Φύλλο Εργασίας 5 Από τη Θερμότητα στη Θερμοκρασία Η Θερμική Ισορροπία α. Παρατηρώ, Πληροφορούμαι, Ενδιαφέρομαι Στο βιβλίο των φυσικών του δημοτικού σχολείου της Ε τάξης υπάρχει η παρακάτω αναφορά στη Θερμοκρασία και τη Θερμότητα. Στο δημοτικό σχολείο τις αντιμετωπίσαμε ως "έννοιες", στο γυμνάσιο τις μετράμε ως "φυσικά μεγέθη".. Με βάση τα παραπάνω, παρατήρησε τις εικόνες που ακολουθούν και είναι τοποθετημένες τυχαία και όχι κατά χρονολογική σειρά. Α Β Βρες ποια εικόνα προηγείται χρονολογικά, η Α ή η Β; Χρονολογικά προηγείται η Β εικόνα και αυτό φαίνεται από το αριστερό ποτήρι που στην εικόνα Β βγάζει υδρατμούς ενώ στην εικόνα Α έχει αποκτήσει την θερμοκρασία περιβάλλοντος και δεν βγάζει πια υδρατμούς (όμοια από το δεξιό ποτήρι φαίνεται ότι στην εικόνα Β έχει παγάκια ενώ στην εοκόνα Α έχουν λιώσει). [1]
β. Συζητώ, Αναρωτιέμαι, Υποθέτω Συζήτησε με τους συμμαθητές σου τα παραπάνω φαινόμενα και τη σχέση θερμοκρασίας - θερμότητας. Γράψε τις υποθέσεις σου για αυτά τα φαινόμενα, τις αιτίες τους, την εξέλιξή τους και τα αποτελέσματά τους. Παρατηρούμε ότι όταν ένα σώμα παίρνει θερμότητα αυξάνεται η θερμοκρασία του, ενώ όταν χάνει θερμότητα μειώνεται η θερμοκρασία του. Η Θερμοκρασία και η Θερμότητα είναι δύο διαφορετικές έννοιες. Η θερμότητα είναι ενέργεια που ρέει πάντοτε από τα σώματα με υψηλότερη θερμοκρασία προς τα σώματα με χαμηλότερη θερμοκρασία, ενώ η θερμοκρασία μας δείχνει πόσο θερμό ή ψυχρό είναι ένα σώμα. γ. Ενεργώ, Πειραματίζομαι Συγκέντρωσε τα παρακάτω υλικά και όργανα για την εκτέλεση σχετικού πειράματος. Υλικά / Όργανα: δύο θερμόμετρα οινοπνεύματος (με περιοχή τιμών από -10 0 C έως 120 0 C ), πυρίμαχο δοχείο (πυρέξ), νερό, ηλεκτρικό μάτι θέρμανσης, λεκάνη (μεγαλύτερη από το δοχείο) Πείραμα 01 Τοποθέτησε το πυρίμαχο δοχείο το οποίο περιέχει μικρή ποσότητα νερού επάνω στο ηλεκτρικό μάτι. Άναψε το μάτι, ώστε να αρχίσει να θερμαίνεται το νερό. Θέρμανε το νερό έως ότου η θερμοκρασία του φθάσει στους 70 ο C περίπου. Στη συνέχεια, τοποθέτησε το δοχείο με το ζεστό νερό μέσα στη λεκάνη η οποία περιέχει νερό της βρύσης Άρχισε να μετράς συγχρόνως ανά ένα λεπτό τις τιμές της θερμοκρασίας του θερμότερου νερού του δοχείου και του ψυχρότερου νερού της λεκάνης. Γράφε τις τιμές αυτές στις αντίστοιχες στήλες του παρακάτω πίνακα, ονομάζοντας θ1 τη θερμοκρασία του νερού του δοχείου και θ2 τη θερμοκρασία του νερού της λεκάνης. Συνέχισε να μετράς και να γράφεις, έως ότου οι δυο θερμοκρασίες σταθεροποιηθούν. [2]
