Φ.Ε.5 Από τη Θερμότητα στη Θερμοκρασία - Θερμική...

7
130 Μιχαήλ Π. Μιχαήλ Φυσικός ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ α. Παρατηρώ, Πληροφορούμαι, Ενδιαφέρομαι / έναυσμα ενδιαφέροντος 7. Με βάση τα παραπάνω, παρατήρησε τις εικόνες που ακολουθούν και είναι τοποθετημένες τυχαία και όχι κατά χρονολογική σειρά. Βρες ποια εικόνα προηγείται χρονολογικά, η Α ή η Β; Απάντηση: H εικόνα που προηγείται χρονολογικά, είναι η Β. Στην εικόνα Β, στο ποτήρι αριστερά υπάρχει νερό υψηλής θερμοκρασίας, αφού από την επιφάνειά του βγαίνουν υδρατμοί. Στο ποτήρι δεξιά, υπάρχει νερό και πάγος οπότε η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη. Τελικά με την πάροδο του χρόνου η θερμοκρασία στο ποτήρι αριστερά θα μειώνεται μέχρι να γίνει ίση με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος οπότε θα σταματήσει η παραγωγή υδρατμών, ενώ η θερμοκρασία στο ποτήρι δεξιά θα αυξάνεται μέχρι να λιώσει ο πάγος, και να υπάρξει θερμική ισορροπία με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Έτσι τα ποτήρια θα γίνουν όπως αυτά της εικόνας Α. β. Συζητώ, Αναρωτιέμαι, Υποθέτω 1. 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. Απάντηση: Η Θερμοκρασία και η Θερμότητα είναι δύο έννοιες διαφορετικές. Η θερμότητα είναι ενέργεια που ρέει πάντοτε από τα σώματα με υψηλότερη

Transcript of Φ.Ε.5 Από τη Θερμότητα στη Θερμοκρασία - Θερμική...

Page 1: Φ.Ε.5 Από τη Θερμότητα στη Θερμοκρασία - Θερμική Ισορροπία/ απαντήσεις του Μιχαήλ Π. Μιχαήλ

130 Μιχαήλ Π. Μιχαήλ

Φυσικός

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ

α. Παρατηρώ, Πληροφορούµαι, Ενδιαφέροµαι / έναυσµα

ενδιαφέροντος 7. Με βάση τα παραπάνω, παρατήρησε τις εικόνες που ακολουθούν και

είναι τοποθετηµένες τυχαία και όχι κατά χρονολογική σειρά. Βρες ποια εικόνα προηγείται χρονολογικά, η Α ή η Β; Απάντηση: H εικόνα που προηγείται χρονολογικά, είναι η Β. Στην εικόνα Β, στο ποτήρι αριστερά υπάρχει νερό υψηλής θερµοκρασίας, αφού από την επιφάνειά του βγαίνουν υδρατµοί. Στο ποτήρι δεξιά, υπάρχει νερό και πάγος οπότε η θερµοκρασία είναι χαµηλότερη. Τελικά µε την πάροδο του χρόνου η θερµοκρασία στο ποτήρι αριστερά θα µειώνεται µέχρι να γίνει ίση µε τη θερµοκρασία του περιβάλλοντος οπότε θα σταµατήσει η παραγωγή υδρατµών, ενώ η θερµοκρασία στο ποτήρι δεξιά θα αυξάνεται µέχρι να λιώσει ο πάγος, και να υπάρξει θερµική ισορροπία µε τη θερµοκρασία του περιβάλλοντος. Έτσι τα ποτήρια θα γίνουν όπως αυτά της εικόνας Α.

β. Συζητώ, Αναρωτιέµαι, Υποθέτω

1. 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. Απάντηση: Η Θερµοκρασία και η Θερµότητα είναι δύο έννοιες διαφορετικές. Η θερµότητα είναι ενέργεια που ρέει πάντοτε από τα σώµατα µε υψηλότερη

Page 2: Φ.Ε.5 Από τη Θερμότητα στη Θερμοκρασία - Θερμική Ισορροπία/ απαντήσεις του Μιχαήλ Π. Μιχαήλ

