Второе начало термодинамики. Тепловые двигатели, КПД и охрана природы
Цели и задачи
- Цель по SMART: к концу урока объяснить принцип действия теплового двигателя, связать его работу с первым и вторым началами термодинамики, рассчитать КПД по формуле $\eta=\frac{A}{Q_1}=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}$ и аргументированно назвать не менее двух способов снижения экологического вреда тепловых машин.
- Сформировать представление о термодинамической системе, внутренней энергии, способах её изменения, количестве теплоты, работе газа и видах теплопередачи.
- Научиться анализировать энергетическую схему теплового двигателя и применять закон сохранения энергии к реальной физической ситуации.
- Развивать умение работать с формулами, схемами, данными и аргументировать выводы в парной и групповой работе.
- Воспитывать ответственное отношение к использованию энергии и охране природы, связывая физические знания с инженерными и экологическими решениями.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают связь эффективности энергетики с качеством окружающей среды и личной ответственностью за рациональное использование ресурсов.
- Проявляют познавательный интерес к принципам работы двигателей, электростанций и современных энергетических установок.
- Формируют готовность оценивать технические решения не только по мощности, но и по экологическим последствиям.
- Осознают значение точности расчётов и аргументированного выбора в учебной и будущей профессиональной деятельности.
Метапредметные
- Извлекают информацию из энергетической схемы, формул и краткого текста о тепловых машинах.
- Сравнивают идеальную и реальную тепловые машины, выявляют причины потерь энергии.
- Планируют решение расчётной задачи, выполняют вычисления и проверяют размерность и физический смысл результата.
- Формулируют выводы, распределяют роли в группе и аргументированно представляют результат.
- Используют элементы естественно-научной и экологической грамотности при анализе работы электростанции.
Предметные
- Знать понятия «термодинамическая система», «внутренняя энергия», «количество теплоты», «работа газа», «теплопередача», «тепловой двигатель».
- Уметь различать теплопроводность, конвекцию и излучение и приводить примеры каждого вида.
- Уметь объяснять, что внутренняя энергия изменяется при теплопередаче и совершении работы.
- Уметь применять соотношения $Q_1=A+Q_2$ и $\eta=\frac{A}{Q_1}=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}$ к расчётным задачам.
- Понимать содержание второго начала термодинамики: невозможен циклический процесс, единственным результатом которого является превращение всей теплоты, полученной от одного нагревателя, в работу.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личное отношение к проблеме энергосбережения и загрязнения окружающей среды.
- Связывают изучаемые физические закономерности с выбором инженерных и бытовых решений.
- Проявляют самостоятельность при выборе аргументов и способа представления группового результата.
- Оценивают значение физики для будущей профессии и продолжения образования.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель исследования теплового двигателя на основе проблемного вопроса.
- Планируют последовательность анализа схемы и решения расчётной задачи.
- Сверяют результат с эталоном, находят ошибку в знаке, единицах или физическом смысле.
- Оценивают степень достижения цели по листу самооценки и определяют дальнейший шаг.
Познавательные УУД
- Выделяют существенные элементы термодинамической системы и энергетического цикла.
- Строят причинно-следственную цепочку «нагреватель — рабочее тело — холодильник — работа».
- Моделируют энергетический баланс теплового двигателя с помощью схемы и формул.
- Классифицируют примеры теплопередачи и анализируют источники энергетических потерь.
- Переводят текстовую физическую ситуацию в математическую модель.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в группе: аналитик, расчётчик, экологический эксперт, докладчик.
- Задают уточняющие вопросы и используют физические термины в обсуждении.
- Аргументируют вывод с опорой на закон сохранения энергии и второе начало термодинамики.
- Согласовывают общий ответ, корректно принимают замечания и предлагают исправления.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить презентацию или запись на доске со схемой теплового двигателя: нагреватель, рабочее тело, холодильник, количество теплоты $Q_1$, работа $A$, количество теплоты $Q_2$.
