Термодинамика негіздері
Термодинамиканың бірінші заңы
жүктеу/скачать 0.61 Mb.
|
| Термодинамиканың бірінші заңы
Термодинамиканың бірінші заңын зерттеу жоғары сынып оқушыларының негізгі жаратылыстану принципі - энергияны сақтау принципі туралы түсініктерін қалыптастыруды жалғастыруда. Термодинамиканың бірінші Заңының ашылуы ең үлкен үшеудің қатарына жатады 19 ғасырдағы оқиғалар, жасушаның ашылуымен және Дарвин теориясының құрылуымен бірге. Мектептегі физика курсында термодинамиканың бірінші заңы жұмыс арқылы алынған жылу мөлшері мен аяқталған жұмыс арасындағы байланысты орнатқан көптеген тәжірибелі деректерді жалпылау ретінде зерттеледі. Термодинамиканың бірінші заңын зерттеуге кіріспес бұрын, механикалық процестерде энергияның сақталу заңын қайталаған жөн, ал механикалық энергия жабық консервативті жүйелерде сақталады деген мәселені талқылауға ерекше назар аударылады. Егер жүйе консервативті болмаса, онда оның механикалық энергиясы сақталмайды, ол ішінара немесе толығымен ішкі энергияға айналады, бірақ жүйенің толық энергиясы сақталады. Әрі қарай, олар жүйенің ішкі энергиясын қандай жолдармен өзгертуге болатындығын қарастырады. Бұл материал физиканың негізгі курсында оқыды, сондықтан мұнда ол қайталанады және жалпыланады. Нәтижесінде оқушылар қорытынды жасайды: ішкі энергияны жылу беру процесінде немесе жұмыс жасау кезінде немесе жұмыс жасау кезінде және жылу беру кезінде бір уақытта өзгертуге болады. Олар белгілі бір процесте ішкі энергияны өлшеу шаралары туралы мәселені талқылайды. Оқушылар қорытынды жасайды: жұмыс барысында ішкі энергияның өзгеру өлшемі-жұмыс, ал жылу беру процесінде ішкі энергияның өзгеру өлшемі-жылу мөлшері. Мұнда осы шамалардың белгілері туралы мәселені қайталаған жөн. Егер жылу мөлшері жүйеге берілсе, жылу мөлшерін оң ( ), ал жылу мөлшері жүйеге берілсе, теріс ( ) деп санауға келісті. Жүйеде сыртқы күштер жасаған жұмыс оң деп саналады ( ) егер газ қысылса: газ кеңейсе, сыртқы күштердің жұмысы теріс болады ( ). Бірқатар мысалдарды қарастыра отырып, олар қорытынды жасайды: жүйенің ішкі энергиясының өзгеруі жүйеге берілген жылу мөлшерінің қосындысына және жүйедегі сыртқы күштердің жұмысына тең: , мында - соңғы және бастапқы күйлердегі ішкі энергия мәндерінің айырмашылығына тең ішкі энергияның өзгеруі. Бұл формуланы басқаша жазуға болады: , ( ). Жүйеге берілген жылу мөлшері оның ішкі энергиясын арттыруға және жүйенің сыртқы денелерде жұмыс жасауына жұмсалады. Термодинамиканың бірінші Заңының формуласын талдай отырып, ішкі энергия осы күйді өзгерту әдісіне қарамастан жүйенің күйін сипаттайтынын тағы бір рет атап өткен жөн, өйткені жүйенің ішкі энергиясы параметрлермен ерекше анықталады: көлемі және температура . Жұмыс және жылу мөлшері күйдің өзгеру процесін сипаттайды. Күй бірдей өзгерген кезде, бұл шамалар әр түрлі болады (жүйенің бір күйден екінші күйге өту әдісіне байланысты), бірақ олардың қосындысы бірдей болады. Термодинамиканың бірінші заңын зерттегеннен кейін оқушылармен оны нақты процестерге қолдануға арналған бірқатар жаттығуларды талдаған