Термодинамика негіздерін оқыту әдістемесі

Термодинамика негіздерін оқыту әдістемесі

О.М.Оракбаева

«Физика мұғалімдерін даярлау» мамандығы, 4 курс, Ф21-3 тобы

М.Х.Дулати атындағы Тараз өңірлік университеті.

Қазақстан, Тараз қ.

margaret.orakbayeva@mail.ru

Аңдатпа. Бұл мақалада термодинамика бөлімін оқытуда қолданылатын тиімді әдіс-тәсілдер мен оқушылардың пәнге қызығушылығын арттыру жолдары қарастырылады. Термодинамикалық ұғымдарды (ішкі энергия, жұмыс, жылу мөлшері, энтропия, күй теңдеуі) түсіндіруде визуализация, тәжірибе жасау, зертханалық жұмыс және өмірмен байланыстыру тәсілдерінің рөлі көрсетіледі. Мақсат – термодинамика негіздерін оқушыларға түсінікті әрі қызықты етіп жеткізу, олардың ғылыми ойлауын дамыту.

Кілттік сөздер: термодинамика, оқыту әдістемесі, энергия, жылу, ішкі энергия, оқушы белсенділігі, зертханалық жұмыс.

Аннотация. В статье рассматриваются эффективные методы преподавания раздела термодинамики, направленные на повышение интереса учащихся к предмету. Особое внимание уделено объяснению понятий: внутренняя энергия, работа, теплота, энтропия и уравнение состояния. Использование визуальных материалов, лабораторных работ и практических примеров способствует лучшему усвоению темы. Цель – сделать сложные понятия доступными и развивать научное мышление у школьников.

Ключевые слова: термодинамика, методика преподавания, энергия, теплота, внутренняя энергия, активность учащихся, лабораторные работы.

Annotation. This article explores effective teaching methods for the thermodynamics unit, aimed at increasing student engagement. It emphasizes key concepts such as internal energy, work, heat, entropy, and the equation of state. The use of visual aids, experiments, and real-life applications are highlighted as important strategies for deeper understanding. The goal is to present thermodynamics in a clear and interesting manner while fostering scientific thinking.

Keywords: thermodynamics, teaching methodology, energy, heat, internal energy, student engagement, lab work.

Табиғатта негізгі заңдарының бірін, энергияның сақталу заңын қалыптастыру.

Термодинамиканың бірінші заңын зерттемес бұрын, жабық жүйелердегі механикалық процестерде энергияның сақталу заңын қайталаған жөн. Жүйенің ішкі энергия алмасу механизмі мектептің 8-сыныбында өтетіндіктен, оқушылар ішкі энергия жылу алмасу кезінде де, жұмыс кезінде де, жұмыс кезінде де өзгереді деген қорытындағыкелуі жылу алмасу.

Ішкі энергияның өзгеруінің көрсеткіші қандай екенің талдау қажет. Егер ішкі энергияның өзгеруі жұмыстың нәтижесінде өзгерсе, онда оның мәні жылу мөлшері болады деген қорытындыға келеді. Бұл мәндердің белгісі жүйеге бөлінетін жылу мөлшері (Q>0) оң таңбалы, ал жүйеден жылу шығарылғанда (Q<0) теріс таңбалы болады.

Егер жүйеден әрекет сыртқы күшпен орындаласа, онда (А>0) оң таңбалы болады, яғни газ сығылған кезде, газ көтерілген кезде, сыртқы күштің жұмысы (А<0) теріс таңбалы болады.

Әр түрлі мысалдарды қарастыра отырып, ол термодинамиканың бірінші заңы туралы қорытындыға келді. Жүйенің ішкі энергияның өзгеруі жылу мөлшерінің қосындысына тең.

(2.1)

мұндағы дегеніміз ішкі энергияның өзгерісі. Бұл формуланы басқашалап жазуғада болады:

(2.2)

Жүйеге берілетін жылу мөлшері жүйенің ішкі энергиясы мен жұмысын өзгертуге жұмсалады[5].

Термодинамиканың бірінші заңы және оны изопроцестерге қолдану.

Мұндай процестерге термодинамиканың бірінші заңын қолданбас бұрын, біз нақты мысалдарды қарастырамыз. Мысалы, калиметрдегі судын араласуы, суды қыздыру немесе қатты затты ұру арқылы қыздыр жағдайларына тәжірибе жасап, ішкі энергияның өзгерісі неге тең екенін талдау қажет. Әрі қарай, технология процестерде қалыптан тыс газдарды қолданудың кейбір мысалдарына қарайтырайық.

1. Изотермиялық процесс.Изотермиялық процесс жылу процесінде ішкі энергия өзгермейді, өйткені температура (T=const) тұрақты болып қалады, ішкі энергиясы өзгермейді U. Жүйеге жылу берілгенде, газ мөлшері артады. Орындалған жұмыстың шамасы 2.1-суреттегі изотермя астындағы штрихталған ауданға тең болады Q=A.

Егер газ жылу алса (Q>0), ода ол белсенді жұмыс істейді. +, яғни A>0, ал керісінше, газ қоршаған ортаға жылу берсе Q<0және A<0.

2. Изобаралық процесс. Қалыптан тыс газ шығыс бағытта қызған кезде жүйеге берілетін жылу жұмыс істейді, өйткені газ энергияны өзгертеді және тұрақты қысыммен жоғарлайды. Масштабтау операциясын есептеу үшін (A>0) және формуласымен есептеледі. 2-суретте көрсетілгендей, операцияның мәні көлеңкеленген тіктөртбұрыштың ауданына тең.

Бұл процесте ішкі энергия өзгереді:

(2.3)

Изобаралық салқындау жүйенің ішкі энергиясын төмендетеді. Жүйе шығаратын жылу жүйенің ішкі энергиясын өзгерту және газды сыртқы күштермен қысу үшін қолданылады. Бұл жағдайда жылу мен жұмыс мөлшері теріс болады, ал жүйенің ішкі энергиясы азаяды[6].

3-сурет. Изотермиялық процесс 4-сурет. Изобаралық процесс

3. Изохоралық процесс. Изохоралық процесте (3-сурет) көлем өзгермейді., сол себепті газдың жұмысы нөлге тең болады, ал ішкі энергиясы жылу мөлшеріне тең болады.

Егер газ қызған кезде жылу мөлшері мен ішкі энергияның өзгеруі оң болады, яғни ішкі энергиясы артады, ал газ салқындаған кезде жылу мөлшері теріс болады және ішкі энергия азаяды.

4. Адиабаталық процесс. Адиабаттық процесте (4-сурет) ортамен жылу алмасуды көздемейді, сондықтан да Q=0. Ал ішкі энергия жұмыс істеген кезде ған өзгереді. Мұнда оң жұмыс жасалады (A>0), себебі газ мөлшері артады, ішкі энергия азаяды және газ суға айналады.

Газ сығыл,ан кезде күш тікелей бағытта. Ал газ теріс бағытта әрекет етеді. Жүйедегі энергия артып, газ қызады. 4-суретте және сол температураныңграфигінде адиабатталық ұлғаю кезінде изотермдік ұлғаюмен салыстырғанда аз, ал адиабаталық сығылу кезінде көп екенің көруге болады[7].

5-сурет. Изохоралық процесс 6-сурет. Адиабаталық процесс

Графикалық бекіту мәселесін шешкен кезде оқушылар формуладағы оң картаны анықтау керек. Газ қызады ма, жүйе жылу алады және ішкіэнергия көбейеді немесе азаяды ма? Осы мәселені талдаумыз керек.

Қысқаша айтқанда, термодинамика бірінші заңын осындай процестерге қолдану студенттерге жылу қозғалтқыштарының жұмыс принципін түсінуге көмектеседі.Оқушыларға жылу қозғалтқыштарыынң жұмыс принципін түсінуге көмектеседі[9].

Қорытындылай келе, термодинамика энергияның түрлері мен жылу құбылыстарына байланысты, микроскопиялық жүйелердің негізгі қасиеттерін зерттейтін, молекула-кинетикалық теорияның ауқымды тараудың бірі. Термодинамика негіздерін оқыту әдістемесі оқушыларға табиғаттағы энергияның алмасу процесстерін түсінуге мүмкіндікбереді. Термодинамиканың бірінші және екінші заңдарын оқыған сәтті оқушының ғылыми ойлау қабілеті дамиды. Әр түрлі әдіс-тәсіл қолдану арқылы термодинамиканың бірінші заңы, яғни жүйелер арасында жылу алмасудың екі түрі бар екеіні айтылады және энергия сақталады деген теорияны түсіндіру арқылы энергия алмасу процессін жақсы түсінеді. Курстық жұмыста толықтай термодинамиканың барлық изопроцесстегі жағдайларын қарастырып жеке-жеке айтылды. Бірақ тарауды жақсы түсіну үшін тек қана теория жеткіліксіз, әр түрлі практикалық маңызы бар жұмыстарды орындау арқылы және зертханалық жұмыстар жасау арқылы ғана тарауды толық түсініп-білуге болады. Көп жағдайға зертханалық жұмысты виртуальды симулляциялар арқылы қабілеттерін дамытуға болады[9].

Оқушыларға термодинамика заңдарын енді қалай тиімді жеткізуге болады? Ең бірінші, практикалық сабақтың көп болуы, яғни көп есеп шығарып, шын өмірмен байланыстыру. Екіншіден, көрнекі құралдармен мультимедиялық материалдардың қолдануы. Түрлі графиктер, диагрммалар, бейнежазбалар және анимациялар қолданады.

Материалдарды түсінген сәтте тек қана оқушылар мұғалім дайындап берген оқу-құралдары ғана емес, қосымша материалдар ізденіп жан-жақты даму қажет.

Пайданылған әдебиеттер

1. Теория и методика обучения физика в школе. Под ред. С.Е.Каменцкого, М. «Академия», 2000г. Часть 2. 120-139.

2. МПФ в 8-10 классах ср. Школы. Част 2. Под ред. В.П. Орехова, А.В. Усовой. М.: «Просвещение». Библитека Учителей- Физиков, 1980г. Глава-4. С.40-60.

3. Н.М. Бергер «Изичение тепловых явлений в курсе физики средней школы». М.: «Просвещение», 1980г. Глава-2. С.15-25.

4. В.С.Волькенштейн «Жалпы физика курсының есептер жинағы». А.:2012. 138-149 б.

5. Термодинамика және статистикалық механика «Р.Харди, К.Бинек». А.:2016. 31-96 б.

6. Теория иметодика обучения физики в школе. Под ред. С.М. Каменцкого. М.: «Академия», 2000г. Часть 2. С.90-132.