Από το ποτήρι με το βραστό νερό, που είχε υψηλή θερμοκρασία, έφυγε θερμότητα προς τον αέρα (περιβάλλον) και έτσι η θερμοκρασία του ελαττώθηκε.

Transcript

1 Προηγείται η εικόνα Β, αφού σε αυτή στο ένα ποτήρι έχουμε νερό που βράζει και στο άλλο νερό με παγάκια που μετά από λίγη ώρα, όπως φαίνεται στην εικόνα Α, το πρώτο κρύωσε και στο δεύτερο έλιωσαν τα παγάκια. Από το ποτήρι με το βραστό νερό, που είχε υψηλή θερμοκρασία, έφυγε θερμότητα προς τον αέρα (περιβάλλον) και έτσι η θερμοκρασία του ελαττώθηκε.

2 Στο ποτήρι με τα παγάκια, που είχε χαμηλή θερμοκρασία, ήρθε θερμότητα από τον αέρα (περιβάλλον) και έτσι έλιωσαν οι πάγοι και η θερμοκρασία του αυξήθηκε. Δύο θερμόμετρα, ένα μεγάλο πλαστικό ποτήρι (καλύτερα να είναι από φελιζόλ διογκωμένη πολυστερίνη, EPS) και ένα μικρό πλαστικό ποτηράκι η κάθε ομάδα, 2 μπρίκια και 2 συσκευές υγραερίου (γκαζάκια) για όλη την τάξη. Βάλτε στο μεγάλο ποτήρι μια ποσότητα νερού, περίπου ίση με μισό μικρό ποτηράκι. Ο καθηγητής θα θερμάνει νερό στα μπρίκια και θα σας το δώσει στα μικρά ποτηράκια. ΠΡΟΣΟΧΗ: Η θερμοκρασία του θα είναι περίπου 70 C και θα πρέπει να το χειρίζεστε με προσοχή. Τοποθετήστε το μικρό ποτηράκι μέσα στο μεγάλο. Τοποθετήστε τα δύο θερμόμετρα έτσι ώστε το ένα να μετράει τη θερμοκρασία του νερού στο μεγάλο ποτήρι και το άλλο στο μικρό. Να ανακατεύετε συνέχεια και ελαφριά το νερό και στα δύο ποτήρια με τα θερμόμετρα. Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα με τις θερμοκρασίες που δείχνουν τα δύο θερμόμετρα κάθε μισό λεπτό. Από κάποια μέτρηση και μετά θα διαπιστώσετε πως τα δύο θερμόμετρα θα δείχνουν την ίδια θερμοκρασία. Πάρτε 2-3 ακόμη μετρήσεις και μετά σταματήστε. Χρόνος Θ 1 (μεγ. Θ 2 (μικρό Χρόνος Θ 1 (μεγ. Θ 2 (μικρό (min) ποτήρι) ποτήρι) (min) ποτήρι) ποτήρι)

3 Θερμοκρασία ( C) Χρόνος (min) Θ1 (μεγάλο ποτήρι) Θ2 (μικρό ποτήρι) Η θερμοκρασία στο μικρό ποτήρι (η υψηλή) διαρκώς μειώνεται και στο μεγάλο (η χαμηλή) συνεχώς αυξάνεται μέχρι που από κάποια στιγμή και μετά γίνονται ίσες. Στην αρχή η αλλαγή στη θερμοκρασία και στα δύο ποτήρια είναι πιο γρήγορη και όσο περνάει ο χρόνος γίνεται πιο αργή. Στο τέλος η θερμοκρασία και στα δύο ποτήρια μειώνεται αργά (τείνει προς τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος). Όταν δύο σώματα, όπως τα δύο ποτήρια που περιέχουν νερό, με διαφορετική θερμοκρασία έρχονται σε επαφή (δηλαδή ακουμπάει το ένα το άλλο) τότε θερμική ενέργεια από αυτό που έχει υψηλότερη θερμοκρασία ρέει προς αυτό με τη χαμηλότερη. Έτσι, το ζεστό σιγά-σιγά κρυώνει και το κρύο σιγά-σιγά ζεσταίνεται. Όταν οι θερμοκρασίες των δύο σωμάτων γίνουν ίσες τότε φαίνεται πως σταματάει να ρέει η θερμική ενέργεια και η θερμοκρασίες των δύο σωμάτων παραμένουν οι ίδιες. Αυτή την κατάσταση την ονομάζουμε θερμική ισορροπία. Σημ. Στην πραγματικότητα, στη θερμική ισορροπία, δεν σταματάει εντελώς η ροή της θερμικής ενέργειας, αλλά όση θερμότητα ρέει από το ένα σώμα στο άλλο, τόση ρέει και αντίστροφα.

