Φύλλο Εργασίας 8 Το Φως Θερμαίνει "Ψυχρά" και "Θερμά" Χρώματα α. Παρατηρώ, Πληροφορούμαι, Ενδιαφέρομαι Παρατήρησε τη διπλανή εικόνα και γράψε σε ποια σημεία προτιμούν οι άνθρωποι να κάθονται στην παραλία το καλοκαίρι. Το καλοκαίρι οι άνθρωποι προτιμούν να κάθονται στην παραλία κάτω από την σκιά των ομπρέλων με άσπρο ή ανοικτό χρώμα. Σχολίασε την πτώση του Ίκαρου κατά το μυθολογικό ταξίδι του με τον πατέρα του Δαίδαλο. Ο Ίκαρος έπεσε επειδή ανεβαίνοντας ψηλά πλησίασε στον ήλιο και έλιωσε το κερί που συγκρατούσε τα φτερά του. Παρατήρησε επίσης τις παρακάτω εικόνες και γράψε με λίγα λόγια τι σου κάνει εντύπωση για το χρώμα των ρούχων που προτιμούν να φορούν οι άνθρωποι σε θερμές και ψυχρές χώρες. Στις θερμές χώρες οι άνθρωποι προτιμούν τα ανοιχτόχρωμα ρούχα (όπως το λευκό) και στις ψυχρές χώρες προτιμούν τα σκούρα ρούχα όπως το μαύρο β. Συζητώ, Αναρωτιέμαι, Υποθέτω Συζήτησε με τους συμμαθητές σου και γράψε τις υποθέσεις σου για τις αιτίες στις οποίες οφείλονται οι παραπάνω επιλογές των ανθρώπων. Στην παραλία αποφεύγουν την ηλιακή ακτινοβολία και την ζέστη. όσο πιο κοντά στον ήλιο είναι ένα σώμα τόσο περισσότερο ζεσταίνεται. Είναι γνωστό ότι τα ανοικτά χρώματα αποροφούν λιγότερο και ανακλούν περισσότερο το φώς του ήλιου, ενώ τα σκούρα αποροφούν περισσότερο και ανακλούν λιγότερο το φως του ήλιου. Ο ήλιος είναι πηγή φωτός και θερμότητας. [1]
γ. Ενεργώ, Πειραματίζομαι Για τη διεξαγωγή των πειραμάτων, προτιμάται και προτείνεται η χρήση άμεσου ηλιακού φωτός, όταν οι συνθήκες το επιτρέπουν. Εναλλακτικά προτείνεται ηλεκτρικός λαμπτήρας πυράκτωσης, ο οποίος αποδίδει πολύ περισσότερη θερμότητα απ ό,τι οι λαμπτήρες φθορισμού ή LED. Υλικά / Όργανα: 2 θερμόμετρα οινοπνεύματος, πορτατίφ με ηλεκτρικό λαμπτήρα πυράκτωσης, λευκή αυτοκόλλητη ταινία, μαύρη αυτοκόλλητη ταινία συγκέντρωσε τα παρακάτω υλικά. Πείραμα 1 Βάλε ένα θερμόμετρο κάτω από ένα πορτατίφ με ηλεκτρικό λαμπτήρα πυράκτωσης που είναι σβηστός. Μέτρησε τη θερμοκρασία και σημείωσέ τη στον πίνακα. Στη συνέχεια άναψε τον λαμπτήρα,μέτρησε τη θερμοκρασία μετά απόμερικά λεπτά και σημείωσέ τη στον πίνακα. μέτρηση θερμοκρασίας (σε 0 C) θερμόμετρο κάτω από σβηστό λαμπτήρα 23 θερμόμετρο κάτω από αναμμένο λαμπτήρα 27 Παρατηρούμε ότι το θερμόμετρο κάτω από τον αναμμένο λαμπτήρα έχει υψηλότερη θερμοκρασία κατά 4 0 C σε σχέση με τον σβηστό λαμπτήρα. Κάλυψε τo δοχείο οινοπνεύματος του ενός θερμομέτρου με ένα κομμάτι λευκής αυτοκόλλητης ταινίας. Κάλυψε επίσης το δοχείο του άλλου θερμομέτρου με ένα κομμάτι μαύρης αυτοκόλλητης ταινίας το οποίο να έχει ίδιες διαστάσεις με το κομμάτι της λευκής. Βάλε και τα δύο θερμόμετρα κοντά το ένα στο άλλο, κάτω από το πορτατίφ με σβηστό το λαμπτήρα του. Μέτρησε και σημείωσε στον πίνακα τις θερμοκρασίες που δείχνουν τα δύο θερμόμετρα. Στη συνέχεια άναψε τον λαμπτήρα του πορτατίφ. Μετά από 4-5 λεπτά, μέτρησε τις θερμοκρασίες των δύο θερμομέτρων και σημείωσέ τες στον πίνακα. Σύγκρινε τις θερμοκρασίες. Τι παρατηρείς; [2]
