ПӘннің ОҚУ-Әдістемелік кешені «Физиканы оқыту әдістемесі» «5В011000 – Физика» мамандығы үшін ОҚУ-Әдістемелік материалдары

Ішкі энергия.

Жылулық қозғалыс.

Оқушылардың есіне 7-кластан белгілі заттарды бөлшектер құрайтындығын түсіндіріп, ол бөлшектер тынбайтын бейберекет қозғалыста болатындығын түсіндіру керек. Қозғалыстың мұндай түрін жылулық қозғалыс деп атайтындығына тоқталады. Жылулық қозғалыстың механикалық қозғалыс емес екендігіне, бұл қозғалыстың жаңа түрі болып табылатындығына оқушылардың назарын баса аудару керек, өйткені оны механикалық қозғалысты сипаттайтын ұғымдар көмегімен анықтауға болмайды.

Сондай-ақ оқушылардың есіне бөлшектердің қозғалыс жылдамдығы дененің температурасымен байланысты екендігін салады: бөлшектер неғұрлым шапшаң қозғалса, дене соғұрлым көбірек қызады. Жылулық қозғалыс жөніндегі ұғымға сүйеніп температура ұғымын анықтай түсуге көшеді.

Ішкі энергия ұғымы қазіргі термодинамиканың негізгі ұғымдарының бірі болып табылады. Оның қалыптасуы мен дамуы термодинамиканың бірініші бастамасының айтылуымен байланысты болды. “Ішкі энергия” термині бірден ғылымда қалыптаса қойған жоқ. 19-ғасырдың екінші жартысында оны “белгілі күйдегі дененің механикалық энергиясы”, “әсер функциясы”, “дене энергиясы”, “дененің ішкі жылуы” деп әртүрлі атады. Кеңірек қолданылғаны соңғы термин болды.

Қазіргі кезде дененің ішкі энергиясы деп төмендегі энергиялар жиынтығын атайды:

1) молекулалардың ілгерілемелі және айналмалы қозғалысының кинетикалық энергиясы;

2) молекулалардың өзара әсерлесуінен пайда болатын потенциалдық энергия;

3) атомдардың тербелмелі қозғалысының энергиясы;

4) атомдағы электрондық қабықшалар энергиясы;

5) ядро ішіндегі энергия;

6) дене бөлшектерінің арасындағы жылулық тепе-теңдікті қамтамасыз етіп тұратын электромагниттік сәулелер энергиясы.

Жылу құбылыстарында ішкі энергияның өзгерістері тек молекулалардың кинетикалық және потенциалық энергияларының ғана өзгерісімен байланысты болып қалады. Ішкі энергияны құрайтын басқа бөлшектер өзгеріске түспейді. Сондықтан, орта мектептегі физика курсында жылу құбылыстарын өткенде, ішкі энергияның өзгерісін молекулалардың кинетикалық және потенциалдық энергияларының өзгерісімен ғана байланыстыру өте орынды.

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 барыа ішкі энергия ұғымын түсіндіруге кіріседі. Ол үшін қулықта берілген қорғасын шадың қорғасын тақтаға құлап түсу тәжірибесін талдаймыз. Олар деформацияланады және қызады, лай болса денені құрайтын бөлшектердің кинетикалық және потенциалық 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.

Тақырыпты түсіндіріп болған соң 8-класс оқушыларымен мынадай қорытындыға келеміз: денелерде механикалық энергиядан басқа энергияның тағы бір түрі бар, ол – ішкі энергия. Бұдан кейін оқушыларға дененің ішкі энергиясының механикалық энергиядан айырмашылығын түсіндіру керек. Механикалық энергия дененің қозғалыс жылдамдығы мен массасына және сол дененің басқа денелерге қатысты орналасуына тәуелді. Ішкі энергия болса бүкіл дененің қозғалыс жылдамдығына тәуелді болмайды. Ол денені құрайтын бөлшектердің қозғалыс жылдамдығы мен олардың өзара орналасуымен анықталады.

