Физика. 10 класс
Конспект урока
Физика, 10 класс
Урок 20. Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
1) уравнение состояния идеального газа и уравнение Менделеева — Клапейрона;
2) закон Дальтона, парциальное давление, закон Авогадро;
3) газовые законы и границы их применимости;
4) графики изохорного, изобарного и изотермического процесса;
5) определение по графикам характера процессов и макропараметров идеального газа;
6) применение модели идеального газа для описания поведения реальных газов.
Глоссарий по теме
Уравнение, связывающее три макроскопических параметра давление, объём и температура, называют уравнением состояния идеального газа.
Парциальное давление – давление отдельно взятого компонента газовой смеси, равно давлению, которое он будет оказывать, если занимает весь объем при той же температуре.
Количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра называют газовыми законами (изопроцессами).
Процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянной температуре называют изотермическим.
Процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянном давлении называют изобарным.
Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называют изохорным.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. 10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 209 – 218.
Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа, 2009.
Открытые электронные ресурсы по теме урока:
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Уравнение Клапейрона при m = const: отношение произведения давления и объёма к температуре есть величина постоянная для постоянной массы газа:
Если изменяется какой-либо макроскопический параметр газа постоянной массы, то два других параметра изменятся таким образом, чтобы указанное соотношение осталось постоянным.
Отношение произведения давления и объёма к температуре равно универсальной газовой постоянной для одного моля идеального газа.
Уравнение Менделеева при v = 1 моль
Произведение постоянной Больцмана и постоянной Авогадро называется универсальной газовой постоянной.
— уравнение состояния идеального газа.
Уравнение состояния идеального газа получило название «уравнение Менделеева-Клапейрона».
Давление смеси химически невзаимодействующих газов равно сумме их парциальных давлений: закон Дальтона.
где pi– парциальное давление i-й компоненты смеси.
Парциальное давление – давление отдельно взятого компонента газовой смеси, равное давлению, которое он будет оказывать, если занимает весь объём при той же температуре.
Один моль любого газа при нормальных условиях занимает один и тот же объём равный:
V0=0,0224м 3 /моль=22,4дм 3 /моль.
Это утверждение называется законом Авогадро
Количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра называют газовыми законами (изопроцессами).
Процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянной температуре называют изотермическим.
Для газа данной массы произведение давления на объём постоянна, если температура газа не меняется — закон Бойля – Мариотта.
Изотерма соответствующая более высокой температуре T1, лежит на графике выше изотермы, соответствующей более низкой температуре T2.
Если значения давления и температуры в различных точках объёма разные, то в этом случае газ находится в неравновесном состоянии.
Равновесное состояние — это состояние, при котором температура и давление во всех точках объёма одинаковы.
Процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянном давлении называют изобарным.
Для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление не изменяется — закон Гей-Люссака.
Изобара соответствующая более высокому давлению p2 лежит на графике ниже изобары соответствующей более низкому давлению p1.
Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называют изохорным.
При данной массе газа отношение давление газа к температуре постоянно, если объем газа не изменяется — закон Шарля.
Изохора соответствующая большему объему V2 лежит ниже изохоры, соответствующей меньшему объему V1.
Примеры и разбор решения заданий
1. Установите соответствие между физическими величинами и приборами для их измерения. К каждой позиции первого столбца подберите нужную позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Урок-открытие с элементами исследования. Уравнение состояния идеального газа.
Разделы: Физика
Урок проводится в 10 классе, после изучения темы основное уравнение МКТ. (рассчитан на профильный уровень, слайд 0)
Цели урока:
- Образовательные. Показать математическую зависимость между тремя макроскопическими параметрами p,V,T. Научить применять физические законы при решении задач. Научить применять полученные знания как язык науки, имеющий огромные возможности.
- Воспитательные. Дать возможность почувствовать свой потенциал каждому учащемуся, чтобы показать значимость полученных знаний. Побудить к активной работе мысли. Развивать кругозор учащихся и патриотические чувства, гордости за свою страну, которая играла и играет в прогрессе человечества большую роль.
- Развивающие. Формировать умение вести рассказ с помощью опорного конспекта, выражать свои мысли правильным «физическим» языком. Формировать умение выделять главное, обобщать и связывать имеющиеся знания со знаниями из других областей. Формировать умение наблюдать и анализировать явления, кратко и лаконично отвечать на вопросы.
Тип урока: изучение нового материала, с использованием элементов беседы.
Эпиграф к уроку:
«Посев научный взойдет для жатвы народной!»
(Дмитрий Иванович Менделеев) (слайд 1)
Демонстрации: зависимость между объемом, давлением и температурой.
Оборудование: мульдимедийный проектор, компьютер, экран, презентация PowerPoint.
Ход урока
I. Проверка домашнего задания. Повторение ранее изученного. (фронтальный опрос)
Учитель. Здравствуйте ребята. Добрый день. Выполним с вами экспериментальную задачу. Определим атмосферное давление в нашем кабинете. Оборудование: термометр, линейка (рассуждения учащихся).
Ученик. Термометром можно измерить температуру, линейкой измерить размеры комнаты и вычислить объем. А как установить зависимость между давлением, объемом и температурой?
Учитель. И это будет целью нашего урока, вывели физический закон, устанавливающий зависимость между тремя макроскопическими параметрами — p, V, T; научиться использовать закон при решении задач.
Учитель. Что такое идеальный газ? (слайд 2)
Ученик. Идеальным газом называется модель реального газа. Молекулярно-кинетическая теория рассматривает идеальный газ как множество частиц (молекул), расстояние между которыми намного превышает размеры самих частиц, находящихся в состоянии непрерывного хаотичного движения.
Учитель. Назовите условия, при которых газ можно считать идеальным?
Ученик. Газ, удовлетворяющий следующим условиям:
- Межмолекулярные взаимодействия отсутствуют.
- Взаимодействия молекул газа происходит только при соударениях, и являются упругими.
- Молекулы газа не имеют объема – материальные точки.
Учитель. Что называется концентрацией?
Ученик. Концентрация – это число молекул в единице объема.
Учитель. Запишите и объясните физический смысл основного уравнения молекулярно-кинетической теории.
Ученик. Давление идеального газа обусловлено ударами молекул о стенку сосуда, поэтому с помощью молекулярно-кинетической теории его можно выразить через концентрацию молекул, средние скорости молекул и массу одной молекулы. p=⅓nmoυ2 — основное уравнение МКТ (уравнение Клаузиуса), устанавливает связь между микро- и макромиром. (слайд 3)
II. Постановка проблемного вопроса и решение его
Учитель. Какие параметры, характеризующие газ и процессы, проходящие в нем, называются микроскопическими параметрами (микропараметрами).
Ученик. Состояние идеального газа и процессы, проходящие в нем, будут определяться количеством частиц (молекул), из которых состоит газ, и их параметрами, такими как масса, диаметр, скорость, энергия и пр. (слайд 4) Такие параметры называются микроскопическими или микропараметрами.
Учитель. Какие параметры, характеризующие газ, и процессы, проходящие в нем, называются макроскопическими параметрами (макропараметрами)? (слайд 5)
Ученик. Параметры, характеризующие свойства газа как целого называются макроскопическими или макропараметрами.
Учитель. Если состояние газа не меняется, то не меняются и эти параметры. Назовите макропараметры, характеризующие газ?
Ученик. p – давление, V – объем, T – температура.
Учитель. Температуру, объем, давление и некоторые другие параметры принято называть параметрами состояния газа. Выведем уравнение, устанавливающее зависимость между этими параметрами. (слайд 6)
III. Изучение нового материала
1. Постоянная Лошмидта. Из основного уравнения МКТ идеального газа можно получить уравнение состояния идеального газа, связывающее между собой параметры состояния p, V и Т.
Если исключим из основного уравнения МКТ микроскопические параметры, заменяя их на макроскопические параметры используя известные соотношения , получаем:
p=nkT (1)
Это соотношение позволяет по двум известным макроскопическим параметрам (давлению и температуре газа) оценить микроскопический параметр (концентрацию).
Найдем концентрацию молекул любого идеального газа при нормальных условиях (н.у.):
Нормальные условия:
атмосферное давление p=1,013·10 5 Па,
температура 0°С, или Т=273,15К:
n=p/kT=1,01·10 5 /(1,38·10 -23 ·273)м -3 ≈2,7·10 25 м -3 .
Это значение концентрации молекул идеального газа при нормальных условиях называется постоянной Лошмидта.
2. Уравнение Клапейрона.
Получим теперь с помощью равенства (1) новое уравнение. Если известно полное число частиц газа N, занимающего объем V, то число частиц в единице объема
С учетом этого выражение (1) приводится к виду
Так как Nk=const.
Для постоянной массы идеального газа отношение произведения давления на объем к данной температуре есть величина постоянная.
Выведенное нами уравнение связывает давление, объем и температуру, которые определяют состояние идеального газа, называется уравнением состояния идеального газа. – уравнение Клапейрона (слайд 7)
Историческая справка. (сообщение ученика, Приложение 1) В 1834 г. Французский физик Б. Клапейрон, работавший длительное время в России (Петербурге), вывел уравнение состояние идеального газа при постоянной массе газа (m=const).(слайд 8)
3. Уравнение Менделеева – Клапейрона.
Рассмотрим случай для произвольной массы газа
где NA = 6,02·10 23 моль -1 — число Авогадро,
k=1,38·10 -23 Дж/К — постоянная Больцмана
R=kNA = 8,31Дж/( моль·К) — универсальная газовая постоянная.
pV=m/M R T — уравнение Менделеева – Клапейрона- уравнение состояния идеального газа, связывающее три макроскопических параметра (давление, объем и температуру) газа данной массы. (слайд 9)
Историческая справка. (сообщение ученика, Приложение 2) Обобщив уравнение Клапейрона и введя понятие универсальной газовой постоянной, русский ученый Д. И. Менделеев в 1874 г.вывел общее уравнение для состояния идеального газа. (уравнение Менделеева – Клапейрона) (слайд 10)
С помощью данного уравнения можно описывать процессы сжатия и расширения, нагревания и охлаждения идеального газа.
IV.Закрепление изученного материала
1. Беседа с учащимися по вопросам. (слайд 11)
Учитель. Каковы нормальные условия для идеального газа?
Ученик. Нормальные условия для идеального газа: атмосферное давление p=1,013·10 5 Па, температура t=0°С, или Т=273,15К:
Учитель: Какова концентрация молекул идеального газа при нормальных условиях?
Ученик: n=p/kT=1,01·10 5 /(1,38·10 -23 ·273)м -3 ≈2,7·10 25 м -3 , это значение концентрации – число Лошмидта.
Учитель: Какие величины характеризуют состояние газа?
Ученик: Макропараметры p, V, T.
Учитель: Чем отличается уравнение состояния газа от уравнения Менделеева — Клапейрона? Какое из них полнее по содержанию? Почему?
Ученик: Уравнение состояния идеального газа для постоянной массы газа. Уравнение Менделеева – Клапейрона для переменной массы газа
Учитель. Чему равна универсальная газовая постоянная в СИ?
Ученик. R=NAk= 8,31Дж/ моль·К – универсальная газовая постоянная
2. Решение задач у доски с помощью учителя. (слайд 12)
Дополнительная задача. Для постоянной массы идеального газа отношение произведения давления на объем к данной температуре есть величина постоянная.
Вычислите отношение произведения давления на объем к данной температуре, если газ находиться при нормальных условиях
Полагая что моль газа находиться при нормальных условиях: атмосферное давление p0=1,013·10 5 Па, температура t= 0°С, или Т0=273,15К, молярный объем V0= 22,41·10 -3 м 3 /моль): Подставим и получим
R=8,31 Дж/(моль·К) –универсальная газовая постоянная.
V. Итоги урока
Ученик. Поставленной цели мы достигли: вывели физический закон, устанавливающий зависимость между тремя макроскопическими параметрами — p, V, T; и использовали его при решении задач.
Учитель. Уравнение состояния — первое из замечательных обобщений в физике, с помощью которых свойства разных веществ выражаются через одни и те же основные величины. Именно к этому стремиться физика — к нахождению общих законов, не зависящих от тех или иных веществ. Газы, существенно простые по своей природе, дали первый пример такого обобщения. (слайд 13)
А завершить урок хотелось словами Д.И. Менделеева, обращенными к нам, его потомкам: «Посев научный взойдет для жатвы народной!». И этот год юбилейный, 175-лет со дня рождения великого русского ученого-естествоиспытателя Д.И. Менделеева (слайд 14).
VI. Домашнее задание
§ 53, задачи 2, 5 к § 53.
Литература: Касьянов В. А.. Физика. 10 кл. Профильный уровень/ Из-во — Москва: Дрофа, 2007.
Презентация — Приложение 4, сообщение ученика о Клапейроне — Приложение 1, сообщение ученика о Менделееве — Приложение 2, задачи для закрепления пройденной темы — Приложение 3.
Разработка урока физики в10 классе » Уравнение Клапейрона -Менделеева».
Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.
Разработка урока физике в 10 классе на тему « Уравнение Клапейрона-Менделеева».