Παρατηρούμε ότι στο θερμόμετρο με την μαύρη ταινία αυξάνεται η θερμοκρασία περισσότερο από αυτό με την λευκή ταινία. Επανάλαβε το πείραμα μερικές φορές καλύπτοντας το δεύτερο θερμόμετρο με αυτοκόλλητα διαφόρων σκούρων χρωμάτων. Τι παρατηρείς; Επαναλαμβάνοντας το πείραμα με αυτοκόλλητα διαφόρων σκούρων χρωμάτων παρατηρείται ότι όσο πιο σκούρα είναι η επιφάνεια του αυτοκόλλητου, τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία του θερμομέτρου. δ. Συμπεραίνω, Καταγράφω Γράψε τα συμπεράσματά σου από τις παρατηρήσεις των δύο παραπάνω πειραμάτων: 1) Από το πρώτο πείραμα το συμπέρασμα είναι ότι το φώς μεταφέρει θερμική ενέργεια στα σώματα που φωτίζει και για τον λόγο αυτό αυξάνεται η θερμοκρασία τους. 2) Από το δεύτερο πείραμα το συμπέρασμα είναι ότι το μαύρο χρώμα αποροφά περισσότερο το φως από ότι το λευκό. ε. Εφαρμόζω, Εξηγώ, Γενικεύω Αρχική μέτρηση θερμοκρασίας (σε 0C) Μέτρηση θερμοκρασίας μετά από 5 λεπτά (σε 0 C) θερμόμετρο με λευκή ταινία 23 27 θερμόμετρο με μαύρη ταινία 23 29 Εφάρμοσε τα συμπεράσματά σου για να εξηγήσεις ό,τι έχεις παρατηρήσει στις αρχικές εικόνες του φύλλου εργασίας. 1 η εικόνα: Οι ομπρέλες στην παραλία κατασκευάζονται από ανοιχτά χρώματα για να έχουν μικρή απορροφητικότητα και μεγάλη ανακλαστικότητα. 2 η εικόνα: Το φώς του ήλιου μεταφέρει θερμική ενέργεια και μάλιστα όσο πλησιάζουμε τον ήλιο τόσο αυτή είναι περισσότερη. 3 η εικόνα: Στις ψυχρές χώρες οι άνθρωποι για τα ρούχα και τις κατοικίες προτιμούν τα σκούρα χρώματα, ενώ αντίθετα στις θερμές χώρες προτιμούν τα ανοικτά χρώματα. [3]
Εξήγησε τώρα ποια χρώματα ονομάσαμε "θερμά" ή "ψυχρά" και γιατί. θερμά ονομάζουμε τα σκούρα χρώματα γιατί απορροφούν μεγαλύτερα ποσά θερμικής ενέργειας από το φώς και θερμαίνονται περισσότερο σε αντίθεση με τα ανοιχτά χρώματα που τα ονομάζουμε ψυχρά. Παρατηρώντας την παρακάτω εικόνα, γενίκευσε τα συμπεράσματά σου, για να εξηγήσεις επίσης γιατί είναι πιο ασφαλές τη νύχτα να κυκλοφορούμε στο δρόμο με ανοιχτόχρωμα και όχι σκουρόχρωμα ρούχα. Στο δρόμο το βράδυ για την ασφάλεια μας καλό είναι να κυκλοφορούμε με ανοιχτά χρώματα γιατί ανακλούν το φώς και εύκολα μας βλέπουν οι οδηγοί. Εξήγησε με τα συμπεράσματά σου: α) το χρώμα που έχει η επίπεδη επιφάνεια του ηλιακού θερμοσίφωνα Η επίπεδη επιφάνεια του ηλιακού θερμοσίφωνα είναι σκουρόχρωμη για να έχει μεγαλύτερη αποροφητικότητα θερμικής