4 Το φαινόμενο της ροής θερμότητας και της θερμικής ισορροπίας το παρατηρούμε συνέχεια. Έτσι, για να μαγειρέψουμε το φαί, βάζουμε την κατσαρόλα πάνω στο ζεστό «μάτι» της ηλεκτρικής κουζίνας και θερμότητα μεταφέρεται προς την κατσαρόλα και από εκεί προς το φαγητό που μαγειρεύουμε (δείτε την προσομοίωση παρακάτω). Στο ψυγείο γίνεται το αντίστροφο. Θερμότητα από τα ζεστά τρόφιμα που βάζουμε στα ράφια του, μεταφέρεται πρώτα στον κρύο αέρα του ψυγείου. Αυτός ζεσταίνεται και μεταφέρει τη θερμότητά του προς τα τοιχώματα του ψυγείου που είναι πιο κρύα. Για να ζεσταθούμε το χειμώνα λειτουργούν τα καλοριφέρ στα σπίτια μας. Μέσα σε αυτά κυκλοφορεί ζεστό νερό που μεταφέρει τη θερμότητά του στον αέρα των δωματίων. Έτσι το νερό κρυώνει και μετά ξαναζεσταίνεται στον καυστήρα για να συνεχίσει τον ίδιο κύκλο συνέχεια. Ο αέρας των δωματίων ζεσταίνεται. Για να δροσιστούμε το καλοκαίρι χρησιμοποιούμε τα κλιματιστικά. Σε αυτά, ο αέρας του δωματίου περνάει από μέσα τους, που έχουν χαμηλότερη θερμοκρασία. Έτσι, θερμότητα από τον αέρα μεταφέρεται στο κλιματιστικό (και από εκεί στον εξωτερικό χώρο του δωματίου με κάποιο διαφορετικό μηχανισμό). Τον χειμώνα συμβαίνει το αντίστροφο. Στα αυτοκίνητα, επειδή η μηχανή τους ζεσταίνεται πολύ, υπάρχει ένα υγρό που κυκλοφορεί σε ειδικές σωληνώσεις μέσα τη μηχανή και μετά περνάει από το «ψυγείο» του αυτοκινήτου. Το υγρό αυτό στη μηχανή, που αρχικά είναι πιο κρύο από τη μηχανή, ζεσταίνεται (θερμότητα ρέει από τη μηχανή στο υγρό) και μετά στο «ψυγείο» κρυώνει (θερμότητα από το υγρό μεταφέρεται στον πιο κρύο αέρα του περιβάλλοντος). Τα μόρια (ή καλύτερα οι δομικοί λίθοι) των σωμάτων βρίσκονται σε διαρκή κίνηση. Εξαιτίας αυτής της κίνησης έχουν ενέργεια που λέγεται θερμική ενέργεια. Ο μέσος όρος της ενέργειας όλων των μορίων καθορίζει την θερμοκρασία του σώματος. Άρα όσο αυξάνεται η θερμοκρασία του, τόσο αυξάνεται η κίνηση των μορίων του και επομένως και η θερμική του ενέργεια. Μπορείτε να δείτε μια προσομοίωση δοκιμάζοντας να αλλάξετε και τη θερμοκρασία για ένα στερεό σώμα κάνοντας κλικ στη διπλανή εικόνα. Φυσικά το ίδιο συμβαίνει και στα υγρά και στα αέρια σώματα, μόνο που σε αυτά οι θέσεις των μορίων δεν είναι τόσο συγκεκριμένες. Όταν δύο σώματα έρχονται σε επαφή, αυτή η κίνηση (η θερμική ενέργεια δηλαδή), μεταφέρεται από το ένα σώμα στο άλλο. Έτσι στο πρώτο σώμα ελαττώνεται η κίνηση, άρα και η θερμοκρασία του, ενώ στο δεύτερο αυξάνεται η κίνηση, άρα και η θερμοκρασία του. Μπορείτε να δείτε μια προσομοίωση κάνοντας κλικ στη διπλανή εικόνα. Αφού εμφανισθεί η προσομοίωση πατήστε πάνω στον διακόπτη του ηλεκτρικού ματιού για να ξεκινήσει η θέρμανσή του.

5 Θερμοκρασία ( C) Συζήτηση Ποσότητες των δύο υγρών Από το διάγραμμα μπορούμε να πάρουμε κι άλλες πληροφορίες πέρα από τη γρήγορη και οπτική αναπαράσταση για τη θερμική ισορροπία. Για παράδειγμα ας δούμε το παρακάτω διάγραμμα Χρόνος (min) Θ1 (μεγάλο ποτήρι) Θ2 (μικρό ποτήρι) Σε αυτό, βλέπουμε πως η τελική θερμοκρασία (που έχουμε τη θερμική ισορροπία) βρίσκεται πιο κοντά στη θερμοκρασία του κρύου νερού (δείτε τα βέλη). Δηλαδή, η αύξηση της θερμοκρασίας του ήταν 13 C (από τους 23 C ανέβηκε στους 36 C) ενώ η μείωση της θερμοκρασίας του ζεστού νερού ήταν 29 C (από τους 65 C κατέβηκε στους 36 C). Αυτό συνέβη γιατί η ποσότητα του κρύου νερού ήταν μεγαλύτερη από αυτή του ζεστού. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα, ήταν περίπου διπλάσια. Άρα μπορούμε να βρούμε και τις ποσότητες των δύο υγρών, ή καλύτερα το λόγο των ποσοτήτων τους (δηλαδή το πηλίκο, όπου με το σύμβολο m εννοούμε τη μάζα του νερού, κρύου και ζεστού).

6 Θερμοκρασία ( C) Λάθη και διορθώσεις Για να σχεδιάσουμε ένα διάγραμμα, αυτό που κάνουμε είναι να σημειώσουμε πρώτα τα σημεία και μετά να τραβήξουμε μια ομαλή γραμμή που να περνάει πάνω ή πολύ κοντά από όλα τα σημεία. Όταν κάποια από αυτά βγαίνουν πολύ έξω από τη γραμμή, τότε υποθέτουμε πως οφείλονται σε λάθη. Έτσι, μπορούμε να βρούμε και τα τυχόν λάθη που κάναμε στις μετρήσεις μας. Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνονται 4 τέτοια λάθη. Φυσικά είναι μάλλον απίθανο να κάνουμε στο ίδιο σύνολο μετρήσεων και σχεδίασης διαγράμματος όλα τα λάθη μαζί, αλλά ας υποθέσουμε πως έχουμε κάνει μόνο ένα από αυτά Χρόνος (min) Λάθος 1 Λάθος 31 Θ1 (μεγάλο ποτήρι) Θ2 (μικρό ποτήρι) Λάθος 2 Λάθος Λάθος 1. Από ο,τι φαίνεται η θερμοκρασία που σημειώσαμε είναι πολύ χαμηλή σε σχέση με αυτή που θα περιμέναμε (περίπου κατά 18 C). Μια πιθανή αιτία για αυτό το λάθος, αφού πρόκειται και για την πρώτη μέτρηση, είναι να μην είχαμε αφήσει το θερμόμετρο μέσα στο νερό αρκετή ώρα ώστε να σταθεροποιηθεί η ένδειξή του. Πήραμε δηλαδή βιαστική μέτρηση. Μια δεύτερη, λιγότερο πιθανή, αιτία είναι όπως αναφέρεται στο Λάθος 4. Λάθος 2. Βλέπουμε πως το σημείο βρίσκεται κατά 10 C ψηλότερα από τη γραμμή. Μια πιθανή αιτία για αυτό, είναι η λάθος ανάγνωση του θερμομέτρου. Θα μπορούσε να είναι η διαφορά 5 C, καθώς στα θερμόμετρα η γραμμή του «5» είναι λίγο μεγαλύτερη από αυτές για τους βαθμούς και λίγο μικρότερη από αυτή των δεκάδων. Λάθος 3. Εδώ βλέπουμε πως η θερμοκρασία που σημειώσαμε για το κρύο νερό ταιριάζει με αυτή που περιμένουμε για το ζεστό και αντίστροφα. Η πιο πιθανή αιτία για αυτό το λάθος είναι ο «καταγραφέας» μας να σημείωσε τις θερμοκρασίες σε λάθος στήλες. Λάθος 4. Εδώ βλέπουμε πως η διαφορά είναι αρκετά μεγάλη και προς τα κάτω (δηλαδή προς τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος). Η πιο πιθανή αιτία για αυτό το λάθος είναι ο «θερμομέτρης» μας να μην πρόσεχε τη θέση του θερμομέτρου και αυτό να βγήκε για λίγο μέσα από το νερό. Από όλα τα παραπάνω λάθη, μπορούμε να διορθώσουμε με αρκετή βεβαιότητα το Λάθος 3 και με μικρότερη το Λάθος 2. Για τα άλλα δύο λάθη δεν μπορούμε να κάνουμε και πολλά, παρά μόνο να παραλείψουμε τη σχεδίαση των σημείων στο διάγραμμα.