- Распечатать по одной карточке на группу из четырёх человек: энергетическая схема, текстовая ситуация, данные для расчёта КПД и экологический кейс.
- Подготовить индивидуальные листы с заданиями трёх уровней: классификация теплопередачи, расчёт КПД, объяснение ограничения КПД.
- Распечатать по одному листу самооценки на каждого ученика и по одному листу с эталоном решения на парту для взаимопроверки.
- Подготовить слайд или плакат с формулами $Q_1=A+Q_2$, $A=Q_1-Q_2$, $\eta=\frac{A}{Q_1}$ и обозначениями физических величин.
- Подготовить изображения двигателя внутреннего сгорания, паровой турбины и солнечной электростанции для межпредметного обсуждения с экологией и технологией.
- Подготовить таймер, маркеры, стикеры трёх цветов и проектор или интерактивную доску.
- Организовать на доске таблицу «Знаю — Хочу узнать — Узнал» и оставить место для итоговой формулировки второго начала термодинамики.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в исследование проблемы эффективности тепловых машин и экологической цены энергии.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране два изображения: автомобиль с двигателем внутреннего сгорания и ветряную электростанцию. «Сегодня мы будем рассуждать не только о том, как машина совершает работу, но и о том, какой ценой это происходит. Посмотрите на изображения и назовите общий вопрос, который можно к ним задать: откуда берётся энергия и что происходит с её частью после работы машины?» | Рассматривают изображения, формулируют варианты: «Энергия топлива превращается в работу и тепло», «часть энергии рассеивается в окружающей среде». |
2 мин | Учитель организует приём «Подумай — обсуди в паре — поделись». «Сначала самостоятельно запишите один ответ на вопрос: может ли тепловой двигатель превратить в полезную работу всю теплоту, полученную от нагревателя? Затем обсудите ответ с соседом и подготовьте объяснение». | Записывают гипотезу, обсуждают её в парах, предлагают ответы: «Наверное, нет, потому что часть теплоты передаётся холодильнику и окружающей среде». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы увидели, что вопрос об эффективности двигателя связан не только с техникой, но и с ограничениями природы. Сейчас восстановим необходимые понятия и найдём, какие знания потребуются для ответа на проблемный вопрос».
Этап 2. Актуализация знаний (6 мин)
Цель этапа: актуализировать понятия внутренней энергии, количества теплоты, работы и способов теплопередачи.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает на доске четыре утверждения и просит отметить их знаками «верно» или «требует уточнения»: «Внутренняя энергия зависит только от движения тела как целого»; «Передача энергии возможна при теплопроводности, конвекции и излучении»; «Работа газа может изменить его внутреннюю энергию»; «Количество теплоты и температура — одно и то же». «Обсудите ответы в парах и обязательно объясните хотя бы одно исправление». | Отмечают утверждения, исправляют ошибки: «Внутренняя энергия связана с хаотическим движением и взаимодействием частиц», «количество теплоты — это энергия, переданная при теплообмене, а не температура». |
3 мин | Учитель проводит краткий опрос: «Приведите пример теплопроводности, конвекции и излучения. Какими двумя способами можно изменить внутреннюю энергию? Что происходит с газом, если он расширяется и совершает работу?» На доске фиксируются ключевые слова. | Называют примеры: «нагрев ложки — теплопроводность; движение воздуха — конвекция; нагрев от Солнца — излучение». Формулируют: «внутреннюю энергию изменяют теплопередачей и совершением работы»; «при расширении газ отдаёт часть энергии на работу». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы вспомнили, что энергия может переходить между телами и превращаться при совершении работы. Но пока неясно, как организовать эти превращения циклически и почему невозможно получить стопроцентную эффективность. Перейдём к постановке проблемы».
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать учебную проблему и совместно определить план её решения.
