Использование компьютерных моделей на уроках физики при изучении темы "Законы термодинамики" в средней школе
Дипломная работа - Педагогика
Другие дипломы по предмету Педагогика
ути, 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.
Трудно дать методические рекомендации по поводу введения энтропии в школьном курсе, следуя которым можно сделать понимание этой функции состояния более ясным. Сложность понимания энтропии связана с невозможностью ее непосредственного восприятия и отсутствием прибора, который бы измерял энтропию, как, например, измеряют температуру.
Термодинамика, в силу феноменологического характера, не может вскрыть физический смысл энтропии. Эту задачу решает статистическая физика.
По-видимому, наиболее доступным вариантом введения энтропии в школьном курсе является тот, который рассмотрен в теоретической части курса и следует из обобщения утверждений теоремы Карно для произвольного цикла.
Вводя понятие энтропии, следует проводить аналогию с введением понятия внутренней энергии при формулировке первого начала термодинамики. Введению энтропии должно предшествовать введение понятия приведенной теплоты. Далее следует отметить, что при равновесном переходе системы из одного состояния в другое приведенная теплота не зависит от пути перехода, а сумма проведенных количеств теплоты системы, совершающей круговой процесс, равна нулю. Это значит, что приведенная теплота равна изменению некоторого свойства системы, которое и было названо энтропией.
В школьной аудитории вывод о возрастании энтропии при необратимых процессах проще всего сделать при рассмотрении конкретного необратимого процесса. Рассмотрим, например, теплообмен между двумя различно нагретыми телами с температурами и (пусть ). Более нагретое тело отдает количество теплоты -, менее нагретое получает количество теплоты +. Изменение энтропии более нагретого тела равно , менее нагретого . Изменение энтропии системы в целом равно алгебраической сумме изменений энтропии каждого тела:
.
В результате теплообмена между различно нагретыми телами энтропия системы возрастает (, то есть ). Таким образом, энтропия вводится вторым началом. В формулировке А. Зоммерфельда оно звучит так: "Каждая термодинамическая система обладает функцией состояния, называемой энтропией. Энтропия вычисляется следующим образом. Система переводится из произвольно выбранного начального состояния в соответствующее конечное состояние через последовательность состояний равновесия, вычисляются все подводимые при этом порции теплоты, делятся каждая на соответствующую ей абсолютную температуру, и все полученные таким образом значения суммируются. При реальных процессах энтропия замкнутой системы возрастает".
Итак, термодинамика вводит энтропию формально, не вскрывая ее физического смысла и не устанавливая связи с внутренними молекулярными свойствами системы. Только статистическая физика, изучая тепловые явления на основе представлений о свойствах молекул и закономерностях их движения, вскрывает физический смысл энтропии и природу необратимости, устанавливая связь между энтропией и термодинамической вероятностью.
Наиболее доступным вариантом введения понятия термодинамической вероятности, по-видимому, является рассмотрение конкретного примера о распределении молекул газа по частям сосуда. Этот пример должен убедить учащихся в том, что равномерное распределение молекул реализуется наибольшим числом способов. На основании рассмотренного примера следует сделать вывод, что термодинамическая вероятность состояния - это число способов (число микросостояний), с помощью которых можно реализовать данное макросостояние.
Термодинамика утверждает, что любая система, будучи предостав?/p>