Μιχαήλ Π. Μιχαήλ

Φυσικός

131

θερµοκρασία προς τα σώµατα µε χαµηλότερη θερµοκρασία, ενώ η θερµοκρασία µάς δείχνει πόσο θερµό ή ψυχρό είναι ένα σώµα. Έτσι κατά τη ροή ή εκποµπή θερµότητας από το ποτήρι µε το θερµότερο νερό προς το ψυχρότερο περιβάλλον το νερό θα ψύχεται. Το αντίθετο συµβαίνει µε το ποτήρι που περιέχει το ψυχρό νερό. Θερµότητα (ενέργεια) µεταφέρεται σε αυτό από το περιβάλλον µε αποτέλεσµα το νερό να θερµαίνεται. Τελικά επέρχεται κατάσταση θερµικής ισορροπίας και οι θερµοκρασίες του νερού των δυο ποτηριών γίνονται ίσες µε τα θερµοκρασία του περιβάλλοντος τους οπότε σταµατάει οποιαδήποτε ροή ή ακτινοβολία θερµότητας. Σε αυτή την περίπτωση µπορούµε να θεωρήσουµε ότι το νερό στα δυο ποτήρια έχει την ίδια θερµοκρασία (και τα δυο έχουν αποκτήσει τη θερµοκρασία το κοινού τους περιβάλλοντος). Οπότε αν τα φέρουµε σε θερµική επαφή µεταξύ τους δε θα έχουµε καµία µεταφορά θερµότητας. Βέβαια η τελική θερµοκρασία θερµικής ισορροπίας θα έχει µια ενδιάµεση τιµή (µεταξύ της θερµοκρασίας του θερµού νερού µε υδρατµούς και της θερµοκρασίας του ψυχρού νερού µε πάγο). Αυτό προϋποθέτει και η θερµοκρασία του περιβάλλοντος να έχει κάποια ενδιάµεση τιµή.

γ. Ενεργώ, Πειραµατίζοµαι 7. Συγκέντρωσε τα παρακάτω υλικά και όργανα για την εκτέλεση σχετικού πειράµατος. Υλικά / Όργανα:

• ∆ύο θερµόµετρα οινοπνεύµατος (µε περιοχή τιµών από -10 0C έως 120 0C), • πυρίµαχο δοχείο (πυρέξ), • νερό, • ηλεκτρικό µάτι θέρµανσης, • λεκάνη (µεγαλύτερη από το δοχείο).

Πείραµα

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 0C περίπου.

Στη συνέχεια, τοποθέτησε το δοχείο µε το ζεστό νερό µέσα στη λεκάνη η οποία περιέχει νερό της βρύσης.

Page 3: Φ.Ε.5 Από τη Θερμότητα στη Θερμοκρασία - Θερμική Ισορροπία/ απαντήσεις του Μιχαήλ Π. Μιχαήλ

132 Μιχαήλ Π. Μιχαήλ

Φυσικός

Άρχισε να µετράς συγχρόνως ανά ένα λεπτό (1min) 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.

Σηµείωσε τις τιµές των µετρήσεών σου στο διάγραµµα «θερµοκρασίας – χρόνου», χρησιµοποιώντας διαφορετικά σύµβολα, πχ. 0 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.

Ποια είναι η εξέλιξη των θερµοκρασιών; Σύγκρινε µεταξύ τους τις δύο καµπύλες. Τι παρατηρείς;

Page 4: Φ.Ε.5 Από τη Θερμότητα στη Θερμοκρασία - Θερμική Ισορροπία/ απαντήσεις του Μιχαήλ Π. Μιχαήλ

Μιχαήλ Π. Μιχαήλ

Φυσικός

133

Απάντηση:

Παρακάτω έχουµε έναν πίνακα µε µερικές ενδεικτικές τιµές όπως αυτές αναγράφονται στο βιβλίο: Η Φυσική µε Πειράµατα Α’ Γυµνασίου Σηµείωµα / Οδηγίες για τον Εκπαιδευτικό και στον διαδικτυακό τόπο του Εργαστηρίου Φυσικών Επιστηµών και Τεχνολογίας του Πανεπιστηµίου Αθηνών:http://micro-kosmos.uoa.gr

Χρόνος (λεπτά)

θ1 ( 0C)

θ2 ( 0C)

1 67 23 2 61 26 3 55 29 4 50 32 5 47 34 6 45 35 7 44 36 8 43 36 9 42 36 10 42 36 11 41 36 12 41 37 13 41 37 14 40 37 15 40 37 16 40 37 17 40 38 18 40 38

και το αντίστοιχο διάγραµµα.

Page 5: Φ.Ε.5 Από τη Θερμότητα στη Θερμοκρασία - Θερμική Ισορροπία/ απαντήσεις του Μιχαήλ Π. Μιχαήλ

134 Μιχαήλ Π. Μιχαήλ

Φυσικός

Παρατηρούµε πως η θερµοκρασία του αρχικά θερµότερου νερού µειώνεται. Έτσι η καµπύλη που περιγράφει την ψύξη του νερού (πορεία. Αντίθετα, η θερµοκρασία του ψυχρότερου νερού αυξάνεται και η περιγράφει τη θέρµανση του νερού ( Τέλος παρατηρούµε πως από κάποια χρονική στιγµή και µετά οι θερµοκρασίες του νερού στα δυο δοχεία σταθεροποιούνται και γίνονται περίπου ίΤότε οι καµπύλες γίνονται οριζόντιες και παράλληλες µεταξύ τους. Στην πραγµατικότητα µετά από αρκετό χρόνο οι θερµοκρασίες στα δυο δοχεία θα συµπέσουν και οι δυο καµπύλες θα ταυτιστούν.