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель записывает на доске ситуацию: «Двигатель получил от нагревателя $Q_1=100$ кДж. Может ли он совершить работу $A=100$ кДж, передав холодильнику нулевое количество теплоты?» «Какая формула первого начала термодинамики поможет проверить эту возможность? Что нас заставляет усомниться в таком результате?» | Записывают условие, называют формулу $Q_1=A+Q_2$, рассуждают: «Если $A=Q_1$, то $Q_2=0$, но реальный цикл требует отвода теплоты; значит, есть ограничение». |
2 мин | Учитель применяет «Снежный ком». «Сначала каждый назовите один шаг, который нужен для ответа. Затем объедините предложения в парах и сформулируйте общий план». Учитель фиксирует план: определить систему, описать цикл, вывести КПД, обсудить экологические последствия. | Формулируют цель: «Объяснить устройство теплового двигателя, вывести выражение для КПД и понять физический смысл второго начала термодинамики». Предлагают шаги исследования. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Наш план готов: система — энергетический обмен — КПД — ограничение — экологический вывод. Теперь группы исследуют отдельные элементы общей модели».
Этап 4. Открытие нового знания. Тепловой двигатель и второе начало термодинамики (10 мин)
Цель этапа: сформировать модель теплового двигателя и вывести формулы работы и КПД.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель раздаёт группам схему и объясняет: «Рассмотрите модель. Нагреватель имеет более высокую температуру и передаёт рабочему телу количество теплоты $Q_1$. Рабочее тело расширяется и совершает работу $A$. Оставшаяся часть энергии передаётся холодильнику как $Q_2$. Подпишите стрелки и ответьте: какое тело является рабочим, где совершается работа, зачем нужен холодильник?» | Подписывают на схеме нагреватель, рабочее тело и холодильник, направляют стрелки $Q_1$, $A$, $Q_2$. Формулируют: «Работа совершается при расширении рабочего тела; холодильник принимает часть теплоты, которую нельзя превратить в работу в цикле». |
3 мин | Учитель задаёт сократовскую цепочку: «Если энергия не исчезает, как связаны $Q_1$, $A$ и $Q_2$? Выразите работу. От чего зависит эффективность: от всей полученной теплоты или только от полезной работы?» На доске последовательно записывает $Q_1=A+Q_2$, $A=Q_1-Q_2$, $\eta=\frac{A}{Q_1}=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}$. | Выводят энергетический баланс, записывают формулы и объясняют: «КПД — отношение полезной работы к энергии, полученной от нагревателя». |
3 мин | Учитель формулирует второе начало: «Нельзя построить циклически работающую машину, единственным результатом которой было бы превращение всей теплоты от одного нагревателя в работу. Почему это не противоречит закону сохранения энергии? Потому что первый закон говорит о количестве энергии, а второй — о направлении и ограничениях процессов». Учитель связывает вывод с охраной природы: «Даже при совершенствовании конструкции часть энергии отводится холодильнику и рассеивается». | Записывают формулировку второго начала, объясняют различие: «Энергия сохраняется, но не вся энергия становится полезной работой». Делают вывод о неизбежности потерь и необходимости повышать КПД, снижая потери, а не ожидая $100\%$. |
Запись в тетрадях
- Термодинамическая система — тело или совокупность тел, выделенных для изучения и взаимодействующих с окружающей средой.
- Первое начало для теплового двигателя: $Q_1=A+Q_2$.
- Полезная работа: $A=Q_1-Q_2$.
- КПД теплового двигателя: $\eta=\frac{A}{Q_1}=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}$.
- Второе начало: невозможен циклический процесс, единственным результатом которого является полное превращение теплоты, полученной от одного нагревателя, в работу.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы построили модель двигателя и увидели, что холодильник является обязательной частью цикла. Теперь проверим формулы на конкретных данных и научимся отличать энергетический баланс от оценки полезной работы».
