Методические особенности темы «Законы термодинамики. Тепловые двигатели» с применением компьютерных технологий

Вывод о принципиальном ограничении КПД тепловых двигателей может быть получен лишь на основании второго начала термодинамики.

Дело в том, что в процессе работы тепловой машины неупорядоченное тепловое движение (при контакте рабочего тела с нагревателем) преобразуется в упорядоченное в виде макроскопической работы, совершаемой тепловым двигателем. Природа запрещает переход неупорядоченного теплового движения в упорядоченное. За возможность такого перехода она требует плату в виде тепла, передаваемого холодильнику. Процессы, ведущие к беспорядку, идут сами собой, напротив, установление порядка всегда требует усилий.

Если в вашей комнате вещи не знают своего места, и вы размещаете их, не соблюдая никаких правил, то в вашей комнате всегда беспорядок. Чтобы навести в такой ситуации порядок, вам потребуется приложить некоторые усилия - отвести каждой вещи свое место и размещать вещи только согласно отведенному месту. Ваши усилия - плата за установление порядка.

Так и в мире молекул, только там все сложнее, потому что молекул очень много и они все беспорядочно движутся (представьте себе, каких усилий требовало бы наведение порядка в комнате, если бы все вещи в ней двигались).

Теплота, передаваемая рабочим телом холодильнику, это своего рода компенсация за возможный переход от беспорядочного хаотического движения в упорядоченное, которое имеет место при совершении механической работы, ради которой и были созданы тепловые машины.

Изложение второго начала термодинамики в курсе физики средней школы целесообразно начать с обобщения наблюдаемых явлений, например, основываясь на общеизвестном факте о невозможности самопроизвольного перехода теплоты от менее нагретых тел к более нагретым. При этом следует пояснить смысл выражения "самопроизвольный переход". Под самопроизвольным переходом понимается такой переход, который совершается без вмешательства внешних тел. По завершении такого перехода не должно произойти каких-либо изменений во внешних телах.

Далее следует привести формулировку второго начала термодинамики, предложенную Клаузиусом.

Анализируя работу тепловых двигателей, целесообразно рассмотреть и формулировку, данную Томсоном, утверждающую, что невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы совершение работы за счет внутренней энергии, отнимаемой от какого-либо тела путем теплообмена.

У учащихся может возникнуть недоумение по поводу того факта, что один и тот же закон имеет несколько формулировок. В связи с этим возникает необходимость в введении представления об обратимых и необратимых процессах, рассмотрении конкретных примеров тех и других и установлении связи между ними.

Второе начало термодинамики, по сути, утверждает одностороннюю направленность самопроизвольно протекающих в природе процессов и запрещает протекание этих процессов в обратном направлении, то есть фактически оно утверждает факт существования в природе необратимых процессов. Поскольку таких процессов в природе много и все необратимые процессы связаны между собой, то утверждение существования каждого из них может рассматриваться как одна из формулировок второго начала термодинамики. В научной литературе последних лет сообщается о 21 формулировке этого закона.

Далее следует перейти к рассмотрению цикла Карно. Анализ цикла Карно и относящейся к нему теоремы Карно делает возможным решение ряда задач. С помощью цикла Карно находится теоретический предел максимально возможного значения КПД тепловой машины, работающей в заданном интервале температур, доказывается теорема о независимости КПД тепловой машины от рабочего вещества и, наконец, с помощью цикла Карно может быть введено понятие энтропии.

С точки зрения методики очень важно при рассмотрении цикла Карно подчеркнуть оптимальность этого цикла в смысле его экономичности. Замечательная особенность этого цикла состоит в том, что он позволяет получить максимально возможную работу за счет теплоты, взятой от нагревателя. Следует отметить, что сама по себе машина Карно есть лишь абстракция, предназначенная для целей исследования, однако доказанная на основе этой модели теорема Карно сыграла ведущую роль в разработке научных основ теплоэнергетики.

Используя в качестве примера приведенное в теоретической части курса доказательство теоремы Карно, можно предложить учащимся в порядке упражнения провести другие варианты доказательства этой теоремы.

Со вторым началом термодинамики и теоремой Карно неразрывно связан способ введения энтропии, а также вопрос о границах применимости термодинамики и обсуждение идеи Клаузиуса о тепловой смерти Вселенной.

Подробно о педагогике:

Урок для современного ребенка
Однако необходимо отметить, что нынешние малыши-шестилетки сильно отличаются от своих предшественников. Дошкольник, принимаемый в первый класс, имеет достаточно определенное представление о мире. В отличие от ребенка дотелевизионной эпохи, современный ребенок большую часть организованной информации ...

Диагностика уровней сформированности у младших школьников умения решать проблемы во взаимоотношениях людей
В предыдущих параграфах мы выявили сущность умения решать проблемы во взаимоотношениях людей. Определили особенности формирования у младших школьников умения решать проблемы во взаимоотношениях людей, что поможет нам в разработке критериально-оценочного аппарата исследования. Таблица 1. Критерии, п ...

Русские народные традиции в воспитании молодежи Волгоградской области
Рассмотрим законодательно-правовую базу волгоградского региона по молодежной политике на базе административно-правового корпуса «Паритет» Кировского района и ознакомимся с работой других молодежных центров, изучив их направления в более узкой направленности. Постановлением Администрации Волгограда ...