Жылу құбылыстары

 

7. МЕХАНИКАЛЫҚ  ЖӘНЕ   ЖЫЛУ   ПРОЦЕСТЕРІНДЕ ЭНЕРГИЯНЫҢ САҚТАЛУ  ЖӘНЕ  АЙНАЛУ  ЗАҢЫ

Энергияның сақталу  және айналу заңын баяндауды проблемалық тәжірибені жасаудан, мысалы, Максвелл маятнигінен бастаған жөн.

Тәжірибе оқушыларға дененің потенциялық және кинетнкалық энергиясы жөніндегі мағлұматтарды естеріне түсірулеріне көмектеседі. Қандай да бір аралық нүктеде маятниктің потенциялық энергиясы да, кинетикалық энергиясы да болатыны, ал толық механикалық энергия мынаған тең болатынын атап өтеді:

Маятниктің толық энергиясы уақыт өтуімен кемитіндігі фактісіне назар аударылады. «Қозғалысқа келтірілген маятник біраз уақыттан кейін тоқтайтындығы неліктен» деген сұрақ қойылады.

Әдеттегідей, оқушылар өздері жауап береді: дененің энергиясы ауаның кедергісін, үйкелісті жеңуге, жіпті қыздыруға жұмсалады.

Қорытынды жасайды: маятниктің механикалық энергиясы жойылған жоқ, молекулалар қозғалысының кинетнкалық энергиясына, яғни системаның (ауа, жіп, маятник) ішкі энергиясына айналды. Мұнда ауада да, жіпте де және маятникте де жіптің ширатылуына дейін және маятниктің  кейінгі  түсуіне дейін  де ішкі энергиясы болғандығын атап көрсеткен өте маңызды болады. Түсіп келе жатқан маятниктің әсерінен жіптердің ширатыл-ған күйден жазылуы кезінде системаның ішкі энергиясы маятниктің механикалық энергиясы есебінен тек қана  көбейе түсті.

Тағы да бірнеше тәжірибе жасаған жөн (үстелдің үстінде жатқан парақ қағазға тиынды ысқылаған кездегі тиынның қызуы, ию кезінде сымның қызуы т. с. с).

Осы мысалдар мен тәжірибелерді талқылағаннан кейін, энергияның сақталу және айналу заңы тұжырымдалады. Оқушыларға энергияның сақталу және айналу заңы жөнінде қысқаша тарихи мәлімет беріледі. Бұл заңның XIX ғасырдың ортасында ашылғандығы, бұл кезде ол үшін қажетті көптеген эксперименттік материал жиналып, оны жинақтап қорытындылауға мүмкіндік туғандығы айтылады. Осы заңның ашылуында Р. Майердш, Г.Гельмгольцтың және Д.Джоульдің ролі жөнінде, М.В.Ломоносовтың сіңірген үлкен еңбегі жөнінде айтылады. М. В. Ломотюсов өз уақытында ғалымдардан бір ғасыр алға кетіп, 1748 жылдың 5 июлінде Эйлерге жазған хатында былай дегеи: «Табиғатта болып жататын барлық өзгерістердің мәні мынада: бір денеден қанша нәрсе алынса сонша нәрсе басқа денеге келіп қосылады. Мысалы, материя бір жерде кемісе, екінші жерде көбейеді, кім қанша сағатын ояу кезіне бөлсе, сонша сағатын ұйқыдан кемітеді. Бұл жалпыға ортақ жаратылыс заңы қозғалыс ережесінің өзіне де қолданылады: өйткені өз күшімен өзге денені қозғайтын дене одан қозғалыс алған басқа денеге қанша берсе, өзінен сонша жоғалтады».

Бұдан кейін энергияның сақталу және айналу заңын техникалық есеп-қысаптарда пайдалану қарастырылады. Осы заңға сүйеніп, электр станцияларының, тепловоздардың жұмыс істеуі үшін қажетті отынның мөлшерін есептейді, бұл заң машиналардың жұмыс істеуі үшін қажетті электр энергиясының мөлшерін есептеуге мүмкіндік беретіндігін оқушылар білуі тиіс.