жөн. Мысалы, энергетикалық сипаттау: 1) Калориметрдегі денелер арасындағы жылу алмасу; 2) спирттегі суды қыздыру; 3) соққы кезінде қыздыру. Бірінші жағдайда жүйе жабық және жылу оқшауланған ( , , ). Жүйенің ішкі энергиясы өзгермейді. Екінші жағдайда жүйе жабық ( , ): ішкі энергияның өзгеруі жылу мөлшеріне тең. Үшінші жағдайда жылу оқшауланған жүйе ( , ); ішкі энергияның өзгеруі мінсіз жұмысқа тең. Әрі қарай, идеалды газдардағы изопроцестерге термодинамиканың бірінші заңын қолдану мысалдарын қарастырған жөн. Изобарлы қыздыру кезінде (1-сурет) жүйеге берілген жылу мөлшері оның ішкі энергиясын арттыруға және жүйемен тұрақты қысымда кеңейту жұмысын жасауға жұмсалады. Кеңейту жұмысы оң ( ) және тең . Қайдан 1-сурет жұмыс сандық түрде көлеңкеленген тіктөртбұрыштың ауданына тең екенін көруге болады, бұл процесте ішкі энергияның ұлғаюы: . Изобарлы салқындату кезінде жүйенің ішкі энергиясы азаяды. Жүйе беретін жылу мөлшері жүйенің ішкі энергиясының өзгеруіне және газды сығымдау жұмысына тең. Бұл жағдайда жылу мөлшері де, жүйенің жұмысы да теріс болады. Жүйенің ішкі энергиясы азаяды. Изохоралық процесте (сурет.2) жұмыс нөлге тең, өйткені газ көлемі өзгермейді ( ), сондықтан ішкі энергияның өзгеруі жылу мөлшеріне тең. Қыздыру кезінде жылу мөлшері ал ішкі энергияның өзгеруі оң, яғни ішкі энергия артады, салқындаған кезде ішкі энергия азаяды. Изотермиялық процесте температура тұрақты болады, сондықтан , яғни ішкі энергия өзгермейді. Егер жүйе белгілі бір мөлшерде жылу алса, онда ол кеңею кезінде газ жасайтын жұмысқа кетеді. Жұмыс сандық түрде көлеңкеленген фигураның ауданына тең (сурет.3). Адиабаталық процесте (сурет.4) қоршаған ортамен жылу алмасу болмайды, сондықтан жылу мөлшері . Демек, ішкі энергия тек жұмыс жасау арқылы өзгереді. Сонымен қатар, кеңейту кезінде жүйе оң жұмыс жасайды; жүйенің ішкі энергиясы азаяды. Сығылған кезде сыртқы күштер жұмыс жасайды, ал газ теріс; ішкі энергия артады, газ қызады. Суретте көрсетілген адиабатикалық және изотермиялық процестердің графиктерінен.4, адиабаталық кеңею кезінде изотермиялық кеңеюге қарағанда аз, ал адиабаталық қысу кезінде изотермиялық кеңеюге қарағанда үлкен жұмыс жасалатынын көруге болады. Термодинамиканың бірінші Заңының формуласына кіретін шамалардың белгілерін анықтауды қажет ететін графикалық есептерді студенттермен шешу пайдалы, мысалы: суретте.5 қысымның температураға тәуелділігі графигін көрсетеді. Газ күйінің бұл өзгеруімен оның ішкі энергиясы қалай өзгереді, жұмыс жасалады, жүйе жылу алады немесе береді ме? Газ 1 күйден 2 күйге ауысқанда қысым төмендейді, температура мен газдың ішкі энергиясы артады. Газ көлемі де артып келеді ( ), демек, газ оң кеңейту жұмысын орындайды. Жылу мөлшері де оң ( ), демек, газ біраз жылу алады. Термодинамиканың бірінші заңын игеру есептеу есептерін шешуге де ықпал етеді. Термодинамиканың алғашқы басталуын изопроцестерге қолдануды қарастыру орта мектеп оқушыларының жылу қозғалтқыштарының жұмыс принциптерін түсінуіне негіз жасайды. жүктеу/скачать 0.61 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|