Механикалық және жылу процестерінде энергияның айналу және сақталу заңдары

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 8 бет
Таңдаулыға:

Жоспары:

І. Кіріспе

ІІ. Негзгі бөлім

1. Жылу, жұмыс және ішкі энергия.

2. Ішкі энергия. Денелердің ішкі энергиясын өзгертудің екі тәсілі: жұмыс және жылу

беру.

3. Меншікті жылу сыйымдылық.

4. Механикалық және жылу процестерінде энергияның айналу және сақталу заңдары.

ІІІ. Қорытындыбөлім

Пайдаланылған әдебиеттер

Жылу, жұмыс және ішкі энергия.

Физиканың қазіргі кездегі курстарында, мысалы, Б. М. Яворский т. б. оқулығында «ішкі энергия» ұғымының мазмұнын былайша ашылып көрсетіледі: ”Қозғалыс сипатына және денені құрап тұрған бөлшектердің өзара әсеріне байланысты ішкі энергияны мынадай құрамды бөліктерге ажыратуға болады:

а) молекулалардың хаостық (ілгерілемелі және айнымалы) қозғалысының кинетикалық энергиясына;

б) молекула аралық өзара әсер күштері себепті болатын потенциалдық энергиясына;

в) атомдар мен молекулалардың тербелмелі қозғалысының кинетикалық және потенциялық энергиясына;

г) атомдар мен иондардың электрондық қабықшаларының энергиясына, сондай-ақ ядро ішіндегі энергияға“.

VІІ сыныпта оқушылар молекулалардың хаостық қозғалысының энергиясы (молекула -кинетикалық) және молекулалардың өзара әсер энергиясы (молекула-потенциялық ) дененің ішкі энергиясының бір бөлігі болып табылатындығын игеріп алса болғаны. Ғылыми тұрғыдан алғанда да бұлай болуы заңды, өйткені мектепте оқып үйретілетін жылу құбылыстары орташа температуралық диапозонда өтеді, мұнда денелердің ішкі энергиясының өзгеруі негізінен молекулалардың кинетикалық және потенциалық энергияларының өзгеруіне байланысты.

Таныстыру көлемінде, сондай-ақ VІІ сыныпқа арналған оқулықтағыдай ішкі энергияға сондай -ақ атомдық энергия да жатады, ол жөнінде оқушылар электрді оқып үйрену кезінде ұғым алады.

Ішкі энергия ұғымы мен оның өзгеру тәсілдерін қалыптастыруға кіріскенде, оқушылардың механикалық энергия мен дененің ішкі құрылысы жөнінде не білетіндерін естеріне түсіруді ұсыну керек.

Мұдан оқушылардың мынадай мәселелерді ұғынуларын анықтаудың маңызы бар: «Қандай жағдайда денелердің энергиясы бар делінеді?» «Механикалық энергияның қандай түрлері бар?», «Қандай денелердің кинетикалық энергиясы бар және ол неге байланысты?», «Денелердің потенциялық энергиясы неге байланысты?» Бұл сұрақтар оқушыларға ішкі энергияны оқып үйренуде оны механикалық энергиямен шатастырмауға көмектеседі.

Ішкі энергия ұғымвн түрліше әдістермен қалыптастыруға болады. Бірінші әдісте, серпімсіз денелер - қорғасын шар мен қорғасын пластинка соқтығысқанда, энергияның сақталу заңының «бұзылатыны» сияқты көрінетіндік идеясы негіз етіп алынады, екінші әдісте - жұмыс энергияның өзгеру, айналу процесінде жасалады және жұмысы энергияның осы өзгеруінің немесе айналуының өлшеуіші болып келеді, деген ой негіз етіп алынған. Басқаша айтқанда, егер дене жұмыс жасап тұрса немесе жұыс жасайтын болса, онда оның энергиясы болғаны.

Бірінші әдіс онша назар аударарлық емес, өйткені онда ақтығында өзара әсер етуші денелердің (қорғасын шар мен пластинканың ) ішкі энергиясы құлап түсіп келе жатқан қорғасын шардың потенциалық энергиясы кему есебінен артады. Бұл денелердің соқтығысқанға дейін

3. Механикалық энергияның сақталу заңын түсіндіруге кіріспес бұрын тағы да механикада тек механикалық процестер ғана қарастырылатындығына оқушылардың назарын аудару керек болады. Механикалық процестер кезінде дененің тек жылдамдығы мен басқа денелерге қарағандағы орны өзгереді де, оның температурасы, көлемі, агрегаттық күйі және басқа да ішкі қасиеттері өзгермейді деп есептелінеді. Егер ондай өзгерістер өте аз болса оны елемеуге болады. Механикалық энергияның айналу және сақталу заңын қорытып шығару үшін оқушылармен бірге дененің белгілі биіктіктен еркін түсуін талдаймыз. Жалпы түрде жүргізілген қарапайым есептеулердің нәтижесінде мынадай қорытындылар алуға болады:

