспенивание масла. Бороться с этим никак нельзя, но бывалые автолюбители очень часто пытаются избавиться от аэрации, путем заполнения нового амортизатора маслом что называется «под завязку».

Газ как рабочее тело двигателей

Рабо́чее те́ло - в теплотехнике и термодинамике условное несменяемое материальное тело, расширяющееся при подводе к нему теплоты и сжимающееся при охлаждении и выполняющее работу по перемещению рабочего органа тепловой машины. В теоретических разработках рабочее тело обычно обладает свойствамиидеального газа.

На практике рабочим телом тепловых двигателей являются продукты сгорания углеводородного топлива (бензина, дизельного топлива и др.), или водяной пар, имеющие высокие термодинамические параметры (начальные: температура, давление, скорость и т. д.)

В холодильных машинах в качестве рабочего тела используются фреоны, аммиак, гелий, водород, азот

ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ, машина для преобразования тепловой энергии в механическую работу. В тепловом двигателе происходит расширение газа, который давит на поршень, заставляя его перемещаться, или на лопатки колеса турбины, сообщая ему вращение. Примерами поршневых двигателей являются паровые машины и двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные и дизельные). Турбины двигателей бывают газовые (например, в авиационных турбореактивных двигателях) и паровые.

В поршневых тепловых двигателях горячий газ расширяется в цилиндре, перемещая поршень, и тем самым совершает механическую работу. Для превращения прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала обычно используется кривошипно-шатунный механизм.

В двигателях внешнего сгорания (например, в паровых машинах) рабочее тело нагревают за счет сжигания топлива вне двигателя и подают в цилиндр газ (пар) под высокими температурой и давлением. Газ, расширяясь и перемещая поршень, охлаждается, а давление его падает до близкого к атмосферному. Этот отработанный газ удаляется из цилиндра, а затем в него подается новая порция газа – либо после возврата поршня в исходное положение (в двигателях одинарного действия – с односторонним впуском), либо с обратной стороны поршня (в двигателях двойного действия). В последнем случае поршень возвращается в исходное положение под действием расширяющейся новой порции газа, а в двигателях одинарного действия поршень возвращается в исходное положение маховиком, установленным на валу кривошипа. В двигателях двойного действия на каждый оборот вала приходится два рабочих хода, а в двигателях одинарного действия – только один; поэтому первые двигатели в два раза мощнее при одинаковых габаритах и скоростях.

В двигателях внутреннего сгорания горячий газ, который перемещает поршень, получают за счет сжигания смеси топлива и воздуха непосредственно в цилиндре.

Для подвода свежих порций рабочего тела и выпуска отработанного газа в двигателях применяется система клапанов. Подвод и выпуск газа производятся при строго определенных положениях поршня, что обеспечивается специальным механизмом, который управляет работой впускных и выпускных клапанов.

Разреженные газы

Длина свободного пути молекул обратно пропорциональна давлениюгаза. С разрежением газа она естественно увеличивается, достигая, например, 1 см при давлении 0,009 мм рт. ст. и нескольких километров при высоком разрежении(высоком вакууме). В этих условиях, когда средняя длина пути становится много большей, чем размеры сосуда, столкновения между молекулами газа случаются относительно редко, и каждая данная молекула пролетает от однойстенки сосуда до другой большей частью без столкновений с другими молекулами. В результате такие свойства, как вязкость, диффузия, теплопроводность, которые зависят в основном от межмолекулярных столкновений, существенно меняются. Очень сильное уменьшениетеплопроводности газов при высоком разрежении практически используется в термосах, в производственных и лабораторных сосудах Дьюара. Тепловая изоляция достигается в них в основном именно тем, что сосуды делаются сдвойными стенками и в пространстве между ними создается высокий вакуум.

Шотландский химик Джеймс Дьюар (1842-1923). Он приготовил в большом количествежидкий кислород, который хранил в изобретенном им сосуде, получившем название сосуда Дьюара. Сосуд Дьюара - это колба с двойными стенками, из пространства между которыми выкачан воздух Теплопроводность разреженногогаза между стенками настолько мала, что температура вешества, помешенноро в сосуд, долгое время остается постоянной. Чтобы еще более замедлить процесс передачи тепла, Дьюар посеребрил стенки сосуда, (Бытовой термос - это всего-навсего сосуд Дьюара, закрывающийся пробкой.) 

Глубокий вакуум

Для достижения глубокого вакуума, например порядка 10-6 мм рт. ст., используют так называемые диффузионные насосы. Различают два основных типа диффузионных насосов: ртутные и масляные. Они бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми, чаще всего двухступенчатыми.

Получение глубокого вакуума

Для достижения глубокого вакуума, например порядка 10-6 мм рт. ст., используют так называемые диффузионные насосы. Различают два основных типа диффузионных насосов: ртутные и масляные. Они бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми, чаще всего двухступенчатыми. Принцип устройства обоих типов практически одинаков.

На рис. 1 показана схема стеклянного диффузионного ртутного насоса. Он состоит из резервуара 1 с ртутью, соединенного с холодильником 2. Ртуть доводят до кипения нагреванием газовой горелкой или электропечью. Пары ртути поднимаются по трубке 3, поступают в холодильник, в котором конденсируются и возвращаются в резервуар / по трубке 4. Принцип действия насоса основан на том, что вследствие частичной конденсации паров ртути внутри холодильника вблизи конца трубки 5 давление паров ртути (или иной жидкости) оказывается пониженным. Поэтому газ, находящийся в трубке 6, диффундирует в область с пониженным давлением и затем трубке 7 уносится к форвакуумной части установки

При сравнительно большом давлении в установке пары ртути, выходящие из трубки 5, сталкиваясь с молекулами газа, находящимися около конца этой трубки, отражаются по всем направлениям. Газ, находящийся в Трубке 6, при этом диффундирует во встречный поток паров ртути, еще не успевшей сконденсироваться. Применять диффузионный ртутный насос в таких случаях не следует.

При работе диффузонного насоса необходимо очень внимательно следить за правильным охлаждением конденсационной части. Подавать воду в холодильник следует до начала нагревания печи под резервуаром со ртутью и отключать после прекращения кипения ртути. Однако включать обогрев насоса следует только после того, как форвакуум уже будет создан.

При любом нарушении работы установки следует немедленно выключить нагревание ртутного насоса и до его полного охлаждения ничего не предпринимать для исправления ошибки или аварии. Причинами аварии могут быть: перегрев холодильника в результате остановки или замедления поступления воды, поломка холодильника вследствие усиления тока воды через горячий прибор. Если давление в установке повысится, кипение ртути прекратится, а ее температура начнет подниматься. Авария может произойти и при внезапном вскипании перегретой ртути.

Для получения вакуума порядка 10-6 мм рт. ст. необходимо установить последовательно два одноступенчатых насоса или один двухступенчатый.

На рис. 2 показан двухступенчатый масляный высоковакуумный диффузионный насос с внутренним электрообогревом. Масла в него следует заливать не более 60-70 см3. Нужно следить за тем, чтобы нагревательная спираль была полностью покрыта диффузионным минеральным слоем толщиной до 2 мм. Избыток масла может препятствовать нормальному ходу работы, так как вызывает задержку кипения. Примерно после 15-минутного разогревания, диффузионный насос начинает работать. Если требуется; отключить насос, сперва отключают электронагрев, дают маслу остыть приблизительно до 400C и лишь тогда" выключают охлаждение и проветривают насос.

Диффузионное масло нужно время от времени заменять свежим. О пригодности диффузионного масла можно судить по его окраске: сильно окрашенное масло для работы непригодно.

Рис. 1. Стеклянный ртутный диффузионный насос

Рис. 2Стеклянный высоковакуумный масляный двухступенчатый диффузионный насос.

После удаления масла из прибора внутреннюю часть насоса промывают четыреххлористым углеродом. Перед наполнением насоса маслом все остатки растворителя должны быть полностью удалены.

Защита кластеров.

Вопросы противоположным командам.

- Всем спасибо за внимание! Оценки выставлю после проверки тестов.

Отчет урока физики в 10 классе.

Данный урок представлен в ходе изучения раздела «Основы молекулярно-кинетической теории». На уроке были учтены возрастные и психологические особенности учащихся, использованы информационно-коммуникативные технологии.

Целью урока является : изучить свойства газов и их применение в технике

Основные задачи урока:

воспитательные : формировать рефлексию, привычку оказывать помощь и поддержку друг другу при выполнении практической работы, добросовестное отношение к выполняемому заданию;

развивающие : развитие речи, памяти, внимания, интереса к предмету, умения работать с физическими приборами, с учебником, дополнительной литературой, умения выделять главное,

образовательная : применять знания на практике.

На уроке были использованы элементы обучения школьников универсальным учебным действиям, применялся деятельностный метод обучения, который был реализован в следующих видах деятельности: учебной и учебно-исследовательской. На всех этапах урока ученики были вовлечены в активную мыслительную и практическую деятельность исследовательского характера, детям надо было не только использовать уже имеющиеся знания.

Урок проведен в стандартной форме с применением новых технологий.

Этапы урока были тесно взаимосвязаны между собой, чередовались различные виды деятельности. Все этапы урока были последовательными и логически связанными. Структура урока соответствует данному типу урока. Обеспечивалось целостность и завершенность урока. Умственные действия опирались и подкреплялись практическими. Класс разделился на две команды.

Одна группа изучала тему «Свойства газов и применение газов», а вторая группа «газ как рабочее тело двигателя. Разреженные газ. Получение глубокого вакуума».

Каждая группа должна была создать кластер по теме и защитить его, а так же объяснить понятно и доступно другой команде тему их выступления.

В ходе мною были использованы следующие методы обучения: словесный, частично-поисковый, наглядный, проблемно-диалогичный. Эти методы обучения обеспечивали поисковый и творческий характер познавательной деятельности учащихся, а так же были использованы следующие наглядные, литературные и технические материалы:

Урок прошел организованно, был логический переход от одного этапа к другому, было четкое управление учебной работой учащихся, владение классом, соблюдение дисциплины. Интенсивность урока была оптимальной с учётом физических и психологических особенностей детей.

Газы обладают рядом свойств, которые делают их незаменимыми в очень большом числе технических устройств.

Газ - амортизатор. Большая сжимаемость и легкость газа, возможность регулировки давления делают его одним из самых совершенных амортизаторов, применяемых в ряде устройств.

Вот как работает автомобильная или велосипедная шина. Когда колесо наезжает на бугорок, то воздух в шнне сжимается и толчок, получаемый осью колеса, значительно смягчается (рис. 35). Если бы шина была жесткой, то ось подпрыгнула бы вверх на высоту бугорка.

Газ - рабочее тело двигателей. Большая сжимаемость и сильно выраженная зависимость давления и объема от температуры делают газ незаменимым рабочим телом в двигателях, работающих на сжатом газе, и в тепловых двигателях.

В двигателях, работающих на сжатом газе, например воздухе, газ при расширении совершает работу почти при постоянном давлении. Сжатый воздух, оказывая давление на поршень, открывает двери в автобусах и электропоездах. Сжатым воздухом приводят в движение поршни воздушных тормозов железнодорожных вагонов и грузовиков. Пневматический молоток и другие пневматические инструменты приводятся в движение сжатым воздухом. Даже на космических кораблях имеются небольшие реактивные двигатели, работающие на сжатом газе - гелии. Они ориентируют корабль нужным образом.

В двигателях внутреннего сгорания на автомобилях, тракторах, самолетах и в реактивных двигателях в качестве рабочего тела, приводящего поршень, турбину или ракету в движение, используют газы высокой температуры. При сгорании горючей смеси в цилиндре температура резко увеличивается до тысяч градусов, давление на поршень растет и газ, расширяясь, совершает работу на длине рабочего хода поршня (рис. 36).

Только газ можно использовать в качестве рабочего тела в тепловых двигателях. Нагревание жидкого или твердого тела до такой же температуры, как и газа, вызвало бы лишь незначительное перемещение поршня.

Любое огнестрельное оружие, в сущности, является тепловой машиной. Сила давления газов - продуктов сгорания взрывчатых веществ - выталкивает пулю из канала ствола или снаряд из дула орудия. И существенно, что эта сила совершает работу на всей длине канала. Поэтому скорости пули и снаряда оказываются огромными - сотни метров в секунду.