Образовательные . Показать математическую зависимость между тремя макроскопическими параметрами p,V,T. Научить применять физические законы при решении задач. .
Воспитательные . Побудить к активной работе мысли. Развивать кругозор учащихся.
Развивающие. Формировать умение выражать свои мысли правильным «физическим» языком. Формировать умение выделять главное, обобщать и связывать имеющиеся знания со знаниями из других областей. Формировать умение наблюдать и анализировать явления, кратко и лаконично отвечать на вопросы.
Тип урока : изучение нового материала, с использованием элементов беседы.
Демонстрации: зависимость между объемом, давлением и температурой.
Оборудование : мульдимедийный проектор, компьютер.
Проверка домашнего задания. Повторение ранее изученного. ( фронтальный опрос).
-Почему барабанная перепонка уха не продавливается бомбардирующими её молекулами воздуха?
-Что доказал эксперимент Отто фон Герике?(опыт с Магдебурскими полу шариами)(слайд).
— Сформулируйте закон Дальтона. ( Давление смеси газов, не взаимодействующих друг с другом химически, равно сумме парциальных давлений этих газов. Воздух в комнате, где мы находимся, представляет собой смесь нескольких газов, в основном — азота (около 80%) и кислорода (около 20%).)
— Что такое идеальный газ?
-Назовите условия, при которых газ можно считать идеальным?
— Что называется концентрацией?
-Сформулируйте и запишите основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов.
I I . Постановка проблемного вопроса и решение его.
— Какие параметры, характеризующие газ и процессы, проходящие в нем, называются микроскопическими параметрами (микропараметрами) ? .
— Какие параметры, характеризующие газ, и процессы, проходящие в нем, называются макроскопическими параметрами ?
— Назовите макропараметры, характеризующие газ? ( p – давление, V – объем, T – температура. )
Рассказ учителя. Температуру, объем, давление и некоторые другие параметры принято называть параметрами состояния газа. Выведем уравнение, устанавливающее зависимость между этими параметрами.
В 1834 году французский физик Б.Клайперон( презентация),работавший длительное время России,вывел уравнение состояния идеального газа при постоянной массе. Это уравнение связывает давление,объём и температуру,которые определяют состояние идеального газа,и называется уравнением состояния идеального газа.
Из уравнения m 0 v 2 /2*3/2 kT и основного уравнения МКТ p =2/3 n m 0 v 2 /2 p = nkT .
Зная,что n = N / V , N = const , п о лучим p = NRT / V * PV / T = NR = const .
Для постоянной массы идеального газа отношение произведения давления на объём к данной температуре есть величина постоянная.
P 1 V 1 / T 1 = P 2 V 2 / T 2 ; P 0 V 0 / N 0 =8,31 Д ж/моль*К –универсальная газовая постоянная для одного моля газа при нормальных условиях.
Нормальные условия:
атмосферное давление p=1,013·10 5 Па,
температура 0°С, или Т=273,15К:
n=p/kT=1,01·10 5 /(1,38·10 -23 ·273)м -3 ≈2,7·10 25 м -3 .
В 1874году Д.И.Менделеев(презентация) вывел уравнение для произвольного числа молекул.
N = m / m 0 ; N = m /µ N а ; pV = NkT ; PV = m /µ N a kT
г де N A = 6,02·10 23 моль -1 — число Авогадро,
k=1,38·10 -23 Дж/К — постоянная Больцмана.
pV=m/µ R T — уравнение Менделеева – Клапейрона.
III . Закрепление изученного .
1.Что называют уравнением состояния системы?
2.Записать уравнение Клапейрона-Менделеева для произвольной массы идеального газа.
3.Чему равна универсальная газовая постоянная?
4.Каков физический смысл универсальной газовой постоянной?
5.Как запишется уравнение состояния для одного моля газа?
IV . . Решение задач.
1.В сосуде вместимостҗю 500см 3 содерңится 0,89г водорода при температуре 17 0 С.Определите давление газа.
2.В баллоне емкостҗю 25,6л находится 1,04 кг азота при давлении 3,5 МПа.Определитҗ температуру газа.
3.Какой объём занимает газ в количестве 10 3 мол ь при давлении 1 МПА и температуре 100 0 С?
4.Найти плотность водорода при температуре 15 0 С и давлении98кПа.
http://urok.1sept.ru/articles/519631
http://infourok.ru/razrabotka-uroka-fiziki-v-klasse-uravnenie-klapeyrona-mendeleeva-3439623.html