1. ең жоғарғы нүктеде дененің толық механикалық энергиясы оның потенциалдық энергиясына тең;

2. ең төменгі нүктедегі дененің толық механикалық энергиясы оның кинетикалық энергиясына тең және оның мәні ең жоғарғы нүктедегі потенциалдық энергияға тең;

3. белгілі биіктіктен құлап келе жатқан дененің кез келген нүктедегі потенциалдық энергиясының кему сол нүктедегі оның кинетикалық энергиясының өсуіне тең, немесе:

Механикалық энергияның айналу және сақталу заңын түсіндіру мақсатында денелердің еркін түсу құбылысынан басқа тағы бір мысал қарастыруға болады, ол- дененің серпімділік күші әсерінен қозғалуы деп талдау нәтижесінде мынадай теңдік жазамыз:

Талданған мысалдарды қорытындылап, механикалық процестерде механикалық энергияның айналу және сақталу заңын мына түрде айтуға болады:

Тұйық жүйе құрайтын денелердің кинетикалық және потенциалдық энергияларының қосындысы барлық механикалық процестер кезінде тұрақты шама болып қалады.

Бұл заңның бұлжымай орындалатындығын бірқатар тәжірибелер көрсетіп дәлелдеуге болады, ондай тәжірибелердің тізімі жоғарыда берілген болатын.

Жылу құбылыстары үшін энергияның айналу және сақталу заңының орындалуы арнайы 10 - сыныпта қарастырылады. Дегенмен 9 - сыныпта энергияның айналу және сақталу заңы тек механикалық процестер үшін ғана емес, басқа жағдайларда да орындалатындығын ескертіп кеткен жөн. Ол үшін үйкеліс күші мен ортаның кедергісінің айрықша рөлі бар екендігін көрсету қажет. Егер қарастырылып отырған жүйеде үйкеліс күші мен ортаның кедергісі болса, онда жүйенің кинетикалық энергия мен потенциалдық энергияларының қосындысы тұрақты болмауы мүмкін. Мысалы, ашылған парашютпен түсіп келе жатқан парашютистің потенциалдық энергиясы азая береді де, бірақ оның кинетикалық энергиясы өзгермейді десе болады.

Дәл сол сияқты, горизонталь жолмен келе жатқан поездың локомотивінің двигателін сөндіріп тастағаннан кейінгі кемімелі қозғалыс кезінде оның потенциалдық энергиясы өзгермейді де, ал кинетикалық энергиясы кеми береді - толық механикалық энергиясы азаяды.

Үйкеліс күші мен ортаның кедергісінің ерекшелігі сол - ол күштердің жасайтын жұмысы дененің кинетикалық және потенциалдық энергияларының қосындысының кемуіне алып келеді екен.

Біз қарастырған жағдайларда үйкеліске түсетін денелер қызады. Үйкеліс күшінің жұмысы дененің жылулық күйінің өзгеруін тудырады. Бұл қортындымен шектеліп қалмай зерттелген мысалдар жағдайында механикалық энергияның жоғалмайтындығын, тек оның энергияның басқа түріне айналатындығына оқушылардың назарын аудару керек.

Олай болса, денелердің қызуы, булануы және басқа өзгерістері оның энергия қорын өзгертеді. Бірақ бұл механикалық энергия емес, энергияның басқа түрі. Оқушылар 8 - сыныптан бұл құбылыстың денені құрайтын молекулалардың қозғалысымен байланысты екендігін біледі.

Сөйтіп, үйкеліс күші бар болса, онда қозғалыстағы денелер жүйесінің толық механикалық энергиясы азайып, молекулалардың қозғалысы мен өзара әсеріне байланысты энергия өседі екен, басқаша айтқанда денелердің ішкі энергиясы өседі.

Осыған байланысты оқушыларға Жер серіктері мен ғарыш кемелерінің Жерге қайтып оралатын бөліктерінің қалың атмосфера қабатында жанып кетпеуі үшін арнайы шаралар жасалатындығын айтқан орынды. Ол үшін Жерге түсетін аппараттар жоғары температураларға төзімді және өте берік материалдармен қапталады. Аппарат атмосферадан өтіп Жер бетіне жеткенше ондай қабаттардың бірнешеуі жанып үлгіреді, сондықтан аппараттар қалың жылу өткізбейтін материалдармен де қапталады.

Тақырыптың соңында механикалық энергияның сақталу заңы энергияның жалпы физикалық сақталу заңының дербес жағдайын екендігіне оқушылар назарын баса аудару қажет. Оқушылар физика курсының бірінші сатысында көптеген физикалық құбылыстармен танысты, сондықтан энергияның айналу және сақталу заңын мына түрде қорытындылауға болады: тұйық жүйеде энергияның барлық түрлерінің қосындысы өзгермейді.