Разреженные газы. Способность к неограниченному расширению приводит к тому, что получение газов при очень малых давлениях - в состоянии вакуума - является сложной технической задачей. (В состоянии вакуума молекулы газа практически не сталкиваются друг с другом, а только со стенками сосуда)

Обычные поршневые насосы из-за просачивания газов между поршнем и стенками цилиндра становятся неэффективными. Получить с их помощью давления ниже десятых долей миллиметра ртутного столба не удается. Приходится применять для откачки газов сложные устройства. В настоящее время достигнуты давления порядка Па мм рт. ст.).

Вакуум нужен главным образом в электронных лампах и других электронных приборах. Столкновения электрически

заряженных частиц (электронов) с молекулами газа препятствуют нормальной работе этих приборов. Иногда приходится создавать вакуум в очень больших объемах, например в ускорителях элементарных частиц.

Вакуум нужен также для выплавки свободных от примесей металлов, создания термоизоляции и т. д.

1. Что называют уравнением состояния? 2. Сформулируйте уравнение состояния для произвольной массы идеального газа. 3. Чему равна универсальная газовая постоянная? 4. Как связаны давление и объем газа при изотермическом процессе? 5. Как связаны объем и температура при изобарном процессе? 6. Как связаны давление и температура при изохорном процессе? 7. Как можно осуществить изотермический, изобарный и изохорный процессы? 8. Почему в качестве рабочего тела в тепловых двигателях используют только газы?

№ «___»__________ 20__г.

Применение газов в технике.

Цели:

Образовательная: Объяснить применение газов в технике с точки зрения газовых законов.

Развивающая: Развить умение учащихся применять данные знания на практике и в жизни.

Воспитательная: В целях развить научного мировоззрения учащихся показать роль физических экспериментов. Раскрыть причинно-следственные связи в изучаемом материале: применение газов в технике.

Оборудование:

Ход урока:

I .Проверка домашнего задания.

1. Стр106 упр9№1.

Дано:

Решение.

,
,
,

Ответ:

2. Запишите закон Шарля

(
)

3. Запишите закон Бойля-Мариотта

(
)

4. Запишите закон Гей-Люсака

(
)

5. Запишите уравнение Менделеева-Клайперона

(
)

II .Новый материал.

Газы обладают рядом уникальных свойств, которые позволяют использовать их в различных технических устройствах. Поведение газов в разных состояниях легко просчитать, используя уравнение состояния газа. Газы при разных давлениях ведут себя по-разному.

Газ, находящийся под большим давлением, представляет собой упругое тело.

Давление, оказываемое газом, можно определить из уравнения Менделеева-Клайперона:
.

Давление газа можно изменять, меняя его массу, объём и температуру. Отсюда следует, что давлением газа можно управлять, изменяя его объём, давление или массу.

Пример: Нагнетая насосом воздух в футбольную, волейбольную или велосипедную камеру, мы увеличиваем давление газа в ней.

Благодаря большой сжимаемости газа сила его давления мало изменяется при расширении или сжатии.

Хорошая сжимаемость газа позволяет помещать большие массы газов в малые объёмы для хранения.

Применение газов:

1.Газ как амортизатор. Камера автомобиля со сжатым газом представляет собой идеальный амортизатор, так как деформация шин гасится «газовой» пружиной.

2.Газ как рабочее тело двигателя. А)Газ заполняет камеру сгорания ДВС и сжимается до большого давления. Затем он зажигается, что приводит к ещё большему увеличению давления. Газ начинает расширяться и толкает поршень, совершая работу на всей длине рабочего хода поршня. Б)Сжатый воздух, находящийся в пневмосистемах, толкает поршень, открывая при этом двери в автобусах, метро, поездах. Аналогично работают пневматические тормоза автомобилей, железнодорожных вагонов. В)Сжатый воздух является рабочим телом пневматических молотков, применяемых в угольных шахтах, на строительстве. Г)Любое огнестрельное оружие работает, используя упругость продуктов сгорания пороха. Их сила давления выталкивает пулю из ствола, действуя на неё по всей длине канала, и сообщает ей огромную скорость.

3.Разрежённые газы. А)Сосуды для хранения жидких газов. Стенки сосуда изготавливают из материалов с плохой проводимостью. Между стенками создают глубокий вакуум, что обеспечивает ещё большую теплоизоляцию. Б)Глубокий вакуум нужен и в электронно-лучевых трубках и многих вакуумных приборах. В)В ускорителях элементарных частиц также создаётся глубокий вакуум.

4.Получение глубокого вакуума. Создают с помощью системы насосов.