Энергияның сақталу және айналу заңын иллюстрациялап көрсетудің маңыздыларының бірі, табиғатта болып тұратын, энергетикалық айналуларды қарастыру болып табылалы. Қазір Жерде пайдаланылатын энергия көздердің бірі — Күн. Жердің Күннен алған энергиясының бір бөлігі жердің қыртысын және атмосферасын қыздыруға тікелей жұмсалатындығы оқушыларға айтылады. Басқа бір бөлігін өсімдіктер химиялық энергияға айналдырады, сөйтіп, ол энергия өсімдіктердің ішкі энергиясының бір бөлігі болып алады. Күннің атқаратын міндетімен жердегі отынның: тас көмірдің, шым тезектің т. б. қоры да байланысты. Су айналысы, ауа массаларының қозғалысы да Күннің іс-әрекетінің нәтижесі болып келеді.

«Күн — Жердегі энергияның басты көзі» атты оқу кинофильмін демонстрациялап көрсеткен пайдалы.

«Күн — Жердегі энергияның басты көзі» деген тақырыптың класта өтілуі міндетті емес. Бұл тақырыпқа арналған оқулықтағы материал қосымша оқу үшін берілген. Егер мұғалім бұл материалды сабақта қарастыруды жөн көрсе, оны оқу конференциясы түрінде, мынадай баяндамалар жасатып, өткізгені дұрыс болады:

1.   Күн — Жердегі жылу мен жарық көзі.

2.  Күннің шығаратын  знергиясын адамның пайдалануы.

3.   Гелиоэлектр  станциялары.

Кластан тыс жұмыстарда оқушыларды энергияның сақталу және айналу заңының ашылу тарапымен, «мәңгі двигатель» жасау жөніндегі талпыныстармен егжей-тегжейлі таныстыруға мүмкіндік туады.

 

ЗАТТЫҢ   АГРЕГАТ  КҮЙЛЕРІНІҢ   ӨЗГЕРУІ

Алдыңғы параграфта дененің температурасының өзгеруіне, демек, оның молекулалэрының кинетикалық энергнясының өзгеруіне байланысты оның ішкі энергнясының өзгеруі қарастырылған еді. Заттың агрегаттық өзгерулерін оқып үйренген кезде ішкі энергияның бөлшектердің өзара әсерлесу энергиясына байланысты болатын бөлігіне басты назар аударылады.

Заттың агрегат күнінің өзгеруі оның молекулалық құрылымының өзгерісімен қарбалас болады. Бұл болса, өз кезегінде, молекулалардың энергиясының өзгеруімен олардың қозғалысқа келуіне себепші болады.

Балқу, қатаю, булану және конденсация процестері VI класта негізінен оқытудың бірінші сатысында өтіледі. Осы оқу материалын оқып үйренгенде дененің ішкі энергнясы жөнінде оқушылардың білімдері кеңейтіле түседі. Балқу мен қайнау кезінде берілетін жылу мөлшері тек бөлшектердің арасындағы байланысты бұзу жұмысына ғана жұмсалатындығын ұғынулары Q=λm, Q=Lm формулаларының мағынасын және олардың денелерді қыздыру және суыту үшін қажетті жылу мөлшерінің формулаларынан айырмашылығын түсініп алуға көмектеседі.

Заттың бір агрегат  күйден екіншісіне өтуін оқып үйренген кезде оқушылар тибиғат құбылыстарында үнемі болып отыратын ауысулар мен өзара әсерлесулер жөнінде, аздаған сандық өзгерістердің түбегейлі сапалық өзгерістерге түрленуі жөнінде түсінік алады. Тақырыптың материалының сондай-ақ политехникалық зор мәні бар: оқушылардың бірқатар технологиялық процестерді түсінуіне көмектеседі, оларды жылу двигательдерінің жұмысында негіз етеп алынған физикалық процестерді ұғы-нып алуға дайындайды.

 

ЗАТТЫҢ АГРЕГАТ  КҮЙЛЕРІ.

КРИСТАЛЛ  ДЕНЕЛЕРДІҢ  БАЛҚУЫ  МЕН  ҚАТАЮЫ

Заттың агрегат күйлері  жөніндегі сабақ — бұл тақырыптың кіріспе сабағы. Оның басты міндеті — молекула-кинетикалық теория тұрғысынан алғандағы қатты, сұйық және газ тәрізді денелердің құрылысының ерекшеліктері туралы VI класс курсынан оқушыларға белгілі мағлұматтарды қайталау және тереңдете түсу. Көрнекі құралдар ретінде кристалдық решетканың моделі пайдаланылады. Сондай-ақ «Кристалдардың құрылысы мен қасиеттері» атты кинофильмнен жеке фрагменттер көрсеткен және үлестірілетін материалмен — кристалдық денелер жиынтығымен (тұз, шойын сынықтары, слюда) жұмыс жасаған жөн. Егер оқушылар жұмыс кезінде лупаны пайдаланса, бұл денелердің кристалдық құрылысын оқып үйрену тиімдірек болады.