Осы тұтас оқушыларды ұлы орыс ғалымы М. В. Ломоносовтың (1711 - 1765 ж. ж ) материя мен қозғалыстың сақталуы, олардың жоғалмайтындығы және жаңадан пайда болмайтындығы жөніндегі ғылыми көзқарастарымен таныстыруға болады.

1. Ішкі энергия ұғымы қазіргі термодинамиканың негізгі ұғымдарының бірі болып табылады. Оның қалыптасуы мен дамуы термодинамиканың бірінші бастамасының айтылуымен байланысты болады. ”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 әр түрлі атады. Кеңірек қолданылғаны соңғы термин болады.

Қазіргі кезде дененің ішкі энергиясы деп төмендегі энергиялар жиынтығын айтады:

1. молекулалардың ілгерімелі және айнымалы қозғалысының кинетикалық энергыясы;

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.

Ішкі энергия ұғымының осындай күрделі екендігіне қарамай, орта мектепте оны молекулалардың қозғалысы 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 өзгеріс жөнінде ғана болуы мүмкін. Жылу құбылыстарында ішкі энергияның өзгерістері тек молекулалардың кинетикалық және потенциялдық энергияларының ғана өзгерісімен байланысты болып қалады. Ішкі энергияны құрайтын басқа 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 бұрмалауда емес.

Ішкі энергия ұғымын енгізу үшін алдымен механикалық энергия мен заттардың ішкі құрлымы 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 оқулықта берілген қорғасын шардың қорғасын тақтаға құлап түсу тәжірибесін талдаймыз. Олар деформацияланады және қызады, олай болса денені құрайтын бөлшектердің кинетикалық және потенциалдық энергиялары артады. Бөлшектердің орташа кинетикалық энергиясы көбейсе, онда дененің температурасы жоғарлайды. Осы жерде тағы да температура молекулалардың хаосты қозғалысының орташа кинетикалық энергиясының өлшемі екендігін ескертіп кеткен жөн. Сонан соң ішкі энергияның анықтамасы беріледі.

Айтылған тәсілдің кемшілігі сол - денелердің соқтыққанға дейін де ішкі энергиясы болғандығы ашып айтылмайды. Сондықтан мынадай екі тәжірибені көрсеткен орынды болар еді:

а) ауа насосы қалпағының астына тығыны бар пробирка орналастырылады. Қалпақ астындағы ауа сиретілгенде тығын пробиркадан атып шығады. Жұмыстың жасаған пробирка ішіндегі ауа, олай болса оның энергиясы бар. Бұл энергия механикалық энергия емес, оны ішкі энергия деп атайды;

ә) кішкене ыдыс алып, ішіне шамалы су құйып, ыдыстың аузын тығынмен жабамыз. Егер ыдысты қыздырсақ, оның ішінде пайда болған бу тығынды атып жібереді, жұмыс жасалады. Жұмыс дененің ішкі энергиясы есебінен жасалады.

Сөйтіп 8 - сынып оқушылармен мынадай қортындыға 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 (оның бөліктерінің) басқа денелерге қатысты орналасуына 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:

Екі тақтайшаны бір - біріне үйкеу.
Монетаны стол үстіндегі қағазға үйрену.

3. Шыны қолба алып, оның тығыны арқылы тік бұрышпен иілген шыны түтікше өткізіледі. Түтікшенің горизонталь бөлігіне боялған су тамшылары құйылады. Егер қолбаны шұғамен үйкелесек, су тамшылары түтікше ұшына қарай ығысады.

Оқулықта келтірілген эфир құйылған жұқа жез түтікшені жіппен ысқылау.
Металл сымды периодты түрде майыстыру.
Мыстың кішкене кесегін төстің үстіне қойып балғамен бірнеше рет соғу.
Ауа шақпағы алынады (сығылғанда газдың қызуы) .

Көрсетілген тәжірибелердегі ішкі энергияның көбеюін молекула - кинетикалық тұрғыдан түсіндіріп берген орынды.

Мұнан кейін дене жұмыс жасағанда ішкі энергияның азаятындығын көрсететін тәжірибелерді демонстрациялаған дұрыс:

Оқулықта келтірілген ыдысқа ауа айдағанда оның тығынының аталуы.

2. Өте әсерлі және нанымды тәжірибелердің бірі - сифонға арналған баллончикпен жасалатын тәжірибе. Ауа толтырылған баллончик тің аузын инемен тессе, одан шуменен ауа шығады, баллончик мұздайды. Бұл тәжірибені күрделендіруге де болады. Ол үшін оның алдына айналатын қалақтар қойып, ауа ұлғайғанда, оның ішкі энергиясы есебінен жұмыс жасайтындығын дәлелдеуге болады және баллончикке электрлік термометр жалғап, оның температурасының төмендейтіндігіне оқушылардың көзін жеткізу мүмкіндігі бар. Тәжірибе алдын ала мұқият дайындықты және ұқыптылықты қажет етеді.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.