Τίτλος: Φυσική στην κουζίνα Θέματα: μέτρηση της θερμοκρασίας, αποδοτικότητα. Διάρκεια: 90 Λεπτά. Ηλικία: 13-16

Transcript

1 Τίτλος: Φυσική στην κουζίνα Θέματα: μέτρηση της θερμοκρασίας, αποδοτικότητα Διάρκεια: 90 Λεπτά Ηλικία: Διαφοροποίηση: Οδηγίες, στήριξη από ICT κτλ.: Εάν είναι εφικτό, χρησιμοποιήστε ένα σύστημα θερμικής απεικόνισης οι εικόνες μπορούν να εμφανιστούν στον υπολογιστή και στο προβολέα. Απαραίτητος εξοπλισμός για αυτή τη δραστηριότητα: Επαγωγική εστία, ηλεκτρική κουζίνα, βραστήρας, νερό, λάδι, κατσαρόλες,πυρέξ, προστατευτικός εξοπλισμός, χρονόμετρο, θερμόμετρο, σύστημα θερμικής απεικόνισης Προαπαιτούμενη γνώση: Ph θερμοκρασία, ενέργεια μονάδες μέτρησης, M εκφράσεις(expressions) Υγεία και ασφάλεια: Εργασία με ζεστά αντικείμενα, βραστήρες κτλ. Στόχοι μαθήματος για αυτή τη δραστηριότητα: Όλοι οι μαθητές θα μπορούν να εξηγήσουν τα δεδομένα που αναγράφονται θα μπορούν να κάνουν υπολογισμούς Οι περισσότεροι μαθητές μπορούν να επιλύσουν διάφορα προβλήματα θα μπορούν να πραγματοποιήσουν εργαστηριακές εργασίες Ορισμένοι μαθητές θα μπορούν να συγκρίνουν την αποτελεσματικότητα των διαφόρων πηγών θερμότητας και να δημιουργήσουν γραφικές παραστάσεις και ιστογράμματα. 1

2 Περιγραφή μαθήματος Κίνητρο Εξοπλισμός του σπιτιού του 21ου αιώνα. Πως θα ήταν η κουζίνα μας χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα; Κύρια δραστηριότητα Οι μαθητές εργάζονται με τις τιμές ενέργειας και μαθαίνουν την τιμή της ενέργειας με τη χρήση του Διαδικτύου. Οι μαθητές πραγματοποιούν εργαστηριακή εργασία. Τελική δραστηριότητα Οι μαθητές συζητούν την αποτελεσματικότητα της θέρμανσης υγρών σε διάφορους τύπους κουζίνες και μελετούν τη σταδιακή θέρμανση των υγρών χρησιμοποιώντας μια κάμερα θερμικής απεικόνισης. Κίνητρο 2

3 1. Συγκρίνετε τη κουζίνα στην εικόνα 1 και την κουζίνα στην εικόνα 2 2. Κάντε μια λίστα με τις συσκευές που έχετε στην κουζίνα. Καθορίστε ποιες από αυτές είναι εξοπλισμένες με ετικέτες ενέργειας. Δραστηριότητα 1: τι αναγράφεται στις ετικέτες ενέργειας του ψυγείου Η συσκευή έχει ταξινομηθεί με βάση το δείκτη απόδοσης. Χαρακτηρίζει την κατανάλωση ενέργειας ανά λίτρο της συσκευής σε σύγκριση με την παραγωγή. Η κατανάλωση προέρχεται κάτω από ιδανικές συνθήκες λειτουργίας- π.χ. η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι 20 C και το ψυγείο είναι γεμάτο κατά το 70%. Τα ψυγεία πλέον που κατασκευάζονται είναι ενεργειακής κλάσης Α ή υψηλότερη. Η ενεργειακή σήμανση α) Ψυγείο με καταψύκτη β) ψυγείο 3

4 Συγκρίνετε τα δύο αντικείμενα. Μάθετε περισσότερα για τιε ετικέτες ενέργεια στο Φυσική και κατανάλωση ενέργειας Η ποιότητα (απόδοση) των μηχανημάτων καθορίζετε από την αποτελεσματικότητά τους. Για να λειτουργήσει ένα μηχάνημα χρειάζεται περισσότερη παροχή ηλεκτρικού ρεύματος από ό, τι απαιτείται για την εκτέλεση των λειτουργιών του επειδή πρέπει να ξεπεράσει την επίδραση της αντίστασης των δυνάμεων. Η αποτελεσματικότητα της συσκευής προσδιορίζεται ως η αναλογία του παρεχόμενου ρεύματος (κατανάλωση) και της απόδοσης που παράγεται. 4