Этап 5. Первичное закрепление и межпредметный экологический кейс (7 мин)
Цель этапа: применить модель теплового двигателя к расчётной и экологической ситуации, связав физику с экологией и технологией.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель раздаёт карточку: «За цикл двигатель получает от нагревателя $Q_1=500$ кДж и передаёт холодильнику $Q_2=350$ кДж. Найдите работу двигателя и КПД». «Сначала запишите известные величины, затем формулу, вычисление и ответ с единицами. После решения сравните ход работы с соседом». | Записывают: $Q_1=500$ кДж, $Q_2=350$ кДж. Вычисляют $A=500-350=150$ кДж; $\eta=150/500=0{,}30=30\%$. Взаимно проверяют решение. |
3 мин | Учитель предъявляет экологический кейс: «Тепловая электростанция сжигает топливо, передаёт часть энергии турбине, а часть отдаёт охлаждающей системе. Назовите два физических источника потерь и два способа уменьшить экологический вред». Учитель просит использовать формулу и понятия теплопередачи. | В группах формулируют: «потери при передаче теплоты, нагрев окружающей среды, неполное сгорание топлива». Предлагают: «повысить КПД, использовать комбинированную выработку тепла и электричества, очищать выбросы, применять возобновляемые источники, уменьшать тепловые потери». |
Эталон решения
Дано: $Q_1=500$ кДж, $Q_2=350$ кДж. По энергетическому балансу $A=Q_1-Q_2=500-350=150$ кДж. КПД $\eta=\frac{A}{Q_1}=\frac{150}{500}=0{,}30$. В процентах $\eta=30\%$. Физический смысл: 30% энергии, полученной от нагревателя, превращается в работу, а 70% передаётся холодильнику и окружающей среде.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Расчёт показал, что КПД определяется не только величиной работы, но и количеством полученной теплоты. Экологический вывод также физический: чем меньше $Q_2$ при сохранении безопасности, тем выше КПД и тем меньше потери. Теперь каждый проверит себя самостоятельно».
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (8 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное понимание понятий, формул, видов теплопередачи и второго начала термодинамики.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
5 мин | Учитель раздаёт индивидуальные задания. «Выполните обязательную часть: 1) распределите примеры по видам теплопередачи: нагрев металлического стержня, движение тёплого воздуха, получение энергии от Солнца; 2) решите задачу: двигатель получил $Q_1=800$ кДж и совершил работу $A=200$ кДж, найдите $Q_2$ и КПД; 3) объясните одним предложением, почему $\eta$ не может быть равен 100%». | Классифицируют примеры: теплопроводность, конвекция, излучение. Решают: $Q_2=Q_1-A=600$ кДж, $\eta=200/800=25\%$. Записывают объяснение через второе начало термодинамики. |
3 мин | Учитель показывает эталон на доске и организует самопроверку: «Проверьте не только ответы, но и порядок решения, единицы и формулировку вывода. Если нашли ошибку, зачеркните один шаг и исправьте его рядом. Поднимите зелёную карточку при полном совпадении, жёлтую — если нужна консультация». | Сверяют работу с эталоном, исправляют ошибки, поднимают карточку самооценки. Формулируют затруднение конкретно: «ошибся в выборе формулы», «перепутал конвекцию и излучение». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Вы проверили базовые умения: различать способы теплопередачи, находить тепло, отданное холодильнику, и рассчитывать КПД. Осталось обобщить, как все понятия связаны в единую систему».
Этап 7. Включение знаний в систему и рефлексия (7 мин)
Цель этапа: обобщить изученное, оценить достижение цели и сформулировать практический вывод.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель возвращает класс к таблице «Знаю — Хочу узнать — Узнал». «Заполните последнюю колонку тремя тезисами: что такое тепловой двигатель, как находится КПД, в чём смысл второго начала. Затем соедините стрелками понятия: внутренняя энергия, теплота, работа, нагреватель, холодильник, КПД». | Заполняют колонку «Узнал», строят карту понятий и формулируют связи: «теплота изменяет внутреннюю энергию рабочего тела», «работа совершается за счёт части полученной энергии», «часть теплоты уходит холодильнику». |
2 мин | Учитель проводит приём «Одноминутная работа»: «За одну минуту ответьте письменно: почему двигатель с большим КПД обычно оказывает меньшее тепловое воздействие при одинаковой полезной работе? Используйте хотя бы одну формулу». | Пишут ответ: «При одинаковой работе $A$ больший КПД означает меньшее $Q_1$, а значит, при прочих равных меньше энергии рассеивается в окружающую среду». |
2 мин | Учитель предлагает лист самооценки: «Отметьте, что вы можете: объяснить устройство двигателя; вывести формулу КПД; решить задачу; назвать экологическое решение. Один пункт, который пока требует повторения, запишите отдельно». | Отмечают освоенные умения, формулируют личную зону затруднения и один способ её устранить. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Сегодня мы связали микроскопическое понятие внутренней энергии с работой реального двигателя и экологическими последствиями энергетики. Теперь запишем домашнее задание, которое позволит закрепить расчёты и самостоятельно проанализировать одну тепловую машину».