Оқушыларға қатты денелердің қасиеттеріндей (мықтылығы, морттылығы, қаттылығы) және сұйық денелердің қасиеттеріндей (аққыштығы, уақыт өтуімен формасының сақталмауы) қасиеттер: бар аморф денелер туралы таныстыру түрінде айтуға болады. Аморф денелердің бөлшектері, сұйықтардағы сияқты, белгілі бір ретсіз мейлінше тығыз орналасатындығын, аморф денелердің кристалдық құрылысы болмайтығындығын айтады.

Кристалл денелердің балқуы және қатаюы. Бұл тақырыпты «Нафталиіннің қызуы және балқуы кезінде температураның өзгеруін бақылау» деген лабораториялық жұмыс өткізуден бастауға болады. Лабораториялық жұмысқа дейін оқушыларға денелердің балқуын демонстрациялап беруге және сонда шыққан графикті талдап, ал келесі сабақты лабораториялық жұмыс өткізуте арнауға болады. Қандай жолды таңдап алғанда да оқушылар коллективінің дайындығы мен жеке басының ерекшеліктері ескерілуі тйіс. Бірінші жол қиын болғанымен, оқушылардың белсенділігін қажет етеді. Мұғалім қандай жолды таңдап алса да, оқушылар мынадай үш ережені ұғынып алулары тиіс: белгілі бір температура болады, одан жоғары температурада зат қатты күнде бола алмайды; балқу кезінде температура тұрақты болып қалады; балқу процесі балқитын затқа энергия келіп тұруын талап етеді.

Екінші жолды таңдап алғанда мұғалім әрі демонстрациялап, әрі тақтаға нафталиннің балқуы не мұз бен балауыздың еруі, немесе қара майдың балқуы жөніндегі мағлұматтарды тақтаға жазады. Нафталинді химиялық таза етіп алу ұсынылады; кішкене пробирка ішіне салынған термометр резервуарын нафталин массасының ортасына орналастырған жөн. Пробирканың қысқаратын таңдап алады да нафталин пробирка қабырғаларына жабысып термометрдің көрсетуін жазып алуға бөгет жасалмау үшін, пробирканы толтыра нафталин салады.

Лабораториялық жұмыс орындаған кезде қиыншылық туады: балқу кезіндегі графиктің горизонталі; белігі соншалықты қысқа болғандығынан, оны оқушылар байқамауы да мүмкін. Идеал дерлік қисық сызық шығуы үшін, нафталиннің қатаю процесін ғана тексерсе болғаны. Нафталиннің массасы 5 г болғанда, бақылау уақыты шамамен 15 мин болады. Бақылауларды 90°С-қа тең судың температурасынан бастайды. Сонда қатаю процесі 5 минутқа созылып, графиктен айқын көрінеді.

Сыналатын денелерді баяу қыздыру үшін және олардың температураларын дұрыс өлшеу үшін, нафталині бар кішкене пробирканы үлкен пробирканың ішіне, оның қабырғаларымен жанаспайтындай етіп, орналастырады, ал үлкен пробирканы ішінде қайнауға дейін жеткізілген суы бар ыдысқа салады. Осындай ауа-су моншасы график сызу үшін жақсы мағлұматтар алуға мүмкіндік береді.

Шыққан графикті талдаған кезде оқушылардың назары балқу процесі өтетін температура тұрақтылығына аударылады.

Бұдан кейін балқу температураларының таблицасы қарастырылады. Барлық металдар мен олардың қорытпалары кристалл денелерге жататындығын атап көрсетіп, оқушыларға таблицадан ең жоғары және ең төмен балқу температуралары бар металдарды табуды ұсынады. Нашар балқитын металдар мен қорытпалардың космос корабльдерін, реактивтік двигательдер жасауда, жылу электр приборларының спнральдарын   дайындау үшін қолданылуын қарастырады. Оқушылардың балқу процесі мен температурасын қаншалықты ұғынғанын айқындалтын бір-қатар сұрақтар қойған пайдалы.