δ. Συµπεραίνω, Καταγράφω 8. Γράψε τα συµπεράσµατά σου µε βάση τις παρατηρήσεις ορίζεις ως "θερµική ισορροπία"; Απάντηση: Από το παραπάνω πείραµα συµπεραίνουµε πως, το θερµότερο νερό αποβάλλει θερµότητα προς το αρχικά ψυχρότερο περιβάλλον. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα το νερό να ψύχεται έως ότου επέλθει θερµική ισορροπία δηλαδήθερµοκρασία του γίνει ίση µε αυτή του περιβάλλοντος (θερµοκρασιακή ισότητα). Το αντίθετο συµβαίνει µε το ψυχρότερο νερό. Αυτό απορροφά θερµότητα από το περιβάλλον έως ότου επέλθει θερµική ισορροπία, δηλαδή µέχρις ότου η θερµοκρασία του γίνει επίσης ίση µε αυτή του περιβάλλοντος.

Φυσικός

Παρατηρούµε πως η θερµοκρασία του αρχικά θερµότερου νερού µειώνεται. Έτσι η καµπύλη που περιγράφει την ψύξη του νερού (καµπύλη ψύξης) έχει καθοδική

η θερµοκρασία του ψυχρότερου νερού αυξάνεται και η περιγράφει τη θέρµανση του νερού (καµπύλη θέρµανσης) έχει ανοδική πορεία.

Τέλος παρατηρούµε πως από κάποια χρονική στιγµή και µετά οι θερµοκρασίες του νερού στα δυο δοχεία σταθεροποιούνται και γίνονται περίπου ίσες µεταξύ τους.

ς γίνονται οριζόντιες και παράλληλες µεταξύ τους. Στην πραγµατικότητα µετά από αρκετό χρόνο οι θερµοκρασίες στα δυο δοχεία θα συµπέσουν και οι δυο καµπύλες θα ταυτιστούν.

Καταγράφω

Γράψε τα συµπεράσµατά σου µε βάση τις παρατηρήσεις "θερµική ισορροπία";

Από το παραπάνω πείραµα συµπεραίνουµε πως, το θερµότερο νερό αποβάλλει θερµότητα προς το αρχικά ψυχρότερο περιβάλλον. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα το νερό να ψύχεται έως ότου επέλθει θερµική ισορροπία δηλαδή µέχρις ότου η θερµοκρασία του γίνει ίση µε αυτή του περιβάλλοντος (θερµοκρασιακή ισότητα).

Το αντίθετο συµβαίνει µε το ψυχρότερο νερό. Αυτό απορροφά θερµότητα από το περιβάλλον έως ότου επέλθει θερµική ισορροπία, δηλαδή µέχρις ότου η

ι επίσης ίση µε αυτή του περιβάλλοντος.

Φυσικός

Παρατηρούµε πως η θερµοκρασία του αρχικά θερµότερου νερού µειώνεται. Έτσι η ) έχει καθοδική

η θερµοκρασία του ψυχρότερου νερού αυξάνεται και η καµπύλη που έχει ανοδική πορεία.

Τέλος παρατηρούµε πως από κάποια χρονική στιγµή και µετά οι θερµοκρασίες του µεταξύ τους.

Στην πραγµατικότητα µετά από αρκετό χρόνο οι θερµοκρασίες στα δυο δοχεία θα

Γράψε τα συµπεράσµατά σου µε βάση τις παρατηρήσεις σου. Τι

Από το παραπάνω πείραµα συµπεραίνουµε πως, το θερµότερο νερό αποβάλλει θερµότητα προς το αρχικά ψυχρότερο περιβάλλον. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα το

µέχρις ότου η θερµοκρασία του γίνει ίση µε αυτή του περιβάλλοντος (θερµοκρασιακή ισότητα).

Το αντίθετο συµβαίνει µε το ψυχρότερο νερό. Αυτό απορροφά θερµότητα από το περιβάλλον έως ότου επέλθει θερµική ισορροπία, δηλαδή µέχρις ότου η

Page 6: Φ.Ε.5 Από τη Θερμότητα στη Θερμοκρασία - Θερμική Ισορροπία/ απαντήσεις του Μιχαήλ Π. Μιχαήλ

Μιχαήλ Π. Μιχαήλ

Φυσικός

135

Τελικά συµπεραίνουµε πως το νερό κα στα δυο δοχεία αποκτά την ίδια θερµοκρασία. Άρα και µεταξύ τους τα δοχεία βρίσκονται πλέον σε θερµική ισορροπία.