Этап 8. Домашнее задание и итоговое слово (0 мин)
Цель этапа: зафиксировать задания для самостоятельной работы и завершить урок осмысленным выводом.
Критерии оценивания практической работы
- «5» — верно выполнены все три обязательные части самостоятельной работы, корректно классифицированы виды теплопередачи, решение задачи содержит формулу, вычисления, единицы и физически обоснованный вывод.
- «4» — выполнены все части, но допущена одна несущественная ошибка в классификации, вычислениях или формулировке экологического вывода, исправленная при самопроверке.
- «3» — правильно выполнены не менее двух частей, записана основная формула КПД или энергетического баланса, но есть ошибки в вычислениях, единицах или объяснении второго начала.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о роли холодильника в тепловом двигателе? | Выявление понимания обязательной части циклического процесса и смысла второго начала. |
Какую формулу вы использовали для нахождения КПД и что означает её численное значение? | Проверка осознания формулы, её величин и физического смысла результата. |
Какое задание оказалось самым сложным и на каком шаге возникло затруднение? | Выявление точек затруднения в модели, расчётах и работе с единицами. |
Какое решение может уменьшить экологический вред тепловых машин? | Проверка переноса физического знания в межпредметный экологический контекст. |
Завершающее слово учителя
«Сегодня мы увидели, что тепловой двигатель не просто превращает энергию топлива в работу: он работает в цикле и обязательно передаёт часть теплоты холодильнику. Типичная ошибка — считать КПД отношением работы к количеству теплоты, не объясняя физический смысл полученного числа и не проверяя единицы. Чем выше КПД при той же полезной работе, тем меньше энергии рассеивается и тем меньше экологическая нагрузка. На следующем уроке мы продолжим анализировать термодинамические процессы и применим энергетический баланс к новым физическим ситуациям».
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Решить 4 задачи на применение формул $Q_1=A+Q_2$, $A=Q_1-Q_2$ и $\eta=\frac{A}{Q_1}$; отдельно выписать данные, формулу, вычисления и ответ. Повторить определения трёх видов теплопередачи. | Закрепляет энергетический баланс и алгоритм расчёта КПД; при проверке обратить внимание на единицы, знак величин и соответствие ответа физическому смыслу. |
Средний (повышающий) | Решить 2 задачи с реальным контекстом: сравнить КПД двух двигателей при одинаковой полезной работе и определить, сколько теплоты передано холодильнику. Составить таблицу из шести бытовых примеров теплопередачи. | Развивает функциональную грамотность, сравнение и перенос формул в новую ситуацию; проверить обоснование выбора формулы и правильность классификации. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить краткий анализ одной энергетической установки: двигатель автомобиля, паровая турбина или электростанция. Указать термодинамическую систему, нагреватель, рабочее тело, холодильник, источник полезной работы, два вида потерь и три меры снижения экологического вреда. | Развивает исследовательское и системное мышление; при проверке оценить полноту схемы, корректность терминов, связь экологических мер с физическими причинами потерь. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: «Какие три элемента обязательны для модели теплового двигателя? Как связаны $Q_1$, $Q_2$ и $A$? Почему КПД не может быть равен 100%? Чем конвекция отличается от теплопроводности? Как повышение КПД связано с охраной природы?»
