Ішкі энергия», «жылу мөлшері» ұғымдарына ғылыми-әдістемелік талдау жасау

Энергияның әр түрлі формаларына байланысты механикада механикалық энергия, әлектрмагниттік яғни, әлектр 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 (пөтенциалдық) энергиясының қосындысына тең.

U =Е_Р + Е_К;

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.