5 Η αποτελεσματικότητα είναι πάντα μικρότερη από το ένα και δίνεται σε ποσοστά. Παράδειγμα 1: Για να ζεστάνουμε 2 λίτρα νερού από 10 C έως 100 C χρειαζόμαστε ενέργεια J. Πόσο καιρό θα πάρει για να βράσει το νερό σε μια κατσαρόλα με κατανάλωση 2000 Watt και 85% απόδοση; Γράψτε: P p = 2000 W W = J = 0.85 =? s t 1 = 10 o C t 2 = 100 o C Αποδοτικότητα = ισχύς κατανάλωσης/ συνολική ισχύς Output P = W W...work (J),...time (s) W P W P p P p input (W), efficiency , = 353 s = 5.9 min (Πληροφορίες σχετικά με τη θερμοκρασία του νερού σε αυτό το παράδειγμα είναι περιττές). 5

6 Εργαστηριακή εργασία Αναγκαίος εξοπλισμός για αυτή τη δραστηριότητα: Επαγωγική κουζίνα, ηλεκτρική κουζίνα, ηλεκτρικός βραστήρας, κουζίνα υγραερίου, νερό, λάδι, κατσαρόλες, πυρέξ, προστατευτικός εξοπλισμός, χρονόμετρο, θερμόμετρο, σύστημα θερμικής απεικόνισης Εργασίες: 1. Συγκρίνετε την αποτελεσματικότητα της θέρμανσης μιας ορισμένης ποσότητας νερού σε διαφορετικούς τύπους κουζίνες. 2. Υπολογίστε σε CZK (σε ευρώ) το κόστος της ενέργειας που απαιτείται για τη θέρμανση. Πρόοδος των εργασιών: Δραστηριότητα 1 Συγκρίνετε την αποτελεσματικότητα της θέρμανσης μιας ορισμένης ποσότητας νερού σε διαφορετικούς τύπους κουζίνες. Η επιλεγμένη ποσότητα νερού που θα ζεσταθεί είναι 0,5 λίτρο = 500 ml α) 500 ml νερού Θερμαίνονται σταδιακά σε ένα συνηθισμένο δοχείο με καπάκι και στο ίδιο δοχείο χωρίς καπάκι πάνω σε μια σόμπα αερίου. β) ζεστάνετε στο ίδιο δοχείο 500 ml νερού πάνω σε μια ηλεκτρική κουζίνα - με και χωρίς καπάκι. γ) Σύγκριση του χρόνου βρασμού, με ή χωρίς το καπάκι για την ίδια πηγή θερμότητας. δ) Υπολογίστε την ενέργεια που καταναλώνεται σε κάθε περίπτωση. ε) Υπολογίστε την εξοικονόμηση ενέργειας σε περίπτωση χρήσης του καπάκι σε ποσοστά. στ) Υπολογίστε τις απαραίτητες ενεργειακές δαπάνες σε CZK (σε ευρώ). Δεδομένα που θα πρέπει να συμπεριλάβετε στο φύλλο εργασίας σας: Βάρος νερού - m (kg) Αρχική θερμοκρασία νερού - t 0 ( o C) Τελική θερμοκρασία νερού - t ( o C) Ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού - c = 4180 J kg K -1 Υπολογισμός της θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού - Q (J) Q = mc (t - t 0 ) (φόρμουλα, αποτέλεσμα) Ενεργειακή δύναμη της κουζίνας - P 0 (αξία που αναγράφεται στη συσκευή) (W) Χρόνος - (s) 6

7 Υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που παρέχεται κατά τη διάρκεια της θέρμανσης - = P 0 (J) W (φόρμουλα, αποτέλεσμα) Υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται - (%) = (Q / W) 100% Επιπλέον δραστηριότητα: Μετρήστε την αύξηση της θερμοκρασίας σε σταθερά χρονικά διαστήματα (π.χ., μετά από 30 δευτερόλεπτα). Συμπληρώστε το πίνακα με τη θερμοκρασία που μετρήσατε και σχεδιάστε μια γραφική παράσταση για την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού με την πάροδο του χρόνου. Χρόνος (s) Θερμοκρασία νερού ( o C) Γραφική παράσταση (χρησιμοποιήστε την Excel) Παραδείγματα τιμών: Μέτρηση της απόδοσης των ηλεκτρικών κουζινών Βάρος νερού - m Αρχική θερμοκρασία νερού t o Τελική θερμοκρασία νερού - t 90 C 0.55 kg 25 C Ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού - c 4180 J kg K -1 Υπολογισμός της θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού - Q (φόρμουλα, αποτέλεσμα) Q = mc (t - t 0 ) J Επαγωγική Εστία P o Χρόνος s 2200 W 7

8 Υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που παρέχεται κατά τη διάρκεια της θέρμανσης - E W = P J (φόρμουλα, αποτέλεσμα) Υπολογισμός της απόδοσης της κουζίνας - (φόρμουλα, αποτέλεσμα) = (Q / W) 100% 53% Δραστηριότητα 2: Υπολογίστε σε CZK το κόστος της ενέργειας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού Πρόοδος των εργασιών: Βρείτε την τιμή της μονάδας φυσικού αερίου και της ηλεκτρικής ενέργειας στο διαδίκτυο. Για παράδειγμα: Τιμή φυσικού Αερίου - τιμή ανά μονάδα 11,00 CZK / m3 Τιμή ηλεκτρισμού - τιμή ανά μονάδα 3,50 CZK / kwh Συνοψίστε τα αποτέλεσμα των 2 εργασιών. Συγκρίνετε τη τιμή της ενέργειας. Δραστηριότητα 3 Συνοψίστε τα ευρήματά σας σε ένα πίνακα Φυσικό αέριο Κατσαρόλα με (χωρίς) καπάκι: Χρόνος θέρμανσης Ενέργεια που απαιτείται για να ζεσταθεί το νερό στο σημείο βρασμού Το κόστος της ενέργειας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού στο σημείο βρασμού. Εξοικονόμηση για θέρμανση νερού μέχρι το σημείο βρασμού με το καπάκι Εξοικονόμηση για τη θέρμανση νερού στο σημείο βρασμού με το καπάκι - ποσοστό Ηλεκτρισμός Κατσαρόλα με (χωρίς) καπάκι: Χρόνος θέρμανσης Ενέργεια που απαιτείται για να ζεσταθεί το νερό στο σημείο βρασμού Το κόστος της ενέργειας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού στο σημείο βρασμού 8

9 Εξοικονόμηση για θέρμανση νερού μέχρι το σημείο βρασμού με το καπάκι Εξοικονόμηση για τη θέρμανση νερού στο σημείο βρασμού με το καπάκι - ποσοστό Επαγωγική εστία Κατσαρόλα με (χωρίς) καπάκι: Χρόνος θέρμανσης Ενέργεια που απαιτείται για να ζεσταθεί το νερό στο σημείο βρασμού Το κόστος της ενέργειας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού στο σημείο βρασμού. Εξοικονόμηση για θέρμανση νερού μέχρι το σημείο βρασμού με το καπάκι Εξοικονόμηση για τη θέρμανση νερού στο σημείο βρασμού με το καπάκι ποσοστό. Παράδειγμα - πίνακας δεδομένων Φυσικό αέριο αριθμητική τιμή της μονάδας Κατσαρόλα με καπάκι: Χρόνος θέρμανσης 245 s Ενέργεια που απαιτείται για να ζεσταθεί το νερό στο σημείο βρασμού m 3 Το κόστος της ενέργειας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού στο σημείο βρασμού 0.13 CZK Κατσαρόλα χωρίς καπάκι Χρόνος θέρμανσης 285 s Ενέργεια που απαιτείται για να ζεσταθεί το νερό στο σημείο βρασμού m 3 Το κόστος της ενέργειας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού στο σημείο βρασμού 0.15 CZK Εξοικονόμηση για θέρμανση μέχρι το σημείο με το καπάκι 0.02 CZK 9

10 Εξοικονόμηση για θέρμανση μέχρι το σημείο με το καπάκι-ποσοστό 16.7% Ηλεκτρισμός Κατσαρόλα με καπάκι Χρόνος θέρμανσης 360 s Ενέργεια που απαιτείται για να ζεσταθεί το νερό στο σημείο βρασμού 0, 19 kwh Το κόστος της ενέργειας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού στο σημείο βρασμού 0.67 CZK Κατσαρόλα χωρίς καπάκι : Χρόνος θέρμανσης 375 s Ενέργεια που απαιτείται για να ζεσταθεί το νερό στο σημείο βρασμού 0.21 kwh Το κόστος της ενέργειας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού στο σημείο βρασμού 0.74 CZK Εξοικονόμηση για θέρμανση μέχρι το σημείο με το καπάκι 0.07 CZK Εξοικονόμηση για θέρμανση μέχρι το σημείο με το καπάκι-ποσοστό 10.5% Σύγκριση της αποτελεσματικότητας των διαφόρων τύπων κουζίνας: Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τη αποδοτικότητα των διαφόρων τύπων κουζίνας που χρησιμοποιούνται για το βράσιμο 1,9 λίτρα νερού από τη θερμοκρασία 20 o C μέχρι το σημείο βρασμού. 10

11 Τεχνολογία Χρόνος βρασμού Ενέργεια Απόδοση Επαγωγική εστία 4 λεπτά 46 δευτερόλεπτα 745 kj 83 μέχρι 90 % Ηλεκτρική κουζίνα 9 λεπτά 0 δευτερόλεπτα 1120 kj 45 % Φυσικό αέριο 6 λεπτά 2 δευτερόλεπτα 1220 kj 55 % Σημείωση: Στον πίνακα αναγράφεται μόνο η αποτελεσματικότητα της ίδιας της κουζίνας. Η αποτελεσματικότητα του συστήματος μεταφοράς και διανομής φυσικού αερίου και ηλεκτρικής ενέργειας δεν έχει συμπεριληφθεί ( Συζήτηση: 1. Περιγράψτε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της κάθε κουζίνα που χρησιμοποιούνται στις δραστηριότητες σας. 2. Προσπαθήστε να δημιουργήσετε όσες περιπτώσεις είναι δυνατόν στις οποίες μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τα δεδομένα από τον πίνακα. 3. Δημιουργήστε κατάλληλες γραφικές παραστάσεις (ιστογράμματα), στις οποίες θα είναι σαφής οι τύποι της κουζίνας και ποιοι συνιστώνται για χρήση τους στο νοικοκυριό λόγω της αποτελεσματικότητάς τους. 4. Ετοιμάστε μια αφίσα ή μια παρουσίαση σε power point με τα αποτελέσματα των μετρήσεων σας. Επιπλέον Δραστηριότητα Μελετήστε τη διαδικασία θέρμανσης του νερού σε μια ηλεκτρική κουζίνα και σε μια επαγωγική εστία. Τι παρατηρείτε; Σε τι συμπέρασμα καταλήγετε; 11

12 Μελετήστε τις παρακάτω εικόνες. Η εικόνα α) δείχνει τη θέρμανση μια κατσαρόλα με νερό σε μια επαγωγική εστία, η εικόνα β) στην ηλεκτρική κουζίνα. Μελετήστε τη διαδικασία βρασίματος λαδιού κάτω από τις ίδιες συνθήκες. Συζητήστε τις παρατηρήσεις σας. 12

13 Φύλλο εργασίας Ηλεκτρική κουζίνα Κατσαρόλα καπάκι με Κατσαρόλα χωρίς καπάκι Βάρος νερού - m (kg) Αρχική θερμοκρασία νερού - t 0 ( o C) Τελική θερμοκρασία νερού - t ( o C) Θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού - Q (J) Απόδοση της κουζίνας - P 0 (ενεργειακή ετικέτα) (W) Χρόνος - (s) Υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που παρέχεται κατά τη διάρκεια της θέρμανσης - W = P 0 (J) Υπολογισμός της απόδοσης της κουζίνας - (%) Ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού - c = 4180 J kg K -1 Υπολογισμός της θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού- Q (J) Q = mc (t - t 0 ) Υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που παρέχεται κατά τη διάρκεια της θέρμανσης - = P 0 (J) W Υπολογισμός της απόδοσης της κουζίνας - (%) = (Q / W) 100% Εστία Φυσικού αερίου Κατσαρόλα καπάκι με Κατσαρόλα χωρίς καπάκι Βάρος νερού - m (kg) Αρχική θερμοκρασία νερού - t 0 ( o C) 13

14 Τελική θερμοκρασία νερού - t ( o C) Θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού - Q (J) Απόδοση της κουζίνας - P 0 (ενεργειακή ετικέτα) (W) Χρόνος - (s) Υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που παρέχεται κατά τη διάρκεια της θέρμανσης - W = P 0 (J) Υπολογισμός της απόδοσης της κουζίνας - (%) Επαγωγική εστία Κατσαρόλα καπάκι με Κατσαρόλα χωρίς καπάκι Βάρος νερού - m (kg) Αρχική θερμοκρασία νερού - t 0 ( o C) Τελική θερμοκρασία νερού - t ( o C) Θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού - Q (J) Απόδοση της κουζίνας - P 0 (ενεργειακή ετικέτα) (W) Χρόνος - (s) Υπολογισμός της συνολικής ενέργειας που παρέχεται κατά τη διάρκεια της θέρμανσης - W = P 0 (J) Υπολογισμός της απόδοσης της κουζίνας - (%) 14