ТЕРМОДИНАМИКА НЕГІЗДЕРІН ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ

 

Мақсаты: Термодинамика негіздерін оқыту әдістемесі: термодинамика негіздерінің құрылымы, «ішкі энергия» және «жылу мөлшері» ұғымдарына ғылыми-әдістемелік талдау жасау, термодинамиканың бірінші заңын оқыту әдістемесін беру.

 

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.

Студенттердің өзіндік жұмысына тапсырма: «Термодинамикадағы жұмыс», «Температура ұғымын қалыптастыру» тақырыптары бойынша семинар сабағына дайындалып келу.

 

Әдебиеттер:

1. Теория и методика обучения физике в школе / Под ред. С.Е.Каменецкого. М.: Академия, 2000. Ч. 2. С. 120-139.

2. МПФ в 8-10 классах ср.школы. Ч. 2 / Под ред. В.П, Орехова, А.В. Усовой. М.: Просвещение БУФ, 1980. Гл.4. С.40-46.

3. Бергер Н.М. Изучение тепловых явлений в курсе физики средней школы. М.: Просвещение, 1981. Гл. 2. С. 15-25.

4. Яворский ВЖ Основные вопросы современного школьного курса физики. М.: Просвсщение, 1980. Гл. 4. С. 109-148.

5. Свитков Л.П. Термодинамика и молекулярная физика. Факультативный курс, М.: Просвещение, 1986. Гл. 1-3. С.8-80.

 

  1. Термодинамика негіздерінің құрылымы

 

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 7-кестеде келтірілген.

7 -кесте

Қ ҰР Ы Л Ы М Ы

Дененің термодинамикалық күйі

Негізгі ұғымдар

– Термодинамика – дененің молекулалық құрылысын ескермегендегі  жылу құбылысын қарастыратын бөлім.

– Дененің күйін сипаттайтын макропараметрлер Р, V, Т.

– Термодинамикадағы жұмыс  – А, жылу молшері-Q,  дененің бірінші күйімен екінші күйге өтуін сипаттайтын процесс.

– Жылу қозғалтқыштарында отынның жылулық энергиясын механикалық энергияға айналдырады. Жылу қозғалтқыштарының пайдалы әсер коэффициенті.

Негізгі заңдар

Термодинамиканың бірінші және екінші заңдары.

Қорытынды

Изопроцестер: изотермдік, изохорлық, изобарлық, адиабаттық.Тұйық жүйедегі жылу алмасу.

Практикада қолданылуы

Бу қазандары, жылу козғалтқыштары.

 

  1. «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.

Термодинамикадағы ішкі энергия ұғымының анықтамасы, оның мағынасын толық ашпайды. Ұғымның толық анықтамасын беру үшін, оның молекула-кинетикалық теориядағы анықтамасын қарастыру қажет. Себебі, қазіргі физика ішкі энергия ұғымына молекуланың немесе атомның бей-берекет қозғалысының энергиясы мен олардың өзара әсерлесу энергиясы және молекуланы құрайтын бөлшектердің қозғалыс энергиясы мен өзара әсерлесу энергиясының (бөлшекгердің тербелмелі қозғалысының энергиясы, ядроның ішкі энергиясы және т.б.) қосындысы деген анықтама береді. Әйтседе термодинамикада өте жоғары емес температурада өтетін жылулық процестерді қарастыратындықтан, ішкі энергияның өзгерісі молекулалардың бейберекет қозғалысымен өзара әсерлесу энергиясының өзгерісіне байланысты ғана өзгереді. Сондықтан да термодинамикада ішкі энергия бөлшектердің бей-берекет жылулық қозғалыс (кинетикалық) энергиясы мен өзара әсерлесу (потенциалдық) энергиясының қосындысына тең.

UР + ЕК;

Бізді ішкі энергияның өзгерісі ғана қызықтыратынын ескерсек, ішкі энергияның бастапқы мәнін өзімізше тандап алуға болады. Ішкі

энергияны өзгерту сыртқы құбылыстарға байланысты: 1) жұмыс істеу; 2) жылу беру арқылы өзгертуге болады.

Сонымен, ішкі энергия U – дененің күйін сипаттайтын f=U(P,V,T) болса, А жүмыс жәке Q жылу мөлшері процестің өтуін сипатгтайтын функция 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.

  1. Идеал газдың ішкі энергиясы үғымын қалыптастыру әдістемесі

 

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.

ЕСЕП: Бізге цииндрдегі поршеннің астында тұрған массасы m бір атомды идеал газ берілген, оның температурасы, қандай газ екені белгілі. Осы бір атомды идеал газдың ішкі энергиясын табыңыздар.

 

ЕСЕП:

Берілгені:

Бір атомды идеал газ

Т/к U-?