Ε. Εφαρµόζω, Εξηγώ, Γενικεύω

5. Εφάρµοσε τα συµπεράσµατά σου και σε άλλες περιπτώσεις επανάληψης των παραπάνω φαινοµένων στην καθηµερινή ζωή. Συζήτησε µε τους συµµαθητές σου. Απάντηση:

Στην καθηµερινή ζωή παρατηρείται το φαινόµενο της θέρµανση; Και της ψύξης σε πολλά φαινόµενα. Έτσι για παράδειγµα µια ζεστή κούπα µε καφέ µετά από κάποιο χρονικό διάστηµα κρυώνει λόγω αποβολής θερµότητας προς το περιβάλλον και επέρχεται κατάσταση θερµικής ισορροπίας. Τελικά η θερµοκρασία του καφέ γίνεται ίση µε αυτή του περιβάλλοντος του.

Ακόµη τα παγάκια σε ένα ποτήρι µε πορτοκαλάδα σιγά- σιγά λιώνουν, καθώς µεταφέρεται θερµότητα από την πορτοκαλάδα προς αυτά. Αυτό βέβαια έχει ως αποτέλεσµα η πορτοκαλάδα να ψύχεται. Ακόµη το φαγητό ψήνεται στην κατσαρόλα, τα τρόφιµα ψύχονται στο θάλαµο του ψυγείου, το σώµα µας θερµαίνεται µε τη ροή του αίµατος. Επίσης µεταφέρεται µέσω ακτινοβολίας θερµότητα από το αναµµένο τζάκι στο δωµάτιο, από τον Ήλιο στη γη κλ.π. Τέλος είναι σηµαντικό να αναφέρουµε πως όλα τα σώµατα δεν θερµαίνονται ούτε ψύχονται το ίδιο αργά ή γρήγορα. Ακόµη η ψύξη και η θέρµανση γίνονται τόσο ταχύτερα όσο η διαφορά της θερµοκρασίας είναι µεγαλύτερη. 6. 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. Η συνεχής, άτακτη κίνηση και τυχαία κίνηση των δοµικών λίθων συνδέεται στενά µε τη θερµοκρασία ενός σώµατος.

Έτσι, όσο υψηλότερη είναι η θερµοκρασία µιας ποσότητας αερίου, τόσο ταχύτερα κατά µέσο όρο κινούνται τα µόριά του και τόσο µεγαλύτερη είναι η κινητική τους ενέργεια.

Γενικά όσο υψηλότερη είναι η θερµοκρασία ενός σώµατος, τόσο

µεγαλύτερη µέση κινητική ενέργεια έχουν οι δοµικοί του λίθοι λόγω της

άτακτης κίνησής τους.

Page 7: Φ.Ε.5 Από τη Θερμότητα στη Θερμοκρασία - Θερμική Ισορροπία/ απαντήσεις του Μιχαήλ Π. Μιχαήλ

136 Μιχαήλ Π. Μιχαήλ

Φυσικός

∆ηλαδή µπορούµε να πούµε ότι: Η θερµοκρασία ενός σώµατος αποτελεί µέτρο της µέσης κινητικής ενέργειας των µορίων του.

Γενικά µπορούµε να ισχυριστούµε ότι: Αύξηση της θερµικής ενέργειάς ενός σώµατος σηµαίνει και αύξηση της θερµοκρασίας του. Αντίστροφα εξηγούµε τη µείωση της θερµοκρασίας ενός σώµατος.

Όταν λοιπόν έρχονται σε επαφή δύο σώµατα διαφορετικών θερµοκρασιών, τα µόριά τους αλληλεπιδρούν µε τυχαίο τρόπο και έτσι µεταφέρεται ενέργεια από τα µόρια µεγαλύτερης κινητικής ενέργειας άρα και µεγαλύτερης θερµοκρασίας στα µόρια µικρότερης κινητικής ενέργειας άρα και µικρότερης θερµοκρασίας.

ΣΤ. Περισσότερα…

1.

Τέτοιες λανθασµένες αντιλήψεις, όπως αυτή του Ευπρόλαλου, υπάρχουν σε πολλούς ακόµη και σήµερα: "θερµότητα εκπέµπεται από θερµά σώµατα και µας ζεσταίνει" και "ψυχρότητα εκπέµπεται από ψυχρά σώµατα και µας κρυώνει". Τι νοµίζεις ότι µας ζεσταίνει και τι µας κρυώνει; Πώς; Συµπλήρωσε σωστά τις παρακάτω φράσεις: