ІШКІ ӘНЕРГИЯ

1.3.  ІШКІ  ӘНЕРГИЯ
 
•Механикада қозғалыстағы дененің кинетикалық энергиясы дененің массасы мен оның қозғалысының жылдамдығына байланысты.
•Дененің потенциалдық энергиясы — дененің немесе дене бөлшектерінің  өзара  орналасуына  байланысты. Жүйенің ішінде энергия тек қана бір денеден екіншісіне беріліп немесе бір түрден екінші түрге өте алады. Алайда
үйкеліс күші әсер етпейтін денелердің тұйықталған жүйесінде толық  механикалық  энергия  өзінің  мәнін  өзгеріссіз  сақтайды:
 
W=Ek +Eп=const
 
• Энергияның қандай да бір түріне ие болатын денелер белгілібір  жұмыс  атқара  алады.
• Жұмыстың орындалу есебінен дененің энергиясы кемиді. Дененің энергиясының бұл өзгерісі дененің атқаратын жұмысының  шамасына   тең.
                                                                                
Жоғары лақтырылған денені қарастырайық. Жоғары лақтырылған дененің кинетикалық энергиясының кемуі, оның потенциалдык энергиясының артуы есебінен болады. Дененің ең биікке көтерілу нүктесінде, дененің барлық кинетикалық энергиясы толығымен потенциалдық энергияға айналады. Содан кейін дене төмен қарай түсе бастайды, онда кері процесс жүріп, дененің потенциалдық энергиясы кинетикалық энергияға айналады. Бұл кезде дененің толық механикалық энергиясы өзгермейді. Денеге сығылған серіппе әсер еткенде де осыған ұқсас жағдайды бақылауға болады.  
 
    Үйкеліс күшінің болмауынан және тек серпімділігі пен тартылыс күштерінің әрекетінен денелердін немесе денелер жүйесінің потенциалдық және кинетикалық энергияларының қосындысы    барлық жағдайда тұрақты болатынын тәжірибелер мен есептеулер   көрсетті.
 
Энергияның айналуына тағы да бір мысал қарастырайық.
В қорғасын тақтаның бетінен Н биіктікке А корғасын жүгі көтеріледі. Бұл кезде оған потенциалдық энергия беріледі. Жүкті өзінің ең биік қалпында (16, а-сурет), тақтаға қатысты максимал потенциалдық энергияға ие болады. Келесі мезетте Ажүк құлай бастайды.Бұл уақыт мезетінде оның потенциалдық энергиясы біртіндеп кемиді, өйткені жүк төмендей бастайды,бірақ бұл кезде оның кинетикалық энергиясы артады.
 
Керісінше, А корғасын жүк В корғасын тақтаға соғылғанда кинетикалық энергияның потенциалдық энергияға және керісінше ауысуы болмайды. А жүгінің толық механикалық энергиясы нөлге тең болады.
 
Бұл жағдайда энергияның сақталу заңы орындалмады деп айтуға бола ма? Жоқ, болмайды. Бұл серпімсіз денелердің соқтығысуы кезінде серпімсіз деформацияның пайда болуы энергияның сақталу заңының «бұзылып» көріну себебі болады. Ол жүк пен тақта материалының өзінде пайда болады. Сонымен қатар соқтығысудың нәтижесінде жанасқан денелердің беттері қызытыны жай қолмен ұстаған кезде-ақ байқалады. Басқаша   айтқанда,   қорғасын   жүктің   қорғасын таға соғылуынан кинетикалық энергия жойылмайды, ол тек затты   құрайтын   бөлшектердің   (атомның,   молекуланың)   өзара  әкеттесу және қозғалыс энергияларына түрленеді. Бұған көптеген мысалдар келтіруге болады.
  
Қызу мен деформация құлап келе жатқан қорғасын жүктің потенциалдық энергиясының азаюы салдарынан, екі дене күйлерінің өзгеретінін білдіреді.
Үйкелетін және соғылатын денелер қызады: көлік доңғалақтарының осьтері, өте жылдам ұшып бара жатқан оқ, арамен кесілген отын. Шегені балғамен бірнеше рет ұрғанда — шегенің қызғанын, ал сымды бүгіп және жазғанда, иілген жерінің қызғанын сеземіз. Жер атмосферасына үлкен жылдамдықпен аспан денелері — метеориттер енгенде, айтарлықтай қызу процесі жүреді. Метеориттердің массасы — бірнеше килограмнан бірнеше тоннаға дейін болады, олар реактивті ұшақтардың жылдамдығынан жүздеген есе артық жылдамдықпен ұшатындай өте үлкен кинетикалық энергияға ие болады. Жер атмосферасына енгенде, олар әрі қарай ауамен үйкеле отырып, бірнеше ондаған мың градус температураға дейін қызады. Көптеген аса ірі емес метеориттер толық жанып, буланып кетеді. Біз, оларды Жерден қарағанда, аспандағы ағып түскен жұлдыздар ретінде көреміз. Аса ірі метеориттер атмосферада толық жанбайды, олар жерге құлайды. Жер атмосферасының тығыз қабаттарына енгенде, ұшу аппараттары да қатты қызады. Осы құбылысты Жерден ұшырылатын ғарыштық зымыран аппараттарын, реактивті ұшақтардың қаптамасын жасағанда міндетті түрде ескереді.
 
II. Жоғарыда аталған жағдайлардың барлығында дененің механикалық энергиясының бір бөлігі (тартылыстың немесе серпімділіктің потенциалдық энергиясы немесе қозғалыстың кинетикалық энергиясы) оның күйіне байланысты болатын энергияға түрленеді. Механикалық энергиядан өзгеше, оны дененің ішкі энергиясы деп атайды.
Газдың молекулалары мен атомдары үздіксіз ретсіз қозғалыста болады және олардың арасындағы өзара әрекеттесу күштерінің шамасы өте аз. Газдардың ішкі энергиясы дегенде, оның бөлшектері қозғалысының кинетикалық энергиясын айтады.
 
Сұйықтар мен қатты денелердің молекулалары мен атомдары ілгерілмелі қозғалыс жасайды және өзара әрекеттеседі. Сондықтан сұйықтардың, қатты заттардың және газдардың ішкі энергиясы олардың бөлшектері қозғалысының бір мезгілде кинетикалық бірде  потенциалдық энергияларын түсінеміз.
 
     Дененің ішкі энергиясы деп денені құрайтын бөлшектердің ретсіз қозғалысының   энергиясы   мен олардың өзара әрекеттесу энергиясын   айтады.
 
Дәлірек айтқанда, ішкі энергияға, сонымен қатар дене ішіндегі
бөлшектер қозғалысының басқа да түрлеріне байланысты энергияны жатқызады,  олар: химиялық энергия, атом энергиясы,  ядроның ішкі энергиясы. Бірақ молекулалық физика мен термодинамикада жылу құбылыстарын   зерделегенде,   молекулалардың   тек   кинетикалық   және потенциалдық энергияларының өзгеруі болатын құбылыстар ғана қарастырылады.   Сондықтан   дененің   ішкі   энергиясы   туралы айтқанда, біз төмендегі анықтамаға сүйенеміз.
 
Дененің   барлық   молекулаларының   жылулық   қозғалысының кинетикалық энергиясы мен өзара әрекеттесуінің потенциалдық энергиясының қосындысын  дененің ішкі энергиясы деп атайды.
 
III. Дененің толық энергиясын емес, ішкі энергиясының өзгерісін ғана өлшеуге болады. Дене қатты, сұйық және газ тәрізді бола ма әлде тұтас немесе майда ұнтақталған күйде ме бәрібір денеішкі энергиясы оның температурасына байланысты.
Дененің температурасы артқан сайын оның ішкі энергиясы да артады, өйткені молекулалар қозғалысының орташа кинетикалық энергиясы артады.
Қатты дененің ұсақталған бөліктері өте үлкен потенциалдықэнергияға ие болатындықтан, тұтас денеге қарағанда, ұсақталған жаныштап тозаңға айналдырылған дененің ішкі энергиясы көп болады. Көп жағдайда дене бөлшектерінің кинетикалық және потенциалдық энергиялары қатар өзгереді.
Санақ жүйесін таңдап алуға байланысты дененің толық механикалық энергиясының болмауы да мүмкін, мысалы, жерде жатқан допты жерге қатысты қарастыру кезінде. Әрқашан дененің ішкі энергиясы болады. Ішкі энергия дененің қозғалысына да, бұл дененің басқа денелерге қатысты тұрған орнына да тәуелді емес.
Әрдайым ішкі энергияның белгілі қоры бола тұрса да, дене механикалық энергияға: потенциалдық не кинетикалық немесе потенциалдық, әрі кинетикалық энергияға ие бола алады. Мысалы, Жер бетінен біршама биіктікте ұшып бара жатқан ұшақтың ішкі энергиясымен қатар, кинетикалық әрі потенциалдық энергиясы бар.
Біз тек жылу процесіндегі ішкі энергияны әрі олардың өзгерісін ғана қарастырамыз, ішкі энергия U әрпімен, ал оның өзгерісі ∆U таңбасымен белгіленеді.
 
ДЕНЕНІҢ ІШКІ ЭНЕРГИЯСЫН ӨЗГЕРТУ ТӘСІЛДЕРІ
I. Дененің жылулық күйі ол бір күйден екінші күйге өткенде термодинамикалық жүйе ретінде ауысып, оның ішкі энергиясымен анықталады. Егер дененің температурасы көтерілсе, оның ішкі энергиясы артады, өйткені дене молекулалары қозғалысының орташа жылдамдығы, демек, олардың кинетикалық энергиясы
артады. Дененің температурасы төмендегенде, оның ішкі энергиясы кемиді.
 
        Дене молекулаларының қозғалыс жылдамдығы  өзгергенде, демек дененің температурасы өзгергенде оның ішкі энергиясы өзгереді. Дене  молекулаларының қозғалыс жылдамдығын,   яғни   оның ішкі энергиясын   қалай   өзгертуге болады? Дилатометр аспабын пайдаланып, бірқатар тәжірибелер қарастырайық.
 
а) Дилатометр құралының құтысын алақан қызыуымен жылытамыз (17-сурет).
 

 
Бұл кезде түтікшедегі боялған су тамшыларының солдан оңға қарай орын ауыстырғанын байқалады. Бұл – ауаны қыздырған кезде оның көлемінің ұлғаюы салдарынан болады. Ауаның қызуы оның молекулаларының ретсіз (жылулық) қозғалысы жылдамдығының, демек дененің ішкі энергиясының бір бөлігін құрайтын кинетикалық энергияның артуының дәлелі болып табылады.
 
ә) Құтыны бөлме температурасынан төмен температурадағы су құйылған ыдысқа орналастырамыз. Онда түтікшедегі су тамшысының солға қарай ауысатындығын байқауға болады. Бұл құтыдағы ауаның температурасының төмендегенін,демек молекулалардың ретсіз қозғалыс жылдамдығы мен олардың кинетикалық энергиясының кемігенін дәлелдейді.
 

 
(18-сурет)
Кинетикалық энергия мысалы,су молекулаларының кинетикалық энергиясы,яғни оның ішкі энергиясын шәугімді ыстық пешке қою немесе мұзды күннің көзіне қою арқылы арттырылуы мүмкін.
Барлық аталған жағдайлардағы ауаның және судың ішкі энергиясының артуы немесе кемуі температура өзгерісіне тікелей байланысты.
 
Зат температурасының өзгеруіне байланысты туындайтын процестер жылулық процестер дап аталады.  
    
Барлық жылулық процестер заттың ішкі энергиясының өзгеруімен байланысты өтеді.
Ішкі энергияны басқа жолмен өзгертуге болады.
 
1. Тұрғыға бекітілген әрі манометрге жалғастырылған баллонды шұғамен ысқылайды. Бұдан манометр түтікшесіндегі сұйықтың деңгейі өзгергені байқалады. Бұл құбылыс, өз кезегінде  ауа молекулаларында кинетикалық энергияның артуы салдарынан баллондағы ауанығң ұлғаюына байланысты болады. Тәжірибеде баллонды шұғамен ысқылағанда, істелген механикалық жұмыстың нәтижесінде ауаның ішкі энергиясы артады.
 
2. Оңай от алатын заттармен қызықты тәжірибеден ішкі энергияның өзгерісін байқауға болады. Ауа шақпағымен тәжірибе жасап көрейік. (18-сурет). Кішкене ғана мөлдір плексигластың қалың қабатынан тұратын сұйықтың 1-2 тамшысын тамызады. Цилиндрге поршень кигізіп, оны шапшаң түрде төмен қарай газды сығу үшін басады. Ауаны жылдам сыққанда, оның тез қызатыны соншалық, поршеньмен жабылған цилиндрдегі эфир буы тұтынады. Эфир буының өздігінен жану температурасы 1800 С. Бұл жағдайда эфир буының ішкі энергиясы сығу кезінде істелген механикалық жұмыстың нәтижесінде артады.
 
Ішкі энгергияның өзгерін механикалық жұмыас кезінде, мәселен кішкене кесек мысты төске қойып, оны балғамен8-10 рет қатты соққанда бақылауға болады. Сонда мыс кесегі әжептәуір қызады.
Екі кесек мұзды бір-біріне үйкеп жылытуға, тіпті ерітуге болады, бұл олардың ішкі энергиясының артқанын білдіреді.
 
Осы және басқа осындай көптеп келтіруге болатын мысалдар мынадай қорытынды жасауға мүмкіндік береді:  
                    
Жүйенің ішкі энергиясын өзгертудің екі тәсілі бар: қоршаған денелермен жылу алмасу және механикалық жұмыс істеу (үйкеліс,соққы, сығу).
 
ІІ.    Егер жүйе жылу беріп немесе механикалық жұмыс атқарса, онда жұйенің ішкі энергиясы өзгереді. Бұл кезде оның ішкі энергиясының азаятындығы да түсінікті.
 
Осылай қыздырылған үтіктің қоршаған ортамен жылу алмасуы, оның ішкі энергиясының кемитіндігін уақыт өткен сайын үтік температурасының төмендеуінен байқауға болады. Мысалы, газы бар цилиндрді қарға қою арқылы газдың ішкі энергиясын кемітуге болады.
 

 
19-сурет
Дененің ішкі энергиясын оның жұмыс істеуі арқылы кемітуге болатындығына келесі тәжірибеден көз жеткізуге болады.Қалың қабырғалы бөтелке алып, оған шай қасықпен су құяды. Бөтелкенің аузын шыны түтікше жалғанған тығынмен жабады. Резеңке шланганың көмегімен ауаны қысу үшін түтікшені сорғымен жалғастырады. Ауаны бөтелкеге сорғы көмегімен айдайды. Біршама уақыттан кейін тығын бөтелкеден атылып шығады (19-сурет). Бөтелкенің қабырғаларында ауа мен бу температурасының төмендегенін көрсететін су тамшылары пайда болады.
 
Бұл процесті былай түсіндіруге болады.Ауа мен су буының молекулалары үздіксіз ретсіз қозғалыста болып, өздері орналасқан ыдыс қабырғаларына соғылады. Газ температурасы жоғары болған сайын, молекулалар жылдам қозғалады. Ең соңында, сығылған газдың молекулалары тығынды атып жібереді. Мұнда оның энергиясы, үйкеліс күшіне қарсы, тығынды көтерудегі механикалық жұмысты атқаруға жұмсалады. Нәтижесінде ауа мен оның ішіндегі будың ішкі энергиясы азаяды.
 
Цилиндрдегі поршень астындағы үлғайған газдың молекулалары поршеньді қозғалысқа келтіруі осыған ұқсас болады. Бұл кезде олар өзінің кинетикалық энергиясын поршеньге бере отырып, оның шамалы бөлігін жоғалтады. Осы жағдайда, газдың ішкі энергиясы поршеньді көтеру үшін атқарылған механикалық жұмыстың есебінен азаяды.
Дененің ішкі энергиясы не механикалық жұмыс істелгенде    немесе берілген дененің өзін қоршаған денелермен уақыт өткен сайын жылу алмасуы кезінде өзгереді (артады немесе   кемиді).
 
Денемен жұмыс істелмей немесе дененің өзі жұмыс істемей    тұрғандағы ішкі энергияның өзгеруі процесі жылу берілу деп   аталады.