Келесі мәселе – оқушыларды дененің ішкі энергиясын өзгерту тәсілдерімен таныстыру. Алдымен денеге жұмыс жасағанда оның ішкі энергиясының артатындығын дәлелдейтін тәжірибелерді көрсетеміз:

1. 
   Екі тақтайшаны бір-біріне үйкеу.
   
2. 
   Монетаны үстел үстіндегі қағазға үйкеу.
   
3. 
   Мыстың кішкене кесегін темір төстің үстіне қойып балғамен ұру.
   

Енді денелердің ішкі энергиясын өзгертудің екінші тәсілі жөніндегі мәселені қарастыруға болады, - ол – жылу алмасу деп аталады. Жылу алмасу үрдісін түсіндіргеннен кейін жалпы мынадай қорытынды жасалады: дененің ішкі энергиясын екі тәсілмен – механикалық жұмыс жасау арқылы және жылу берілу арқылы - өзгертуге болады.

Кейінгі сабақтарда жылу берілудің түрлері қарастырылады: жылуөткізгіштік, конвекция және сәуле шығару (5-сурет). Ішкі энергия, жұмыс, жылу алмасу ұғымдарын оқушыларға меңгертуде және осы ұғымдар арасындағы логикалық байланыстарды көрсетуде 1-суреттегі сызбаны пайдалануға болады.

Дененің ішкі энергиясын жұмыс жасау, жылу беру және алу арқылы өзгертуге болса, оны қалай өлшеуге болады деген сұрақ туады. Бірінші жағдайда, ішкі энергияның өзгерісі жасалған жұмыстың шамасымен есептеледі, ал екіншісінде, дененің сыртқы ортамен алмасқан жылуын есептеу керек. Бұл үшін арнайы жылу мөлшері ұғымы енгізілген. Ол қандай физикалық шамаларға байланысты? Мысалы, жүйеге жылу берілгенде оның температурасы артады, ал алынғанда төмендейтіндігі оқушщыларға күнделікті өмір тәжірибесінен белгілі. Соған сүйеніп, ішкі энергияның өзгерісі оның температурасының өзгерісіне тура пропорционал екендігін, ал соңғысы дененің массасы мен оның тегіне тәуелді болатынына олардың көзін жеткізу қиындық тудырмайды. Бұл тәуелділіктерді сипаттайтын мысалдарды оқушылардың өздерінен сұраған дұрыс.

Сонымен жалпы қорытынды жасалады: денені қыздыруға қажетті немесе ол суығанда бөлінетін жылу мөлшері сол денені құрайтын заттың тегіне, оның массасы мен температурасының өзгеру мәніне тәуелді. Жылу мөлшерінің заттың тегіне байланыстылығы, оның масса мен температура өзгерісіне тәуелділігінің пропорционалдығынан туындайды:

,

мұндағы пропорционалдық коэффициент дененің меншікті жылу сыйымдылығы деп аталады және оның мәні заттың тегіне байланысты өзгеріп отырады.

Ішкі энергия, жұмыс және жылу мөлшері ұғымдарын қалыптастыру заттардың агрегаттық күйлерінің өзгеру процестерін қарастырғанда әрі қарай дамытылады. Мысалы, қатты заттардың балқуы мен сұйықтардың булануы, оларға берілген жылу мөлшерінің біраз бөлігі, сол заттарды құрайтын бөлшектердің өзара әсерлесу күшін жеңуге, ал қатаю мен конденсациялануда бөлінетін жылу мөлшері, осы бөлшектердің арасындағы байланысты қайта орнатуға жұмсалатынын оқушылар саналы меңгеруі тиіс. Бұл оларға, және формулаларының физикалық мағынасын жақсы түсінуге және солардың көмегімен есептерді дұрыс шығаруға септігін тигізеді.