ενέργειας του ηλιακού φωτός. β) το χρώμα των σπιτιών στα ελληνικά νησιά και τα χρώματα που επιλέγουν να βάφουν τα σπίτια στις βόρειες χώρες Τα σπίτια στα Ελληνικά νησιά τα βάφουν με ανοιχτά χρώματα για να είναι δροσερά, ενώ στις βόρειες χώρες με σκούρα χρώματα για να απορροφούν όσο περισσότερο γίνεται την ηλιακή ακτινοβολία. Ποια νομίζεις ότι είναι η χρησιμότητα των ηλιο-θερμο-μεταβλητών χρωμάτων κτιρίων της σύγχρονης τεχνολογίας; Αναζήτησε πληροφορίες για αυτά και σχολίασέ τα με ενεργειακά κριτήρια. Ηλιο-θερμο-μεταβλητά χρώματα είναι αυτά που ανάλογα με την θερμοκρασία αλλάζουν το χρώμα τους στην ίδια απόχρωση αλλά προς το σκούρο ή προς το ανοιχτό. Το πλεονέκτημα τους είναι η εξοικονόμηση ενέργειας μειώνοντας τις ανάγκες για θέρμανση ή ψύξη ενώ το μειονέκτημά τους είναι το μεγάλο κόστος και η μικρή αντοχή. [4]
Ιδιοκατασκευή / Πειραματισμός Με εφαρμογή των συμπερασμάτων σας και τη βοήθεια του/της καθηγητή/τριάς σου, συνεργάσου με τους συμμαθητές σου για να κατασκευάσετε έναν απλό ηλιακό θερμοσίφωνα είτε στο πλαίσιο αυτής της θεματικής ενότητας είτε μετά την ολοκλήρωση των μαθημάτων. Στη συνέχεια, θα δοκιμάσετε τη λειτουργία του στον ήλιο. Συγκεντρώστε τα παρακάτω υλικά και όργανα και παρατηρήστε τα στιγμιότυπα ή παρακολουθήστε εικονοσκοπημένη την κατασκευή στον διαδικτυακό τόπο http://microkosmos. uoa.gr (= το Υλικό / Λογισμικό). Στην εικονοσκοπημένη κατασκευή του ηλιακού θερμοσίφωνα οι μετρήσεις της θερμοκρασίας σε διάφορα σημεία του γίνονται με τη βοήθεια αισθητήρων σε διασύνδεση με ηλεκτρονικό υπολογιστή. Εσείς μπορείτε να χρησιμοποιήσετε, αντί αισθητήρων, θερμόμετρα. Προτείνεται και μια δεύτερη, εναλλακτική, ιδιοκατασκευή, εικόνες της οποίας φαίνονται παρακάτω. Οδηγίες για αυτήν είναι επίσης αναρτημένες στον ίδιο διαδικτυακό τόπο. [5]
Με βάση τα συμπεράσματά σου στα οποία κατέληξες με τον προηγούμενο πειραματισμό, σχολίασε με τους συμμαθητές σου τις κατασκευές αυτές και τη λειτουργία τους. Οι ηλιακοί θερμοσίφωνες Αποτελούνται από δύο βασικά μέρη : 1. Ένα ηλιακό συλλέκτη μία σκουρόχρωμη επιφάνεια με τζάμι και σωλήνες χαλκού ή πλαστικού ή από λάστιχο 2. Ένα δοχείο με κρύο νερό. Η λειτουργεία τους βασίζεται στο φαινόμενο του θερμοκηπίου που αναπτύσσεται στο χώρο ανάμεσα στην πλάκα απορρόφησης και στην γυάλινη επικάλυψη. Ο ηλιακός θερμοσίφωνας φυσικής κυκλοφορίας κατά την λειτουργεία του εκμεταλλεύεται το φυσικό φαινόμενο της ροής των ρευστών λόγω διαφοράς θερμοκρασίας. Η συνολική απόδοση του ηλιακού θερμοσίφωνα εξαρτάται από το μέγεθος και την ποιότητα της συλλεκτικής επιφάνειας,του μεγέθους του θερμοδοχείου,την θερμοκρασία περιβάλλοντος,την νεφοκάλυψη και την μόνωση του συστήματος. [6]