χρόνος (λεπτά) θ1( ο C) θερμοκρασία του νερού του δοχείου θ2( ο C) θερμοκρασία του νερού της λεκάνης 0 70 13 1 65 14 2 60 15 3 56 15,5 4 52 16 5 49 16,5 6 46 17 7 43 17,5 8 40 18 9 38 18,2 10 36 18,4 11 34 18,6 12 32 18,8 χρόνος (λεπτά) θ1( ο C) θερμοκρασία του νερού του δοχείου θ2( ο C) θερμοκρασία του νερού της λεκάνης 13 30 19 14 29 19,1 15 28 19,2 16 27 19,3 17 26 19,4 18 25 19,5 19 24 19,6 20 23 19,7 21 22 19,8 22 21 19,9 23 20 20 24 20 20 Σημείωσε τις τιμές των μετρήσεών σου στο διάγραμμα «θερμοκρασίας χρόνου», χρησιμοποιώντας διαφορετικά σύμβολα, πχ. ο για τις τιμές των θερμοκρασιών του νερού του δοχείου και x για τις τιμές των θερμοκρασιών του νερού της λεκάνης. Σχεδίασε με τη βοήθεια του/της καθηγητή/τριάς σου μια καμπύλη για το καθένα [3]
[4]
Ποια είναι η εξέλιξη των θερμοκρασιών; Σύγκρινε μεταξύ τους τις δύο καμπύλες. Τι παρατηρείς; Παρατηρούμε ότι οι τιμές των θερμοκρασιών του θερμότερου αρχικά νερού του δοχείου ελαττώνεται (κόκκινη γραμμή) και η καμπύλη που τις απεικονίζει έχει καθοδική πορεία. Αντίθετα, οι τιμές των θερμοκρασιών του ψυχρότερου αρχικά νερού της λεκάνης αυξάνονται και η καμπύλη (πράσινη γραμμή) που τις απεικονίζει έχει ανοδική πορεία. Αυτό συμβαίνει μέχρι την χρονική στιγμή που οι θερμοκρασίες του νερού στο δοχείο και στη λεκάνη γίνουν ίσες, από το σημείο αυτό και μετά οι καμπύλες συμπίπτουν. Παρατηρούμε ότι μετά από 24 λεπτά οι θερμοκρασίες του δοχείου (70 0 C) και της λεκάνης (13 0 C) είναι ίσες (20 0 C ). δ. Συμπεραίνω, Καταγράφω Γράψε τα συμπεράσματά σου με βάση τις παρατηρήσεις σου. Τι ορίζεις ως "θερμική ισορροπία"; Από το πείραμα βγάζουμε τα εξής συμπεράσματα: 1. Η θερμότητα εκπέμπεται από σώματα υψηλής θερμοκρασίας σε σώματα χαμηλότερης θερμοκρασίας με το οποίο είναι σε επαφή. 2. Η θερμότητα απορροφάται σε σώματα χαμηλότερης θερμοκρασίας από σώματα υψηλής θερμοκρασίας με το οποίο είναι σε επαφή. 3. Τα σώματα που χάνουν θερμότητα «ψύχονται», τότε μειώνεται η θερμοκρασία, ενώ τά σώματα που παίρνουν θερμότητα «θερμαίνονται», τότε αυξάνεται η θερμοκρασία. 4. Τα σώματα που είναι σε επαφή με το πέρασμα του χρόνου αποκτούν την ίδια θερμοκρασία με το περιβάλλον στο οποίο βρίσκονται. Θερμική ισορροπία έχουμε αν δύο σώματα είναι σε θερμική επαφή, αποκτούν την ίδια θερμοκρασία και δεν μεταφέρεται πλέον θερμότητα από το ένα σώμα στο άλλο αλλά και ούτε προς το περιβάλλον. ε. Εφαρμόζω, Εξηγώ, Γενικεύω Εφάρμοσε τα συμπεράσματά σου και σε άλλες περιπτώσεις επανάληψης των παραπάνω φαινομένων στην καθημερινή ζωή. Συζήτησε με τους συμμαθητές σου. Φαινόμενα στην καθημερινή ζωή στα οποία μεταφέρεται θερμότητα από σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας σε σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας είναι τα παρακάτω: [5]
1) Καλοριφέρ μεταφέρεται θερμότητα από το σώμα του καλοριφέρ (υψηλή θερμοκρασία) στον αέρα που περιβάλλει το σώμα (χαμηλή θερμοκρασία). 2) μάτι κουζίνας μεταφέρεται θερμότητα από το μάτι (υψηλή θερμοκρασία) στο μαγειρικό σκεύος που έχει το φαγητό (χαμηλή θερμοκρασία. 3) ένα ποτήρι που έχει πάγο και το αφήνουμε πάνω στο τραπέζι μέσα στο πιό ζεστό δωμάτιο μετά από κάποια ώρα λιώνει ο πάγος. 4) ένα ποτήρι που έχει ζεστό ρόφημα σε λίγο κρυώνει. 5) όταν πιάνουμε με γυμνά χέρια παγάκια παγώνουμε δηλαδή κρυώνει το χέρι μας. Με τη βοήθεια του/της καθηγητή/τριάς σου και μελετώντας το παράρτημα, συζήτησε με τους συμμαθητές σου και εξήγησε την αύξηση ή μείωση της θερμοκρασίας των σωμάτων του μακρόκοσμου με τις κινήσεις των μορίων του μικρόκοσμου. Θερμική ενέργεια ονομάζουμε την κινητική ενέργεια των μορίων λόγω των συνεχών και τυχαίων κινήσεών τους. Όσο πιο έντονη είναι η κίνηση αυτών, τόσο πιο θερμό γίνεται το σώμα. Η κίνηση αυτή για να μεταβληθεί απαιτεί την είσοδο εξωτερικής ενέργειας, όπως η ηλιακή ενέργεια κ.λ.π. Συνεπώς θερμική ενέργεια διαθέτουν όλα τα σώματα είτε είναι ζεστά είτε κρύα. Πείραμα 02 Διάλεξε δυο όμοιους, λεπτούς και ψηλούς πυρίμαχους γυάλινους σωλήνες. Τύλιξε τον ένα σωλήνα με δύο ή τρεις στρώσεις πλαστικής αυτοκόλλητης ταινίας. Τοποθέτησε τους δύο σωλήνες σε στενό και ψηλό δοχείο. Θέρμανε νερό (πάνω από 60 0 C) και ρίξε ίση ποσότητα του θερμού νερού στους δύο σωλήνες. Τοποθέτησε θερμόμετρα και στους δύο σωλήνες και στερέωσέ τα με μανταλάκια (όπως στην εικόνα). Ρίξε μικρά κομμάτια πάγου στο δοχείο έως επάνω. [6]
Χρόνος (min) Θερμοκρασία σωλήνα με ταινία ( 0 C) Θερμοκρασία σωλήνα χωρίς ταινία ( 0 C) 0 60 60 1 56 54 2 52 49 3 49 45 4 46 41 5 43 38 6 41 35 7 39 32 8 37 30 9 35 28 10 33 26 11 31 25 12 29 24 13 28 23 14 27 22,5 Σταμάτα να μετράς όταν σταθεροποιηθούν οι τιμές. Άρχισε να μετράς τη θερμοκρασία του νερού και των δύο σωλήνων κάθε 1 min. Γράφε τις τιμές τους στον παρακάτω πίνακα. Χρόνος (min) Θερμοκρασία σωλήνα με ταινία ( 0 C) Θερμοκρασία σωλήνα χωρίς ταινία ( 0 C) 15 26 21 16 25 20,5 17 24 20 18 23,5 20 19 23 20 20 22,5 20 21 22 20 22 21,5 20 23 21 20 24 20,5 20 25 20 20 26 20 20 27 20 20 28 20 20 Σημείωσε τα ζευγάρια των τιμών θερμοκρασίας χρόνου στο παρακάτω διάγραμμα χρησιμοποιώντας για τα ζευγάρια των τιμών "χωρίς ταινία" το σύμβολο x, ενώ για τα ζευγάρια των τιμών "με ταινία" το σύμβολο ο. Σύρε δύο συνεχείς γραμμές ανάμεσα στα σύμβολα. Τη μία γραμμή ανάμεσα στα σύμβολα x και την άλλη γραμμή ανάμεσα στα σύμβολα ο. [7]
[8]
Παρατήρησε στο διάγραμμα τις δυο καμπύλες ψύξης που έχεις σχηματίσει. Σε ποια περιοχή τιμών (από 30 0 C έως 60 0 C) μειώνεται με πιο γρήγορους ρυθμούς η θερμοκρασία στην καμπύλη ψύξης του νερού στο σωλήνα χωρίς ταινία; Σε ποια περιοχή τιμών (από 25 0 C έως 60 0 C) μειώνεται με πιο γρήγορους ρυθμούς η θερμοκρασία στην καμπύλη ψύξης του νερού στο σωλήνα με ταινία; Σύγκρινε τους ρυθμούς μείωσης της θερμοκρασίας στο σωλήνα χωρίς ταινία και στο σωλήνα με ταινία. Ο ρυθμός μείωσης της θερμοκρασίας στο σωλήνα χωρίς ταινία είναι μεγαλύτερος από τον σωλήνα με ταινία. Στο συγκεκριμένο πείραμα, η θερμοκρασία του νερού φθάνει τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος (δηλαδή τη θερμοκρασία του δοχείου) πιο γρήγορα όταν υπάρχει ή όταν δεν υπάρχει ταινία στους σωλήνες; Η θερμοκρασία του νερού φθάνει τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος (δηλαδή τη θερμοκρασία του δοχείου) πιο γρήγορα όταν δεν υπάρχει ταινία στους σωλήνες. Ποιος είναι ο ρόλος της ταινίας στο σωλήνα; Η ταινία είναι μονωτική δηλαδή δεν επιτρέπει στην θερμότητα να μεταφέρεται γρήγορα από σώμα υψηλής θερμοκρασίας σε σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας Τι νομίζεις ότι θα παρατηρήσεις και θα συμπεράνεις αν κάνεις το ίδιο πείραμα ρίχνοντας στο δοχείο θερμό νερό, ενώ στους σωλήνες ψυχρό; Ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας στο σωλήνα χωρίς ταινία είναι μεγαλύτερος από τον σωλήνα με ταινία. Η θερμοκρασία του νερού φθάνει τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος (δηλαδή τη θερμοκρασία του δοχείου) πιο γρήγορα όταν δεν υπάρχει ταινία στους σωλήνες. [9]
Πότε συμπεραίνεις ότι ο ρυθμός μείωσης ή αύξησης της θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερος; Όταν οι διαφορές θερμοκρασίας ενός σώματος από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι μεγαλύτερες ή όταν είναι μικρότερες; Ο ρυθμός μείωσης ή αύξησης της θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερος όταν οι διαφορές θερμοκρασίας ενός σώματος από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι μεγαλύτερες. Εφάρμοσε τα συμπεράσματά σου και πρόβλεψε τι θα συμβεί σε ένα σπίτι χωρίς ιδιαίτερη μόνωση (προσομοιάζοντάς το με το σωλήνα χωρίς ταινία) και σε ένα σπίτι με θερμομόνωση στους τοίχους και διπλά τζάμια (προσομοιάζοντάς το με το σωλήνα με ταινία), όταν και τα δύο τα θερμάνεις στην ίδια θερμοκρασία. Όταν η θερμοκρασία μέσα στο σπίτι είναι πολύ υψηλή σε σχέση με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, τότε η ψύξη του σπιτιού όταν σταματήσει η θέρμανση γίνεται με γρηγορότερο ρυθμό ως προς το χρόνο, γιατί οι απώλειες της θερμότητας μέσα από τους τοίχους και τα τζάμια των παραθύρων γίνεται επίσης με γρηγορότερους ρυθμούς. Βέβαια, οι απώλειες θερμότητας καθυστερούν γενικά όταν υπάρχει θερμομόνωση στους τοίχους και διπλά τζάμια στα παράθυρα, αλλά ποτέ δεν μηδενίζονται. Σχολίασε τα παραπάνω συμπεράσματα και τις εφαρμογές τους στη θέρμανση των κατοικιών, λαμβάνοντας υπόψη ενεργειακούς, οικονομικούς και οικολογικούς παράγοντες, αλλά και το ότι οι θερμοκρασίες στις οποίες αισθανόμαστε ευεξία είναι αυτές που είναι κοντά στους 20 0 C. Η θέρμανση των σπιτιών, όπως και άλλων κτιρίων που ζουν ή εργάζονται άνθρωποι, πρέπει να γίνεται με γνώση και επιμέλεια. Η βέλτιστη θερμοκρασία για να ζει ο άνθρωπος και να αισθάνεται "ευεξία" είναι 20 o C. Γιατί λοιπόν να θερμαίνουμε τα σπίτια μας το χειμώνα πάνω από τους 20 o C; [10]