III .Закрепление нового материала.

1. Почему сжатые газы называют ещё газовой пружиной?

2. Где применяются в технике газы?

3. Что вы понимаете под разрежённым газом?

Домашнее задание: §

Цели урока:

Образовательные:

1. Подготовить учащихся к применению 1 закона термодинамики к различным изопроцессам.
2. Изучить изопроцессы на установке для демонстрации процессов в газах.
3. Научить учащихся решать аналитические и графические задачи, используя газовые законы.

Воспитательные:

1. Продолжить формирование познавательного интереса учащихся; в целях интернационального воспитания обратить внимание учащихся, что физика развивается благодаря работам ученых различных стран и исторических времен;
2. Продолжить формирование стремления к глубокому усвоению теоретических знаний через решение задач.

Развивающие:

1. Активизация мыслительной деятельности (способом сопоставления), формирование алгоритмического мышления; развитие умений сравнивать, выявлять закономерности, обобщать, логически мыслить; научить применять полученные знания в нестандартных ситуациях для решения графических и аналитических задач
2. Развитие умения самостоятельно решать проблемные ситуации.

Оборудование: Электроплитка, химический стакан, пробирка, прибор для изучения газовых законов, компьютер, проектор с экраном.

Ход урока

I. Разминка

а) «Хотите чаю?» – спросил хозяин дома, пришедшего к нему Шерлока Холмса.

– Да, – ответил гость.

– Вот и хорошо, – сказал хозяин, – сладкого?

–Да, – подтвердил Холмс.

– Я люблю горячий чай, поэтому кладу в него кусочки сахара только перед тем, как пить, – продолжил хозяин.

– Разумнее это делать раньше, сразу как вам налили чай, – посоветовал Шерлок Холмс.

Прав ли он?

Ответ : Прав. Если сахар положить сразу в горячий чай, его температура тут же понизится: чем меньше она будет отличаться от комнатной, тем медленней чай будет остывать. (тепловое равновесие)

б) Найти ошибки в рисунках, где m = const.

II. Повторение

а) изотермический процесс, изохорный процесс, изобарный процесс.

1. Работа с таблицей: Учащиеся имеют перед собой графики – для изотермического в координатах (р,V), для изохорного – (р,T), для изобарного – (V,T) и координатные системы без графиков. Учащиеся должны определить вид процесса, написать газовые законы и дорисовать остальные графики, а желающие – для двух различных значений. После выполнения работы графики проецируем на экран и каждый ученик проверяет работу своего соседа.

Графики должны иметь вид:

2. Показ опытов с помощью самодельного прибора : Перед учащимися создаем проблемную ситуацию - объяснить наблюдаемое явление.

а) Какие термодинамические параметры не изменяются?
б) Как происходит изменение других параметров?
в) Как называется данный процесс?

Для изучения процессов в газах применяем демонстрационную установку, показанную на следующем рисунке:

Для успешной работы прибора должна быть обеспечена герметичность, а вместо мультиметра М 838 можно использовать другой, который измеряет температуру по шкале Цельсия.

• Демонстрация изотермического процесса . Рукой медленно поднимаем и опускаем поршень шприца, а температура остается постоянной.
• Демонстрация изохорного процесса . Жидкостный манометр заменяем демонстрационным манометром и включаем электроплитку. Наблюдаем повышение температуры и давления газа.
• Демонстрация изобарного процесса . Продолжаем нагревание. Когда сила давления газа на поршень будет достаточной, начнется изобарное расширение газа – поршень поднимается. Отмечаем неизменность показаний манометра, хотя температура газа растет.

Установка может служить моделью тепловой машины. На ней можно показать основные элементы любой тепловой машины, продемонстрировать простой цикл машины. Нагревателем служит электроплитка, холодильником – окружающий воздух, рабочим телом – газ в колбе и в шприце под поршнем. Опишем цикл машины, состоящий их двух изохор и из двух изобар.