Шешуі:

Ішкі энегргияның анықтамасы бойынша . Идел газ үшін .  Олай болса , мұндағы N –барлық молекулалар саны. тең. Ал бір атомның орташа кинетикалық энергиясы –ға тең. Олай болса бір атомды идеал газдың ішкі энергиясы: . Ал екі тұрақтының (Больцман және Авагадро) көбейтіндісі универсал газ тұрақтысына тең.() Осы мәнді орнына қойсақ:

  1. Термодинамиканың бірінші заңын оқып-үйренудің әдістемесі

 

Жоғарғы 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 жолдары негізгі мектептің 8-сыныбында өтілгендіктен, бұл жерде оны қайталайды және жалпылайды. Оқушыларды ішкі энергия, не жылу алмасу процесінде, не жүмыс істеу арқылы немесе жылу алмасу және жұмыс істелу процестері бір мезгілде жүргенде өзгереді деген қорытындыға алып келу керек.

Әр процестегі ішкі энергияның өзгеру өлшемі не 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 басқаша да жазуға болады:

,           

Жүйеге берілген жьшу мөлшері оның ішкі энергиясын өзгертуге және жүйенің сыртқы денелермен жұмыс істеуіне жұмсалады.

Термодинамиканың бірінші заңы және оны изопроцестерге қолдану.

Термодинамиканың бірінші заңын изопроцестерге қолданбай тұрып, нақты мысалдарды қарастырамыз. Мысалы, калориметрдегі сулардың араласуы, суды спиртовка арқылы қыздыру немесе қатты денені соғу арқылы қыздыру жағдайларын тәжірибелер жасап, ішкі энергияның өзгерісі неге тең екенін талдау қажет. Одан ары идеал газдарға изопроцестерді қолдану мысалдарын қарастырамыз.

1) Изотермдік процесс.

Изотермдік процесте температура түрақты (T=const), сондықтан = 0, яғни ішкі энергия өзгермейді. Егерде жүйеге жылу мөлшері берілсе, онда газ ұлғайып жұмыс істейді. Істелген жұмыстаң шамасы 24-суреттегі изотермнід астындағы штрихталған ауданға тең Q=A’.

Егер газ жылу алса (Q>0), онда ол оң жүмыс атқарады, яғни А’ >0, ал керісінше газ қоршаған ортаға жылу берсе, онда Q<0 және

А’ <0.

2) Изобарлық процесс. Идеал газды изобарлық қыздырған кезде, жүйеге берілген жылу мөлшері оиың энергиясын өзгертуге және тұрақты қысымда газды ұлғайтып жұмыс істеуге жұмсалады. Ұлғайған кездегі жүмыс оң

(А’ >0) және А’ = рV формуласымен есептеледі. 25-суреттен жұмыстың мәні штрихталған төртбұрыштың ауданына тең екені

көрініп түр.

Бұл процесте ішкі энергияның өзгерісі:

                             

 

        24-сурет                                                           25-сурет

 

Изобарлық суыту кезінде жүйенің ішкі энергиясы кемиді. Жүйенің берген жылу мөлшері жүйенің ішкі энергиясын өзгертуге

және сыртқы күштердің газды сығуына жұмсалады. Бұл жағдайда жылу мөлшері және жұмыс теріс, ал жүйенің ішкі энергиясы кемиді.

3) Изохорлык, процесс. Изохорлық процесте (26-сурет) көлем өзгермейді, сондықтан да газдың жұмысы нөлге тең, ал ішкі энергияның өзгерісі жылу мөлшеріне тең болады. = А.

Егер газ қызса, жылу мөлшері Q және ішкі энергияның өзгерісі оң таңбалы, яғни ішкі энергия артады, ал газды суытқанда жылу мөлшері Q <0 және < 0 теріс таңбалы ішкі энергия кемиді.

4) Адиабаттық процесс. Адиабаттық процесте (27-сурет) ортамен жылу алмасу болмайды, сондықтан да Q=0. Ал ішкі энергия тек жұмыс істеу арқылы өзгереді. Мүнда газ үлғайғанда оң жүмыс (А>0) істелді, ал оның ішкі энергиясы азаяды, демек газ суынады.

Газ сығылған кезде күштер оң, ал газ теріс жұмыс істейді. Жүйенің ішкі энергиясы артады, газ қызады. 27-суретте адиабаттың және изотермнің графиктерінен, адиабаттық ұлғаю кезінде изогсрмдік ұлғшомен салысшрғавда аз, ал адиабаттық сығылу кезінде көп екені көрініп түр.

Бекітуге графиктік есептерді шығару арқылы оқушыларды формуладағы шамалардың таңбасын анықтауға, газ қыза ма, жүйе жылу мөлшерін ала ма, ішкі энергия арта ма, кеми ме, жүмыс істеле ме?- деген сүрақтарды талдау қажет.

Термодинамиканың бірінші заңын меңгеруге, есептеу есептерін шығару көмектеседі.

Қорытындысында термодинамиканың бірінші заңын изопроцестерге қолдану оқушылардың жылу қозғалтқыштарының жұмыс істеу принципін түсінулеріне негіз болады. Әрі мектеп оқушыларын жылу энергетикасының физикалық негізімен таныстырады.

%d такие блоггеры, как: