Изохорлық процесс. (Грек сөзінен алынған хорема іштілігі, сыйымдылығы). Көлем тұрақты болғанда термодинамикалық жүйе күйінің өзгеру процесі изохоралық деп аталады. Күй теңдеуіненV=const болғанда:
Егер газ көлемі газдың берілген массасы үшін қысымның температураға қатысы тұрақты болады. Бұл газ заңын 1787 француз Ж.Шарль ашқан. Бұл тәуелділік график түрінде изохор деп аталады (сурет).
Осы дәріске ағымдық, аралық, қорытынды бақылау бойынша тест тапсырмалары және сұрақтар
1. Молекулалық физика бөлімінің ұғымдық аппаратын көрсетіңіз.
2. МКТ негіздерін оқыту әдістемесіне тоқталыңыз.
3. Газ заңдарын оқыту әдістемесіне тоқталыңыз.
1
|
№ 12
дәріс
|
Тақырыбы: Термодинамика мәселелерін оқыту әдістемесі
Қарастырылатын сұрақтар (дәріс жоспары):
1. Термодинамика негіздерінің құрылымы.
2. «Ішкі энергия», «жылу мөлшері» ұғымына ғылыми-әдістемелік талдау жасау.
3. Идеал газдың ішкі энергиясы ұғымын қалыптастыру әдістемесі.
4. Термодинамиканың бірінші заңын оқыту әдістемесі.
Дәрістің қысқаша мазмұны:
1.Термодинамика негіздерін оқып-үйрену негізгі мектепте оқылған «ішкі энергия» және оны өзгерту тәсілдері, «жылу мөлшері», жұмыс ұғымдарын қайталап, оларды одан ары тереңдетіп нақтылай түседі. Термодинамикада жүмыс ішкі энергияның өзгеру өлшемі ретінде қарастырылады. Ішкі энергияның жүйе күйінің өзгеру параметрлеріне тәуелділігін талқылайды. Термодинамиканың бірінші заңын оқып үйренеді және термодинамиканың екінші заңына (ішкі энергияны толық жұмысқа айналдыруға болмайды) түсінік беріледі. Жылу қозғалтқыштарының жұмыс істеу принциптерін талдап, термодинамика заңдарының практикада қолданылуымен таныстырады.
Жалпы білім беретін мектептегі термодинамика негіздерінің құрылымы 4-кестеде келтірілген.
«Ішкі энергия», «жылу мөлшері» ұғымдарына ғылыми-әдістемелік талдау жасау. Энергияның әр түрлі формаларына байланысты механикада механикалық энергия, электрмагниттік яғни, электр өрісінің және магнит өрісінің энергиясы, ішкі энергия деп бөледі.
Ішкі энергия жылулық қозғалысқа байланысты энергия. Ішкі энергия XIX ғасырда молекула-кинетикалық теорияға байланысты энергияның сақталу заңының ашылу заңына тәуелді дамып қалыптасты.
XIX ғасырдың 2-ші жартысында ішкі энергияны анықтауда “дененің берілген күйінің механикалық энергиясы”, “әсерлесу функциясы”, “дененің энергиясы” т.б.с.с. терминдерді пайдаланды.
Ал, жылу ұғымына қатысты көп уақыт бойы 3 ұғым қабаттаса жүрді:
1) дененің алған немесе берілген жылу мөлшері; 2) ішкі энергия; 3) жылулық қозғалыс.
Бұл үш ұғымның қабаттаса жүруі әдістемелік жағынан дұрыс емес, себебі бұл жағдайда термодинамиканың бірінші заңының мағынасы болмайды. “Ішкі энергия” ұғымы енгізілгеннен кейін энергияның сақталу заңын жылу процестеріне қолдануға жол ашылды. Ішкі энергия ұғымы тек дененің ішкі күйіне байланысты (Р, V, Т), ал дененің.өзінің қозғалысына тәуелді емес шама. Дененің немесе жүйенің әрбір күйіне ішкі энергиясының белгілі бір мәні сәйкес келеді. Оған мынадай талдау арқылы көз жеткізуге болады. Дененің бір күйіне ішкі энергияның U1 және U2 екі мәні сәйкес келеді десек, онда жүйеден оның айырмасын (U1– U2 ) алып, дененің күйі өзгеріссіз қалар еді. Мұндай жүйе ешқандай өзгеріссіз-ақ энергия көзі болар еді, бұл термодинамиканың 1-ші заңына сәйкес келмейді (энергияның сақталу заңы бойынша). Олай болса, жүйенің ішкі энергиясының өзгерісі бір күйден екінші күйге қалай ауысқанға байланыссыз, яғни жүйенің ішкі энергиясы процестің функциясы емес, күйдің функциясы болып табылады.
Оқушыларға жұмыс істеу мен жылу мөлшерін беру немесе алу арқылы ішкі энергияны өзгерту бірдей еместігін түсіндіру қажет. Жұмыс сырттан механикалық әсер ету арқылы немесе ішкі энергияның өзінің есебінен істеледі, онда денені құрайтын бөлшектер белгілі бағытта қозғалады. Жылу алмасу кезінде дененің ішкі энергиясы бей-берекет жылулық қозғалыс арқылы өзгереді. Алғаш рет ішкі энергия ұғымымен оқушылар негізгі мектептің 8-сыныбында танысады, бағдарлы мектепте 10-11 сыныпта және молекула-кинетикалық теорияда, термодинамикада оны толықтырады.
Жылу мөлшері ұғымы және оны есептеу негізгі мектепте толық қарастырылады, сондықтан да жоғары сыныптарда бұл материалдар қайталанады.
Идеал газдың ішкі энергиясы үғымын қалыптастыру әдістемесі. Ішкі энергия ұғымы қазіргі термодинамиканың негізгі ұғымдарының бірі болып табылады. Оның қалыптасуы мен дамуы термодинамиканың бірінші бастамасының айтылуымен байланысты болды. “Ішкі энергия” термині бірден ғылымда қалыптаса қойған жоқ. ХІХ ғасырдың екінші жартысында оны “белгілі күйдегі дененің механикалық энергиясы”, “әсер функциясы”, “дене энергиясы”,“дененің ішкі жылуы” деп әртүрлі атады. Кеңірек қолданылғаны соңғы термин болды.
Ішкі энергия ұғымының осындай күрделі екендігіне қарамай, орта мектепте оны молекулалардың қозғалыс және өзара әсерлесу энергияларының жиынтығы ретінде беруіміз мәселені белгілі дәрежеде бұрмалау емес пе?- деген сұрақ тууы мүмкін. Шындығында олай емес.
Энергияның басқа түрлері тәріздес ішкі энергия да айырма шама. әңгіме денедегі ішкі энергияның толық қоры жөнінде емес, дене бір күйден басқа күйге өткендегі ішкі энергияның өзгерісі жөнінде ғана болуы мүмкін. Жылу құбылыстарында ішкі энергияның өзгерістері тек молекулалардың кинетикалық және потенциалдық энергияларының ғана өзгерісімен байланысты болып қалады. Ішкі энергияны құрайтын басқа бір бөліктер өзгеріске түспейді. Сондықтан орта мектептегі физика курсында жылу құбылыстарын өткенде, ішкі энергияның өзгерісін молекулалардың кинетикалық және потенциалдық энергияларының өзгерісімен ғана байланыстыру қате де болмайды және бұрмалау да емес.
Ішкі энергия ұғымын енгізу үшін алдымен механикалық энергия мен заттардың ішкі құрылымы жөніндегі мәселелерді оқушылардың есіне қайта түсірген дұрыс. Бұлай ету оқушылардың ішкі энергия мен механикалық энергияны шатастырып алмауына көмегін тигізеді. Сонан соң барып ішкі энергия ұғымын түсіндіруге кіріседі. Ол үшін қорғасын шардың қорғасын тақтаға құлап түсу тәжірибесін талдаймыз. Ол деформацияланады және қызады, олай болса денені құрайтын бөлшектердің кинетикалық және потенциалдық энергиялары артады. Бөлшектердің орташа кинетикалық энергиясы көбейсе, онда дененің температурасы жоғарылайды. Осы жерде тағы да температура молекулалардың хаосты қозғалысының орташа кинетикалық энергиясының өлшемі екендігін ескертіп кеткен жөн. Сонан соң ішкі энергияның анықтамасы беріледі.
Молекулалы – кинетикалық теорияның негізгі қағидалары бойынша барлық денелер микробөлшектерден (атомдар мен молекулалардан) тұрады.
Дененің ішінде микробөлшектер үздіксіз хаосты қозғалыста болады, демек, кинетикалық энергиясы бар. Сонымен қатар дененің ішінде микробөлшектер өзара әрекеттеседі, ендеше, потенциалдық энергиясы бар.
Демек, ішкі энергия дегеніміз – молекулалардың қозғалыстарының кинетикалық энергиясы, олардың өзара әрекеттесуі кезіндегі потенциалдық энергиясы мен молекулалардағы атомдардың тербелмелі қозғалысының энергиясы және өзара әрекеттесу энергиясы.
Идеал газдың ішкі энергиясы ұғымын қалыптастару үшін есептер шығару әдісін қолдануға болады. Ол үшін оқушылармен идеал газдың анықтамасын, газ молекулаларының бейберекет қозғалысының орташа кииетикалық энергиясын, берілген газдағы молекулалар немесе атомдар санын, универсал газ тұрақтысын қайталаймыз.
Термодинамиканың бірінші заңын оқып-үйренудің әдістемесі. 10 сынып оқушыларында табиғаттың іргелі зандарының бірі энергияның сақталу заңын қалыптастыруды термодинамиканың бірінші заңын оқып үйренуде одан ары жалғастарады.
Термодинамиканың бірінші заңын оқып үйренбестен бұрын, оқушыларды қызықтыру үшін тұйық жүйедегі механикалық процестердегі энергияның сақталу заңын қайталаған жөн. Одан ары жүйенің ішкі энергиясын өзгерту жолдарын егізгі мектептің 8-сыныбында өтілгендіктен, бұл жерде оны қайталайды және жалпылайды. Оқушыларды ішкі энергия, не жылу алмасу процесінде, не жұмыс істеу арқылы немесе жылу алмасу және жұмыс істелу процестері бірмезгілде жүргенде өзгереді деген қорытындыға алып келу керек.
Әр процестегі ішкі энергияның өзгеру өлшем болатынын таңдау қажет. Оқушылар ішкі энергия жұмыс істеу арқылы өзгергенде өлшемі –істелген жұмыс, ал жылу алмасу арқылы өзгергенде өлшемі –жылу мөлшері деген қорытынды жасайды. Осы шамалардың таңбасы туралы қайталанады, жүйеге жылу мөлшері берілсе (Q>0) оң таңбалы, ал жүйеден жылу алынса (Q<0) теріс таңбалы болады.
Жүйедегі жұмыс сыртқы күштердің әсерінен істелсе, (А>0) оң
таңбалы, яғни газ сығылса, егерде газ ұлғайса, онда сыртқы күштің
жұмысы (А<0) теріс болады.
Әртүрлі мысалдарды қарастыра отырып, термодинамиканың бірінші заңын қорытындылайды. Жүйенің ішкі энергиясының өзгерісі, жүйеге берілген жылу мөлшерінің және сыртқы күштердің жүйемен істеген жұмысының қосындысына тең болады.
мұндағы ішкі энергияның өзгерісі. Бұл формуланы басқашада жазуға болады:
,
Жүйеге берілген жьшу мөлшері оның ішкі энергиясын өзгертуге және жүйенің сыртқы денелермен жұмыс істеуіне жұмсалады.
|
Достарыңызбен бөлісу: |
