Все виды топлива обладают внутренней энергией, которая выделяется при сгорании. При этом совершается механическая работа (при определенных условиях) или нагреваются другие тела путем теплообмена. При сгорании 1 кг различных видов топлива выделяется различное количество энергии. Отношение теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, к массе сгоревшего топлива называется удельной теплотой сгорания топлива.
Учащимся предлагается работа с таблицей «Удельная теплота сгорания топлива». Дается задание найти в таблице топливо, теплота сгорания которого наибольшая, наименьшая, сравнить теплоту сгорания торфа и каменного угля, дров и т. д. Затем решают задачи на расчет количества теплоты, выделяющегося при сгорании топлива, используя формулу Q = qm, где q — удельная теплота сгорания, am — масса топлива. При этом уточняется наименование единицы удельной теплоты сгорания- .
Далее рассматривается вопрос о превращении механической энергии во внутреннюю энергию тел. Демонстрируют опыты: нагревание монеты при натирании ее, нагревание проволоки при многократном ее изгибании, нагревание ножа при заточке его на вращающемся точильном камне. Предлагают детям привести примеры подобных явлений из своего жизненного опыта (нагревание ладоней рук при спуске по шесту, канату, образование искр в механической зажигалке). Полезно напомнить о том, как с помощью трения кусков дерева друг о друга первобытные люди получали огонь.
После обсуждения этих примеров и опытов формулируют закон сохранения и превращения энергии. Учащимся дают краткую историческую справку о законе сохранения и превращения энергии. Сообщают, что его открыли в середине XIX в., когда был накоплен необходимый для этого многочисленный экспериментальный материал и появилась возможность его обобщить. Рассказывают о роли в открытии этого закона Р. Майера, Г. Гельмгольца и Д. Джоуля, о большой заслуге М. В. Ломоносова, который, на столетие опережая ученых своего времени, писал в письме Эйлеру 5 июля 1748 г.: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому.»1.
Далее показывают использование закона сохранения и превращения энергии для технических расчетов. Учащиеся должны узнать, что на основе этого закона производят расчеты количества топлива, необходимого для работы электростанций, тепловозов; закон позволяет рассчитать количество электроэнергии, необходимое для работы машин.
Одной из важных иллюстраций закона сохранения и превращения энергии является рассмотрение энергетических превращений, происходящих в природе. Основной источник используемых сейчас на Земле видов энергии — Солнце. Учащимся сообщают, что часть энергии, полученная Землей от Солнца, расходуется непосредственно на нагревание земной коры и атмосферы; другая часть преобразуется растениями в химическую энергию, которая становится, таким образом, частью внутренней энергии растений. С деятельностью Солнца связаны и запасы топлива на Земле: каменного угля, торфа и др. Круговорот воды, движение воздушных масс есть также результат солнечной деятельности.
Полезно продемонстрировать учебный кинофильм «Солнце — главный источник энергии на Земле».
Тема «Солнце — главный источник энергии на Земле» не обязательна для изучения в классе. Материал в учебнике на эту тему дан для дополнительного чтения. Если учитель посчитает возможным изучение этого вопроса на уроке, его целесообразно провести в виде учебной конференции, поставив следующие доклады:
Солнце — источник тепла и света на Земле.
Использование человеком энергии излучения Солнца.
7. ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ
Эту тему можно начать с проведения наблюдений за изменением температуры при нагревании и плавлении нафталина. Можно продемонстрировать учащимся плавление тел и проанализировать полученный при этом график.
Учащиеся должны усвоить три следующих положения: существует температура, выше которой вещество в твердом состоянии не может находиться; температура во время плавления остается постоянной; процесс плавления требует притока энергии к плавящемуся веществу.
Учитель одновременно демонстрирует и записывает на доске данные о плавлении нафталина или льда и воска.
Нафталин рекомендуется брать химически чистым; резервуар термометра, помещенного внутрь малой пробирки, следует расположить в середине массы нафталина. Пробирку подбирают короткую и заполняют нафталином доверху во избежание осаждения его на стенках пробирки, что мешает снятию показаний термометра.
При выполнении лабораторной работы возникает трудность: горизонтальный участок графика при плавлении может оказаться столь коротким, что учащиеся могут его не обнаружить. Чтобы получить кривую, близкую к идеальной, можно ограничиться исследованием только процесса отвердевания нафталина. Время наблюдения при этом примерно 15 мин при массе нафталина 5 г. Наблюдения начинают с температуры воды, равной 90 °С. Тогда процесс отвердевания длится около 5 мин и оказывается резко выраженным на графике.
Для медленного нагревания испытуемых тел и правильного изменения их температуры малую пробирку с нафталином помещают внутри большой так, чтобы она не касалась стенок последней, а большую пробирку помещают в сосуд с водой, нагретой до кипения. Такая воздушно-водяная баня позволяет получить хорошие данные для вычерчивания графика.
При анализе полученного графика обращают внимание учащихся на постоянство температуры, при которой происходит плавление.
Далее рассматривают таблицу температур плавления. Отметив, что все металлы и их сплавы относятся к кристаллическим телам, предлагают учащимся в таблице найти металлы с наиболее низкой температурой плавления. Рассматривают применение тугоплавких металлов и сплавов для создания космических кораблей, реактивных двигателей, для изготовления спиралей тепловых электрических приборов. Полезно поставить ряд вопросов, вскрывающих понимание учащимися процесса и температуры плавления:
Почему чайник, поставленный на включенную электрическую плитку, не распаивается, пока в нем находится вода?
8. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПЛАВЛЕНИЯ И ОТВЕРДЕВАНИЯ
Определение удельной теплоты плавления вводят после анализа графика плавления нафталина, позволяющего установить наличие теплообмена между нагревателем и телом без повышения его температуры и, следовательно, приводящего к мысли о существовании теплоты плавления. Записывают формулу Q = km. Выясняют с учащимися, почему в данной формуле отсутствует удельная теплоемкость тела. Внутренняя энергия плавящегося тела растет, а температура его не повышается. (Значит, теплоемкость плавящегося тела бесконечно велика).
Изученный материал закрепляют рассмотрением таблицы удельной теплоты плавления веществ и решением задач. При анализе таблицы от учащихся требуют полного ответа на вопрос: «Что показывает величина удельной теплоты плавления вещества?»
После тренировки с данными таблицы обращаются к анализу той части графика, которая относится к отвердеванию, и устанавливают наличие теплоты отвердевания.
При решении задач по данному разделу преимущественно используют прямые задачи на нахождение количества теплоты, необходимого для нагревания и плавления вещества, при этом вначале решают задачи на плавление (отвердевание) тел, взятых при температуре плавления (отвердевания), а затем рассматривают тела при температуре, отличной от температуры плавления (отвердевания). В заключение решают простейшие задачи, в которых по существу используют уравнение теплового баланса. Например:
Какое количество энергии надо для превращения 5 кг льда, взятого при
—10 °С, в воду с температурой 20 °С?
При решении подобных задач нужно обратить внимание учащихся на то, что значение удельной теплоемкости для одного и того же вещества в различных агрегатных состояниях, вообщем говоря,различно.
Например, при 20 ° С для воды с = 4200 а для льда с =1800при — 20 °С.
Наряду с вычислительными задачами особое значение в данной теме имеет также решение графических задач, подобных следующим:
Графики каких процессов изображены на рисунке 20.9?
При повторении в конце года в сильных по подготовке классах желательно провести лабораторную работу «Определение удельной теплоты плавления льда». Работу можно включить в заключительный физический практикум, если учитель решит проводить его в VIII классе.
Оборудование для работы: калориметр, весы, сосуд с кусочками тающего льда по 40—50 г, термометр, фильтровальная бумага, чайник с водой при температуре 30—35 °С.
9. ИСПАРЕНИЕ. КОНДЕНСАЦИЯ
Изучение испарения можно начать с наблюдения учащимися уменьшения количества вещества при испарении, которое сопровождается понижением температуры испаряющейся жидкости. Для этого на теплоприемник, соединенный с манометром, помещают металлическую коробку, на дно которой наливают немного эфира. По мере испарения эфира жидкость в колене манометра, соединенном с теплоприемником, поднимается. Объясняют явление охлаждением теплоприемника, происходящим в результате испарения эфира.
Желательно также поставить эффектный опыт, демонстрирующий примерзание металлического колпачка спиртовки. В колпачок наливают немного эфира и ставят его на влажную дощечку. Над поверхностью эфира продувают воздух резиновой грушей. Колпачек примерзает к дощечке, что наглядно свидетельствует о понижении температуры испаряющейся жидкости.
Анализируя опыт, объясняют ученикам, что при испарении жидкости отдельные наиболее быстро движущиеся молекулы могут вылетать с поверхности слоя наружу. Эти молекулы обладают кинетической энергией, большей или равной работе, которую необходимо совершить против сил сцепления, удерживающих их внутри жидкости. При этом температура жидкости, определяемая средней скоростью беспорядочного движения молекул, понижается. Понижение температуры жидкости свидетельствует о том, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Часть этой энергии расходуется на преодоление сил сцепления и на совершение расширяющимся паром работы против внешнего давления. С другой стороны, происходит увеличение внутренней энергии той части вещества, которая превратилась в пар вследствие увеличения расстояния между молекулами пара по сравнению с расстоянием между молекулами жидкости. Поэтому внутренняя энергия единицы массы пара больше, чем внутренняя энергия единицы массы жидкости при той же температуре.
Далее выясняют, от чего зависит испарение. Увеличение испарения в связи с повышением температуры можно показать на следующем опыте. На чашки технических весов ставят по кристаллизатору: один — с горячей водой, другой — с холодной. Весы уравновешивают. Пока учащиеся зарисовывают схему опыта, становится заметным нарушение равновесия весов. Масса горячей воды уменьшается быстрее, чем холодной.
