термодинаміки продовжує формувати уявлення старшокласників про фундаментальне природничо принципі - принципі збереження енергії.
Відкриття першого закону термодинаміки відноситься до числа трьох найбільших події 19 в., поряд з відкриттям клітини і створенням теорії Дарвіна. У шкільному курсі фізики перший закон термодинаміки вивчають як узагальнення великого числа досвідчених даних, які встановили співвідношення між кількістю теплоти, одержуваних за рахунок роботи, і досконалою роботою.
Перш ніж приступити до вивчення першого закону термодинаміки, доцільно повторити закон збереження енергії в механічних процесах, при цьому особливу увагу приділяють обговоренню питання про те, що механічна енергія зберігається в замкнутих консервативних системах. Якщо система не є консервативною, то її механічна енергія не зберігається, вона частково або повністю перетворюється у внутрішню енергію, але при цьому зберігається повна енергія системи.
Далі розглядають, якими способами можна змінити внутрішню енергію системи. Цей матеріал вивчали в базовому курсі фізики, тому тут його повторюють і узагальнюють. В результаті школярів підводять до висновку: внутрішню енергію можна змінити або в процесі теплопередачі, або при здійсненні роботи, або про здійсненні роботи і при теплопередачі одночасно.
Обговорюють питання про заходи вимірювання внутрішньої енергії при тому чи іншому процесі. Учні роблять висновок: мірою зміни внутрішньої енергії в процесі здійснення роботи є робота, а мірою зміни внутрішньої енергії в процесі теплопередачі - кількість теплоти. Тут же доцільно повторити питання про знаки цих величин. Домовилися вважати кількість теплоти позитивним (), якщо кількість теплоти повідомляється системі, і негативним (), якщо кількість теплоти віддано системою.
Роботу, чинену зовнішніми силами над системою, вважають позитивною (), якщо газ стискається: робота зовнішніх сил негативна, якщо газ розширюється ().
Розглянувши ряд прикладів, роблять висновок: зміна внутрішньої енергії системи дорівнює сумі кількості теплоти, переданого системі, і роботі зовнішніх сил над системою:
, де - зміна внутрішньої енергії, рівне різниці значень внутрішньої енергії в кінцевому і в початковому станах. Цю формулу можна записати інакше:
, ().
Кількість теплоти, повідомлене системі, йде на збільшення її внутрішньої енергії і на здійснення системою роботи над зовнішніми тілами.
Аналізуючи формулу першого закону термодинаміки, доцільно ще раз підкреслити, що внутрішня енергія характеризує стан системи незалежно від способу зміни цього стану, так як внутрішня енергія системи однозначно визначається параметрами: об'ємом і температурою. Робота і кількість теплоти характеризують процес зміни стану. При однаковій зміні стану ці величини різні (залежно від способу переходу системи з одного стану в інший), хоча сума їх буде одна й та ж.
Після вивчення першого закону термодинаміки доцільно розібрати зі школярам ряд вправ на застосування його до конкретних процесів. Наприклад, описати енергетично:
) Теплообмін між тілами в калориметр; 2) нагрівання води на спиртівці; 3) нагрівання при ударі.
У першому випадку система замкнута і теплоізольована (,,). Внутрішня енергія системи не змінюється. У другому випадку система замкнута (,): зміна внутрішньої енергії дорівнює кількості теплоти. ...