Исходное состояние – поршень в нижнем положении, на котором стоит груз массой 10-20 г. Включаем электроплитку. Давление и температура газа начинают расти, что фиксируются манометром и мультиметром. Объем газа остается при этом остается постоянным до тех пор, пока сила давления на поршень не превышает веса поршня и груза. Рабочее тело совершает процесс (участок 1-2). Далее поршень поднимается при постоянном давлении газа (участок 2-3), показания манометра не меняются. Температура же продолжает расти. Рабочее тело на участке 1-2-3 получило от нагревателя некоторое количество теплоты Q 1 . Выключаем и убираем электроплитку. Убираем груз. Рабочее тело отдаст холодильнику некоторое количество теплоты Q 2 . При этом давление газа сначала уменьшится изохорно (участок 3-4) (пока сила давления газа больше веса поршня), потом изобарно (участок 4-1). Обращаем внимание учащихся на то, что давление на участке 4-1 меньше, чем на участке 2-3. Это четко видно из показаний манометра. Температура снова становится комнатной, что наблюдается по показаниям мультиметра. Цикл завершен, совешена работа по поднятию груза.

3. Решение экспериментальной задачи: Показываем следующий опыт – на электроплитку ставим высокий химический стакан с водой. Внутри воды находится перевернутая пробирка, частично заполненная водой. Резинкой отмечаем первоначальный уровень воды в пробирке. Можно сделать подсвет, ставя между установкой и лампой подсвета лист ватмана. По мере нагревания пробирка всплывает, охлаждается, касаясь с наружным воздухом и опускается на дно. Учащихся просим объяснить этот опыт.

(После нагревания воздуха в пробирке, он расширяется и вытесняет часть воды из пробирки. В результате уменьшается сила тяжести системы состоящей из пробирки и воды в ней. Как только сила тяжести станет меньше выталкивающей силы, пробирка всплывает.)

Этот опыт показываем ещё раз при изучении принципа действия тепловых машин.

IV. Применение газовых законов в жизни

Изотермическим можно приближенно считать процесс медленного сжатия воздуха или расширения газа под поршнем насоса при откачке его из сосуда. Правда температура газа при этом меняется, но в первом приближении этим изменением можно пренебречь. Однако газовые законы активно работают не только в технике, но и в живой природе, широко применяются в медицине. Закон Бойля-Мариотта начинает «работать на человека» (как, впрочем, и на любое млекопитающее) с момента его рождения, с первого самостоятельного вздоха. При дыхании межреберные мышцы и диафрагма периодически изменяют объем грудной клетки. Когда грудная клетка расширяется, давление воздуха в легких падает ниже атмосферного, т.е. «срабатывает» изотермический закон (pV = const), и вследствие образовавшегося перепада давлений происходит вдох. Другими словами воздух идет из окружающей среды в легкие самотеком до тех пор, пока величины давления в легких и в окружающей среде не выровняются. Выдох происходит аналогично: вследствие уменьшения объема легких давление воздуха в них становится больше, чем внешнее атмосферное, и за счет обратного перепада давлений он переходит наружу.

V. Фронтальный опрос

Работу выполняют на тех же листах, где учащиеся работали с графиками, на обратной стороне. Задачи решаются полностью.

1. Газ находится в цилиндре с подвижным поршнем и при температуре 300К занимает объем 200 см 3 . Какой объем (в см 3) займет газ при температуре 270 К. Давление постоянно.
   а) 420, б) 222, в) 405, г) 180.
2. Газ охладили при постоянном объеме от 127°С до 27°С. На сколько % надо после этого уменьшить объем газа в изотермическом процессе, чтобы давление стало равно первоначальному?
   а) 25, б) 125, в) 100, г) 75.
3. Резиновую лодку надули утром, когда температура воздуха была 7°С. На сколько % увеличилось давление воздуха в лодке, если днем он прогрелся до 21°С? Объем лодки не изменился.
   а) 25, б) 10, в) 5 , г) 15, д) 20.
4. На сколько % надо уменьшить абсолютную температуру газа при увеличении его объема в 6 раз, чтобы давление упало в 10 раз?
   а) 20, б) 30, в) 40 , г) 50, д) 10.
5. На какой глубине объем пузырька воздуха, поднимающегося со дна водоема, в 2 раза меньше, чем на поверхности? Атмосферное давление 100 кПа. Температура не изменяется.
   а) 20 м, б) 15 м, в) 5 м, г) 10 м , д) 8 м.

VI . Подведение итогов

1. Что нового узнали? Чему научились?
2. Домашнее задание: §71, упр. 13(11) (Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский «ФИЗИКА 10 класс ).